東莞市某小型城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)案例

范紹錦，劉敬雯，謝漢祺，陳顯飚，汪 濤

(1.東莞市水務(wù)投資有限公司，廣東東莞 523000；2.新南威爾士大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，新南威爾士州悉尼 2000；3.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300000)

隨著城市的高速發(fā)展和全面建設(shè)小康社會(huì)的步伐加快，國家和東莞市政府對(duì)環(huán)境保護(hù)也提出了更高的要求。城市生態(tài)環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)要求不僅有利于改善東莞周邊自然生態(tài)環(huán)境，更有利于提升東莞市的綜合實(shí)力和核心競爭力，促進(jìn)該市的政治、經(jīng)濟(jì)和文化等各方面健康可持續(xù)地發(fā)展。東莞市各地方污水處理廠為配合落實(shí)《廣東省環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃》的節(jié)能減排工作，對(duì)廠區(qū)進(jìn)行提標(biāo)改造工程建設(shè)。

我國城市生活污水主要來源于城市居民生活用水的排放，該類排放污水中有大量的有機(jī)物和一定量的病原微生物，且污水中含氮、磷等元素。近年來有研究報(bào)告指出，我國城市生活污水有向低碳氮比形式演變的趨勢，傳統(tǒng)反硝化工藝因無法得到充足的碳源而難以達(dá)到深度脫氮的效果[1]。此外，我國較多城市因?yàn)榍捌谥匾暡蛔?，在市政工程建設(shè)期間投入資金嚴(yán)重不足，或者缺乏科學(xué)性規(guī)劃，導(dǎo)致給排水管道簡單，使得城市污水處理廠每日進(jìn)水中氮、磷來源復(fù)雜且含量不穩(wěn)定[2]。

目前東莞市共有58個(gè)擁有完整污水處理工藝的污水處理項(xiàng)目，其中，有23個(gè)項(xiàng)目由東莞市水務(wù)集團(tuán)進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)營管理，剩余污水處理項(xiàng)目為“BOT”模式，由私人企業(yè)進(jìn)行運(yùn)營管理。而除去這些擁有完整污水處理工藝的項(xiàng)目外，東莞水務(wù)集團(tuán)近年來逐步啟動(dòng)35個(gè)污水處理項(xiàng)目的提標(biāo)改造工程，分別坐落于東莞市每個(gè)鎮(zhèn)街，主接收來水為“BOT”模式運(yùn)營下的污水處理項(xiàng)目出水，把各“BOT”模式運(yùn)營下原污水處理項(xiàng)目的污水排放標(biāo)準(zhǔn)由一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)全面提升至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，即保證東莞市內(nèi)所有污水處理項(xiàng)目排放污水可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)值。東莞市某小型生活污水處理廠采用新增的“反硝化池+濾布濾池+紫外消毒池”，對(duì)原處理工藝尾水進(jìn)行提標(biāo)改造，為保證反硝化階段有充足碳源，采用乙酸鈉為外加有機(jī)碳源。該污水處理廠提標(biāo)改造工程采用的新增工藝在東莞市眾多提標(biāo)改造工程中具有代表性和參考性。

1 項(xiàng)目概況

1.1 廠區(qū)及項(xiàng)目基本情況

該污水處理廠位于東莞市松山湖高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)內(nèi)，園區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，氣溫常年穩(wěn)定適中。該廠原工藝用地為0.134 3 km2，污水處理規(guī)模為5萬m3/d，于2009年6月投入使用后，出水標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，處理后出水經(jīng)排洪渠匯入當(dāng)?shù)睾印：尤L為59 km，流域面積高達(dá)720 km2，既是該城市交通大動(dòng)脈，同時(shí)也是東莞各城市的生活用水主要來源，被稱為當(dāng)?shù)氐哪赣H河，因此，對(duì)排入該河中的水質(zhì)應(yīng)有較高的標(biāo)準(zhǔn)。

東莞市某小型生活污水處理廠原有工藝主體選用“粗格柵+細(xì)格柵+渦流沉砂池+氧化溝+紫外消毒池”的處理工藝，工程產(chǎn)生污泥進(jìn)行機(jī)械濃縮脫水后外運(yùn)。此原有工藝在有機(jī)物去除處理上有較好的作用，但在深度脫氮除磷方面沒有明顯的成效[3]。原處理工藝設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 污水處理廠原處理工藝設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality of Existing Treatment Process of WWTP

