摘要：基于深圳雨源型河道生态补水的水质要求，以多级好氧强化除磷（APO/M）技术为主体工艺，建设一座规模为2×104m3/d的生态补水回用厂。工程实践表明，以APO/M工艺为主体的污水深度处理取得了良好效果，对COD、NH3-N、TP和SS的去除率均达到90%以上，满足深圳市生态河道补水《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）准Ⅲ类水标准（总氮除外）。该工艺出水可作为河道生态补水，还具有投资和运行成本低、紧凑且占地面积小、稳定并抗冲击负荷等技术优势。同步研究发现，APO/M工艺中特别设置的消氧段实现了AP池、O池和M池的协同，达到了生态补水的目标要求，增设消氧段（HRT=1h）有效实现了AP池和O池的溶解氧梯度，并减少了AP池和O池的综合停留时间。
雨源型河道以小河居多，河短流急，流域的地表径流和地下水主要来源于降雨，有雨即产流，无雨即断流，几乎无环境容量，雨源型河道的生态健康维持更需生态补水
。基于《深圳市城市水务规划2035》和《深圳市水务发展“十四五”规划》，明确了雨源型河道水质需达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）准Ⅲ类水（总氮除外）目标。雨源型河道生态健康以鱼类为指示物种，鱼类对DO、氨氮、余氯和臭氧等较为敏感
，河道生态补水需要满足这一要求。根据雨源型河道补水、深圳治水规划和鱼类生存的综合要求，传统活性污泥法及其改进工艺对雨源型河道生态补水的综合要求针对性不足
。
多级好氧强化除磷（A
P
O/M）工艺具有满足雨源型河道生态补水的技术特点，尾水通过强化除磷实现低磷排放。与传统活性污泥法相比，A
P
O/M工艺不但存在微生物高效降解有机物的过程，而且反应器内膜组件能截留废水中粒径较大的有机物，增加微生物与有机物的接触时间，提高有机物的去除效能。同时，膜组件能对反应器污泥进行有效截留，提高好氧池的活性微生物数量，有利于改善微生物对有机物的去除效果，较高的污泥浓度会促进反应器局部缺氧环境的形成，即形成一定的反硝化环境。膜组件代替了传统活性污泥工艺的二沉池。此外，A
P
O/M工艺流程增设了水力停留时间为1 h的消氧段，有效实现了A
P
池和O池的溶解氧梯度，具有较高的活性污泥浓度。
多级好氧强化除磷A
P
O/M工艺很好地响应了深圳市新时期的治水需求，可提供满足雨源型河道补水的准Ⅲ类高品质再生水，在深圳、惠州和揭阳等地有丰富的成功实践，深圳市大望片区污水处理设施为其典范之作，值得进行经验总结和应用推广。
基于深圳市雨源型河道补水的准Ⅲ类水质要求，本工程的目标是将深圳大望片区的生活污水处理后作为河道生态补水，建设区仅可提供约4000m
2
建设用地。
本工程于2018年进行方案设计，通过调查得知，非雨天片区实测污水量为17 273m
3
/d。据此实测污水量并分析计算，确定污水处理规模为2×10
4
m3/d，
K
z取1.3。
同时，对片区内排水系统3个主要排口进行7次水质监测，主要指标pH、COD、BOD
5
、SS、NH
3
-N和TP分别为7.1~7.6、42~148mg/L、31~61mg/L、14~324mg/L、8.2~21.2mg/L、0.49~2.71mg/L。根据实测水质数据，考虑片区后续雨污分流完善情况，确定污水处理厂设计进水水质。主要出水水质按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类要求，确定排放标准。污水处理厂设计进、出水水质见表1。
表1污水处理厂设计进、出水水质
该地区生活污水主要污染物为有机物、SS、NH
3
-N和TP，可生化性较好，适合采用生物处理。
3.1工艺流程
