摘要：污水处理工艺的选择直接关系到处理出水水质指标能否稳定可靠达到处理要求，运行管理是否简单、灵活，建设费用和运行费用是否节省，以及占地和能耗的高低、对周边环境影响。因此慎重选择污水处理工艺方案是污水处理厂成功与否和能效是否能得到充分发挥的关键。
关键词：乡镇；污水处理；工艺
引言
随着地区人口的增长、城镇规模的不断扩大和人们生活水平的提高，城镇污水排放总量将会不断增加，若不对污水进行有效处理，一方面，污染将会更加严重，威胁到居民生活饮用水水源的水质和人们的身心健康，而且将会影响到乡镇的发展。另一方面，不经有效地处理的污水如果直接排放，那么再经由地表径流汇入水体后，将对水体的水质造成重大的影响。因此，为了提高人们的生活质量，改善城镇环境，增强和扩大乡镇的吸引力和辐射力，促进社会经济、旅游事业的持续、健康地发展，使之成为一个社会文明、环境优美、经济繁荣的乡镇；保护水源水质和生态环境，促进当地社会、经济和旅游业的健康持续发展，因此需尽快建设乡镇污水工程。
1 工艺选择原则
污水处理工程的建设和运行不但耗资较大，而且受多种因素的制约和影响。因此，有必要根据确定的标准和一般原则，从整体优化的观念出发，结合设计规模、污水处理工程进出水水质及当地的实际条件和要求选择切实可行、经济合理的处理工艺方案，经全面技术经济比较优选出最佳的工艺方案和实施方式。污水处理工艺方案的确定，将遵循以下原则：
1）应充分考虑污水处理厂的主要处理对象为典型生活污水，处理工艺满足污水处理要求；
2）根据收集区域污水水质与水量，收纳水体的环境容量和国家、省市的有关规定，选择稳定、可靠的处理工艺；
3）要求选择处理工艺占地小
4）经技术经济比较，优先采用技术先进、经济合理、稳妥可靠的工艺技术，既确保污水达标排放，又尽量降低建设投资和运行成本；
5）选择的处理工艺应确保出水水质满足国家和地方现行的有关规定，符合环境影响评价报告的要求；
6）对工程系统进行深入的分析比较，选用效果较好、投资省、能耗低、占地少、操作管理方便、技术成熟的处理工艺，为工程建成后的运行管理提供可靠地依据；
7）处理工艺需方便未来水质提标，为将来提标做一定准备。
2 预处理工艺选择
2.1 格栅
格栅是污水处理厂第一道预处理设施，其功能是拦截污水中的漂浮和悬浮固形物，以保证后续处理设施顺利运行。按清渣方式，格栅可分为人工清渣格栅和机械清渣格栅两种。
由于乡镇污水量较小，格栅选型一般采用人工清渣格栅。
2.2 沉砂池
沉砂池的功能是去除污水中比重较大的无机颗粒。按污水在池中的流态，沉砂池类型主要有平流沉砂池、竖流沉砂池、曝气沉砂池、旋流沉砂池等。
平流式沉砂池是常用的形式，沉砂池的主体部分，实际是一个加宽、加深了的明渠，由入流渠、沉砂区、出流渠、沉砂斗等部分组成。因构造简单、除砂效果好，已成为我国城镇污水处理厂沉砂池的主要类型。
竖流沉砂池污水自上而下有中心管进入池内，无机物颗粒剂重力沉与池底，除砂效率较差，因而在国内外污水处理厂中很少采用。
粗曝气沉砂池应用比较广泛，通过池中一侧的空气管控制曝气，使污水形成具有一定速度的螺旋形滚动（垂直于水流方向），具有稳定的除砂效果。同时对污水起预曝气作用。为保证除磷效果，按生物除磷设计的污水处理厂，一般不采用曝气沉砂池。
旋流沉砂池是利用水力涡流除砂，污水从沉砂池切向流入，回旋270°或360°出流，粒径在0.20毫米以上的颗粒沉砂去除率达85%，砂粒含水率低于60%。池体主要由分选区、集砂区两部分构成，其构造特点是在两个分区之间采用斜坡连接。其排砂方式有两种形式：一种是靠砂泵排砂，其优势在于设备少、操作简便，但砂泵的磨损问题越来越受到用户的关注；另一种是气提排砂，其优势在于系统可靠、耐用，气提之前可先进行气洗，将砂粒上的有机物分离出来，但设备相对较多。
考虑到乡镇污水处理规模较小，管理维护要求较低，结合出水水质要求，一般采用平流式沉砂池除砂。