提標(biāo)改造方案與工藝調(diào)整因地制宜，城市污水處理廠運(yùn)行影響整座城市的正常運(yùn)行，因此，無法進(jìn)行長時(shí)間的停產(chǎn)改造，需選用在原有工藝上改動(dòng)較少、運(yùn)行可靠的處理工藝[4]。該廠經(jīng)研究后決定將原處理工藝排放出水經(jīng)泵二次提升后，采用反硝化池、濾布濾池和紫外消毒池相結(jié)合的工藝進(jìn)行提標(biāo)處理，使該廠二次排放出水達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。提標(biāo)改造設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 污水處理廠提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality of Upgrading and Reconstruction Project

1.2 污水處理廠原處理工藝水質(zhì)分析

原處理工藝實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如圖1所示。

圖1 原處理工藝實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Fig.1 Influent and Effluent Water Quality in Existing Treatment Process

結(jié)合表1、圖1對(duì)原處理工藝實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析，實(shí)際出水中各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其中COD、BOD5以及NH3-N這3項(xiàng)指標(biāo)已遠(yuǎn)優(yōu)于原設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，SS、TN這2項(xiàng)指標(biāo)接近于、等于設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)，TP遠(yuǎn)未達(dá)到原工藝設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)。原處理工藝有能力將TP的出水指標(biāo)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，因此，本次提標(biāo)改造工藝應(yīng)將處理重點(diǎn)放在SS、TN的去除上。

1.3 污水處理廠提標(biāo)前問題

(1)由于該園區(qū)給排水管道前期設(shè)計(jì)不合理等，導(dǎo)致污水處理廠長期處于超載狀態(tài)下運(yùn)行，不僅使得污水處理廠的每日污水處理量遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)處理規(guī)模，且使得每日污水進(jìn)水質(zhì)量受到影響而變得不穩(wěn)定，增加處理難度。

(2)在污水處理廠長時(shí)間滿負(fù)荷或超負(fù)荷的狀態(tài)下，原污水處理設(shè)備無法得到正常的維護(hù)與檢修，從而產(chǎn)生缺氧池內(nèi)彈性填料斷裂導(dǎo)致污泥上浮等問題。

(3)原污水處理工藝的曝氣生物濾池采用多臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的聲音較大，造成噪聲污染。

(4)原污水處理期間受BAF工藝所限，采用前沉淀預(yù)處理，產(chǎn)生的初沉污泥未經(jīng)好氧穩(wěn)定，存在一定程度上污泥發(fā)黑、臭氣較大的現(xiàn)象。

上述所列問題的癥結(jié)，關(guān)鍵在于廠區(qū)進(jìn)水水量已超出原設(shè)計(jì)進(jìn)水水量，目前，該園區(qū)二期污水處理廠已投入使用，可適當(dāng)減輕本廠污水處理負(fù)擔(dān)。

2 提標(biāo)改造工程技術(shù)分析

2.1 懸浮物去除及工藝確定

污水處理廠原來針對(duì)懸浮物的去除采用的是“粗格柵+細(xì)格柵+渦流沉淀池”組合工藝，該套組合工藝局限性在于只能去除較大的懸浮物，且渦流式沉淀池對(duì)水量沖擊適應(yīng)能力不強(qiáng)，一般適用于處理規(guī)模較小的污水處理廠。而考慮該廠長期處于滿載或超載狀態(tài)下工作，實(shí)現(xiàn)污水中懸浮物的深度去除是本次提標(biāo)改造的重點(diǎn)之一。該廠結(jié)合實(shí)際情況比較后，選用去除效率高、投資較小、運(yùn)行管理簡單且自動(dòng)化程度高的濾布濾池[5]。

2.2 氮去除及工藝確定

該污水處理廠原脫氮工藝采用的是曝氣生物濾池(BAF)處理工藝，該項(xiàng)工藝雖具有有機(jī)物容積負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，脫氮除磷的能力與傳統(tǒng)工藝相比有所欠缺，不僅需要外面增設(shè)DN池，而且會(huì)經(jīng)常因?yàn)闉V料粒徑過小導(dǎo)致濾料堵塞。原工藝出水水質(zhì)測得NH3-N含量較低，即原工藝中硝化反應(yīng)已進(jìn)行較為徹底，出水中氮以硝態(tài)氮的形式占出水TN的絕大部分，因此，本次提標(biāo)改造工藝中氮去除的重點(diǎn)在于污水中硝態(tài)氮的去除[6]。而在多種工藝比較選擇中，決定采用被廣泛應(yīng)用于深度除氮脫氮、投資成本適中且運(yùn)行穩(wěn)定的反硝化生物濾池作為這次提標(biāo)改造中的脫氮工藝[7]。

