低溫城市污水廠改型百樂克工藝脫氮除磷改造應用

劉曉靜，吳 迪，金 濤，楊 航

(中建水務環保有限公司，北京 100037)

百樂克(BIOLAK)工藝于20世紀70年代起源于德國，自1999年開始引入我國[1]。目前，全球已有約500家BIOLAK污水處理廠投入運行，中國投入運行的有近百座[2]。近年來，隨著《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的普遍執行，越來越多的污水廠執行一級A標準，而大多數BIOLAK工藝由于反硝化功能受限，都面臨著提標改造的需求[3]。

國內針對BIOLAK的改造方法不一而同：或通過在現有構筑物的基礎上采用不銹鋼板改變部分區域容積[4]；或采用保留BIOLAK生化池，將原BIOLAK沉淀池改造為好氧池，并新建缺氧池[3]；或通過拆除1組BIOLAK生物池新建多級AO生物池[5]；或全部拆除原BIOLAK土池新建鋼筋混凝土池體等[6]。由于BIOLAK工藝有很多特有的問題，提標改造時應對原有設計圖紙及現場實際情況深入調研，根據具體情況針對性解決，盡量選擇性價比較高、運行維護方便的改造措施。

河北某污水處理廠主體處理工藝采用改型BIOLAK工藝，由于冬季時水溫過低(6 ℃左右)，造成出水TN、TP指標難以穩定達到一級A排放標準，急需對污水廠進行技術改造。本研究針對污水廠冬季運行過程中的TN、TP波動問題和現場實際情況，提出了缺氧池增加MBBR填料及后續增加高效沉淀池的改造思路，確定了合理的參數，并通過近兩年的實際運行數據進行了驗證。

1 工程概況

1.1 原廠概況

本工程設計處理規模為3.5萬m3/d，原設計處理流程為“改型百樂克工藝 (BIOLAK)+淺層砂濾池”，其中，BIOLAK結構形式為“土壩+防滲膜+素混凝土層”，處理流程如圖1所示。

圖1 處理流程圖Fig.1 Flow Chart Process

1.2 原廠運行水質分析

根據近兩年的監測記錄，進水、出水主要污染物指標數據結果如表1所示。

表1 設計水質與實際水質對比Tab.1 Comparison of Design Quality and Actual Quality

如圖2所示，進水CODCr在85%保證率時，濃度為290 mg/L左右；出水CODCr在85%保證率時，濃度為35.7 mg/L左右，COD平均去除率為84.0%，說明系統對COD的去除效果較穩定。

圖2 實際CODCr濃度及去除率Fig.2 Actual CODCr Concentration and Removal Rate

如圖3所示，進水TN在85%保證率時，濃度為46.1 mg/L左右；出水TN在85%保證率時，濃度為16.9 mg/L左右，TN平均去除率為63.1%。說明系統對TN的去除效果波動較大，系統穩定性較差，有待優化改進。

圖3 實際TN濃度及去除率Fig.3 Actual TN Concentration and Removal Rate

如圖4所示，進水TP在85%保證率時，濃度為4.54 mg/L左右；出水TP在85%保證率時，濃度為0.52 mg/L左右，TP平均去除率為88.1%。說明系統對TP的去除效果波動較大，系統穩定性較差，有待優化改進。

圖4 實際TP濃度及去除率Fig.4 Actual TP Concentration and Removal Rate

綜上，實際進水污染物指標與設計值部分指標差別較大，TN、NH3-N、TP等進水指標比原設計水質高出不少，而COD、BOD等指標又明顯低于原設計水質，造成污水廠進水C/N略有不足(BOD5/TN為2.9)，實際運行時需根據出水結果及時補充必要的碳源。污水廠大部分指標能穩定達到排放標準，但出水TN、TP波動較大，其中，TN波動較為明顯。