3 生物处理工艺选择
3.1 AAO/MBR工艺
AAO/MBR工艺是目前应用较广的一种高效脱氮除磷工艺，主要由生物部分AAO工艺和MBR膜组件组成，其典型工艺流程见下图。
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图1 AAO/MBR工艺流程图
3.1.1 AAO工艺：
AAO工艺是一种典型的除磷脱氮工艺，其生物反应由ANAEROBIC（厌氧）、ANOXIC（缺氧）和OXIC（好氧）三段组成。这是一种推流式的前置反硝化型BNR工艺，其特点是厌氧、缺氧和好氧三段功能明确，界线分明，可根据进水条件和出水要求，人为地创造和控制三段的时空比例和运转条件，只要碳源充足（TKN/COD≤0.08或BOD/TKN≥4）便可根据需要达到比较高脱氮率。
3.1.2 AAO工艺的特点如下：
① TN的去除率可达到60%～70%，TP的去除率为70%～80%。
② 反应池内要分成多格，以有效地维持厌氧、缺氧和好氧状态。
③ 要设置硝化液回流泵。
④ 由于回流污泥中的硝化液进入厌氧段，造成脱氮菌和聚磷菌对碳源的竞争，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响。
⑤ 污泥龄的取值要兼顾脱氮长泥龄和除磷短泥龄的矛盾，即要平衡脱氮效果和除磷效果，污泥龄一般取10~13 天。
3.1.3 MBR膜组件
MBR 工艺用膜组件代替AAO工艺中的二沉池，大大提高了系统固液分离的能力。因此活性污泥浓度可以大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应和降解。与传统二沉池相比，膜生物反应器技术在的优势如下：
① 对污染物的去除率高，抵抗污泥膨胀能力强，出水水质稳定可靠，出水中没有悬浮物；
② 膜生物反应器实现了反应器污泥龄SRT和水力停留时间HRT的彻底分离，设计、操作大大简化；
③ 膜的机械截流作用避免了微生物的流失，生物反应器内可保持高的污泥浓度，从而能降低污泥负荷，且MBR工艺略去了二沉池，大大减少占地面积；
④ 由于SRT很长，生物反应器又起到了“污泥消化池”的作用，从而显著减少污泥产量，剩余污泥产量少，污泥处理费用低；
⑤ 由于膜的截流作用使SRT延长，营造了有利于增殖缓慢的微生物生长的环境。这有利于硝化细菌的生长，提高了系统的硝化能力；同时有利于提高难降解大分子有机物的处理效率和促使其彻底的分解；
⑥ MBR曝气池的活性污泥不因产水而流失，系统出水稳定、耐冲击负荷；
⑦ 较大的水力循环导致了污水的均匀混合，因而使活性污泥有很好的分散性，大大提高活性污泥的比表面积，这是普通生化法水处理技术形成较大的菌胶团所难以相比的；
⑧ 膜生物反应器易于一体化，易于实现自动控制，操作管理方便；
3.2 AAO+砂滤工艺
该工艺典型的污水处理工艺流程图如下。
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图2 AAO+砂滤工艺流程图
生物段主要有AAO工艺和二沉池组成，活性砂滤池主要是去除污水中的SS。
3.2.1 AAO工艺
由AAO/MBR可知AAO工艺具有以下优点。
① TN的去除率可达到60%～70%，TP的去除率为70%～80%。
② 反应池内要分成多格，以有效地维持厌氧、缺氧和好氧状态。
③ 要设置硝化液回流泵。
④ 由于回流污泥中的硝化液进入厌氧段，造成脱氮菌和聚磷菌对碳源的竞争，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响。
⑤ 污泥龄的取值要兼顾脱氮长泥龄和除磷短泥龄的矛盾，即要平衡脱氮效果和除磷效果，污泥龄一般取10~13 天。
