高效沉淀池及生物濾池工藝在城市污水處理廠的應用及運行效果

石春寅，李國煒，鄒浩東

(重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020)

高效沉淀池技術(shù)屬于載體絮凝快速沉淀技術(shù)，是通過使用不斷循環(huán)的介質(zhì)顆粒和各種化學藥劑強化絮體吸附，從而改善水中懸浮物沉降性能的物化處理工藝。載體絮凝快速沉淀技術(shù)的典型工藝主要包括OTV-Kruger公司開發(fā)的Acfiflo工藝和法國Degremont公司開發(fā)的DensaDeg工藝等，已在歐美得到推廣應用。本文的高效沉淀池為DensaDeg改進工藝，目前，在國內(nèi)主要應用于污水廠深度處理系統(tǒng)。

曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)屬于生物處理的生物膜法，BAF的最初形式為OTV公司于20世紀80年代末開發(fā)出的BIOCARBONE工藝。該工藝以密度大于水的膨張板巖作為生物填料，水流上進下出，氣水逆向，主要用于城市污水有機物的降解和NH3-N的去除。曝氣生物濾池主要有BIOCARBONE生物濾池、BIOSTYR生物濾池、BIOFOR生物濾池3種形式。BIOSTYR工藝是法國OTV公司對BIOCARBONE的改進，其濾料為比重小于1的球形有機顆粒，漂浮在水中。BIOFOR生物濾池由法國Degremont公司開發(fā)，采用密度大于水的濾料，自然堆積，濾板和專用長柄濾頭在濾料層下部，以支撐濾料的重量。而BIOSTYR中的濾板和濾頭在濾料層頂部，以抵抗濾料層的浮力。曝氣生物濾池的3種形式在世界范圍內(nèi)均有應用，目前，大多采用BIOSTRY和BIOFOR。在國內(nèi)，BIOSTRY和BIOFOR工藝均有應用，以BIOFOR工藝為主，本文的生物濾池為BIOFOR改進工藝。高效沉淀池與生物濾池組合工藝是目前歐美地區(qū)首選的的污水處理核心工藝，在國內(nèi)應用較少。

1 項目背景

重慶市某污水廠建成于1997年，一期規(guī)模為4.8萬t/d，污水處理工藝采用傳統(tǒng)生物曝氣池，未考慮脫氮除磷功能，且無消毒措施，出水中NH3-N、TN、TP及糞大腸菌群數(shù)等指標不能滿足一級A標準。近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，污水量迅速增長，該污水處理廠的處理能力與排放標準不能滿足需求，因此，急需實施改擴建工程。

1.1 設(shè)計概況

重慶市某污水廠改擴建工程是一座地下式城市污水處理廠，服務范圍為江北區(qū)觀音橋、華新街片區(qū)，服務面積約5 km2。廠址位于重慶市繁華商業(yè)區(qū)，若采用地上式建設(shè)形式，并設(shè)置加蓋除臭，污水廠仍暴露于公眾面前，且存在臭氣外泄的可能。為減少“鄰避效應”，提高土地資源利用率，本改擴建工程采用地下式建設(shè)形式，下層為污水處理車間，上層為市政公共設(shè)施用地，可修建城市廣場、停車庫和綜合辦公樓。污水處理廠臭氣經(jīng)過收集處理后，通過設(shè)于綜合辦公樓之內(nèi)的專用煙道輸送至100 m以上高空排放。改擴建后設(shè)計規(guī)模為6萬t/d，處理出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

1.2 設(shè)計水質(zhì)

本工程2011年污水廠實際運行水質(zhì)如表1所示。

表1 2011年污水廠平均實際運行水質(zhì)Tab.1 Average Actual Operation Water Quality of WWTP in 2011

污水廠實際進水水質(zhì)具有如下特點：

(1)進水濃度波動幅度較大，進水CODCr濃度為100～600 mg/L；

(2)進水碳氮比平均為4.64，滿足生物脫氮要求，冬季TN濃度較高，處理難度大；

(3)BOD5/COD比值大部分時間大于0.58，污水可生化性較好。

本次改擴建工程設(shè)計出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。設(shè)計進、出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計進、出水水質(zhì)Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality

