近年來，國家大力推行“碳達峰”“碳中和”，旨在推動社會主義生態(tài)文明建設(shè)提升并對全球氣候改善做出相應(yīng)貢獻。在城市水環(huán)境和水生態(tài)的建設(shè)方面，積極響應(yīng)國家“降碳”方針，對現(xiàn)有污水再生處理廠進一步提標(biāo)改造，再生水作為生態(tài)補水回灌北方城市季節(jié)性河道水系，減輕再生水對河道生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險。排水系統(tǒng)具有廣闊的減碳空間，污水再生處理廠作為排水系統(tǒng)降碳關(guān)鍵突破點，減碳技術(shù)包括：

（1）降低CH₄、N₂O等溫室氣體的直接碳排放類技術(shù)；

（2）通過降低電耗、熱耗、藥耗等間接碳排放類技術(shù)；

（3）尾水、污泥等資源化利用的碳替代類技術(shù)等。

本文以Q市某污水再生處理廠提標(biāo)改造過程中，降低電耗、藥耗等為例，開展設(shè)計與運行相關(guān)降碳技術(shù)路徑的研究。在不增加占地、工藝單元、電耗的情況下，通過強化調(diào)節(jié)池的水解酸化功能作為脫氮除磷生化系統(tǒng)預(yù)處理工藝，原位開發(fā)內(nèi)碳源，SCODCr平均有效提高63.5%，節(jié)省外碳源投加量42.5%~55.4%；通過復(fù)合鐵酶促活性污泥技術(shù)耦合AAO＋MBR工藝運行，強化系統(tǒng)脫氮除磷效果，節(jié)省鐵鹽（FeCl₃）平均投加量約為60%以上；較大幅度節(jié)省外加碳源、鐵鹽等藥耗，污水再生處理系統(tǒng)出水除TN外其他指標(biāo)穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，有效實現(xiàn)降碳的目的；同時工程改造優(yōu)化粗細(xì)格柵縫隙設(shè)置提高SS攔截效率，控制源頭動植物油脂排放以及運行過程中鐵鹽過量投加，有效降低超濾膜污堵，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

1 改造前概況

Q市某污水再生處理廠設(shè)計規(guī)模為6 000 m³/d，采用AAO+MBR處理工藝，出水水質(zhì)需滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)的再生水回用于園區(qū)的綠化灌溉和南側(cè)河道上游的生態(tài)補水。為充分發(fā)揮項目效益，水量充足滿負(fù)荷運行，在原服務(wù)范圍之外市政污水主干管上截流污水，再通過一體化泵站轉(zhuǎn)輸至廠區(qū)進水井一并處理，但是此后該廠運行開始出現(xiàn)膜堵塞、脫氮除磷效果變差等問題，處于存在出水不達標(biāo)的非正常運行狀態(tài)。

1.1 改造前設(shè)計進出水水質(zhì)

本工程設(shè)計進出水水質(zhì)如表1所示，實際運行過程中各項指標(biāo)均能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 污水處理工藝及流程

污水采用“粗格柵+細(xì)格柵+旋流沉砂池+提升泵房+調(diào)節(jié)池+超細(xì)格柵+AAO生化池+MBR池+清水池”處理工藝；污泥采用“儲泥池和離心濃縮脫水機”處理工藝；臭氣采用“全過程除臭+生物除臭濾池+高能等離子除臭”處理工藝。污水處理工藝處理流程如圖1所示。

1.3 主要構(gòu)筑物設(shè)計

主要構(gòu)筑物采用窯洞式半地下組合布置，沿北側(cè)大道頂部覆土建設(shè)成景觀帶，建成環(huán)境優(yōu)美的景觀節(jié)點，沿南側(cè)河道面設(shè)置進出通道，中間層為操作層，下部為水池。廠區(qū)占地面積為5 770 m²，分為預(yù)處理區(qū)、主體處理區(qū)、附屬區(qū)。預(yù)處理單元包括粗格柵、細(xì)格柵、旋流沉砂池、進水提升泵房。主體處理單元包括調(diào)節(jié)池、精細(xì)格柵、AAO生化池、MBR膜池及膜池配套設(shè)備、清水池、儲泥池及脫水機房、鼓風(fēng)機房、加藥間。其中調(diào)節(jié)池有效調(diào)節(jié)容積為2 000 m³，停留時間為8.0 h；AAO反應(yīng)池有效容積為3 375 m³，有效水深為6.0 m，總水力停留時間（HRT）為13.7 h，容積負(fù)荷為0.64 kg BOD5/(m³·d)，設(shè)計混合液MLSS為8 g/L，泥齡為19.3 d；MBR池-好氧區(qū)回流比為300%~500%，好氧區(qū)-缺氧區(qū)回流比為200%~400%，缺氧區(qū)-厭氧區(qū)回流比為100%~200%；膜池共2格，MBR采用膜孔徑為0.2 μm的中空纖維膜，平均通量為15.12 L/(h·m2)；采用FeCl₃作為化學(xué)除磷藥劑，設(shè)計最大投加量為40 mg/L；采用乙酸鈉作為反硝化脫氮碳源，設(shè)計最大投加量為60 mg/L。