AAO生物池出水中投加絮凝剂，以进一步提高除磷效率。通过以下两个过程，把污水中的磷转入污泥中：（1）混凝，混凝指的是胶体颗粒脱稳，方便凝结的过程，主要通过往水中投加混凝剂实现，混凝剂在快速混合池中通过管道混合器进行水力扩散；（2）絮凝，到了絮凝阶段，脱稳后的颗粒将集聚起来形成矾花， 通过二沉池的泥水分离，实现高效除磷。
3.2.1 活性砂滤池
二沉池出水进入机械过滤器，主要去除ss以及一部分难降解污染物。机械过滤器是一种去除悬浮固体的过滤装置，也是近些年发展起来的一种新型的过滤技术。装置由设备主体模块、核心过滤模块、反冲洗系统、驱动系统、自控系统组成，滚筒上装有可方便拆卸的滤网。
设备为连续过滤，设备内部设有自动启闭开关，当滚筒有水进入时，液位传感器将发出信号，启动减速驱动系统驱动滚筒转动，同时启动反冲洗泵。污水流入空心滚筒内，滚筒上为高强度不锈钢滤网。污水由滤网内侧向外侧流出，污水水中的悬浮物被截留在滤网内侧。冲洗水通过位于滚筒顶部的喷头由滤网外侧向内侧对滤网进行冲洗，冲洗下来的细小颗粒物质由设备内部的反冲洗水收集槽收集，并通过排污管排出设备。当无水通过设备时，设备将自动停止。
该设备滤网由316L不锈钢材质制作，无毒、无污染、无须化学清洗，使用寿命不低于10年。滤网由316L不锈钢通过纤维化技术编织而成，再以先进的点焊技术无缝焊接固定在不锈钢细筋上。不锈钢滤网相比其他材质的滤布有不易挂膜的特点，避免了酸洗的可能。同时整个装置设有密封罩盖，运行过程中不具备光合作用的条件，从而防止藻类的滋生，保证了出水的效果。滤网更换方便，采用不锈钢滤网，滤网的过滤孔径10~200µm，可根据出水的要求选择不同的孔径。从而保证了出水水质及出水稳定性。 耐冲击负荷强。设备在进水SS不高于40mg/L情况下，可正常运行。过滤可连续运行，反冲洗的同时可连续过滤。水头损失小，不超过0.3m。运行能耗低，主驱动电机和反冲洗水泵电机功率小，且间歇运行。运行费用约为0.002元/吨水。运行全自动化控制，过滤、反冲洗等全由程序控制，并设有多重保护，日常不需专人操作管理，占地面积小。
3.3 A/O生物接触氧化+砂滤工艺
该工艺典型的污水处理工艺流程图如下。
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图3 A/O生物接触氧化+砂滤工艺流程图
该工艺生物段有A/O生物接触氧化工艺和二沉池段组成。后续活性砂滤池也是去除污水中的 SS。
3.3.1 A/O生物接触氧化工艺
A/O生物接触氧化由A级和O级池组成。A级池不仅具有一定的有机物去除功能，减轻后续 O级生化池的有机负荷，以利于硝化作用进行，而且依靠污水中的高浓度有机物，完成反硝化作用，最终消除氮的富营养化污染。经过A级池的生化作用，污水中仍有一定量的有机物和较高的氮氨存在，为使有机物进一步氧化分解，同时在碳化作用趋于完全的情况下，硝化作用能顺利进行，特设置O级生化池。O级生化池的处理依靠自养型细菌（硝化菌）完成，它们利用有机物分解产生的无机碳源或空气中的二氧化碳作为营养源，将污水中的氨氮转化为NO2-N、NO3-N。在A级和O级生化池中均安装有填料，整个生化处理过程依赖于附着在填料上的多种微生物来完成的。在A级池内溶解氧控制在0.5mg/l左右；在O级生化池内溶解氧控制在3mg/l以上。O级池出水一部分回流至A级生化池进行内循环，以达到反硝化的目的，另一部分进入沉淀池进行沉淀，进行固液分离。分离后的出水进入出水消毒池，消毒池内的废水经二氧化氯消毒处理后达标排放。
和其他生物处理工艺相比，A/O接触氧化法具有以下优、缺点：
① BOD容积负荷高，污泥生物量大，相对而言处理效率较高，而且对进水冲击负荷（水力冲击负荷及有机浓度冲击负荷）的适应力强。
② 处理时间短。因此在处理水量相同的条件下，所需装置的设备较小， 因而占地面积小。
③ 维护管理方便，不需要回流污泥。由于微生物是附着在填料上形成生物膜，生物膜的剥落与增长可以自动保持平衡，所以无需回流污泥，运转十分方便。