2 污水處理工藝方案

本工程進水水質(zhì)符合一般城市生活污水水質(zhì)，碳氮比大于4，碳磷比大于17，設(shè)計采用具有生物脫氮功能的污水處理工藝。目前，地下式污水處理廠一般采用兩級生物濾池，即反硝化生物濾池+曝氣生物濾池工藝[1]或MBR工藝[2]等占地面積少的污水處理工藝，本次對擬這2種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

本文的生物濾池工藝是具有反硝化功能的兩級生物濾池工藝技術(shù)：前置反硝化生物濾池即缺氧區(qū)脫氮；后續(xù)曝氣生物濾池去除有機物和NH3-N；曝氣生物濾池設(shè)置硝化液回流至反硝化生物濾池。

經(jīng)過綜合比較，MBR工藝存在清洗藥劑存放、膜更換問題，而兩級生物濾池工藝方案優(yōu)勢明顯[3-4]：脫氮負荷高，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達標，用地節(jié)省約3 000 m2且滿足場地要求；運行費用適中，處理成本為0.45元/t；污泥產(chǎn)生量小，降低對環(huán)境產(chǎn)生危害的風險；水深較深，暴露在空氣中的污水面積小，基本無臭味[5]，更適合本工程的建設(shè)要求。

由于污水廠生物脫氮除磷相互制約，且生物濾池停留時間短，為減少厭氧除磷對生化脫氮的影響，并減少濾池的堵塞風險及沖洗頻次，在生化池前采用高效沉淀池化學除磷。高效沉淀池由于內(nèi)部污泥循環(huán)，反應池中的污泥濃度變化較小，與原水中的污泥濃度相比，循環(huán)污泥的濃度較高，進水濃度的變化不影響其處理效果。該工藝特點適合進水濃度較高，且波動幅度大的進水水質(zhì)情況，工藝可靠性較高；由于內(nèi)部循環(huán)使污泥和水之間的接觸時間較長，從而使耗藥量低于其他的沉淀裝置。因此，本工程推薦高效沉淀池+兩級生物濾池工藝方案，工藝流程如圖1所示。

圖1 處理工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Sewage Treatment Process

2.1 平面布置

原污水廠位于江北區(qū)核心區(qū)域，北鄰觀音橋商業(yè)中心，南臨萬唐路及華新分流道，西臨金源路，東臨嘉華路，用地面積約0.039 km2，折合58.5畝(1 km2=1 500畝)。污水廠四周大樓密集環(huán)繞，為了減少對附近居民的影響，滿足環(huán)評要求，改擴建工程在原廠區(qū)圍墻內(nèi)采用地下式布置方式建設(shè)。

本工程擬對現(xiàn)狀構(gòu)建筑物進行拆除后重建，廠區(qū)內(nèi)南北橫穿1條排水箱涵3.6 m×4.2 m，不能遷改，且廠區(qū)內(nèi)需預留綜合樓建設(shè)用地，實際可用地面積僅有0.018 km2，污水處理廠現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 重慶市某污水廠現(xiàn)狀周邊環(huán)境圖Fig.2 Surroundings Map of WWTP

本工程平面布置擬沿污水廠工藝流程布置方向，由北向南分別布置進水井、格柵間、曝氣沉砂池、高效沉淀池、生物濾池、紫外線消毒渠、回用水泵房及巴式計量槽等，工藝流程較順暢，管線短、交叉少。廠區(qū)布置以排水箱涵為界，東側(cè)布置格柵間、曝氣沉砂池、高效沉淀池、污泥脫水車間等預處理及污泥處理設(shè)施，該單元產(chǎn)生的臭氣濃度大，可一并收集作為高濃度臭氣進行處理；西側(cè)布置生物濾池、出水渠等污水處理設(shè)施。改擴建工程廠區(qū)平面布置如圖3所示。

圖3 改擴建工程平面布置圖Fig.3 Layout Plan of Reconstruction and Expansion Project

本改擴建工程平面布置緊湊，實際用地面積約0.018 km2，折合27畝，噸水用地面積為0.3 m2/(m3·d)，遠低于污水廠建設(shè)用地指標值0.85 m2/(m3·d)。

