太湖流域氮磷特别排放限值的背景和意义
2017年，《中国工程科学》刊登中国工程院院士郝吉明、环境保护部环境规划院王金南等作者的联合论文《环境承载力约束下的国家产业发展布局战略研究》。文章显示：我国主要水污染物环境容量已严重超载，全国的COD和NH3-N的超载率分别为210%和330%，如果不把污染物排放控制在环境容量范围内，“装不下”的结果只能是环境继续恶化。作为过去十几年水污染物减排的主力军，通过污水厂集中提标改造实现污染减排总目标便成为各地政府成为一个必然选择。
江苏“263行动”中提出，“到2020年，太湖湖体总磷达到III类，总氮达到V类，流域总氮、总磷污染物排放量均比2015年削减16%以上……”。为了有效控制太湖水体富营养化，提升环境质量，维护生态平衡，保障人体健康，促进沿湖地区社会经济和环境的协调发展，2018年，针对太湖地区城市污水处理厂及重点工业行业排放的主要水污染物，江苏省制定了《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072-2018）。
其中，一级、二级保护区内主要水污染物排放限值中的各项指标均高于“一级A标准”（表1）。其中COD由50mg/L提高到40mg/L，NH3-N由5(8)mg/L提高到3(5)mg/L，TN由15mg/L提高到10mg/L，TP由0.5mg/L提高到0.3mg/L；太湖地区其他区域内城镇污水处理厂的污染物排放限值也有所提高。新的排放标准给太湖流域内城镇污水处理厂的工艺运行、日常管理、出水指标控制等方面提出了更高的要求。
表1 DB 32/1072-2018 “特别排放限值”与“一级A标准”对比 单位：mg/L 
太湖流域内城镇污水处理厂现状分析
83座城镇污水厂：A2/O工艺为主
城市分布：执行本次“特别排放限值”共设计江苏省太湖流域一、二级和其他与区域内83座城镇污水处理厂，分布在南京10座、无锡14座、常州10座、苏州41座和镇江8座，投运规模总计625万m3/d（图1）。
图1 83座城镇污水处理厂城市及数量分布
规模分布：83座污水处理厂中以5-10万m3/d规模为主，总计25座，规模达200万m3/d，占总规模的32%；10-20万m3/d，数量12座，规模188.1万m3/d，占总规模26.6%；1-5万m3/d，数量37座，规模134.5万m3/d；30万m3/d规模以上水厂数量只有3座，但处理规模达127万m3/d。（图2）
图2 83座城镇污水处理厂规模分布
工艺类型：83座污水处理厂的工艺以A2/O及其变形、氧化沟、SBR及其变形为主，部分为曝气生物滤池、生物转盘、氧化塘、流化床等工艺。采用A2/O及其变形工艺的污水厂54座，占总数的65.9%，规模470.4万pm3/d，占总规模的67.7%。（图3）
图3 83座城镇污水处理厂工艺类型分布
污水处理厂进水特性：碳源不足普遍存在
通过调研太湖流域内6座不同城镇污水厂进水水质，对流域内典型城镇污水厂水质变化进行分析，发现存在进水碳源不足、BOD5/TN偏低等主要问题。
BOD5/COD：调研的6座污水厂进水COD指标仅有一座平均浓度超250mg/L，其他均介于200-250mg/L，进水碳源不足的现象在太湖流域普遍存在。6座污水厂BOD5/COD在0.3-0.4之间，说明太湖流域城镇污水厂进水可生化性尚可，整体进水的水质基本可满足系统的脱氮除磷要求。（图4）