④ 虽然生物接触氧化具有以上优点，但是该工艺对填料的要求较高。在A/O生物接触氧化池出水投加絮凝剂，通过混凝和絮凝，把污水中的磷转入污泥中，以进一步提高除磷效率，实现高效除磷。
3.3.2 活性砂滤池
二沉池出水进入机械过滤器，主要去除ss以及一部分难降解污染物。机械过滤器工艺原理与优缺点的介绍同AAO+砂滤工艺。
3.4 改良 AAO+滤布滤池工艺
3.4.1 改良 AAO 工艺
为了解决 AAO工艺由于厌氧区居前，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响，改良 AAO工艺在厌氧池前增设厌氧/缺氧调节选择池。来自二沉池的回流污泥和10~20%左右的进水进入调节池选择池，停留时间为20~30min，微生物利用月10~20%进水中的有机物去除回流硝态氮，消除硝态氮对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性。其具有以下特点：
① 脱氮除磷效率高，TN与TP的去除率可分别达到60%～70%与70%～ 80%。
② 反应池内要分成多格，以有效地维持厌氧、缺氧和好氧状态。
③ 消除了硝态氮对厌氧微生物的影响。
④ 增加了调节池，占地面积及土建费用增加了。
3.4.2 滤布滤料
（1）滤布滤池的运行状态包括：过滤状态、反冲洗状态、排泥状态。
① 过滤状态：
污水重力流入过滤器内，内设布水堰。滤布采用完全浸没的方式，污水由滤布外侧进入，过滤液通过六方型中空管收集，通过出水堰排出，整个过程为连续。
② 反冲洗状态：
过滤过程中部分污泥吸附于滤布外侧，逐渐形成污泥层。随着滤布上污泥的积聚，滤布过滤阻力增加，滤池内水位逐渐升高。通过压力传感器监测滤池内液位变化，当液位到达反冲洗设定值（高水位）时，PLC即可启动反抽吸泵，开始清洗过程。反冲洗时，滤盘连续过滤。
过滤期间，过滤转盘处于静态，有利于污泥的沉积。反冲洗期间，过滤转盘以1转/2 分钟的速度旋转。抽吸泵负压抽吸滤布表面，吸除滤布上积聚的污泥颗粒，过滤转盘内的水自内向外被同时抽吸，并对滤布起清洗作用。瞬时冲洗面积仅占全过滤转盘面积的1%左右。反冲洗过程为间歇。
正常反冲洗时，2个过滤转盘为一组，通过自动切换抽吸泵管道上的电动阀控制，纤维转盘滤池一个完整的清洗过程中各组的清洗交替进行，其间抽吸泵的工作是连续的。每次清洗间隔时间在60-90分之间，每次清洗大约需要7分钟。
当进水水质突然恶化，当清洗间隔小于15分钟时（可根据水质的情况设定），系统自动进行强制反冲洗，同时对两组（4个）滤盘进行反洗，直至系统恢复正常。
③ 排泥状态：
纤维转盘滤池的过滤转盘下设有斗形池底，有利于池底污泥的收集。污泥回流井底沉积减少了滤布上的污泥量，可延长过滤时间，减少反洗水量。经过一设定的时间段，PLC启动排泥泵，通过槽底穿孔排泥管将污泥回流至厂区预处理排水系统。其中，排泥间隔时间及排泥历时可予以调整。
（2）滤布滤池工艺特点
① 采用新型纳米纤维材质，疏油特性，杂质不易粘附，滤布更易清洗，衰减量小，通量更大。
② 出水水质更稳定。
③ 设计新颖，耐负荷冲击。
④ 连续过滤式反冲洗。自动化控制，运行维护简便。
⑤ 占地面积小，土建工程量少，建设周期短。
改良 AAO 工艺二沉池出水上设置静态管式混合器。在运行时，向管式混合器中投加絮凝剂，通过混凝和絮凝以及滤布滤池的过滤，实现污水的达标排放。
4 生物处理工艺的确定
通过上述的分析、论述，下面以600吨/天处理规模为例，从处理效果、出水水质、污泥量稳定性、操作管理、工程投资、运行电耗、供氧利用率、操作管理等方面对该四种生物处理工艺进行综合比较，最终确定乡镇污水处理的生物处理工艺。
表1 各工艺方案综合技术经济比较表
