污水處理廠升級提標改造工程設計簡介

郭 飛

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

延安市污水處理廠建于1999年，設計處理規模為50 000 m3/d，現基本已滿負荷運行。由于建設時間較早，該廠設計排放標準為《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中一級標準。根據《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準》的要求，污水廠必須將排放標準提升為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。

1 污水廠運行現狀

1.1 工藝流程及運行參數

該廠改造前工藝:格柵→進水泵房→沉砂池→Orbal氧化溝(4組)→二沉池(4組)→加氯消毒池→出水排放。在現有水量下構筑物運行參數如表1所示。

表1 廠內主要現有構筑物參數Tab.1 List and Main Parameters of Structures

1.2 運行效果

表2為2011年延安市污水處理廠日常監測數據統計。

表2 2011年進出水主要污染物指標Tab.2 Quality of Influent and Effluent in 2011

2 現狀問題分析及改造思路

由表2可知2011年本廠運行狀況基本正常，出水中CODCr、BOD5、SS和NH3-N等指標與“一級A”排放標準差距較小。針對出水SS及大腸桿菌指標的提標要求，在污水排放前增設濾布濾池及紫外消毒池。

污水處理廠總磷亦長期超標，但運行數據顯示其超標的絕對數值不大。因此總磷可通過增設加藥化學除磷的方式實現提標。

污水處理廠的總氮數據長期超標，且超標幅度較大，這是污水處理廠原排放標準中無總氮指標、以至于原工藝脫氮能力較弱造成的。總氮的提標也是本次改造的重點和難點。

為進一步了解進出水的總氮指標中的具體組分，污水廠提供了2011年9月某次測定的更多日常監測數據，其統計平均值如表3所示。

表3 進出水氮元素組成測試數據Tab.3 Nitrogen in Influent and Effluent

由表3可知:

(1)進水的大部分為有機氮，氨氮較低，硝酸鹽氮很低。

(2)出水的絕大部分氮元素仍以有機氮形式存在。出水總氮中僅15% ～20%為硝酸鹽氮，10% ～15%為氨氮，其余均為有機氮。也就是說，這部分有機氮完全沒有經歷有機氮→氨氮→硝態氮→氮氣的生物脫氮轉化過程，這是出水總氮不達標的重要原因，可能的原因如下。

(a)出水的硝酸鹽氮濃度不高，說明有機氮的氨化及氨氮的硝化作用不完全，這是現有氧化溝脫氮能力不足造成的，而這與氧化溝的供氧條件有關。因此，改造方案將對設備供氧能力進行核算，必要時補充曝氣充氧能力，強化硝化作用。

(b)Orbal氧化溝進水方式為多點進水，這樣設置的本意為實現反硝化脫氮。但進水CODCr、總氮濃度均較高，由于池體容積及曝氣量的限制，有機氮的氨化過程及硝化過程進行不佳，在這種情況下多點進水實現脫氮的意圖難以達成，反而易造成靠近末端部分的污水停留時間過短，導致有機氮直接流出。改造中將多點進水方式取消，改為更接近推流的運行方式，設置獨立的缺氧/好氧區域，并配置內回流，并改造為A/O工藝，強化脫氮效果，便于運行管理。

上述為本工程技術上主要難點分析，結合本工程其他限制因素，本次改造主要難點如下:

(1)在技術上，現有池體的容積及現有設備的供氧量均難以滿足對現有進水總氮去除的要求，改造著重針對脫氮進行強化;

(2)在工程實施上，本項目可用場地非常有限且形狀不規則，難以新增大型池體。因此必須選用集成度較高的工藝，在實際工藝選擇上我們選擇了曝氣生物濾池為深度處理工藝;

(3)在投資控制上，項目投資資金有限，考慮采用最簡單實用的手段實現改造目標，在實際改造中選擇了同步沉淀化學除磷工藝。

3 提標改造工藝

3.1 提標改造工藝流程

進水泵房→沉砂池→厭氧選擇池→氧化溝(改造)→二沉池→中間提升池→曝氣生物濾池(硝化池)→曝氣生物濾池(反硝化池)→濾布濾池→紫外消毒池→出水池→排放。其中在氧化溝的反硝化段入口及反硝化生物濾池進水口均設置碳源投加點，以解決碳源不足問題;在改造后的氧化溝出水口投加聚合氯化鋁(PAC)，使其在氧化溝至二沉池管道中反應，實現二沉池的化學除磷。各個構筑物的設計預測進出水水質如表4所示。

表4 改造后各個構筑物設計進出水水質預測Tab.4 Forecast of Influent and Effluent Quality after Upgrading and Reconstruction

3.2 提標改造主要構筑物

3.2.1 氧化溝

將現有的Orbal氧化溝改造為A/O方式運行。

因現有池型的限制，將現有的中溝改為缺氧池，將現有的多點進水Orbal氧化溝改為中溝進水，污水依次流過中溝-外溝-內溝，實現缺氧/好氧的運行方式，并增設內回流裝置。這樣改造工作量最小，流程上也較為合理。