2.2 工藝設(shè)計

(1)進水溢流井

由于污水處理廠進水采用截流堰對主排水箱涵截流的方式，雨季時截流水量將超過污水廠設(shè)計規(guī)模。因此，需在污水處理構(gòu)筑物前端設(shè)置溢流井，將超出設(shè)計規(guī)模的污水進行溢流，溢流污水仍回入主排水箱涵。

進水溢流井平面尺寸為3.5 m×8.0 m，高度為4.95 m。上層為進水渠道，寬度為1.8 m，高度為2.0 m。下層為溢流通道，溢流管為DN1200，與主排水箱涵連通。

(2)粗、細格柵間

本工程粗格柵與細格柵合建，平面尺寸為13.3 m×3.5 m，高度為2.0 m。

設(shè)計流量為1.04 m3/s，過柵流速為0.7 m/s，粗格柵與細格柵各設(shè)2道回轉(zhuǎn)耙齒式格柵除污機，其中，粗格柵柵條間距8 mm，細格柵柵條間距3 mm。回轉(zhuǎn)式格柵除污機可人工啟動、定時啟動或根據(jù)格柵前后水位差自動運行。柵渣輸送至渣斗，含水率約60%，濾水后運走。

(3)曝氣沉砂池

設(shè)曝氣沉砂池1座，單座分2池，排泥區(qū)深1.30 m，總池深3.70 m。水平流速為0.08 m/s，水力停留時間為3.7 min，可去除污水中粒徑≥0.2 mm的砂粒，使無機砂粒與有機物分離開，便于后續(xù)生化處理。

(4)高效沉淀池

高效沉淀池設(shè)計水量為3 750 m3/h。機械攪拌池停留時間為3.3 min，中間反應池停留時間為2.44 min，快速混合反應池停留時間為10.44 min，推流區(qū)水力停留時間為4.6 min，澄清區(qū)設(shè)計上升流速為9.08～13.62 m/h，污泥回流比為2%～5%。

設(shè)置高效沉淀池1座，分3池，單池尺寸為11.5 m×18.5 m，總池深6.5 m。

(5)精細格柵間

精細格柵過柵流速為0.7 m/s，網(wǎng)板孔隙為1.0 mm。

設(shè)置精細格柵間1座，設(shè)2臺精細格柵機，渠寬為2.25 m，格柵孔隙為1.0 mm，柵前水深為2.3 m。

(6)反硝化濾池

反硝化濾池設(shè)計流量為3 750 m3/h，設(shè)計負荷為0.75 kg硝氮/(m3·d)，水力負荷為9.3～10.4 m3/(m2·h)，空床停留時間為23.04～26.04 min，硝化液回流比為167%～200%，反沖水洗強度為5 L/(m2·s)，反沖氣洗強度為14 L/(m2·s)。濾池配水采用防堵長柄濾頭，單堰出水，反沖洗形式為快速降水位+氣水聯(lián)合反沖洗，濾料厚度為4.0 m。

設(shè)置反硝化生物濾池1座，過濾總面積為720 m2，分為8格，單格尺寸為7.5 m×12 m，池深為10 m。生物濾料粒徑Φ6～9 mm；濾頭契型縫隙寬度為2.2 mm，總濾縫28條，濾頭總長度為405 mm，56個/m2。

(7)曝氣生物濾池

曝氣生物濾池設(shè)計流量為3 750 m3/h，設(shè)計負荷為0.35 kg NH3-N/(m3·d)，水力負荷為5.3～5.95 m3/(m2·h)，空床停留時間為40.32～45.3 min，曝氣氣水比為3.5∶1，反沖水洗強度為5 L/(m2·s)，反沖氣洗強度為14 L/(m2·s)。濾池配水采用防堵長柄濾頭，單堰出水，反沖洗形式為快速降水位+氣水聯(lián)合反沖洗，濾料厚度為4.0 m。