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综上所述，以上四种工艺都有各自的优点、特点、使用条件和不足之处，能实现长期乡镇污水处理厂出水达到一级A。由上表分析可知，AAO/MBR工艺在总投资小、占地少、处理效果好、构筑物复杂度和对管理的要求等方面均优于其他三种工艺。由于本目前对污水处理出水水质要求较高，乡镇污水处理工程规模小，用地紧张，因此，推荐采用 AAO/MBR处理工艺。
5 消毒工艺的选择
根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的规定，污水处理厂出水粪大肠菌群数不得超过104个/L，为了有效地防止水媒性传染病对人们的危害，降低水源的总大肠菌群数，对污水处理厂出水进行消毒是十分必要的。
5.1 消毒工艺概述
常用的消毒方法有加氯法、氧化法和紫外线消毒法等。
5.1.1 加氯法
加氯法主要是投加液氯或氯化合物。投加液氯是迄今为止最常用的方法，其特点是成本低、工艺成熟、效果稳定可靠。由于加氯法一般要求不少于30min的接触时间，接触池容积较大；氯气是剧毒危险品，存储氯气的钢瓶属高压容器，有潜在威胁，需要按安全规定兴建氯库和加氯间；液氯消毒将生成有害的有机氯化物，以往污水液氯消毒往往是应急措施，只是季节性或疫病流行时使用。
含氯化合物包括次氯酸钠、漂白粉和二氧化氯等。其特点与液氯相似，但危险性小，对环境影响较小，但使用不便，运行成本较高，因此采用较少。
5.1.2 氧化法
氧化剂效果最好的是臭氧。臭氧消毒杀菌彻底可靠，危险性较小，对环境基本上无副作用，接触时间比加氯法小。缺点是基建投资大，运行成本高，只有发达国家的少数污水处理厂采用此法消毒。
5.1.3 紫外线消毒法
紫外线是近十多年来发展得最快的一种消毒方法。在一些国家，紫外线有逐步取代加氯消毒、成为污水处理厂主要消毒方式的趋势。
紫外线消毒的主要优点是灭菌效率高，作用时间短，危险性小，无二次污染等。其消毒在消毒渠内完成，不需建造较大的接触池，因此占地面积和土建费用大大减少。缺点是设备投资高，灯管寿命短，运行费用高，管理维修麻烦，抗悬浮固体干扰的能力差，对水中SS浓度有严格要求。近年来，国内已有不少新建污水处理厂采用了紫外线消毒。
几种消毒技术的优缺点比较详见表2，各种消毒剂的性能比较详见表3。
表2 各种消毒技术的比较表
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表3 消毒剂性能比较表
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5.2 消毒工艺选择
以上介绍的多种方法都可以达到消毒的目的。臭氧和二氧化氯的运行成本较高，城市污水处理厂很少采用。以往国内外污水厂均以液氯消毒为主，但由于其不安全，已逐步淘汰，近年来有较多污水处理厂采用了紫外线消毒。紫外线消毒法不产生消毒副产物，具有高效、安全、环保、经济的特点。
综上所述，乡镇污水处理工艺中出水消毒工艺一般采用紫外线消毒法。
结语
本文概括分析对比了污水预处理工艺，污水生物处理工艺，消毒工艺的优缺点，根据对比结果预处理采用人工清碴格栅，生物处理采用 AAO/MBR处理工艺，消毒采用紫外线消毒法，比较适合乡镇污水处理。“AAO/MBR+紫外消毒工艺”，辅助同步化学除磷，在工艺正常运行情况下可确保出水各参数达一级 A 标；同时，在实际运行过程中，应加强管理，确保工艺正常稳定运行。
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论文作者:赵海
论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第1期
论文发表时间:2020/3/27
标签：工艺论文; 污泥论文; 污水处理论文; 污水论文; 滤池论文; 生物论文; 水质论文; 《建筑模拟》2020年第1期论文;