BOD5/TN：当原污水中碳、氮比值过低，如BOD5/TN＜3时，认为进水中所含碳源不足，需要另投加有机碳源满足系统脱氮需求。在本次统计中有2座污水厂的BOD5/TN低于3。
图5 6座城镇污水厂的进水BOD5/TN
污水厂执行DB 32/1072-2018提标难点分析
TN和TP仍是太湖流域城镇污水厂在执行“氮磷排放限值”标准的重点关注指标。调研分析发现，存在的问题主要有3个，分别为工艺设计问题、进水水质问题和运营管理问题。
工艺设计问题
工艺设计的问题主要包括预处理系统的设置和设计不合理、生物系统处理工艺设计存在问题以及深度处理单元效果不佳等。其中典型问题如：预处理系统消耗碳源过多、生化单元停留时间太短、CAST/氧化沟等工艺提标潜力低以及深度处理单元堵塞等问题。工艺设计问题不同程度的影响系统对污染物的去除，其中在苏锡常的污水处理厂中均有不同程度的出现。
进水水质问题
太湖流域市政污水厂收水范围中均存在不同程度的工业企业，市政管网可能由于工业废水以及管网本身渗漏、河水倒灌等问题，对污水厂实际进水水质浓度造成一定程度的影响。
太湖流域开发区工企业园区较多，在苏锡常三市中，污水厂实际进水中均含有一定比例的工业企业废水，由于含有难降解COD、氮磷比例高等特点，导致系统中进水脱氮碳源存在不足，TP指标受进水影响波动明显。
运行管理问题
污水厂运营问题主要体现在两个方面。一方面为运维人员管理水平问题，另一方面为仪器仪表、设备的选型安装问题。在污水厂日常运维工作中，运营管理人员数量和技术水平对污水厂实际运行效果至关重要。部分污水厂由于人员管理混乱及技术水平低下造成实际运行受限，难以进一步提高污水处理效率。其次，部分建造较早的大型污水处理厂由于设备/构筑物等老化问题，造成系统难以持续高效稳定运行。
提标改造对策与建议
提标改造对策
针对上述问题，需通过对拟执行“特别排放限值”的城镇污水处理厂进出水水质水量、工艺运行管理、污染物去除潜力等方面进行系统分析，找出水质水量的变化规律、各厂设计运行过程中存在的问题和不同工艺段的优化运行空间，总结出适用于“特别排放限值”的工艺运行模式，以及优化运行策略。对目前存在的共性问题，从工艺设计、生物系统、进出水水质、运维管理等方面提出以下建议与对策：
在工艺设计方面，碳源作为脱氮除磷的主要能量来源，在传统设计中通常在预处理单元被大量消耗造成浪费，造成生化单元脱氮能力不足。因此，在设计过程中应根据实际进水水质情况，在碳源偏低的情况下对预处理单元进行超越或停用，或通过适当降低预处理单元的停留时间，使其作为调节池使用，或考虑将预处理单元改造为采用高负荷初沉池使用等。
在生物系统优化运行方面，通过对生物系统进行优化改造，可有效提高系统整体的降解能力。如在进水浓度稳定情况下，可通过在生物池投加填料、或增加污泥负荷的方式提高生化单元的处理效率；在生物系统处理能力不足时，可适当考虑降低运行水量从而提高系统的HRT，保证系统对污染物降解效果；一些常规的CASS/氧化沟工艺可通过强化功能区的划分对构筑物进行改建，提高生物系统的降解能力。
强化脱氮通常是污水厂提标改造的一个重点，针对污水厂碳源能力不足问题，可先通过降低系统本身的碳源损耗，如跌水复氧点的改造、预处理系统改造、分点进水等。在进水碳源不足的情况下考虑外加碳源的，同时应对碳源的种类、效果、投加点和投加时机进行试验比选、成本核算等，从而指导污水厂的实际运行。在冬季低温运行条件下，可通过提高系统中MLSS浓度，延长好氧单元HRT（如有兼氧池），或通过添加硝化填料方式进行强化处理。
