城镇污水处理系统一级A稳定达标及节能降耗

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2013年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）

城镇污水处理系统一级A稳定达标及节能降耗关键技术

主要完成单位

主要完成人

国家城市给水排水工程技术研究中心中国市政工程华北设计研究总院青岛思普润水处理有限公司江南大学无锡市排水公司常州市排水管理处

郑兴灿、孙永利、李鹏峰、张秀华、李 激、尚 巍、宋美芹、杨 敏、陈 轶、隋克俭、羊鹏程、游 佳、韦启信、于振滨、戴界红

一、立项背景

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）及2006年修改要求，重点流域城镇污水处理厂需执行GB18918-2002一级标准A标准，这意味着重点流域城镇污水处理厂不但要具备较高的SS、BOD5、COD去除能力，还必须具备较高的氮磷营养物、特殊微量污染物和病原微生物去除能力，大量已建城镇污水处理厂面临着工程改造和运行管理模式的变更，对工艺技术和管理模式提出了新的研究课题。调查研究发现，我国城镇污水处理厂普遍存在进水SS/BOD5比值高、碳氮比和碳磷比低等问题，严重影响出水TN、TP、SS等指标的稳定达标；冬季低温硝化性能差、生物系统污泥活性低、能耗物耗高、污泥产率高等也严重影响了污水处理工程的稳定运行。基于上述问题了城镇污水处理工艺改进、工艺优化和运行管理控制等方面开展关键技术的研究开发，提高整个城镇污水处理系统的有机物与氮磷去除效能、降低能耗药耗、减少污泥产生量、节省工程投资和运行成本，成为城镇污水处理行业迫在眉睫、亟待解决的关键技术难题。

对城市污水处理厂进水水质水量、污染物去除和单位能耗的影响；研究了城市污水处理工艺流程及功能模块的运行效能、调整灵活性、能耗物耗和工程占地需求；编写了《城市污水处理技术决策与典型案例》专著。

项目结合重点流域城镇污水处理系统提标建设的重大需求，对一级A稳定达标难题及影响要素进行了工程分析和试验研究，开展了城市污水高效除磷脱氮、进水水质改善预处理、工艺运行控制、节能降耗及工艺优化组合等方面的技术研究，创新开发了高效初沉（发酵）池、强化硝化悬浮填料、改良A2/O高效除磷脱氮、机械过滤（滤布滤池）等单元工艺系统；研究提出了城镇污水一级A稳定达标的工艺流程选择模式及单元工艺组合方式，建立了“先优化运行、后工程措施，先内部碳源、后外加碳源，先生物除磷、后化学除磷，减排兼节能、达标顾经济”的提标技术路线及对策措施，编写了城镇污水处理系统一级A稳定达标及节能降耗技术指南。

三、详细科学技术内容

本项目针对我国城镇污水处理厂特别是太湖流域污水处理厂

二、项目简介

项目针对我国城市污水处理系统中普遍存在的进水水量水质波动大、悬浮固体无机组分含量高并导致剩余活性污泥产率高、污泥活性降低和能耗物耗上升、冬季低水温影响硝化及反硝化性能等方面问题，选择不同地域的污水系统，分析了不同排水体制

提标改造中急切的技术需求，通过对我国不同地域及排水体制城镇污水处理系统进水水质水量、污染物去除及单位能耗的现场调研测试，总结判断出我国城镇污水处理系统中普遍存在的问题为进水无机悬浮固体(SS/COD或SS/BOD5)比值偏高、碳氮比(BOD5/TN)偏低、冬季低温硝化效果明显下降，导致活性污泥产率偏高50%以上，污泥活性和反硝化速率降低40%以上，出水TP、TN、SS等指

一等

奖

艺运行参数与工程技术措施。

标不能稳定达标，同时大部分污水处理厂工程用地受限、能耗物耗水平偏高，提标后可承受的能耗上升空间有限。

针对城镇污水处理厂一级A提标改造中的技术难题，项目以稳定达标、高效、节能、省地为主要目标，主要针对进水水量水质波动大、悬浮固体无机组分含量高并导致剩余活性污泥产率高、污泥活性降低和能耗物耗上升、冬季低水温影响硝化性能等方面问题，着重开展短流程环沟型改良A2/O高效除磷脱氮系统、初沉（发酵）池系统、强化硝化悬浮填料系统和滤布滤池（机械过滤）系统的技术研究和创新改进。同时在此基础上开展高效除磷脱氮、进水水质改善预处理、工艺运行控制、节能降耗及工艺优化组合等方面的技术集成，提出城镇污水处理系统一级A稳定达标的集成工艺流程及节能降耗技术途径（方法），在实际工程中示范应用，为我国城镇污水处理工程的提标改造或新建提供强有力的技术支持和工程经验。