1.4 原設(shè)計經(jīng)濟指標(biāo)

項目總投資為7 018萬元，其中建安費為5 753萬元。單位污水處理經(jīng)營成本為3.8元/m³，其中電費為0.78元/m³ (電耗為1.26 kW·h/m³)、藥劑費用為0.48元/m³。

1.5 原設(shè)計特點

（1）針對匯水區(qū)域白天排水量大、晚上量小的特點，前段設(shè)調(diào)節(jié)池1座，調(diào)節(jié)進水水量波動、均衡水質(zhì)，應(yīng)對沖擊影響。

（2）采用AAO＋MBR為主體工藝，具有占地省、出水水質(zhì)好等特點，并將處理設(shè)施集成組合布置，節(jié)約占地和工程投資。

（3）廠區(qū)受占地限制和周邊景觀要求，污水再生凈化廠整體設(shè)計成窯洞半地下式，頂部與北側(cè)覆土建設(shè)成山頭綠化景觀公園，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，廠區(qū)南側(cè)布置廠區(qū)進出通道，滿足正常運維管理。

（4）生產(chǎn)的再生水就近回用于園區(qū)內(nèi)沖廁、綠化灌溉、澆灑以及河道補水，實現(xiàn)污水就地收集處理、循環(huán)再利用。

2 提標(biāo)改造設(shè)計

2.1 改造目標(biāo)與要求

根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護部門的最新要求，排往附近海灣流域河道的污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)提升為主要指標(biāo)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（TN除外），設(shè)計進出水水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

2.2 存在的問題與難點分析

2.2.1 現(xiàn)狀存在問題

（1）該項目服務(wù)的匯水區(qū)域內(nèi)有2座近萬人的高校，學(xué)校食堂的餐廚污水中動植物油含量高，而且食堂污水出口的隔油池缺失或年久失修，大量動植物油進入污水再生凈化系統(tǒng)，部分油脂黏附在超濾膜表面，形成膜污染堵塞膜表面，降低膜通量。

（2）廠外新增設(shè)一體化泵站，為了運行維護管理簡便采用粉碎式格柵，該類格柵極易導(dǎo)致柵渣細(xì)碎化，現(xiàn)有粗細(xì)格柵（柵縫分別為15、5 mm）攔截柵渣效率低下，造成后續(xù)精細(xì)格柵堵塞或溢流，以及柵渣穿透進入生化池及MBR工藝池的情況嚴(yán)重，超濾膜表面黏附大量的柵渣和淤泥，導(dǎo)致超濾膜堵塞、處理能力降低至3 000 m³/d以下，直接影響正常生產(chǎn)運行。

2.2.2 提標(biāo)難點

（1）現(xiàn)有系統(tǒng)缺氧段的HRT為4 h，比正常的AAO+MBR工藝缺氧段（4.5~6 h）短，脫氮時間明顯不足。另外，同類項目提標(biāo)一般需增設(shè)深度處理單元，由于本項目設(shè)計占地緊張，廠內(nèi)無多余用地，也無法從周邊新增征地，原窯洞半地下式箱體無法做大規(guī)模改造增設(shè)工藝單體。因此，提標(biāo)改造無法增加新的處理工藝單體，同時受周邊環(huán)境的影響，只能對現(xiàn)有設(shè)施改造挖潛。

（2）為防止發(fā)生MBR池污泥沉淀和減緩膜堵塞等問題，在MBR池設(shè)置鼓風(fēng)吹掃設(shè)施，以致污泥回流的DO質(zhì)量濃度在8.0 mg/L以上，AAO生化池缺氧段的實際DO質(zhì)量濃度偏高（0.5~1.7 mg/L），生物除磷效果較差，難以達到設(shè)計要求。因此，向生化池投加過量的鐵鹽進行化學(xué)除磷，最大投加量達40 mg/L，以致生化系統(tǒng)活性污泥以及黏附在膜表面呈黃褐色的柵渣含大量積存的Fe3+，過量Fe3+容易對超濾膜造成污堵，降低膜通量。

