叠层微单元生化处理工艺基于污水活性污泥生化法和生态塘生物法处理基本原理,将厌氧-缺氧-好氧生化区自下而上叠层布置于一个土工式处理池中,池中设置数百个气提微单元回流溶氧器,空气自提升管下部鼓入,作为气力提升动力及向污水、污泥生化系统供氧,气提微单元回流溶氧器在气力提升作用下吸取池底污水及轻质污泥,提升并均匀抛洒至池中部。微单元回流溶氧器主要结构形成为一个竖向气力提升管,管口设置一个倒伞型导流板,气提微单元回流溶氧器设置于水面下3~4m水深处,每个气提微单元回流溶氧器下部设有一组集泥管,将池底沉降轻质活性污泥吸入气提微单元回流溶氧器,与污水混合提升并充氧,气提微单元回流溶氧器将污水、活性污泥混合液提升至池中部,其上部扩散板将活性污泥抛洒至水中,活性污泥弥散、下沉过程中进行好氧、缺氧、厌氧渐变,并对污水实施深度净化,这就相当于在池中下部形成了数百个A²/O生化微单元,污水在A²/O生化微单元作用下得到深度净化处理,在深度降解去除有机污染物的同时去除氮磷物质,底部剩余污泥中的有机物质被充分利用作为生物脱氮碳源,经充分无机化后积沉于池底,上部为充分澄清的景观清水,土工池池周铺设砾石、粗砂作为漫流生物滤床,生物滤床内布设集渗管收集处理后外排清水。处理池内除形成大量微生物群落外,还生长大量轮虫、线虫等原生、后生动物,以及鱼和泥鳅等高等水生动物,工艺系统内综合着厌氧-缺氧-好氧交替生化,以及生物吞噬、捕食等过程;有着活性污泥生化和生物吸附、凝聚等多重净化作用,包含了多种有效的污水处理工艺特点,达到污水深度净化处理和生态景观有机结合的工程效果。

　　 叠层微单元生化处理的基本工艺模式如图1所示。

　　 污水由处理池中部池底进入厌氧生化区,在气提微单元回流溶氧器空气引射作用下,池底轻质活性污泥与污水以及好氧生化处理后的下沉回流液充分混合,在厌氧、兼氧微生物作用下,降解去除有机污染物以及磷、氮物质。

　　 厌氧生化区上部清液上升进入好氧生化区,污水与池中悬浮的好氧微生物充分混合,并被充氧,污泥中好氧菌和藻类降解和吸收水中有机污染物,繁衍、生长、凝聚形成活性污泥絮体,并逐渐下沉,大部分活性污泥絮体被气提微单元回流溶氧器反复抽吸、充氧、抛洒、弥散至水中,小部分活性污泥絮体作为剩余污泥沉入池底,底部厌氧、缺氧区剩余污泥大部分作为生物脱氮碳源物质被消耗,小部分沉积在池底,在池底厌氧状态下,经过微生物长期消解最终转化成稳定的无机底泥,最大限度地实现污泥的无害化、减量化处理。

　　 微单元回流溶氧器连续自下而上的提升作用使得上部好氧生化区和下部厌氧生化区之间存在一个自上而下溶解氧逐渐降低的缺氧生化区,缺氧生化区作为好氧生化-厌氧生化之间的过渡区,有利于好氧硝化和厌氧反硝化过程的进行,并可以有效防止丝状细菌过度繁殖导致的活性污泥胶团解体。

　　 好氧生化区处理后的污水在池上部澄清区充分澄清后进入漫流生物滤床,漫流生物滤床进一步去除水中残余的污染物、悬浮物和游离微生物,漫流生物滤床集水管出水经紫外线消毒后达到出水水质标准,回用或外排自然水体。

　　 叠层微单元生化处理工艺的工艺技术模型为每个气提微单元回流溶氧器形成一个自下而上叠层布置的、生化状态渐变的A²/O生化微处理单元,在每个微处理单元中均可实现回流比高达数十至数百倍的厌氧-缺氧-好氧硝化、反硝化微循环,实现强化生化脱氮;大量水生、岸生植物也形成深度生物脱氮功能。已经实际运行的工程证明叠层微单元生化处理工艺具有较好的脱氮效果,能沟满足氨氮、总氮排放标准要求。

　　 叠层微单元生化处理工艺设置有厌氧-缺氧-好氧生化处理过程,一部分磷供好氧菌群摄取充分的原料,成为聚合磷酸盐,储存细胞原生质中;另一部分磷与Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺等离子结合成相对稳定的沉淀性无机磷酸盐,沉入池底,实现自然化学除磷。已经实际运行的工程证明叠层微单元生化处理工艺具有较好的除磷效果,不需要增加化学除磷,即能满足总磷排放标准要求。

　　 本工艺在污水净化过程中也会产生大量活性污泥,除参与污水净化处理所需要的活性污泥循环外,剩余污泥则下沉至池底。 其中大部分作为生物脱氮碳源物质被消耗,小部分沉积在池底的剩余污泥会迅速转成厌氧状态,在厌氧微生物长期作用下,污泥中有机成份被长时间深度消解,污泥实现深度无机化,深度无机化污泥体积将缩小90%以上。在池底部,无机化沉积底泥逐渐形成一个有效防渗保护层,进一步加强污水处理池的防渗功能。