污水厂除磷主要通过生物除磷和化学除磷相结合的方法。在碳源充足但系统除磷能力不足情况下，可通过强化生物除磷，如普通生物除磷或反硝化除磷等强化系统对总磷的去除。在碳源不充足的情况下，可在系统末端采用协同化学除磷方式，但在现场应用前应对不同类型除磷药剂进行小试比选。若处理系统中有高效沉淀池工艺，可对混凝剂和助凝剂种类和投加量进行小试比选，优化投加。
在进水水质保障方面，城镇污水厂进水水质质量对系统的降解能力影响较大，在运行过程中一方面加强与前端管网分管部门沟通，降低管网污水外渗及外水入渗情况，进一步提高进水水质浓度，另一方面尽可能加强企业、管网在建设过程中的沟通，积极介入，保证进水质量，为系统正常运行提供保障。
针对进水中含有大量难降解COD、有机物等问题，可考虑对收水范围中的工业废水类型进行梳理，确定难降解COD的组分。同时结合小试或中试等不同方法，如混凝沉淀、磁分离、次氯酸钠氧化、臭氧氧化、活性炭/活性焦吸附、类芬顿工艺等，对难降解COD需进行针对性试验研究，通过对比不同试验效果结合现状工艺提出强化处理思路。
在实际运维管理方面，定期对设备检修是保障污水厂高效运行的关键。在日常运营过程中应加强各类仪器仪表和设备的巡检和维护，对存在的问题和运行工况较差的及时报备处理，对存在误差的仪器仪表定期进行校核；定期组织一线技术人员的学习和培训，强化专业技能和应急处理能力。对于老化的设备和构筑物在有条件的时候尽量维护或更换。
提标改造对策
有机氮的去除一般可以通过源头强化控制，针对悬浮性有机氮，可通过预处理系统的沉砂池、初沉池或采用混凝沉淀过滤等工艺部分去除，部分可氨化有机氮可在活性系统中转化为氨氮；针对溶解性可氨化有机氮，在进入生物段前基本可转化为氨氮，对部分工业废水有机氮，可通过预处理的初沉池，生化段的厌氧区等厌氧水解，转化为氨氮。对于溶解性不可氨化有机氮，可以通过深度处理系统的吸附，混凝沉淀或高级氧化可实现一定程度的去除。
城镇污水处理厂NH3-N和NO3-N是TN去除的关键。针对NH3-N去除，在日常运行过程中，可通过增大好氧区活性污泥浓度，提高生物系统的好氧泥龄，有效增加硝化菌总量，同时可适当提高DO浓度，提升系统硝化能力；在工艺段有过渡区时，按好氧区运行，提高好氧区水力停留时间。在提标改造时，在用地条件允许时，可扩增好氧池池容或在好氧池投加悬浮填料，提高系统硝化能力及稳定性提高硝化效果。在NH3-N超标情况下，可考虑在好氧区投加硝化菌种（含污泥接种）或出水投加次氯酸钠进行应急处理，但应注意防范生态风险。
NO3-N的去除是污水厂TN去除的重要途径，主要依靠生化单元的反硝化作用进行去除。在提标改造中可通过提高缺氧区容积占比，如缺氧区水力停留时间不宜低于4h，碳源不足时可投加外部碳源，如乙酸、乙酸钠等；在运行过程中控制内回流混合液DO浓度，可在好氧区内回流点设置消氧区，以降低内回流DO对缺氧区反硝化脱氮的影响；在运行过程中根据BOD5/TN、外部碳源投加及碳源分配等情况调节内回流比；进水碳源充足或投加外碳源时，可通过提高内回流比提升脱氮效能；有条件的情况可设置后缺氧区，可通过投加外碳源提高脱氮能力，但不建议在后置缺氧设置进水点。
在传统生化系统脱氮能力有限时，可考虑在深度处理系统设置如反硝化滤池等具有反硝化脱氮功能的设施。在运行过程中结合生物系统脱氮效果和二沉池出水硝态氮浓度，动态调整反硝化滤池的碳源投加量，防止过量投加导致出水COD、BOD5浓度上升或超标。
整体而言，在污水厂提标改造中，应优先考虑强化源头控制、调整和优化运行模式及管理、投加化学药剂等非工程性措施，若仍不能稳定达标时，可考虑采取针对性的工程技术措施。