日本琵琶湖流域污水超深度处理及污泥处置

王艳捷，许春莲，王之晖，张 伟，宋乾武，陈小珍，秦 琦

(1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.北京沃特林克环境工程有限公司，北京 100102)

日本琵琶湖流域污水超深度处理及污泥处置

王艳捷1，许春莲1，王之晖1，张 伟1，宋乾武1，陈小珍2，秦 琦1

(1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.北京沃特林克环境工程有限公司，北京 100102)

以日本琵琶湖流域东北部净化中心为例，介绍了日本琵琶湖流域市政污水处理概况，重点阐述了以投加絮凝剂的多段硝化脱氮法为核心生物工艺的“超深度”处理技术和以“焚烧—熔融”为核心工艺的污泥资源化处置技术，为我国市政污水的深度处理和污泥处置提供了技术和发展借鉴。

琵琶湖流域东北部净化中心;超深度处理技术;多段硝化脱氮法;焚烧熔融;日本

日本数十年来对琵琶湖富营养化的治理收到了良好成效[1]，滋贺县作为琵琶湖流域所处的行政区，通过采用污水深度处理技术和提高污水处理效率等方法，对进入琵琶湖的氮磷负荷进行严格控制，为促进琵琶湖的水质改善发挥了重要作用。

污水深度处理是指污水在二级处理标准的基础上，进一步提高水质要求达到再生回用标准水的水处理过程[2]。滋贺县在日本国内率先采用脱氮除磷的深度处理工艺。2001—2003年，琵琶湖流域的4座水质净化中心又先后采用了高于深度处理水平的超深度处理技术。超深度处理是在深度处理的基础上，进一步提高有机物、总氮和总磷的去除效果，以达到更高的水再生和回用标准。污泥也实现了无害化处理和资源化利用。

本文以日本琵琶湖流域东北部净化中心为例，介绍了目前日本在生活污水深度处理和污泥处置方面的先进技术，以期为我国污水及污泥处理的环保项目建设工作提供借鉴。

1 工程概况

日本琵琶湖流域包括湖南中部、湖西、东北部和高岛4个处理区，东北部净化中心位于琵琶湖东北部。处理区内的污水采用分流制收集方式，设计服务面积13,600公顷，设计服务人口39.6万人。污水处理厂占地面积64.1公顷，总设计处理量37.1万t/d，目前运行的一期工程污水处理量为12.075万t/d， 1997年开始投入运营。

琵琶湖东北部污水净化中心的污水经预处理（格栅—沉砂池—初沉池）后，主要有深度处理和超深度处理两条工艺路线，其中采用深度处理技术的处理规模为3.15万m3/d，采用超深度处理技术的处理规模为8.925万m3/d。

该中心自投产以来，运行情况良好，表1为琵琶湖东北部污水净化中心2009年度进出水水质情况。

表1 琵琶湖东北部污水净化中心2009年平均进出水水质

琵琶湖东北部污水净化中心的污泥经浓缩脱水后采用焚烧和熔融的方式实现无害化处理和资源化利用。图1和图2为琵琶湖东北部污水净化中心污水处理设施和污泥处理设施。

图1 污水处理设施

图2 污泥处理设施

2 超深度处理技术

2.1 以投加絮凝剂的活性污泥循环法为核心生物工艺的深度处理技术

琵琶湖东北部净化中心的深度处理工艺是对原有的二级处理工艺的改良，工艺流程如图3所示。

图3 深度处理工艺流程

投加絮凝剂的活性污泥循环法作为核心生物工艺，包括缺氧段和好氧段，在缺氧段进行反硝化脱氮，好养段则主要进行硝化，类似AO工艺。投加絮凝剂的活性污泥循环法的特点是在好氧段的末端投加絮凝剂PAC，混合有PAC的污泥消化液回流至缺氧段的前端。该混有PAC的消化液回流方式不仅实现好氧硝化—缺氧反硝化的功能，同时还可以充分利用活性污泥的絮凝能力，减少PAC的投加量；此外，PAC中含有的氢氧根离子也可以补充硝化过程中碱度的消耗。运行中发现，通常认为铝离子可能会影响微生物的生物活性，但实际运行并没有出现PAC的抑制作用。

2.2 以投加絮凝剂的多段硝化脱氮法为核心生物工艺的超深度处理技术

琵琶湖东北部净化中心的超深度处理由生物处理段和物理化学处理段共同组成，生物段通过工艺改良进一步强化生物脱氮能力，物理化学处理段则增加了臭氧氧化和生物活性炭吸附处理，超深度处理的工艺流程如图4所示。

