绿色环保网北京讯：大型污水处理厂面临的挑战

IWA大型污水处理厂（LWWTPs）设计、运营和成本专家小组的目标是通过分享知识和经验，促进大型污水处理厂设计、运营和经济性的持续改进。为了确保适当的卫生条件，特别是在人口稠密地区，减少资源消耗（如材料和能源），并回收污水中的资源（如再生水、能源和营养盐），该小组关注的核心问题包括：

专家小组涵盖了许多分项议题，其中一些是这一领域具有变革意义的关键动态--例如，好氧颗粒污泥；通过聚合氯化铝（PAC）和/或臭氧消除微污染物；水、能源和营养盐回收等。

该小组每四年在维也纳、布达佩斯和布拉格轮流举办一次专业会议。会议为研究人员、科学家和从业人员提供了一个讨论该领域实际状况和进一步发展的平台。会议特别鼓励从业人员提交案例进展报告。会议还为促进研究成果在实际应用中的成功实施提供了一个有效的平台。

2014 年，活性污泥法迎来了它的 100 周岁生日，自投入使用以来，人们对大型污水处理厂给予了极大的关注。在过去几十年中，全球范围内开展了大量综合研究计划和创新活动。生物污水处理技术经历了快速发展。然而尽管欧洲、北美、澳大利亚和亚洲某些地区的大多数大型污水处理厂在处理效率和经济性方面满足了相当严格的监管要求和标准，但仍有许多挑战需要解决。

"监测方法和过程建模在过去二十年中发展迅速"

机械处理单元

机械处理阶段的良好运行对整个处理过程的安全性和有效性至关重要。这包括格栅或过筛、除砂，以及在有利的情况下进行初级沉淀。

过去二十年来，测量方法和工艺建模，特别是计算流体动力学（CFD）发展迅速，但对机械处理环节的关注却很少。沉砂池和初级沉淀池的设计和运行原则当然需要在详细的流体力学研究基础上加以改进，其中包括精细的现场测量和 CFD 建模。

沉砂池的主要功能是保护生物处理和污泥处理过程免受粗颗粒物料（筛分物）、无机物料（砾石、沙子）以及油脂的影响。无机污染物的粒径范围很广（从 0.1 到 1-2 毫米），要想在不去除过多有机颗粒成分的情况下，尽可能去除的无机污染物，难度极大。这就需要改进设计和操作指南，包括有关优化几何形状的建议，特别是横截面设计和长度。运行的关键点在于针对不同的几何形状和流入条件（旱季流入、雨季流入以及暴雨造成的峰值流量）进行适当的曝气控制。

初沉池（Primary settling tanks- PST）是整个污水处理工艺、污泥处理和消化池产气过程中不可或缺的一部分。过去三十年来，随着污水和污泥处理技术的不断发展，特别是生物营养去除技术的出现，初沉池的功能和运行变得相当复杂。

将初沉池作为不可分割的一部分进行详细考虑，可通过为反硝化提供足够的可生物降解的COD（碳源）或最大限度地减少生物处理所需的池容来优化污水处理工艺， 从而最大限度地脱氮。此外，在不影响生物脱氮的情况下，尽可能多在初沉池中去除颗粒 COD，还能优化设备的能耗。需要制定经批准的设计程序和边界条件驱动的控制策略（使用的容量、刮板机制、污泥去除），以实现令人满意的 初沉池 功能。

物理和化学处理对工业废水（如膜生物反应器）非常重要，但在城市污水处理中也经常使用。化学品被广泛用于除磷、絮凝和提高污泥脱水效率。化学强化一级处理（Chemically enhanced primary treatment- CEPT）尤其适用于沿海城市和低温污水处理厂。化学强化一级处理以相当低的成本效益提高了一级处理的效率，并合理地提高了消化器的产气量。CEPT 的主要瓶颈在于它大大降低了城市低温污水处理厂的碳氮比，降低了反硝化的效率。因此，CEPT 目前的发展需求是提高后续生物处理的效率。

生物处理单元和能效

污水生物处理领域的发展突飞猛进。推动这一巨大发展的主要因素是全球性的水体富营养化问题。早期只要求去除碳，而近 30 年来，在整个欧洲和世界许多其他地区，加强去除碳和营养物质（氮和磷）已成为强制性要求。污水处理的反应器体积、曝气需求和成本都大幅增加。因此，出现了许多以活性污泥为基础的污水处理技术和反应器配置。为了支持所有这些发展和创新，并以能效为重点，人们在微生物学和微生物生态学、工艺建模、测量、控制和自动化、膜技术、曝气和混合、规划和设计以及工艺经济学等领域迅速发展。

"活性污泥法的一个传统难题是污泥形态和沉降性问题"

活性污泥法的一个传统难题是污泥形态和沉降性（泡沫和膨胀）问题。这取决于许多因素。要避免这些问题的发生，通常仍然非常复杂。如今，解决污泥膨胀和泡沫问题的一种相对较新的方法是以微生物学为基础。最近的方法（Nielsen 等人，2010 年）很可能会在活性污泥工艺的许多方面取得突破，从而实现从单个基因/基因组到整个群落和生态系统级工艺的扩展。

活性污泥法的主要瓶颈之一是能源需求高。污水厂厂通常是城市中能耗最高的工厂之一。去除营养物的传统城市污水处理的平均电力需求在 15 到 30 瓦/人之间。

改善大型污水处理厂的能源状况是IWA专家组正在处理的最重要的研究领域之一。这主要依赖于两点：一方面，尽可能生产更多的消化气体（如果可能的话，通过与来自小型污水处理厂的污泥和其他辅助基质进行联合消化）；另一方面，减少工厂的能源需求。在特殊情况下（如特殊工艺配置、共同消化以产生更多沼气），外部能源供应已经可以减少到零，或者产生的电能超过工厂消耗的电能。尽管如此，这些工厂仍需与电网连接，以满足高峰期的电能需求。发电厂的剩余电能可以反馈给电网。不过，这种解决方案不会影响零 "碳足迹"。但必须注意的是，能源优化不应对处理效率产生负面影响。

二沉池是生物处理单元的一个组成部分，通常是城市污水处理的最后一个步骤。在过去的几十年里，人们对二沉淀池的性能和行为进行了深入研究。Ekama 等人（1997 年）介绍了 20 世纪 80 年代和 90 年代初出现的问题和正在进行的一系列研究计划。从那时起，一系列全面的流体力学研究使沉淀池在许多方面取得了突破。新版德国设计准则 "DWA A 131"（DWA 2016）已经包含了最重要的设计和运行相关改进，并就 二沉池的适当设计和运行提出了详细建议。然而，我们还需要一份最新的国际水域协会出版物，全面总结新发现以及理论和实践方面的最新进展。

近年来，膜生物反应器（MBR）已被广泛应用于生活污水处理厂。与配备二沉池的活性污泥系统相比，膜生物反应器的优势在于减少了对空间的需求，并能高效地产生高品质的出水。因此，膜生物反应器可用于空间条件有限和/或对处理后废水水质要求极高的污水处理厂。膜生物反应器的瓶颈在于其高能耗和膜污染造成的高运行成本。然而，要克服这些问题，还需要付出相当大的努力。此外，新一代膜倾向于加入纳米材料，如沸石、碳纳米管、银纳米颗粒等，以改善特性和性能（Liu 等人，2022 年）。