考虑到建设场地限制以及受纳水体为雨源型河道的特点，结合服务区域污水量、水质排放现状，主体工艺采用改良ApO工艺串联M池膜反应器。APO/M工艺具有传统A/O活性污泥法和膜分离技术的特点，通过设置消氧段强化厌氧池（Ap）释磷效果，在好氧池（O）内进行生物强化除磷，同时在好氧池（O）和膜池（M）的连通渠内通过化学除磷剂添加装置投加化学除磷剂到膜池（M），为系统除磷提供“把关式”保障。同时利用膜的高效固液分离，解决了传统工艺中硝化菌长污泥龄和聚磷菌短污泥龄之间的矛盾，强化了脱氮除磷功能。主要工艺流程如图1所示。
图1污水处理工艺流程
3.2主要构筑物与设计参数
①粗格栅。粗格栅尺寸为2.4m×5.6m，格栅间隙为20mm，安装角度60°。室内安装回转式齿耙格栅机1台，间歇运行（4h/d），电机功率为0.75kW，移动速度为3m/min，有效栅宽为240mm，机架宽为660mm，渠宽为700mm。
②提升泵。保留原有4台潜污泵（Q=150m3/h，H=220kPa，N=22kW），2用2备，改造新增4台潜污泵（Q=360m3/h，H=110kPa，N=15kW），3用1备。同时，对提升泵房进行密闭改造，将产生的臭气收集并去除。
③平流沉砂池。沉砂池为钢筋混凝土结构，工艺尺寸为7.0m×1.6m×3.1m，有效水深1.1m，停留时间42s，设沉砂斗1座，有效容积为0.96m3。在沉砂池前后分别设置网孔尺寸为5mm的细格栅和1mm的精细格栅，均为内进流式网板格栅，安装角度均为90°。细格栅平面尺寸为4.0m×1.6m，电机功率为1.5kW，设2台冲洗水泵（Q=20m3/h，H=800kPa，N=5kW），1用1备。
沉砂池后精细格栅平面尺寸为4.9m×1.6m，电机功率为1.5kW，设2台冲洗水泵（Q=20m3/h，H=800kPa，N=5kW），1用1备。
④ Ap/O池。沉砂池出水经精细格栅进一步分离后进入Ap/O池，Ap/O池为钢筋混凝土结构，其中Ap池工艺尺寸为12.0m×8.0m×7.7m，O池为37.8m×11.0m×7.7m，两者容积比为1∶3.67。Ap池溶解氧维持在0.5mg/L，停留时间为1.5h。O池溶解氧维持在2.0mg/L左右，设微孔曝气管155套，气水比为（5~6）∶1，MLSS为6000~8000mg/L，混合液回流比为180%~250%，污泥龄接近30d。好氧池有效水深6~8m，停留时间为5.5h，其中消氧段停留时间为1h。设混合液回流泵3台，2用1备；设潜水推流器4台；设溶解氧在线监测仪2台。
⑤ M池。在Ap/O池后通过配水渠接M池，M池系膜分离池，可经M池浓缩过滤作用提高混合液污泥回流浓度，同时实现固液分离，取代二沉池，同时实现满足雨源型河道高标准补水的要求。工艺尺寸为25.1m×20.7m×5.1m，膜池系列数：3，每系列膜箱数：9组，并预留1个空位。采用PVDF膜丝材质，内/外径为0.7/1.3mm。总膜面积56700m2；设计膜通量：平均通量15.43L/（m2·h），瞬时通量18.35L/（m2·h）；膜吹扫风量：160000m3/h（标准状态下），采用间歇式曝气，运行8.5min后停1.5min，保持气水比为（7~8）∶1。膜池污泥回流比250%~350%，水力停留时间为0.98h。膜系统维护性清洗：次氯酸钠500mg/L，每周一次；次氯酸钠3000mg/L，每3个月一次；柠檬酸（质量分数为0.8%）则视情况而定。膜系统离线清洗：次氯酸钠3000mg/L，柠檬酸质量分数为1%～2%，碱洗1次/（12～24）h，酸洗1次/（2～4）h。
⑥污泥浓缩池。有效容积为170m3，分两格，污泥由泵送入板框压滤机脱水，过滤面积为150m2，PAM投加量为干泥的0.1%~0.2%。上清液回流至Ap/O池，浓缩后的污泥用浓浆螺杆泵输送至污泥一体化脱水设备进行脱水后外运，Q=12m3/h，H=600kPa，P=7.5kW，1用1备。