2.3 細(xì)菌、病原體去除及工藝確定

消毒工藝是污水處理的最后一道程序。在我國，消毒工藝主要采用液氯消毒、二氧化氯消毒或紫外消毒這3種常見方法。但前兩種消毒劑投放時(shí)會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)品，不可控地造成二次污染。紫外消毒具有效率高、不產(chǎn)生二次污染且安全可靠等優(yōu)勢逐漸被認(rèn)可，也作為本次提標(biāo)工程的選用工藝[8]。

提標(biāo)改造項(xiàng)目運(yùn)營期工藝流程如圖2所示。

圖2 提標(biāo)改造工程處理工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Upgrading and Reconstruction Project

2.4 外加碳源選擇確定

新增工藝中反硝化池內(nèi)發(fā)生的反硝化作用需消耗一定量的碳源，原工藝處理后污水有機(jī)物去除率較高，所排尾水中自帶的碳源無法滿足該反硝化過程的需要，需人工投加碳源以確保反硝化池的正常運(yùn)作[9]。在考慮外加碳源的成本與效益、安全性與有效停留時(shí)間等問題后，該廠決定采用乙酸鈉作為這次提標(biāo)改造工程中新增反硝化池的外加碳源[10]。同時(shí)，考慮溶藥勞動(dòng)力強(qiáng)度較大，故擬采用液體乙酸鈉，并根據(jù)提標(biāo)工藝中進(jìn)水TN與NH3-N的含量差設(shè)計(jì)外加碳源乙酸鈉的平均投加量暫為25 mg/L，觀察出水TN去除效率，隨時(shí)對(duì)乙酸鈉投放量進(jìn)行工藝調(diào)整。

3 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)

該生活污水處理廠提標(biāo)改造工程選址處為污水處理廠預(yù)留用地，工程總用地面積約為3 808.13 m2。

3.1 反硝化池的工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)

原工藝處理污水經(jīng)中間提升泵站提升進(jìn)入生物濾池總進(jìn)水槽，由總進(jìn)水槽分配至每格生物濾池進(jìn)水管，每格生物濾池進(jìn)水管將污水送至濾池底部，污水自下而上以一定的流速流經(jīng)生物濾料，濾料上長滿生物膜，污水與生物膜相接觸，在生物膜微生物的作用下，消耗有機(jī)物碳源，分解其中的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮，從而使污水得到凈化，達(dá)到脫碳、脫氮的目的。同時(shí)，充滿濾料的濾床可以有效地截留水中的懸浮物，去除流經(jīng)污水中的SS，從而使污水能得到進(jìn)一步澄清。

新增的反硝化池主要用于去除污水中的硝態(tài)氮，設(shè)計(jì)平均流量為2 083 m3/h，高峰流量為2 078 m3/h。該池子為半地下式鋼筋砼結(jié)構(gòu)，池內(nèi)分5格，反硝化池的總尺寸：L×B×H=20.10 m×20.80 m×7.00 m，而濾池內(nèi)每格尺寸為3.56 m×19.30 m，池內(nèi)濾料填裝高度為2.5 m，其中包括濾料層、卵石墊層、布?xì)獠妓b置。該反硝化池選用的外加碳源是乙酸鈉。

3.2 濾布濾池工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

新增的濾布濾池利用壓差使懸浮物通過多孔性介質(zhì)，使固體顆粒被截留，實(shí)現(xiàn)懸浮液中固、液有效分離，進(jìn)一步去除污水中的SS及其所影響的其他指標(biāo)含量。該濾池結(jié)構(gòu)類型為半地下式構(gòu)筑物搭配上部鋼砼頂棚，濾布濾池的總尺寸：L×B×H=11.20 m×12.70 m×4.50 m，過濾系統(tǒng)類型為表面過濾，其處理能力達(dá)到0.578 m3/s，可實(shí)現(xiàn)出水中懸浮物小于10 mg/L。

4 提標(biāo)改造工程試運(yùn)行

該提標(biāo)改造工程于2019年12月完工，對(duì)2020年1月1日—2020年2月13日進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行試行性分析，便于發(fā)現(xiàn)工藝不足以得到及時(shí)調(diào)整，提標(biāo)改造后實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)結(jié)果如表3所示。

表3 污水處理廠提標(biāo)改造后進(jìn)出水水質(zhì)Tab.3 Influent and Effluent Water Quality after the Upgrading of WWTP

