海濱污水廠提標改造工程水處理工藝設計

張 彪

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司天津分公司，天津 300000)

2015 年 4 月國務院頒布《水污染防治行動計劃》后，全國多地開展以一級A為目標的污水廠提標改造，部分地方標準甚至要求出水接近地表水Ⅳ類水標準。根據滬府發〔2015〕74號文《上海市水污染防治行動計劃實施方案》要求，上海市各污水廠需進行提標改造，出水水質達到一級A標準。海濱污水廠位于上海市浦東新區老港鎮沿海東灘，老港垃圾填埋場北側，服務面積約為260.3 km2，設計規模為20萬 m3/d。提標改造前全廠采用AAO氧化溝處理工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。水廠于2017年年中開始提標改造，根據相關環保督察要求，2018年初出水需穩定達到一級A標準，且工程實施期間需保障水廠正常運行的20萬 m3/d的日處理能力。污水廠提標改造項目中往往需對原廠進行斷水，且實施期較長。本工程在設計及實施中，結合現場實際條件，采取“減量擴容+深度處理”工藝路線，在原廠不斷水的情況下，短期內完成提標改造，出水可接近地表水Ⅳ類標準。

1 工程概況

1.1 提標改造前設計概況

海濱污水廠分兩期建設，一期工程建于2000年—2004年，設計規模為5萬 m3/d，采用“絮凝沉淀池+蘆葦濕地處理”工藝；二期擴建工程于2009年建成投產，設計規模為20萬m3/d。二期擴建后全廠采用AAO氧化溝處理工藝。提標改造前水廠設計進出水水質如表1所示，污水處理工藝流程如圖1所示。

表1 提標改造前海濱廠進出水設計水質Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent of Haibin Plant before Upgrading

圖1 提標改造前海濱廠污水處理工藝流程Fig.1 Wastewater Treatment Process of Haibin Plant before Upgrading

1.2 提標改造前運行概況

提標改造前污水廠2012年1月—2016年3月進出水質監測數據如表2所示。

表2 提標改造前進出水水質Tab.2 Influent and Effluent Water Quality before Upgrading

根據實測數據，污水廠進水中的COD、TN、TP月均最大值超出原設計進水水質，提標改造工程需采用新的設計進水水質。結合滬水務〔2012〕255號文件中“有機物及懸浮物(SS)采用按照全年85%的天數都不超過的值、營養物按照全年90%的天數都不超過的值進行設計”的要求分析，確定提標改造工程設計進水水質。提標改造工程設計進出水水質如表3所示。

提標改造前污水廠監測出水水質已達到一級B標準。按照一級A排放要求分析，出水CODCr保證率為66.3%，BOD5保證率為33.4%，SS保證率為34.2%，TN保證率為83.7%，夏季出水NH3-N保證率為88.7%，冬季出水NH3-N保證率為81.9%，出水TP保證率為49.7%。整體而言，提標改造前海濱廠出水距離一級A標準仍有較大差距。原因分析如下。

表3 提標改造工程設計進出水水質Tab.3 Design Water Quality of Influent and Effluent of Upgrading Project

(1)進水水量及水質存在較大波動，進水中由于包含老港垃圾填埋場的滲濾液，B/C平均值為0.27，屬于較難生物降解水質，且由于現有生物反應池停留時間較短(按照20萬m3/d核算，總水力停留時間為14.3 h)，氣水比較低(提標改造前氣水比為5.3∶1)，導致現有生反池無法滿足一級A標準的處理要求。

(2)進水TP遠超原設計水質，單純生物除磷工藝難以達標去除。

(3)現有SS的去除主要依靠傳統輻流式二沉池進行固液分離，作用相對有限。

2 提標改造工藝路線

提標改造方案主要包括“減量擴容+深度處理”、“原池提效+深度處理”、“續接生物+深度處理”這3種路線。海濱污水廠由于現狀處理構筑物布置緊湊集中，且周邊具備新增用地條件，采取“減量擴容+深度處理”這一整體工藝路線，以保證在實施期短及原有生反池不斷水要求下的提標改造效果。

2.1 原有生反池減量，新建生反池補量

經核算，提標至一級A標準之后，生反池水力停留時間不小于18.5 h，氣水比不小于6.5，原有生反池進水碳磷比偏低。

提標改造前海濱廠共有生物反應池2座4池，單池處理能力為5萬 m3/d，按照盡可能不改動及少改動現狀處理構筑物的設計原則，同時考慮預處理區出水配水的均勻性，本工程設計采用“減量5萬 m3/d和補量5萬 m3/d”的總體方案。將現狀生物反應池減量至15萬 m3/d處理量，減量后的現狀生物反應池停留時間增長，氣水比增高。新建5萬m3/d生物反應池及配套鼓風機房，停留時間及氣水比與減量后的原生物反應池保持一致。新老生反池共用廠區原有的回流及剩余污泥泵房、廠區原有二沉池。同時，為原有及新建生反池增加醋酸鈉計量投加裝置。