⑦曝气与投药系统。选用两种型号空气悬浮风机，型号Ⅰ供气压力为66.2kPa，流量为112m3/min，电机功率为123kW；型号Ⅱ供气压力为44.0kPa，流量为42m3/min，电机功率为62kW。两台型号Ⅰ鼓风机仅对MBR池供气，1用1备；3台型号Ⅱ鼓风机对O池供气，2用1备。鼓风机房设于地下，可节约占地面积，减少噪声污染。
在M池前段设置混合井，尺寸为2.86m×2.86m，投加浓度为10%的聚合氯化铝（PAC）进行化学除磷，投加量为15mg/L。设2台加药计量泵（Q=90m3/h，H=300kPa，N=1.5kW），1用1备。
本工程调试阶段在AP池投加市政污水处理厂脱水污泥作为厌氧接种污泥，投加量约为AP池有效池容的25%，并投加葡萄糖、面粉、尿素和磷等保证驯化阶段合适的C∶N∶P比例，O池采用AP池出水挟带污泥闷曝进行接种，并以渐次进水的方式进行调试。由于进厂污水混有片区清洁基流，进水浓度影响生化池中污泥生长。本工程通过保证曝气强度，严格控制O池溶解氧为2.0mg/L左右，确保污水与污泥充分混合，污泥处于悬浮状态，保障系统正常运转。
在工程运行稳定后进行水质监测，包括自动监测和人工监测，其监测、采样和分析方法如下：
①水质自动监测。在污水厂的进水口和出水口安装在线自动监测设施（总磷设备购自广东长天思源环保科技有限公司，氨氮、COD仪购自北京时代华瑞有限公司），共2台同型号设备，一台安装在A池进水口前，另一台安装在M池出水口后，两台设备监测步长均为2h，监测指标包括TSS、pH、COD、NH
3
-N和TP等（同点位对BOD
5
进行一周的人工采样分析），其监测结果直接导出至电脑。
②水质人工监测。为了核算A、O和M三个处理单元的污染物去除功效，分别设置采样点进行连续采样分析。其中，在A池进水口设置1个采样点（
C
A进
）；O池进水口设置2个采样点（相当于A池出水水质，记为
C
O进
）、O池曝气段至消氧段出口设置2个采样点（记为
C
O内
），O池末端出水口处设置1个采样点（
C
O出
）；M池进水口（记为
C
M进
）、M池回流渠内（记为
C
M内
）和M池出水口（
C
M出
）各设置1个采样点。
③室内化学分析。将人工监测采集的样品在实验室进行分析，COD采用重铬酸钾法（HJ 828—2017），氨氮采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009），TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）。
采用自动监测站连续监测212次，分析污水厂进、出水水质情况（见表2和图2~4）。由图2~4可知，实际进水COD、NH
3
-N和TP等指标与设计指标相比偏低，这可能与本区域雨污分流未能完全覆盖有关。
进水COD、NH
3
-N和TP分别为（120.53±28.10）、（15.67±6.57）和（2.42±2.02）mg/L，而相应出水指标分别为（12.56±2.39）、（0.33±0.20）和（0.14±0.10）mg/L，去除率均可达到90%以上，且全部满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水要求，达到项目设计目标。
同时在进水指标出现较大波动，如NH
3
-N达到40mg/L和TP达到10mg/L左右时，出水水质仍然较为稳定，表明系统抗冲击负荷能力、系统韧性和适应性较强。
表2APO/M工艺污水厂进、出水水质
图2APO/M工艺污水厂进、出水COD
图3APO/M工艺污水厂进、出水氨氮
图4APO/M工艺污水厂进、出水总磷
为定量分析不同处理单元对污染指标的去除功效，以COD、NH
3
-N和TP为代表，建立A
P
O/M工艺水质指标浓度与水量间的物料平衡模型（见图5），假定单位时间内进水和出水相等且均为
Q
，M池至O池回流比为300%（即为3
Q
），O池至A
P
池回流比为200%（即为2
Q
）。
图5APO/M工艺水质指标与水量间的物料平衡模型
A
P
池削减污染通量=
C
A进