提標(biāo)改造完成后，前期運(yùn)行效果良好。本次提標(biāo)改造工藝采取的是原處理工藝尾水再提標(biāo)處理，提標(biāo)工藝進(jìn)水即是原處理工藝出水。CODCr、NH3-N、BOD5與SS指標(biāo)的去除率分別達(dá)到35.6%、22.2%、45.9%和58.1%，出水平均值不僅達(dá)到預(yù)期處理效果，且遠(yuǎn)低于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)與廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)的較嚴(yán)值。經(jīng)測定，進(jìn)出水pH值在6～9波動(dòng)，處于正常波動(dòng)范圍。

由表3可知，TN、TP含量實(shí)現(xiàn)了大幅度的下降，且呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。提標(biāo)改造前后每日實(shí)際TN出水含量如圖3所示。

圖3 污水處理廠提標(biāo)改造前后每日TN出水含量Fig.3 Daily Effluent TN before and after Upgrading and Reconstruction

提標(biāo)改造前后每日實(shí)際TP進(jìn)出水含量如圖4所示。

圖4 污水處理廠提標(biāo)改造進(jìn)出水TP含量Fig.4 TP Content of Influent and Effluent in Upgrading and Reconstruction Project

由圖3、圖4可知，提標(biāo)改造后TN與TP的出水含量皆有一定程度上的改善，而2020年1月20日以后，出水TN平均含量已低于預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。TN含量仍沒有達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)考慮反硝化池未完全發(fā)揮其作用，而影響反硝化脫氮的因素主要有碳源、內(nèi)回流比、DO等，其中，碳源和內(nèi)回流比影響較大。后期運(yùn)行因考慮乙酸鈉的單位投放量可能不足，可適當(dāng)增大其投放量，爭取使反硝化池完全發(fā)揮作用，達(dá)到深度脫氮效果[11]。

TP去除因考慮污水處理過程中內(nèi)含顆粒物等物質(zhì)會(huì)影響其出水含量，原處理工藝中生化池末端可考慮投放適量的混凝劑，與污水中顆粒物發(fā)生沉淀反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到出水中TP含量降低的目的[12]。目前，中小型污水處理廠常用混凝劑有聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鋁鐵(PAFC)這2種，取該廠水樣進(jìn)行藥劑試用測定，兩種混凝劑對(duì)該廠污水的處理效果如表4所示。

在相同情況下，可得出PAC的除磷效果略微優(yōu)勝于PAFC，且PAC與PAFC這兩種高分子絮凝劑的購買成本一樣，因此，應(yīng)考慮在原處理工藝中間斷性投放適量的PAC，以期出水中TP含量降低，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。投放時(shí)應(yīng)注意投放量過大或投放頻率過密時(shí)，池內(nèi)絮體堆積而造成濾池內(nèi)濾料堵塞的問題。

該提標(biāo)改造工程總投資為 4 211.1萬元， 其中建筑安裝工程費(fèi)用約為3 426.07萬元。提標(biāo)項(xiàng)目中環(huán)保投資為150萬元，約占總投資比例的3.6%。

表4 兩種不同混凝劑對(duì)污水中TP去除效果對(duì)比Tab.4 Comparison of TP Removal Efficiency between Two Different Coagulants on TP Removal in Wastewater

提標(biāo)改造后，新增運(yùn)行成本約為0.253元/m3，其中，主要是新工藝運(yùn)行產(chǎn)生電費(fèi)以及外加碳源購買成本，新工藝運(yùn)行產(chǎn)生電費(fèi)成本約占總新增成本的29%，外加碳源因需持續(xù)投放，用量較大，約占總新增成本的70%，是提標(biāo)改造后新增運(yùn)行成本的主要組成部分[13]。

5 結(jié)論

(1)該廠采用新增“反硝化生物濾池+濾布濾池+紫外消毒池”工藝對(duì)原工藝處理的生活污水尾水進(jìn)行出水提標(biāo)，在不影響污水處理廠正常工作的前提下，充分利用原廠區(qū)周邊空地進(jìn)行工程改造，且短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)新增工藝試運(yùn)行的高效穩(wěn)定。

(2)在總處理規(guī)模不變的情況下，新增工藝穩(wěn)定試運(yùn)行一段時(shí)間后，pH一直處于正常范圍內(nèi)波動(dòng)，出水中CODCr、SS、BOD5、NH3-N這4項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的較嚴(yán)值，TN和TP的出水含量實(shí)現(xiàn)大幅度的下降，且呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。

(3)提標(biāo)改造后，污水處理的新增運(yùn)行成本約為0.253元/m3。該廠的提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)可適用于其他小型城市生活污水處理廠提標(biāo)改造工程。