改造后，通過提供充足的氧和停留時間，有利于BOD5的充分去除；且由于為亞硝化菌及硝化菌這兩類自氧菌提供了足夠的泥齡、生物量和充足的溶解氧，使得硝化過程易進行，NH3-N也能降低到較低的水平。同時，由于反硝化細菌得到了良好的缺氧環境、優質的碳源以及足夠的反硝化容積，出水中的TN也能降到較低的水平[1]。

考慮到運行單位對新老生反池的統一管理，縮短新建生反池調試時間，新建生反池采用與原生反池工藝接近的多模式AAO工藝，多模式AAO工藝管理靈活，出水水質穩定，且在大型水廠的實際應用中存在對COD及TP的去處效率較高的案例[2]。

2.2 增加深度處理

經核算，新老生反池出水通過廠區原有二沉池后，出水TP及SS無法達到一級A排放要求，需采取化學除磷及更高效的固液分離工藝。可選工藝包括混凝沉淀、過濾、活性炭吸附、離子交換、電滲析及膜技術等。其中，活性炭吸附、離子交換、電滲析、膜技術對進水要求較高，工藝復雜，在強調TP去除的工況下，日常運行維護成本較高。而混凝沉淀工藝對渾濁度、色度、TP都有較好的去除效果；過濾工藝可有效去除懸浮物和其他雜質，增進消毒效率，降低后續工藝消毒劑用量。因此，本設計考慮日常運維及能耗，采用“混凝沉淀+過濾”工藝。

常用混凝沉淀工藝包括高效沉淀池、磁混凝澄清池、氣浮池等。其中，磁混凝澄清池工藝單元相對較多，流程較為繁瑣，運行環境較差，磁粉的投加對后續污泥處理處置有制約，磁粉的日常流失也會對環境造成一定影響。氣浮工藝配套設備較多，投資較大，浮渣收集相對困難。高效沉淀池合理組合了混合、絮凝和斜管沉淀過程，具有水力負荷高、沉淀效果好等優點，且工藝成熟、占地較小。因此，本設計考慮節省投資及方便日常運維，采取高效沉淀池工藝，并投加PAC和PAM于高效沉淀池中，以有效去除TP，進一步去除懸浮物質及有機污染物。

深床濾池、轉盤濾池、氣水反沖洗均質砂濾池在工程上都有較多應用。深床濾池有助于脫氮，但結構復雜，占地面積較大，投資成本較高。轉盤濾池出水SS較高，抗沖擊負荷能力一般。氣水反沖洗均質砂濾池工藝成熟可靠，出水穩定，在污水處理廠深度處理方面，尤其是大型污水處理廠有一定的優勢，且設備投資低[3]。考慮到TN的去除并非深度處理單元的要務，且調試運行中沖擊負荷的波動，本設計在設置了高效沉淀池的前提下，采用氣水反沖洗均質砂濾池作為過濾工藝。

綜上，確定本工程深度處理工藝為“高效沉淀池+氣水反沖洗均質砂濾池”。

2.3 增加臭氧及次氯酸鈉消毒

本工程進水中工業廢水比例高，出水色度高，難生物降解可溶解性有機物含量高，需采取物理化學方法確保色度及COD達標，可選工藝包括臭氧強氧化、電化學、芬頓法。其中，電化學法投資高，運行成本高，較適合小型污水處理廠。芬頓試劑效果受其需降解的COD 構成與濃度、pH和溫度影響較大，運行較難確保穩定。臭氧強氧化處理效果穩定，去除有機物徹底，運行簡單，運行成本低，應用案例較多。因此，本工程采用臭氧強氧化工藝進行色度及難生物降解COD的去除。

常用消毒工藝有液氯、二氧化氯、次氯酸鈉消毒。考慮到液氯、二氧化氯的運行安全性及其反應的二次產物對人體健康的影響，本工程采用工藝簡單、副作用小的次氯酸鈉對臭氧接觸后的出水進行消毒，尾水沿現狀已建管道排放至東海。

提標改造后污水廠的水處理工藝路線如圖2所示。

圖2 提標改造后海濱廠污水處理工藝流程Fig.2 Wastewater Treatment Process of Haibin Plant after Upgrading