图4 超深度处理工艺流程

投加絮凝剂的多段硝化脱氮法是该超深度处理的核心生物处理工艺，采用多段缺氧—好氧（AO）组合的方式。在多段硝化脱氮工艺中，不仅污水中的大部分有机物被微生物分解，氮、磷也同时被高效去除，多段硝化的脱氮率为75%，氨氮的去除率为100%，磷去除率为80%。污水经生物处理后剩下难降解的有机物在后续的物理化学处理中被进一步去除。物理化学处理段的主要工艺为臭氧氧化—生物活性炭过滤，该法在我国饮用水处理领域有着较广泛的应用，在此不做详述。

琵琶湖东北部净化中心超深度处理的整体设计水质目标为CODMn=3.0mg/L，T-N=3.0mg/L，T-P = 0.02mg/L。

2.3 投加絮凝剂的多段硝化脱氮法的工艺特点

投加絮凝剂的多段硝化脱氮法主要由四段串联的缺氧—好氧段（AO）组成（如图5）。前三段串联AO的缺氧+好氧池的容积比为1∶1.3∶1.8，其中各段缺氧池与好氧池的容积比均为1∶1。第三段AO在缺氧池与好氧池之间的池壁上部设有一个插板，用于调节好氧池上部液体回流至缺氧池，形成缺氧池和好氧池之间下进上回的循环方式。这可以保证好氧段的碳源，提高硝化能力，减少后续负担。根据目前运行经验，调节该回流比为60%比较适宜。

第四段AO的缺氧池中投加甲醇等易降解有机物，以弥补碳源。甲醇的投加量主要根据第三段AO的氮含量来确定，由于运行状况良好，目前为止基本没有投加过碳源。第四段的好氧池中投加絮凝剂PAC，进行絮凝反应，絮凝剂的投加量为40mg/L10%的PAC。

图5 投加絮凝剂的多段硝化脱氮法

整个生物反应池采用多点进水的方式，按1∶1∶1的比例分别进入前三段串联AO的缺氧池，后续的二沉池污泥回流进入第一段串联AO的缺氧池，污泥回流比为50%。反应池中夏季MLSS为2000mg/L左右，冬季为3000mg/L左右。第一至第四段AO的总停留时间为15h，曝气量可以根据好氧段出水的氨氮来控制，一般DO控制在0.5mg/L以上，以保证氨氮完全硝化。

3 污泥处置技术

琵琶湖东北部污水净化中心的污泥产生量为0.7kg绝干污泥/t水，通过采用厂区内处理的方式，实现污泥的资源化利用。污泥处理的工艺流程为：浓缩—脱水—焚烧—熔融，其中污泥的焚烧和熔融采用间歇运行方式，每月运行20天，委托专门机构负责。

3.1 污泥浓缩与脱水

初沉池的污泥采用重力浓缩方式进行浓缩；二沉池的剩余污泥采用常压气浮浓缩和离心浓缩两种方式进行浓缩，气浮浓缩用于浓缩的剩余污泥有机质含量高，对于难以气浮浓缩的剩余污泥采用离心浓缩处理，浓缩处理后的污泥分别进入污泥贮存池1和污泥贮存池2。贮存的污泥经过污泥脱水机脱水，脱水后的污泥量平均为55t/d。污泥浓缩脱水工艺流程如图6。

图6 污泥浓缩脱水工艺流程

3.2 污泥焚烧

脱水后的泥饼采用焚烧处理。琵琶湖东北部污水净化中心焚烧设备采用流动床式焚烧炉，焚烧温度为870℃～890℃，处理能力为110t泥饼/d。

流化床焚烧炉以炉本体为主体结构形成密闭的流态循环系统，炉膛下部装有作载热媒体的惰性砂粒，床下布风产生流态化，砂粒循环量可以控制进入炉内的空气量。燃料（市政天然气）和泥饼从流化床下部送入，在炉内发生混合、干燥、破碎、分解、气化、燃烧。物料在炉膛经过内、外多个途径循环，确保烟气在高温区的有效停留时间，保证垃圾各组分充分燃尽，使有毒有害物质的分解破坏更为彻底[3]。图7为流化床焚烧炉设备。