2.3 解決思路與改造、運行措施

2.3.1 現(xiàn)狀問題解決措施

（1）協(xié)調(diào)匯水區(qū)域內(nèi)兩所高校，在其餐廳污水出口增設(shè)或改造隔油池，并要求定期清掏，防止餐廚動植物油脂大量進入污水再生凈化系統(tǒng)，以減輕油脂對超濾膜的污染。

（2）對預(yù)處理段進行工藝改造。鑒于廠外轉(zhuǎn)輸一體化化泵站無人值守運維要求，不適宜改造，對廠內(nèi)格柵系統(tǒng)進行改造，拆除現(xiàn)有2套柵縫為15 mm的粗格柵，將現(xiàn)有2套柵縫為5 mm的細(xì)格柵移至粗格柵處，細(xì)格柵處新增2套柵縫為2 mm的階梯式格柵，以期達到有效去除細(xì)碎柵渣的目的，緩解細(xì)柵渣對超濾膜污染及堵塞。

2.3.2 提標(biāo)改造措施

（1）園區(qū)展會期間原調(diào)節(jié)池的功能為水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)均化，現(xiàn)在通過一體化泵站從周邊市政管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸市政污水，其水量波動相對穩(wěn)定。因此，調(diào)節(jié)池的水量調(diào)節(jié)功能弱化，充分利用近8.0 h的停留時間，在原設(shè)置的水下攪拌器的作用下充分混合，賦予調(diào)節(jié)池水解酸化功能，并作為主要功能。原位生物吸附和水解酸化作為生化處理的預(yù)處理，將固態(tài)顆粒狀、大分子、難降解、難被微生物吸收以及處理溶解較慢但可生物降解的有機物，分解成小分子容易吸收降解的有機物，能夠有效促進反硝化的進行?？梢詼p少外碳源投加，而且可以改善AAO+MBR生化系統(tǒng)因污泥回流DO高而造成厭氧段DO偏高、厭氧環(huán)境差的狀態(tài)，提高生物除磷的效果。同時，設(shè)置20%剩余污泥回流入調(diào)節(jié)池備用設(shè)施，以備試運行和水解酸化系統(tǒng)虧泥等不正常狀態(tài)下使用。

（2）原設(shè)計AAO＋MBR工藝需投加鐵鹽絮凝化學(xué)除磷，但過量投加時，絮凝劑包裹架橋作用粒子表面吸附活性點，吸附架橋作用變?nèi)?。適量的絮凝劑能夠通過吸附電中和作用降低污泥體系內(nèi)部的排斥力，通過吸附架橋作用增大污泥的粒徑，而過量的絮凝劑投加將會對污泥體系產(chǎn)生相反的效果。另外，相對大分子質(zhì)量的糖和蛋白質(zhì)在絮凝劑的作用下與污泥絮體結(jié)合，胞外聚合物（EPS）的比污泥質(zhì)量濃度有所增高。同時，鐵鹽水解釋放H+，可降低溶液中的pH，促使微生物產(chǎn)生EPS以適應(yīng)不利的環(huán)境。EPS產(chǎn)量增多將會加速膜污染的速率。

鑒于復(fù)合鐵酶促活性污泥技術(shù)可強化活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷的去除能力，充分發(fā)揮微生物體內(nèi)復(fù)合形式鐵元素在胞內(nèi)生化反應(yīng)中酶促反應(yīng)的激活劑作用，增強生物活性和代謝能力，提高活性污泥脫氮除磷效率和抵抗如低溫等外界環(huán)境因素變化能力，復(fù)合鐵酶促活性污泥含鐵量達到5%時，其系統(tǒng)處理能力、微生物代謝活性與能力、脫氮除磷性能達到最高。因此，擬定將復(fù)合鐵酶促活性污泥強化脫氮除磷工藝與AAO＋MBR工藝耦合運行，采用復(fù)合鐵酶促活性污泥強化脫氮除磷工藝培養(yǎng)馴化活性污泥，以實現(xiàn)強化系統(tǒng)處理性能，同時降低鐵鹽投加量、降低Fe^3＋對膜組件的污染，也可以在一定程度上降低外碳源的投加量。