　　 已有的工程案例表明,污水处理池中底泥积存厚度仅为每年20~30 mm,在污水处理池设计时会预留出400~600 mm的积泥空间,污水处理厂运行服务期内(30 年)污水处理池不需要处理污泥。

　　 由于叠层微单元生化处理工艺技术综合采取了污水、污泥处理组合技术,污水处理系统内储存的污泥、污水量巨大,因此污水处理系统可以承受较大的水量、水质冲击负荷,保持出水水质稳定。

　　 其厌氧、缺氧区均位于处理池下部,污水由池底进入处理池,厌氧、缺氧区臭气物质在上升到上层好氧处理区过程中可得到充分吸收、降解,解决污水处理厂臭气问题。

　　 叠层微单元生化处理池采用土工式水池,其池口、岸边及浅水区生长大量芦苇、菖蒲、金鱼草等水生、岸生植物,以及湖面栖息的水禽形成景观湖面效果。通常选择自然坑塘、洼地建设叠层微单元生化污水处理厂,土工式处理池可以有限降低工程建设投资,缩短污水处理厂建设周期。

　　 叠层微单元生化处理工艺已实际应用于多个生活污水、工业废水处理工程,本文以永清新城污水处理厂为案例。

　　 永清新城污水处理厂项目业主为永清京台自来水有限公司,污水处理厂接纳、处理永清新城全部工业废水和生活污水,处理后出水供给永清新城作为绿化、道路清洗和河道景观用水,于2014年建成投入运行。

　　 污水处理厂包括一个1.3 万m³/d工业废水处理系统、一个1.3 万m³/d生活污水处理系统,其中工业废水处理系统采用A²/O工艺设计建设,但因新城调整总体规划后,拒绝引进污染工业项目,建成至今一直处于闲置状态,一般工业废水直接进入生活污水收集系统与生活污水合并处理,生活污水处理系统采用叠层微单元生化处理工艺技术设计、建设。工程总占地面积56.5亩(1亩≈667m²),其中叠层微单元生化处理设施利用原有取土坑塘建设。 工程建设周期6 个月,结算总投资2 932万元。

　　 污水处理厂生活污水处理系统设计工程规模1.3万m³/d,排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准,设计进出水水质和污染物去除率见表1。

　　 污水处理厂格栅、栅渣压榨脱水机依据栅前、后水位自动运行,污水提升泵依据进水井水位自动运行。

　　 叠层微单元生化处理池有效容积9.6万m³,设计水力停留时间7d,池尾集水区漫流过滤面积600m²,平均过滤速率0.9m³/(m²·h)。鉴于叠层微单元生化处理工艺的处理池具有很大的水面,能够最大限度地接受自然复氧,参照A²/O工艺计算供气量后,按污水处理所需供氧量的30%为自然复氧设计鼓风供气设备,实际安装了3台鼓风机(2用1备)。污水处理厂设有进出水在线水质监测仪器和水质超标自动留样设备,在线监测项目包括进出水COD、NH₃-N和pH。

　　 污水处理厂自建成投产两年来,实际处理水量为7 000~15 600 m³/d(时有施工降水排水和雨水进入),实际进出水水质及污染物去除率见表2。

　　 基于永清新城污水处理厂冬季运行情况,冬季池周浅水区会结薄冰,中部处理区不结冰(主要是生活污水进水温度通常在10~15℃,并且冬季鼓风机出口空气温度也可达到40~50℃),冬季、夏季处理效果无明显差异。叠层微单元生化污水深度净化技术可以适用于我国华北及以南地区。

　　 污水处理厂全自动运行,5 名员工主要工作为运行巡视和养鸡、种菜。平时只运行1台鼓风机,且主要利用低谷电价时段间歇性鼓风曝气,依据该厂电费计算的平均电耗为0.24kW·h/m³。污水处理厂投运后,托管运营,托管运行服务费为0.36元/m³。

　　 污水处理厂内空气清新、湿润,完全没有臭气、异味。叠层微单元生化处理池内生长了多种鱼、虾,其中的草鱼已长到50~60cm,重达3~4kg,回用水池内成群游曳着锦鲤,广阔的湖面放养了几十只白鹅,也招引了野鸭、水鸟滞留、繁衍,形成了较好的景观、生态效果。

　　 由于我国面临着日益严峻的水污染问题,国家正在不断提升污水排放标准,北京、天津、山东等地区已率先颁布执行了比国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准更为严格的污水处理厂污染物排放标准,全国范围内均开始了以提标改造为目标的现有污水处理厂技术改造工作,叠层微单元生化处理工艺由于其具备污水深度净化、再生性能,不需要处理剩余污泥,无臭气污染,并且可以形成生态湖式污水处理厂的景观效果,有望在污水深度净化处理、水资源再生利用进程中得到更为广泛的推广应用。