项目的主要实施内容包括以下几个方面：

图 2 环沟形改良A2/O工艺系统实景图

（3）强化硝化悬浮填料工艺系统的研究开发与工程应用

针对我国城镇污水处理厂升级改造过程中面临的生物系统池容严重不足、冬季低温条件下硝化效果明显下降等问题，研究开发一种可有效增强活性污泥法生物硝化及运行稳定性的悬浮填料工艺系统，提高氨氮容积负荷和原有池容利用率，提出适合于城镇污水处理厂提标改造的悬浮填料工艺系统设计运行方案。

（1）高效初沉（发酵）池系统研究开发与工程应用研究

针对我国城镇污水普遍存在SS/BOD5比值偏高、BOD5/TN比值偏低等实际情况及高效除磷脱氮的功能需求，在前期工程调查和试验研究的基础上，在重点流域选择有代表性的城镇污水处理工程项目，深入分析其城镇污水的水质构成特性及影响因素，开展新型高效初沉发酵池系统的中试研究和生产性试验。开发集生物絮凝沉淀和水解发酵作用于一体的高效初沉（发酵）池预处理系统，在水力停留时间小于1.0h的条件下，实现城镇污水有机碳源的转化和无机悬浮固体的有效分离，提高进水优质碳源比例，提高后续工艺活性污泥活性、除磷脱氮效果和运行稳定性。

图 3 悬浮填料工艺系统实景图

（4）滤布滤池机械过滤深度处理工艺系统的 应用研究与工程推广

针对城镇污水处理厂出水SS、TP水质指标不能稳定达标的实际需求，以及提标改造工程用地紧张、建设周期短的突出矛盾，通过在深度处理段设置纤维滤布滤池高效机械过滤系统，提高了出水SS、TP达标稳定性，占地面积仅为传统砂滤系统的10%~15%，能耗较传统砂滤系统节省90%以上，达到了节能省地的目标。

图1 城镇污水初沉（发酵）池预处理系统实景图

（2）短流程环沟型改良A2/O高效除磷脱氮工艺系统 开发与工程应用

针对我国城市污水系统普遍存在水量波动明显、水质浓度变化范围大、SS/BOD5比值偏高、BOD5/TN比值偏低等特点，研究开发以环沟型改良A2/O高效除磷脱氮工艺系统为核心的改进型污水除磷脱氮工艺流程，重点解决出水氮、磷、COD等水质指标的一级A稳定达标问题，通过工艺系统的曝气系统、搅拌系统和污泥回流系统的综合节能措施研究，结合中试及生产性试验总结分析，提出改进的污水生物除磷脱氮工艺流程及工艺设计要点、工

图 4 滤布滤池工艺系统实景图

（5）城镇污水处理系统一级A稳定达标集成工艺 研究与工程应用

针对城镇污水处理厂新扩建和提标改造项目的设计建设和运行改进需求，在总结已有城镇污水处理工艺技术基础上，以稳定

达标、高效、节能、省地为综合目标，结合项目依托工程水质水

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量变化特征和排放标准，在高效初沉（发酵）池、短流程环沟型改良A2/O高效除磷脱氮工艺、悬浮填料强化硝化（MBBR）、化学协同除磷、机械过滤等单元研究的基础上进行工艺集成、生产测试和运行优化，提出适合城镇污水处理厂一级A提标建设的集成工艺方案及设计运行参数。

部碳源、后外加碳源，先生物除磷、后化学除磷，减排兼节能、达标顾经济”提标技术路线及对策，编写了学术专著。

7、城镇污水处理厂提标改造全程节能降耗途径与技术措施

针对提标改造中运行能耗物耗升高，全面优化运行和功能区控制，降低混合曝气能耗，精确控制曝气量与碳源，利用MBBR剩余溶氧，示范工程能耗降低到0.248kWh/m3，仅为全国平均值的70%。