改造前后氧化溝內部流程如圖1及圖2所示。

圖1 改造前Orbal氧化溝內部流程Fig.1 Process in Oxidation Ditch before Reconstruction

圖2 改造后Orbal氧化溝內部流程Fig.2 Process in Oxidation Ditch after Reconstruction

經核算，改造后缺氧池 HRT為5.2 h，好氧池HRT為11.3 h。受氧化溝總容積限制，改造后的氧化溝設計出水總氮為25 mg/L。為達到總氮指標達標排放，在氧化溝后補充曝氣生物濾池進行深度處理。

改造前氧化溝轉刷曝氣的情況:外圈安裝6只22 kW轉刷，中圈安裝4只22 kW轉刷，內圈安裝2只18.5 kW轉刷。

根據提標后設計進出水水質，改造后氧化溝總需氧量為16 576 kg/d。變化系數為1.3，則最大需氧量為21 549 kg/d。

改造后中圈轉刷停用，則單池總曝氣功率為169 kW。全廠總機械曝氣功率為676 kW，按清水動力效率為1.5 kg O2/kw·h、需氧量污水修正系數為2.42計算，則機械曝氣裝置供氧能力為13 329 kg/d，需補充需氧量:21 549-13 329=8 220 kg/d。擬采用鼓風曝氣方式補充，經計算單池需增加曝氣量50 m3/min。

改造后氧化溝主要參數:缺氧池HRT為5.2 h，好氧池HRT為11.3 h，內回流比為150% ～350%，MLSS為4 000 mg/L，污泥負荷為 0.06 kg BOD/kg MLSS·d、硝化菌比生長速率為0.26 d-1，好氧池泥齡為 11.5 d。

3.2.2 中間提升池

由于原有設施水位高度的限制，新建中間提升池1座，用于將二沉池出水提升至后續曝氣生物濾池，曝氣生物濾池反沖洗排水池亦與之合建。

3.2.3 曝氣生物濾池

考慮場地占地等因素，選擇曝氣生物濾池為深度處理及深度脫氮構筑物。曝氣生物濾池共分為硝化濾池和反硝化濾池2個區域，反硝化濾池4格、硝化濾池8格，污水依次流過硝化濾池和反硝化濾池。單格濾池尺寸為10 m×7 m，填料層高度為3.5 m，采用陶粒填料，氣水反沖。

主要設計參數:硝化濾池濾速為3.7 m/h，硝化負荷為0.5 kg NH4-N/m3·d，反硝化濾池濾速為7.4 m/h，反硝化負荷為 1.0 kgNO3--N/m3·d。

3.2.4 濾布濾池及紫外消毒池

新增濾布濾池及紫外消毒池(合建)，總尺寸為15.1 m ×12.14 m。其中濾布濾池分 3格，并聯運行。

3.2.5 鼓風機房及加藥間

新建鼓風機房及加藥間一座，其中還包括整個改造系統的配電間。內部布置新增的氧化溝曝氣風機、曝氣生物濾池風機及新增的化學除磷及碳源補充藥劑。

本項目水質中C/N不平衡，因此需通過補充碳源來實現脫氮工藝。本工程選擇乙酸鈉為碳源，經計算需投加乙酸鈉80 mg/L。投加點為曝氣生物濾池反硝化池及氧化溝的缺氧池。

化學除磷按聚合氯化鋁投加量(10 mg/L)計，投加10%聚合氯化鋁溶液，則每日投加量為10×50 000/106/0.1=5 t/d=0.2 t/h。

4 改造后運行效果

本工程于2013年10月建設完成并開始調試運行，經過一個多月的調試，該廠主要出水參數均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。監測數據如表5所示。

表5 調試期進出水水質(平均)Tab.5 Quality of Influent and Effluent after Upgrading and Reconstruction

本廠調試于10月開始，隨著調試的進行，氣溫及水溫逐漸下降，12月～次年2月冬季階段出水水質略有下降，污水廠的管理難度大大增加，其中NH3-N、TN指標偶有不達標現象發生，估計可能與曝氣生物濾池尤其是反硝化段濾池調試和掛膜尚未完全完成有關。

5 結論

(1)經氧化溝改造、增加曝氣量、增設曝氣生物濾池、濾布濾池等措施的提標改造，該污水廠排放標準從 GB 8978—1996中一級標準提高至 GB 18918—2002中的一級A標準。

(2)在現場調試運行中發現，曝氣生物濾池必須1～2 d反沖洗一次，否則阻力將大大增加，甚至造成難以恢復的狀況。因此，建議類似項目在占地、投資等條件允許的情況下，考慮在曝氣生物濾池前端增設反應沉淀池或澄清池，可進一步保障出水水質，并起到對濾池的保護作用。

(3)因項目用地限制，設計中好氧、缺氧池體容積設計安全系數較低。因此調試中隨著進入冬季水溫的下降，出現了出水的氨氮總氮參數存在波動和達標難度增大的現象，給運行管理帶來了難度。建議有條件的情況下類似項目對池容的設計應考慮更大的安全系數。