3 主要構筑物工藝設計

3.1 原有生反池改造

提標改造前水廠原有生反池2座，每座由2組連體構成，尺寸：107 m×96.0 m×7.5 m。原處理能力為20萬m3/d，改造后減量至15萬m3/d，改造后工藝參數：最低設計水溫為12 ℃，設計流量為15萬m3/d，污泥負荷為0.049 kg BOD5/(kg MLSS·d)，MLSS為 3.5 g/L，總有效容積為119 160 m3，有效水深為6.4 m，總水力停留時間約為19.07 h，氣水比約為7.04∶1，外回流比為50%～150%。改造中，對原有水下推流器及曝氣管路進行調整，以分配選擇區、厭氧區、缺氧區、交替區、好氧區的水力停留時間。其中，選擇區停留時間為0.52 h，厭氧區為2.15 h，缺氧區為8.5 h，交替區為1.2 h，好氧區為6.8 h。單組原有生反池改造工藝設計平面如圖3所示。

圖3 原生反池改造工藝設計Fig.3 Process Design of Existing Biological Reaction Tank Reconstruction

3.2 新建生反池

本工程新建多點進水多模式AAO生物反應池1座，分流處理5.0萬m3/d污水，平面尺寸：115.6 m×59.5 m。設計參數：最低設計水溫為12 ℃，設計流量為5.0萬m3/d，污泥負荷為0.048 kg BOD5/(kg MLSS·d)，MLSS為 3.5 g/L，總有效容積為40 625 m3，有效水深為6.5 m，總水力停留時間為19.00 h。其中，厭氧區為1.2 h，缺氧區為7.2 h，交替區為2.0 h，好氧區為8.6 h。新建生反池氣水比7.0∶1，好氧混合液回流比100%～400%，外回流比為50%～150%。配套主要設備包括：4臺潛水攪拌器、12臺立式渦輪攪拌器、6 500套盤式微孔曝氣器[2.0～4.0 m3/(h·套)，直徑為250 mm]、4臺內回流潛水軸流泵(單泵流量Q=4 166 m3/h，揚程H=3.0 m)。新建生反池通過調節內外回流堰門的啟閉，可在傳統AAO、多點進水倒置AAO、預缺氧AAO運行模式之間切換。新建生反池工藝設計平面如圖4所示。

圖4 新建生反池工藝設計Fig.4 Process Design of New Biological Reaction Tank

3.3 新建鼓風機房

新建鼓風機房1座，平面尺寸約為27.6 m×12.4 m，為新增的5.0萬m3/d的AAO反應池提供氧氣。設計供氣量為14 640 m3/h，常用設備為2臺離心鼓風機(單臺風量Q=7 320 m3/h，風壓H=7.5 m)

3.4 新建高效沉淀池

新建高效沉淀池1座，1座4池，平面尺寸約為65.0 m×33.6 m，單池混合反應區尺寸：4.0 m×4.0 m，單池絮凝反應區尺寸：8.0 m×8.0 m，單池沉淀區尺寸：16 m×13.7 m。設計規模為20.0萬m3/d，峰值表面負荷qmax=12.36 m3/(m2·h)，混合時間t=90 s，絮凝時間t=10 min，運行方式：連續運行。常用設備包括4套快速攪拌器、8套絮凝攪拌器、4套刮泥機及配套斜板、4臺回流污泥泵(Q=40～100 m3/h，H=20 m)、4臺剩余污泥泵(Q=40～100 m3/h，H=20 m)。新建高效沉淀池中投加藥劑為PAC及PAM。

3.5 新建氣水反沖洗均質濾料濾池

新建氣水反沖洗均質濾料濾池1座2池，共16格，單格約為97.9 m2。設計規模為20萬m3/d，高峰流量設計濾速為6.9 m/h，1格反沖強制濾速為7.4 m/h，2格反沖強制濾速為7.9 m/h。設計沖洗周期為24 h，單格濾池反沖洗歷時為22 min，濾池運行過程中逐個反沖洗，最多同時反沖的濾池不超過2格，全部濾池反沖洗一遍歷時6 h。沖洗采用氣、水反沖加表掃方式，其中，水沖強度為17 m3/(m2·h)；氣沖強度為55 m3/(m2·h)；表掃強度為8 m3/(m2·h)。主要設備包括：2套反沖洗臥式離心泵(Q=1 060 m3/h)、2套反沖洗羅茨鼓風機(Q=2 700 m3/h)、長柄濾料及濾料、空壓機系統及氣動閘閥。

3.6 新建臭氧及加氯接觸池

新建臭氧及加氯接觸池1座，平面尺寸約為53.2 m×48.7 m。臭氧及加氯接觸池共1座5格，停留時間為80 min，分為臭氧投加區和次氯酸鈉投加區，用于去除污水中難降解COD和加氯消毒。接觸池采用折流設計，有效水深為6 m，臭氧設計投加量為15～20 mg/L，臭氧接觸時間為50 min，設置陶瓷微孔曝氣頭。臭氧接觸池上方設置1套臭氧尾氣處理系統，將未溶解的臭氧氣體轉化為氧氣。次氯酸鈉設計最大投加量為15 mg/L(以有效氯計算)，接觸時間為30 min。