四、研究成果

1、开发和大规模示范应用城镇污水处理一级 A稳定达标工艺流程

针对城镇污水处理厂提标建设需求，着重解决BOD5/TN低、SS/BOD5高、冬季低温、土地短缺所产生的技术难题，创新开发和示范应用切合我国城镇污水水质特点的“强化预处理→高效初沉发酵池→回流污泥反硝化改良A2/O→悬浮填料强化硝化（MBBR）→化学协同除磷→机械过滤”一级A稳定达标工艺流程及节能降耗技术，实施效果好，运行稳定，节能省地，解决了西方发达国家未曾遇到的技术难题。

五、应用情况

项目成果已经在太湖、巢湖、海河、辽河等重点流域数百座城镇污水处理工程设计建设、提标改造和运行优化中应用。

结合太湖流域水污染治理重点工程项目实施，项目成果首先在无锡芦村污水处理厂提标改造工程中集成应用，创新开发并示范应用了具有自主知识产权的“高效初沉发酵池＋回流污泥反硝化改良A2/O＋悬浮填料强化硝化（MBBR）＋化学协同除磷＋机械过滤（滤布滤池）”的一级A稳定达标集成工艺流程，氮磷污

2、开发和示范应用城镇污水水质改善的高效初沉发酵池系统

针对我国城镇污水SS/BOD5高、BOD5/TN低、影响处理效果与运行能耗，创新开发并率先应用了高效初沉发酵池系统，集成絮凝沉淀和水解发酵，明显提高后续工艺MLVSS/MLSS和反硝化速率，降低污泥产率和占地，节省能耗，改善碳源质量，提升总氮去除。

染物去除效能、活性污泥反硝化速率、冬季温硝化稳定性均有明显提高，污泥产率及惰性组分含量明显降低，优化运行之后能耗物耗显著降低，实施效果好，节能省地，运行可靠，稳定达标，超过国际先进水平。

高效初沉发酵池成功应用于无锡芦村、唐山海港等5座污水处理厂，总规模20万m3/d，达到了较好水解酸化和固体分离效果，提升了进水水质和后续工艺除磷脱氮能力；环沟型改良A2/O除磷

3、开发和大规模示范应用强化硝化功能的悬浮填料工艺系统

针对升级改造中遇到的原设计标准偏低、用地过于紧张、池容严重不足和冬季硝化能力低等问题，在国内率先开发和大规模应用悬浮填料工艺系统（MBBR），有效增强硝化能力及运行稳定性，解决了低水温硝化不稳定和总氮难达标难题。

脱氮工艺设计方案和工艺理念成功应用于芦村污水处理厂四期工程（10万m3/d）和唐山海港开发区污水处理厂，工艺运行参数可实现灵活调整，出水稳定达到一级A；强化硝化悬浮填料系统和滤布滤池在无锡芦村、青岛团岛、青岛李村河、山东济宁、河北石家庄等一大批污水处理工程中应用，悬浮填料系统累计规模108万m3/d，滤布滤池累计规模810万m3/d，得到了设计和业主的

4、改进和大规模示范应用短流程改良A2/O高效除磷脱氮系统

针对我国城镇污水水质水量波动大和运行不稳定，开发了环沟型改良A2/O系统为代表的改进型除磷脱氮工艺系列，保障了氮、磷、COD稳定达标，缩短总停留时间，提高污泥反硝化速率和碳源利用效率，减缓水质水量波动影响，降低投资、占地、能耗和成本。

高度认可。

六、社会效益

项目成果为全国城镇污水处理工程提标建设和运行优化提供了先进可靠的工艺技术路线、成套技术方案和设备产品服务，工艺技术路线成果为管理部门和业主单位技术决策提供依据，成套技术方案成果为工程设计和建设单位提供了经济合理、技术先进的工程技术方案选择，设备产品成果促进了污水处理关键设备产品的国产化和产业化发展。

项目完成和成果推广应用已促进全国重点流域城镇污水处理厂提标改造工作的顺利进行，目前工程应用规模累计900万m3/d以上，提高了处理出水的一级A达标水平与运行稳定性，大幅度削减了入河入湖氮磷污染物排放量，节省工程用地，降低工程投资和运行费用，产生了非常显著的社会和环境效益。C

5、率先推进国产和大规模示范应用 机械过滤（滤布滤池）系统

针对城镇污水SS、TP稳定达标要求，提标用地紧张、建设周期短突出矛盾，率先大规模应用滤布滤池工艺，省地、节能、施工周期短、维护量少，占地和能耗仅为砂滤10%~15%。

6、提出一级A稳定达标工艺流程选择模式及工艺组合方式

针对一级A稳定达标，提出“先化运行、后工程措施，先内

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