編者按

 

嚴峻的水環境形勢使得我國許多地區的污水處理廠都面臨著提標改造的任務。但進水碳源不足、規劃場地受限等諸多因素一直困擾升級改造工藝的選擇，常規的傳統應對技術又具有投資大、運行費用高等不足，因此甄選投資及運行費用低廉，且具有可持續發展特性的新工藝、新技術就迫在眉睫。近些年，側流生物強化技術在國內外得到發展和應用。

首創股份及其旗下的工程技術平臺首創愛華（天津）市政工程有限公司，近些年掌握了在市政供水、市政污水、工業園區廢水和污泥處理項目中一些領先的技術，快速拓展了創新性技術的快速工程應用能力，將先進、成熟、具有競爭力的一些革新技術應用于工程實踐。首創愛華自2009年通過與丹麥Envidan公司合作，引進吸收ARP、SSH及Envistyr技術，率先將側流生物技術引進中國，并首先應用于甘肅武威市污水處理廠脫磷除氮改造工程、淮南污水處理廠提標改造工程、白銀市污水處理廠提標改造工程等項目。

 

在杭州舉辦的“第四屆長三角（蘇浙滬）排水與污水處理研討會”上，北京首創有限公司高級專家劉智曉博士，通過對歐美在側流技術的總結及案例實施情況、結合首創愛華在國內承接的項目，對側流生物強化技術、側流污泥水解技術進行了深入探討，展示了這些技術在污水處理廠提標改造中當前的應用及未來的發展方向。新技術、新工藝、新方法,從技術研發到設計、建設及運行，都在對百年活性污泥工藝進行不斷豐富與改進，也讓我們堅信，未來的技術會朝著更高效、更穩定、更節約的方向發展，讓各地水環境得到很好的治理，恢復“小河清清大河凈”的優美水系統，達到水清岸凈景美的水生態。

 

   劉智曉

 

什么叫側流生物強化技術？上圖給出了傳統“主流”活性污泥處理流程和“側流”活性污泥處理流程，可以看出，側流工藝它的反應區獨立，結構和功能獨立，工藝控制條件和控制參數與主生物池也不同。這種情況下，生態控制因子也是不盡相同的，最終會使運行的機制完全不一樣，通過側反應器對特異微生物的馴化、富集，并為主流接種，這種“主-輔”模式，為主池的微生物菌群多樣性和主流反應器提質增效提供了物質基礎（如VFAs）和特異功能微生物（如硝化菌）保障。

為什么在主流工藝中引用側流工藝？主要原因是隨著排放標準的日益提升，現在的主流工藝在應對高排放標準時凸顯“主流”技術不足，為實現營養鹽穩定達標，不得不采用多級多段，多個好氧、缺氧交替式的反應器構型。

（項目案例圖）

如上圖所示項目，為實現TN達標，主生化池采用四級A/O，后續采用深床反硝化濾池，才能保證總氮的達標。實際上這種“主流”工藝，為應對嚴格的排放標準的提高，采用冗長的處理工藝，從項目全生命周期來看，這無疑會導致投資的和運行成本顯著提升。這是我們國內目前“準四類”提標改造項目面臨的共性問題，我們看到的處理流程，越來越冗長！

實際上，我們看看歐美在這方面的研究成果，隨著標準的提高，隨之而來的是投資的較大提高，運行費用則是指數性上升，從一級A到準四類、甚至近期出現“類三類”等更高的排放標準，這些高排放標準的營養鹽指標，基本上類似于，美國的LOT（技術極限）了，LOT標準下的污水廠的運行費用在生命周期內是指數性上升的。

這幅圖是美國WERF的研究結果，可以看出這種標準提升對運行成本的影響變化趨勢，從這個角度來講，標準提高以后，整個過程中的溫室氣體的排放是大幅度提高的。從這個角度看，排放標準的提升會消耗更多的上游產業如混凝土、機器設備加工、各種化學藥劑制造等相關行業的產品，從生態倫理角度看這顯然是以釋放更多的溫室氣體為代價的。因此，從大的環境來講，排放標準的過度提升對總體大環境是未必可持續的，因為污水處理廠建設過程所需的材料、建造過程及處理過程將的溫室氣體排放量會大幅度提升，所以我們要換一個角度來考慮，怎樣在排放標準和溫室氣體排放中間尋求和實現一種平衡和可持續！

 視角拉回來，具體來看，我們說說側流技術的優勢。先看看主流工藝的不足，以推流式AAO為例，我認為，傳統推流式AAO反應器的優勢大家熟悉，但是也存在明顯不足，就是其通過不同功能的反應器分區（厭氧，缺氧，好氧）形成固定的物理池容，與污水廠進水水力負荷、污染物負荷實時變化之間的矛盾，且受限于二沉池固體負荷，MLSS難以進一步提高，從而限制了生化系統對污染物處理能力的進一步提升，水力負荷和污染負荷也就難以進一步提高，此外，暴雨峰值流量下易導致二沉池活性污泥流失，還有就是硝化菌在間斷性的A/O交替及二沉池污泥層不同環境下受到的活性抑制影響。