施工中，老港垃圾填埋場滲濾液采取了其他處置方式，不再接入海濱污水廠中，污水廠進水色度及難生物降解COD值降低。因此，液氧儲罐、臭氧發生器設備暫緩實施。臭氧及加氯接觸池的土建正常實施，氣水反沖洗均質濾料濾池出水超越臭氧接觸區，直接進入加氯接觸區。

3.7 不停水設計及實施

水廠預處理區原有初沉池4座，其中3座為輻流式，運行良好，水力負荷為1.7 m3/(m2·h)；1座為平流式，運行較差。提標改造中將原有平流式初沉池改為2座輻流式。改造時沉砂池出水進入3座輻流式初沉池內，改造時運行水力負荷為2.27 m3/(m2·h)。

新建生反池進水試運行后，再進行原鼓風曝氣氧化溝的改造。4組鼓風曝氣氧化溝分組改造，改造時初沉池來水進入其余3座鼓風曝氣氧化溝及新建生反池內進行生化處理。

原回流及剩余污泥泵房設有6套回流污泥泵(Q=2 292 m3/h，H=4.8 m，4用2備)，改造中設置為6臺常用，同時改造為變頻。通過管道切改，原備用的2臺污泥回流泵用于新建生反池的污泥回流。通過靈活調整污泥外回流比，配合碳源的計量投加，保證改造中生反池BOD5及TN的去除效果。

水廠原有輻流式二沉池4座，水力負荷為0.86 m3/(m2·h)，改造前其出水直接進入紫外消毒池。提標改造中保留其進入紫外消毒池的管路及閥門，作為對“中間提升泵房+高效沉淀池+氣水反沖洗均質濾料濾池+臭氧及加氯接觸池”的超越。此外，提標改造對新增高效沉淀池、氣水反沖洗均質濾料濾池、臭氧及加氯接觸池分別設置超越管路及閥門。

提標改造工程于2017年7月動工，2018年2月需完成新建水處理構筑物的通水達標運行。在工程實施及調試運行中，利用不斷水開梯施工技術，實現了通水情況下的新舊管道銜接；廠區各構筑之間及超越所用的工藝主管道上設有電動閥門井，遠程電控，以應對調試中的各類突發狀況；加強出水水質的檢測頻率，并設置臨時加藥設施，保障調試期間部分構筑物高負荷情況下水廠出水達標。

4 運行數據分析

提標改造工程中，出水按照一級A排放標準要求排海，污泥采用板框脫水至60%含水率后外運，臭氣收集后經“生物處理+UV光解+活性炭吸附”工藝處理后高空排放，處理量約合計340 000 m3/h。提標改造工程(含污泥處理單元及除臭單元)于2019年5月竣工預驗收，2020年5月預移交運行單位。2020年水廠日均處理水量為20.11萬m3/d，處理單價為1.90元/m3。

水處理構筑物自通水以來，在新建及原有生反池運行工藝及參數有所差別的情況下，共用回流及剩余污泥泵房仍然保證了出水水質穩定達到一級A排放標準。2020年水廠的實測進出水水質如表4所示。

表4 2020年1月—6月進出水水質Tab.4 Statistics of Influent and Effluent Water Quality during January to June in 2020

2020年1月—6月出水中，除TN外的其余指標已達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水標準。其中，BOD5日均值為179 mg/L，高于設計進水值，但BOD5出水指標較好，說明活性污泥菌群生長良好，代謝能力強。新建生反池于2018年2月開始進行污泥培養，污泥來自原有回流及剩余污泥泵房泵送，當月順利完成污泥馴化及聯合調試，有效縮短了新建生物處理單元的投產時間。這說明原氧化溝中的活性污泥菌群對新老生反池2種不同的運行環境都具有很好的適應能力。

5 結論

(1)本設計中，充分利用了海濱污水廠原有預處理區域、生反池、鼓風機房、二沉池、回流及剩余污泥泵房、排海泵房等構筑物的運行能力，節省投資，縮短了改造時間。

(2)本設計中詳細分析改造前水廠運行狀況，因地制宜選擇了“現有生反池減量+新建生反池補量+高效沉淀池+氣水反沖洗均質砂濾池+臭氧及加氯接觸池”方案，滿足了實施期短及原有構筑物不停水的需求。

(3)提標改造工程運行以來，出水中除TN外的其余指標已達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水標準，有效削減了污染物的排放，改善了區域水環境。

(4)本工程新老生反池共用回流污泥，在運行工藝及參數有所差別狀況下較快實現了新建生反池污泥馴化，且在進水BOD5高于設計進水值的條件下出水BOD5達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水標準，可為類似項目提供一定的借鑒。