（3）經(jīng)計算分析，現(xiàn)有MBR系統(tǒng)硝化和反硝化能力可基本達到新標(biāo)準(zhǔn)要求，本著低碳建設(shè)原則，優(yōu)先通過運行技術(shù)措施達到提升目標(biāo)，不再新增深度處理單元。運行根據(jù)實際進水水質(zhì)，確定外碳源、鐵鹽等藥劑投加量，以達到降低運行成本的目的。

3 處理效果余運行參數(shù)分析研究

3.1 處理效果分析研究

項目改造完成后系統(tǒng)恢復(fù)正常，處理水量基本穩(wěn)定為5 500~6 000 m3/d，自2020年1月1日—2021年12月1日，每日進出水日檢常規(guī)控制指標(biāo)如圖2所示，進出水水質(zhì)特征值如表3所示。

圖2 進出水水質(zhì)指標(biāo)去除效果

經(jīng)過分析研究，表3中出水最大值一般出現(xiàn)在調(diào)試運行的初始階段和超濾膜污染堵塞累積還未恢復(fù)性清洗階段。

（1）實際進水水質(zhì)比原設(shè)計值相比，除SS外，其他指標(biāo)均有較大幅度的降低，說明污水再生處理系統(tǒng)負(fù)荷降低。

（2）在兩個年度雨季期進水的各項指標(biāo)出現(xiàn)大幅降低，表明上游污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在雨水或地下水混入，而且經(jīng)過管網(wǎng)的逐步改造，2021年進水水質(zhì)較2020年明顯提升。

（3）在2個年度的11月各項進水指標(biāo)大幅度提高，造成此問題的原因是MBR池膜污染加重，膜通量降低，MBR池混合液溢流至進水前端，造成進水各項指標(biāo)大幅度升高，通過對超濾膜離線恢復(fù)性清洗，使膜通量恢復(fù)正常，系統(tǒng)正常運行。

（4）通過工程改造和運行模式優(yōu)化調(diào)整，該污水再生處理系統(tǒng)出水除TN外，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其中SS、氨氮、TN、TP除個別時段外明顯優(yōu)于出水標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 運行參數(shù)分析研究

（1）水解酸化效果。通過跟蹤監(jiān)測分析水解酸化調(diào)節(jié)池的進出水水質(zhì)，其CODCr的去除效果達到15%~30%，溶解性CODCr（SCODCr）由32~76 mg/L提高到58~98 mg/L，平均提高率為63.5%。這部分SCODCr中85%的成分可以轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），可以有效促進反硝化菌的生理代謝活性及數(shù)量，減少外加碳源的投加量，表明水解酸化內(nèi)碳源開發(fā)效果良好，水解酸化原位開發(fā)內(nèi)碳源工藝作為脫氮除磷生化系統(tǒng)預(yù)處理有顯著效果。

（2）復(fù)合鐵酶促活性污泥技術(shù)耦合AAO＋MBR工藝效果。MBR工藝本身具有處理效果好、出水水質(zhì)好等特點，同時將復(fù)合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)工藝與AAO＋MBR工藝耦合，培養(yǎng)馴化復(fù)合鐵酶促活性污泥強化脫氮除磷技術(shù)系統(tǒng)，運行減少FeCl3投加量，平均控制在10 mg/L，生化池污泥質(zhì)量濃度控制在6 g/L，冬季污泥質(zhì)量濃度增至8 g/L，實際容積負(fù)荷為0.21 kg BOD5/(m3·d)，污泥有機負(fù)荷為0.04 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥TN負(fù)荷為0.01 kg TN/(kg MLSS·d)，包括冬季低溫（水溫為10~12 ℃）在內(nèi)脫氮除磷效果良好。復(fù)合鐵酶促活性污泥強化脫氮除磷工藝系統(tǒng)除可節(jié)省鐵鹽投加量之外，在一定程度上也節(jié)省外碳源的投加量。

（3）鐵鹽投加量。Fe/P摩爾比為1.6時，TP去除率為90%（溶解性磷酸鹽去除率≥96%），本項目按照進水90%保證率TP＝4.1 mg/L，出水TP≤0.3 mg/L要求，計算鐵鹽的投加量為32 mg/L；工程實際運行的鐵鹽投加量平均為10 mg/L，對比分析鐵鹽投加量平均節(jié)省69%，TP去除率≥95%。同類型工藝污水處理廠鐵鹽平均約20 mg/L，本工程與其相比低了約50%。