設(shè)置曝氣生物濾池1座，總過濾面積為1 260 m2，共分為14格，單格尺寸為7.5 m×12 m，池深7.8 m。生物濾料粒徑Φ3～5 mm；濾頭契型縫隙寬度為2.2 mm，總濾縫28條，濾頭總長度為405 mm，49個/m2。

自控儀表配置：反硝化濾池共8格，每格設(shè)超聲波液位計1套，在線壓差計1套，ORP計1套，在線溶解氧儀1套，在線SS儀1套，氣體流量計1套，在線硝氮1套；曝氣生物濾池共有14格，每格設(shè)超聲波液位計1套，在線壓差計1套，在線溶解氧儀2套，在線氨氮1套，氣體流量計1套，在線SS儀1套，污泥濃度計1套。

(8)中間提升泵房

設(shè)計流量為7 500 m3/h(含污泥回流量)。設(shè)置提升泵房1座，平面尺寸為11.5 m×12.0 m，高度為10.05 m。提升泵房配置軸流泵5臺，3大2小。大泵參數(shù)：流量為2 500 m3/h，揚程為9 m，功率為120 kW(1臺備用)；小泵參數(shù)：流量為1 250 m3/h，揚程為9 m，功率為60 kW(2臺同時工作)。

(9)鼓風機房及反沖洗設(shè)備間

本工程反沖洗時間共23 min，其中，降水位時間為3 min、單獨氣沖洗時間為4 min，氣水聯(lián)合沖洗時間為6 min，后單獨水洗時間為10 min。

設(shè)置生物濾池曝氣鼓風機8臺(1臺備用)，單臺參數(shù)：風量為20.83 m3/min，風壓為60 kPa，功率為37 kW；反沖洗用鼓風機 4臺(1臺備用)，單臺參數(shù)：風量為38 m3/min，風壓為60 kPa，功率為75 kW；反沖洗用離心泵 3臺(1臺備用)，單臺：流量為810 m3/h，揚程為11 m，功率為45 kW。

(10)污泥脫水車間

設(shè)計污泥干重約14 t/d，離心脫水機進泥含水率約98%，污泥量為700 m3/d；脫水后污泥含水率為75%～80%，污泥量為56～70 m3/d；絮凝劑(PAM)投加量為4.8 kg/(t干固體)。

設(shè)置離心脫水機2臺，單臺流量為45 m3/h，功率為75 kW，每天運行時間為8～10 h。

3 運行效果

本改擴建工程項目建設(shè)總投資為3.9億元(地下式污水廠投資，不含地面建筑)，于2019年完成環(huán)保驗收，目前已經(jīng)正式運行。截至目前，本污水處理廠已經(jīng)正常運行1年，生產(chǎn)負荷為100%，實際進、出水水質(zhì)如表3所示，出水各項指標均穩(wěn)定達到一級A排放標準，其中，BOD5、NH3-N指標已經(jīng)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)規(guī)定的地表水IV類標準。

表3 改擴建后實際進、出水水質(zhì)Tab.3 Designed Influent and Effluent Water Quality

運行成本：本工程廠區(qū)年電耗為730萬kW·h，單價為0.80元/kW·h；乙酸鈉(冬季進水總氮高、碳氮比較低時投加)耗量700 t/a，單價為1 800元/t；PAC耗量為846 t/a，單價為2 400元/t；PAM耗量為22 t/a，單價為28 000元/t；運行成本為0.45元/t，運行費用適中。

4 結(jié)論

(1)高效沉淀池工藝具有占地面積小、抗沖擊能力強、TP及SS去除效果好等優(yōu)點；生物濾池工藝無需二沉池、自動化程度高、脫氮效果好，但受進水懸浮物濃度影響較大；二者工藝組合優(yōu)勢互補，節(jié)省占地面積和投資，出水水質(zhì)較好。

(2)本污水處理廠運行結(jié)果表明：按照本文工藝設(shè)計參數(shù)，高效沉淀池及生物濾池工藝出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達到一級A排放標準，具有占地省、投資低、抗沖擊負荷能力較高、運行成本適中等優(yōu)點，適用于進水水質(zhì)波動幅度較高的地下式生活污水處理廠。該設(shè)計經(jīng)驗可供類似工程項目參考和借鑒。