×
Q
+
C
O内
×2
Q
-
C
O进
×3
Q
，O池削减污染通量=
C
O进
×3
Q
+
C
M内
×3
Q
-
C
O内
×2
Q
-
C
M进
×4
Q
，M池削减污染通量=
C
M进
×4
Q
-
C
M内
×3
Q
-
C
M出
×
Q
。不同处理单元的污染物削减效果见图6。
图6APO/M工艺不同处理单元的污染物削减效果
由图6可知，对COD的去除，M池的贡献最大（45%），O池次之（32%），A池为12%；这与设计时的考虑一致，COD在A池首先通过厌氧作用，将大分子有机物分解，具有一定的削减COD作用；而进入O池，进一步在好氧环境和微生物作用下，对COD进行有效去除；M池在O池的基础上增加了满足过滤要求的短水力停留时间的曝气，通过复合膜过滤和曝气作用，增加有机物降解，可明显去除COD。
对氨氮的去除主要通过硝化作用，因此O池的贡献最大（53%）；同时因南方雨水较多和高地下水位条件，进水氨氮浓度没有达到设计值，导致A池去除率偏高（42%）；而污水经过A
P
O/M工艺A池和O池的有效处理，氨氮浓度已经较低，因此M池去除率相对较低（约占3%）。
在TP的去除中，O池好氧条件下，通过聚磷菌的过量摄取，去除贡献达到60%；M池通过膜过滤和化学除磷，去除贡献达到28%；而A池主要聚磷菌厌氧释磷过程，基本没有除磷作用。尽管进水COD偏低影响了优势微生物的繁殖，而本工艺M池发挥了强化化学除磷作用，因此使得出水TP低于0.2mg/L的限值，体现出工艺对进水具有较强的适应性。
从整体上来说，本工程项目中污染物去除主要依靠好氧降解，A池虽然也有较大的贡献，但有机物厌氧氧化、微生物反硝化作用及厌氧释磷作用仍有提升空间。
本工程在可建设用地为4000m
2
的约束下，建设了规模为2×10
4
m
3
/d的生态补水型污水回用厂，实际建设用地仅为3000m
2
，单位占地为0.15m
2
/m
3
、建设成本仅为1200元/m
3
。通过建设现场的综合集成，达到整体工艺效果，项目建设周期仅为40d。总运行成本，包括药剂费（PAC、PAM和次氯酸钠等0.130元/m
3
）、动力费（外购电力0.163元/m
3
）、膜更换（5年为更换周期，每年计20%，0.171元/m
3
）、污泥处置（运输与处置0.078元/m
3
）、人工费（现场管理人员总成本0.065元/m
3
）和维修费（固定资产维护及膜清洗0.068元/m
3
）等，总计为0.675元/m
3
。
总的来说，本工程实现了雨源型河道补水要求下的经济性和稳定性，与本地其他工艺
相比，具有明显的可行性和推广性。
针对雨源型河道补水要求和深圳治水规划，采用多级好氧强化除磷A
P
O/M技术为主体处理工艺，新建了处理规模为2×10
4
m
3
/d的污水处理设施。
工程实践表明：①以A
P
O/M工艺为主体的污水厂具有较好的处理效果，对COD、NH
3
-N、TP和SS去除率均达到90%以上，出水主要水质指标达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准（总氮除外），满足雨源型河道生态补水的要求。②其中，COD的去除以M池的贡献最大（45%），O池次之（32%）；对氨氮的去除，O池贡献最大（53%），A池次之（42%）。③A
P
O/M工艺投资仅为常规污水厂的40%左右，占地为常规污水厂的35%左右。
同步研究发现：①APO/M工艺中特别设置的消氧段实现了AP池、O池和M池的协同，达到了生态补水的目标要求，增设消氧段（HRT=1h）有效实现了AP池和O池的溶解氧梯度，并减少了AP池和O池的综合停留时间。②对主要水质指标COD、氨氮和TP等的去除效率在好氧降解阶段更高，而在厌氧阶段仍有提升空间，表明后续加强A池溶解氧的控制，充分发挥微生物反硝化及厌氧释磷作用仍可挖潜。
作者如下：
王健，黄奕龙，杜朋辉，管运涛，景瑞瑛，李佳琪，陈朗，卢巧慧，吴景华