（4）碳源投加量。相對原設(shè)計進水B/C（0.467），實際進水B/C為0.315、90%保證率B/C為0.250，實際進水的可生化性明顯偏低。進水B/TN由原設(shè)計值（4.667）降低到實際平均的3.613、90%保證率的2.927，脫氮所需的有效碳源明顯不足。另外，系統(tǒng)缺氧段的HRT為4.0 h，脫氮時間不足。結(jié)合經(jīng)驗值脫氮達到TN≤10 mg/L所需的B/TN按照5.0:1~6.0:1（按照5.5:1）計算，進水按照90%保證率TN質(zhì)量濃度為41 mg/L，計算需要投加碳源量為94 mg/L。按照實際運行出水平均TN≤7 mg/L，計算需要投加碳源量為121 mg/L；實際運行的碳源平均投加量為54 mg/L，對比分析節(jié)省外加碳源42.5%~55.4%。同類型工藝污水處理廠乙酸鈉平均投加量約為40 mg/L，其出水TN平均質(zhì)量濃度按12 mg/L控制，由于出水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)不一樣存在差異。

（5）膜污染堵塞。按照既定方案對粗細(xì)格柵進行改造后，精細(xì)格柵的柵渣量明顯減少，未出現(xiàn)柵渣大量穿透進MBR池污染堵塞超濾膜的現(xiàn)象，且鐵鹽投加量和動植物油脂均減少，超濾膜污染堵塞大幅度降低，采用正常的清洗方式和頻率即可正常運行。膜組件按照每天在線水氣沖洗一次（10 min）、每周在線維護性清洗一次（2 h）、每年離線恢復(fù)性清洗一次頻率清洗，經(jīng)對比選用2%草酸進行恢復(fù)性清洗，對膜絲鐵銹的去除及膜通量恢復(fù)效果最為明顯。

（6）電耗。本工程提標(biāo)改造沒有增設(shè)工藝單體和設(shè)備，原有設(shè)備改造后繼續(xù)保持正常運行。由于進水水質(zhì)濃度相對原設(shè)計值有一定幅度的降低，主要能耗為生化池鼓風(fēng)機，仍按照單臺交替運行，當(dāng)風(fēng)量開至設(shè)計值的80%~90%時，即可滿足生化處理需求。MBR池吹掃鼓風(fēng)機按照設(shè)計要求2用1備正常運行，風(fēng)量為31 m³/min，全廠電耗平均約為1.04 kW?h/m³。因此，整個系統(tǒng)與提標(biāo)之前比較沒有增加能耗，相對常規(guī)提標(biāo)改造降低了電耗。

4 總結(jié)與探討

本工程在提標(biāo)改造和運行過程中，不增加占地、工藝單元、電耗的情況下，通過工程改造和運行模式優(yōu)化調(diào)整，較大幅度節(jié)省外加碳源、鐵鹽等藥耗的投加，污水再生處理系統(tǒng)出水穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）類Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，有效地實現(xiàn)降碳的目的。

（1）MBR工藝的預(yù)處理盡量規(guī)避使用粉碎式格柵，如果使用，須強化預(yù)處理粗細(xì)格柵單元對SS的去除效果，避免大量懸浮物穿透精細(xì)格柵對后續(xù)超濾膜造成污堵，控制源頭動植物油脂進入并降低鐵鹽過量投加，以降低膜污堵風(fēng)險。

（2）水解酸化原位開發(fā)內(nèi)碳源工藝作為脫氮除磷生化系統(tǒng)預(yù)處理，SCODCr平均有效提高63.5%，節(jié)省脫氮除磷而需要的外碳源投加量為42.5%~55.4%，有效實現(xiàn)降碳的目的。

（3）復(fù)合鐵酶促活性污泥技術(shù)耦合AAO＋MBR工藝運行，有效地強化了系統(tǒng)脫氮除磷效果，并節(jié)省鐵鹽投加量60%以上，也在一定程度上節(jié)省外碳源的投加量，有效地實現(xiàn)降碳的目的。

（4）本工程沒有新增設(shè)工藝單體和設(shè)備，原有設(shè)備正常運行，在不增加電耗的情況下成功實現(xiàn)提標(biāo)改造。

（5）本工程的水解酸化受現(xiàn)狀調(diào)節(jié)池改造限制，水解酸化原位開發(fā)內(nèi)碳源工藝作為脫氮除磷生化系統(tǒng)預(yù)處理，其停留時間、污泥回流量、污泥濃度等設(shè)計運行參數(shù)，以及水解酸化運行效果好而不產(chǎn)生CH4等溫室氣體的控制措施，還需要進一步研究探索。

（6）本文在降低藥耗、能耗等方面做了一些研究探索，在污水再生處理工藝的系統(tǒng)降碳及定量計算方面還有待進一步探討研究。