图7 流化床焚烧炉设备

3.3 焚烧灰熔融

污泥经焚烧分解，形成的焚烧灰进入熔融炉。琵琶湖东北部污水净化中心熔融设备采用回旋式熔融炉，温度为1350℃～1450℃，处理能力为7.68t（焚烧灰）/d。焚烧灰在熔融助剂的作用下，在高温下呈熔融状态，通过空气自然冷却和喷淋水急速冷却两种冷却方式形成块状和颗粒状的熔渣。图8和图9分别为回旋式熔融炉设备及熔融后的块状熔渣。这些熔渣可以作为建材和步道砖的骨料。融渣的物理性能如表2所示。

图8 回旋式熔融炉

图9 熔渣

表2 熔渣的物理性能

污泥经焚烧熔融的减量化和稳定化处理后，重量缩减为泥饼的3.5%～4%。污泥焚烧—熔融的处理情况及能耗如表3。

表3 污泥焚烧—熔融的处理情况及能耗

4 结论与启示

近10年来我国在污水深度处理方面发展迅速，尤其自2002年以来，国家陆续颁布和修订了相关的标准和规范，强调污水的深度处理和回用，各地政府也相继启动了污水处理厂升级改造和再生利用工作。在污泥处置方面，我国早期的污水处理厂建设没有严格的污泥排放监督机制，普遍是将污水和污泥处理单元剥离开来，尽可能地简化甚至忽略污泥处理单元[4]。近年来污泥处理开始受到重视，但由于污泥处理产业刚刚起步，其中暴露出不少问题。因此，要实现污泥的无害化处理和资源化利用依然任重道远。

琵琶湖流域下水道净化中心的污水处理和污泥处置是一个很好的案例，对于我国污水处理领域今后的发展有启示作用。

（1）相对于琵琶湖流域下水道净化中心的超深度处理，我国的污水深度处理仍需要有很大的发展。尽管当前我国的经济技术水平尚难以达到污水的超深度处理，但超深度处理作为污水处理领域的更高标准和要求，为我国今后污水处理事业的发展提供了借鉴。

（2）琵琶湖流域下水道净化中心采用的投加絮凝剂的多段硝化脱氮工艺，是在二级处理工艺的基础上经过逐步改良，实现了污水中氮磷的高效去除，且经济可行。这对于我国当前的市政污水厂“提标改造”具有很好的技术启示。

（3）由于污水处理是由污水至污泥的污染物形式的转移过程，因此，污泥妥善处理是防止二次污染的重要环节，污泥的无害化处理和资源化利用是我国污泥处置的必经之路。琵琶湖流域下水道净化中心采用污泥的分类浓缩，系统化的污泥焚烧—熔融处置，为我国的污泥处理方式提供了经验。

（4）日本为保护琵琶湖水环境，扭转水质恶化，实行包括污水超深度处理等多方面的污染整治措施，成为水环境保护领域的一个成功案例，这对于我国重要的饮用水水源地等特殊敏感区的水质保护具有重要的启示作用。

[1]王秋静，耿晓娜，林栋.日本琵琶湖治理的工程措施对太湖的启示[J].水利经济，2005，23（5）：41-44.

[2]张杰，曹开朗.城市污水深度处理与水资源可持续利用[J].中国给水排水，2001，17（3）：11-12.

[3]裘伯钢，赵美红.浅谈污泥干化焚烧处理[J].中国环保产业，2006（1）.

[4]宿翠霞，王龙波，李凌霄，等.城镇污水处理厂污泥处置与资源化利用[J].中国资源综合利用，2010，28（5）：50-52.

Super-advanced Sewage Processing and Sludge Disposal in Lake Biwa Watershed， Japan

WANG Yan-jie1, XU Chun-lian1, WANG Zhi-hui1, ZHANG Wei1, SONG Qian-wu1, CHEN Xiao-zhen2, QIN Qi1
(1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;2. Beijing Waterlink Environment Engineering Co., Ltd, Beijing 10001, China)

Taking the purification center for northeast Biwa Lake watershed for an example, this paper introduces the overview of municipal sewage treatment in Lake Biwa watershed, Japan, and specially focuses on the super-advanced sewage biological processing and sludge resource disposal, the core of which is multi-stage denitrification with flocculants dosing and incineration & melting respectively. It provides technical supports and development ideas for sewage advanced processing and sludge disposal in China.

the northeast purification center of Lake Biwa watershed; super-advanced processing; multi-stage denitrification with flocculants dosing; incineration and melting; Japan

X703

A

1006-5377（2011）08-0058-04