這里我提出一個理念和做法，面對日益提高的排放標準，與其將工藝做長，還不如將工藝做成“主-輔”工藝，提高系統的可靠性與穩定性。“主-輔”工藝是怎么來實現的？就是在側流段加了一個側流生物池，側流生物池根據功能的需求，通過工藝設計和控制系統的耦合，可以實現同步的強化硝化/反硝化；也可以實現側流回流污泥的深度厭氧水解或側流厭氧釋磷（EBPR）過程。采用側流工藝，無需擴建生物池池容，甚至也無需投加生物膜載體，就可以大幅度提高生化系統總的MLSS，這是對傳統主流處理工藝的一種技術變革！通過“主-輔”工藝的安排和設計，在側流生物池中通過對特異功能微生物的培養，為主生物池進行接種，和對部分回流污泥的厭氧水解，實踐證明，通過上述手段，能大幅度提高整個生化處理性能。按照經驗，在無需后續BAF或者反硝化BAF等情況下，僅僅通過輔以側流工藝的改良活性污泥法，就可以把總氮穩定控制到6-8mg/L。

實際上，側流生物技術在歐美國家已經有不下100座污水廠實際案例，但國內同行卻鮮有關注！目前國外工程化和商業化的技術路線包括AT#3、BABE、IN-Nitri等，見圖。這些工藝在原理上都有類似之處，都有非常成功和成熟的工程實際經驗，并不是“高大上”令人望而卻步的“熊貓”工藝。

 （BAR/RDN/CaRRB等工藝）

從機理方面看，側流生物強化工藝的主要原理：現代分子生物技術分析表明，活性污泥中自養菌數量僅占總生物量的１％ ～３％，只要自養菌數量有少許增加，系統的硝化性能就會有顯著改善，那么對于整個系統來說，它的消化性能會得到大幅度顯著的改善，見下圖。

因此根據這個原理，我們可以看出來，嫁接側流反應池后，主流SRT會比較大幅度地降低，尤其在低溫的時候，隨著硝化菌補充功效，主生物池SRT會得到大幅度的降低，見下圖。

可以從這個圖看到，側流工藝可以有不同的運行模式，可以將污泥消化液引入側流處理單元，處理完的混合液再回流到主生物池，那么就可以看到主曝氣值SRT可以顯著低于傳統的按ATV計算出的硝化/反硝化總SRT。第二條曲線是硝化液，同時引入一部分的污泥混流進行曝氣，也可以看到對主生物池的顯著降低。

捷克的案例，也是做了側流池，作為一個主流的補充。可以看到引入側流池以后，只是靠活性污泥法就可以把出水總氮可以穩定在10mg/L以內，圖上看，改造前出水水質則很難實現這個目標。

回歸我們自己的近些年的實踐案例。加入側流池以后有什么優勢？簡要說，引入側流池，可以使得同樣池容情況下，可以比常規活性污泥工藝（AAO，氧化溝等主流模式）保有更多的有效活性污泥數量。因為側流池的濃度是主生物池的3-4倍，即便僅僅切出10%出來，也可使得生物池的污泥總量得到大幅度的提升。引進側流工藝后，在污染物負荷不變或者污染物濃度基本不變的情況下，可以大幅度提高原有污水廠的處理能力。根據實踐，如果按照這種來做，不新增生物池容情況下，污水廠處理能力最大就可以提高到60%；在處理水量不變的情況下，可以大幅度接收污水廠的進水污染物負荷。這無疑，側流技術，對于中國未來污水廠的提標改造、提質增效是非常有吸引力的技術發展方向。

側流活性污泥水解大家比較陌生，但是側流生物除磷，丹麥、瑞典、美國已經有很多項目在運行了。側流除磷，這些國家的案例已經實現了非常穩定的生物除磷過程。

歐美等可研人員，通過對側流EBPR研究和分析發現，側流EBPR工藝比主流EBPR獲得了更為穩定的生物除磷效果，進一步通過現代分子生物學研究技術深入研究發現，側流EBPR培養出一種特殊功能的Tetrasphaera，它和常規的PAOs也就是我們熟知的Accumulibacter菌發生一種非常好的共生和協同作用，兩者協同作用會極大地促進整個生化過程中對磷的去除。可以參考下圖丹麥的研究結果，在丹麥的采用側流EBPR的活性污泥中，檢測出的Tetrasphaera豐度顯著高于傳統AAO工藝。類似研究還有美國研究團隊，在Water research也發表了這方面的研究論文。結論與丹麥研究結果一致，進一步驗證了側流EBPR條件下兩種菌屬的生物協同。

James L. Barnard先生，被譽為“脫氮除磷之父”，2017年發表文章：Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal，耄耋之年，提出了對生物處理的機制進行重新的思考。他整篇文章里涉及到側流生物處理的工藝流程。實際上，側流EBPR現象1972年他偶然發現，如果在缺氧區（不攪拌的），通過混合液的發酵發現了側流的厭氧發酵對主流生物處理強化效果非常明顯。所以他后來又提出了幾種側流流程，活性污泥發酵和混合液發酵都是有可能實現的。

這是詹姆先生給出的美國的側流生物處理實際案例，大家可以看到，側流生物處理原來有這么多的工藝實現方式。據不完全統計，到目前為止至少有100座以上的污水廠已經采用側流生物除磷。

下圖給出了國外的一些側流案例，分享給大家，感興趣的可以進一步查閱相關資料：

丹麥N?stved WWTP，它只是把一座廢棄的初沉池進行改造為側流生物池，不增加新增用地，就大幅度提高處理能力。初沉池只占總生物池容15%，但是改造以后，水力負荷提高50%。而且水力負荷提高50%的情況下，有機負荷提高了15%，最終運行效果非常令人滿意，我去過幾次，發現TN一直穩定控制在5mg/L以內。并沒有后續的進一步的三級反硝化深度脫氮，這種脫氮能力，在國內似乎是不可想象的。

這是丹麥另外一個廠Bjergmaken WWTP，采用交替式氧化溝。也是把前面的初沉池改造成側流池，結果是8%的池容用于側流，但是卻提高了24%的處理能力。

上述案例和操作，給我們以信心：通過側流活性污泥法，輔以良好的工藝設計及過程控制，不采用三級生物膜反硝化，把總氮控制到6-8毫克/升以下是完全沒有問題的。

 這是美國RWHTF的案例，它是把側流硝化反硝化和側流厭氧EBPR結合在一起，實現了高效硝化和反硝化同時，也實現了深度生物除磷，美國類似案例還有不少，感興趣的朋友可以查一下資料。

現在分析一下近幾年來國內實踐的案例。第一個是側流腐殖土活性污泥生物工藝，現在在國內叫全流程生物除臭。這個項目是2006、2007年我們在國內做的第一個案例，到現在已經做了12年了，這是國內全流程除臭的第一個案例。2010年，我們和丹麥公司合作，在丹麥政府資助下，在原來側流腐殖土活性污泥工藝基礎上，我們在這個項目進一步采用了ARP/SSH側流技術進行了生產性試驗研究，研究期間脫氮除磷效果得到顯著改善。

后續我們又在淮南一污改造、甘肅白銀市、武威采用ARP/SSH技術做了改造項目，且在國內首次采用基于營養鹽的在線曝氣控制系統，獲得了滿意的運行效果。

這是首創愛華在淮南的項目，2014年前后做的改造，將原來的卡魯塞爾氧化溝的主流厭氧池部分改為側流ARP和SS-EBPR。改造后，運行性能得到明顯改善，尤其是針對污染物負荷沖擊，出水指標穩定。

展望一下未來側流技術的發展方向，我認為，主要的方向是實現對污水廠碳源的捕獲提取，碳源提取后，要從過去以能耗能的模式轉向為能源化途徑，也就是把碳源轉向到側流。碳源改向到側流為后續能源化、甚至實現污水廠的能耗自給提供物質基礎。主流未來的方向是實現自養脫氮，如主流厭氧氨氧化，但是目前主流厭氧氨氧化短期內看不到工程應用前景，尚停留在試驗階段，涉及工程應用的很多技術瓶頸尚待突破，這條路看來似乎還很長。

     （基于碳捕獲和碳轉向的概念設計）

未來污水處理的發展方向是朝著營養物、能源及再生水“三廠合一”模式轉變。研究與開發進水碳源轉向及污泥增量技術，對污水中有機碳源實現高效網捕截獲、濃縮及分離并轉向能源化途徑，是提高能量自給效率、最終實現能量平衡及碳平衡運行的物質基礎。這是丹麥一個廠做的概念設計，丹麥奧胡斯市擬對Egaa廠進行技術改造，實現“150%能量概念”，所采用的主要技術路線及流程見上圖，主要措施包括：預處理段的COD高效分離及捕獲；主生物處理工序采用EssDe?，即低溫厭氧氨氧化（Cold Anammox）側流通過對消化液的處理培養Anammox并對主流實現接種。但是，這只是未來的一個概念設計，離工程化還有相當長的距離。

比較切合實際的，近期通過引進側流的“主-輔”模式，側流培養硝化菌和實現側流EBPR除磷，實現污水廠的高效穩定和可持續運行。我們推薦的側流“主-輔”模式，要比碳捕獲-主流厭氧氨氧化等未來工藝更加適合國情，因為其運行更皮實、穩定可靠。

也借此機會，希望各位同行關注側流技術及側流技術的未來持續性革新，面對日益嚴格的排放標準，面對未來水環境的改善，更新我們的傳統思維，相信我們會有更好的一些工藝技術路線的選擇，就像我今天展示的側流技術，或許，這些工藝可能更有彈性，更加穩定、可靠和可持續，這是未來我們的希望所在，未來的努力方向所在。