1.3 現狀問題分析

結合原有設計圖紙及查閱BIOLAK工藝相關工程實踐資料[4-6]，分析現狀問題主要如下。

(1)水質問題：污水廠進水C/N略有不足(BOD5/TN為2.9)，且廠區缺少連續碳源投加裝置，造成出水TN不能穩定達標。

(2)主體工藝為改型BIOLAK工藝，生物池各池設計停留時間(HRT)較短(各區HRT：厭氧為1.0 h，缺氧為2.9 h，好氧為10.2 h，二沉池為3.9 h)。常溫時可滿足污水廠出水標準要求，但冬季水溫較低時(6 ℃左右)，生物反應速率下降，反硝化所需HRT需延長至6～8 h，現有BIOLAK池體的HRT不足，且“土壩+防滲膜”結構形式改造困難。

(3)二沉池與BIOLAK池聯建，造成沉淀池長寬比、最大水平流速、弗勞德數遠低于常規平流式沉淀池，穩定性也不及常規平流式沉淀池，且表面負荷較高[表面負荷為1.35 m3/(m2·h)]，冬季水溫較低時，沉淀效果不佳，出水堰處易出現松散污泥上浮現象。

(4)二沉池后雖設置了絮凝反應池，但未有沉淀措施，絮體直接進入砂濾池，致使砂濾池堵塞嚴重，造成出水TP波動較大及過濾效果較差。

2 改造工程方案

2.1 改造思路

通過現場調研改型BIOLAK池體結構特點，針對冬季水溫較低時(6 ℃左右)，污水廠出水TN、TP時有波動的情況，擬改造如下。

(1)針對出水TN波動較大的情況，經調研，發現污水廠近幾年夏季水溫較高時出水TN均可達標，且未觀察到明顯的亞硝酸鹽氮積累。運行過程中，污水廠厭氧池內DO低于0.2 mg/L，缺氧池內DO低于0.5 mg/L，好氧池內DO在2.0～4.1 mg/L，均符合工藝設計要求。說明本項目改型BIOLAK池內菌群數量及結構組成均滿足水廠運行需求，影響出水TN波動的原因可能為碳源不足和低溫時缺氧池HRT不足。可采取的改造措施有：①將現有二沉池改造為缺氧區，新建周進周出式矩形沉淀池；②在現有缺氧池內投加MBBR填料，通過增加生物量濃度實現脫氮性能。

(2)針對目前出水TP時有波動、現有砂濾池堵塞嚴重的情況，可在砂濾池前新建高效沉淀池1座。

2.2 改造前試驗

本項目出水TN波動的主要原因可能為碳源不足和低溫時缺氧池HRT不足。

目前，水廠好氧段HRT為10.2 h，可滿足好氧需要。通過現場多次調整或關閉曝氣管路閥門，并同步監測曝氣管路調整區域的NH3-N、硝酸鹽氮和DO數據，發現該區域內硝酸鹽氮含量與其他好氧區域無出現明顯差異，且DO依然在3～4 mg/L，說明無法通過運行手段實現好氧區切換為缺氧區。由于池體結構形式特殊，無法通過增加隔墻將池容分割給缺氧段。

為了確定缺氧池HRT的合理范圍及適合本項目的改造措施，特進行小試試驗。試驗采用SBR工藝模擬污水廠缺氧池實際運行的HRT，擬通過驗證延長現有改型BIOLAK生物池 (BIOLAK)缺氧區的HRT及投放不同比例的生物填料，找出影響污水廠冬季運行時TN波動的關鍵因素，確定合理的工藝參數，為后續工藝改造提供參考。

SBR反應器調試正常運行后，按照1個運行周期內的5個階段依次運行：進水1 h，曝氣14 h，攪拌4～8 h，沉淀4 h，排水1 h，閑置4 h。在曝氣階段和沉淀階段增加攪拌階段，進一步模擬污水廠的缺氧池。通過調整缺氧池水力HRT、填料投加量等參數，檢測各種指標，根據檢測值對SBR反應器適時調整，進一步判斷導致TN波動的關鍵因素和參數，進而為后續工藝改造提供參考。

SBR試驗在污水廠冬季生物池水溫為6～8 ℃時進行，試驗水溫、污泥濃度與污水廠實際水溫、實際濃度保持一致，約3 500～4 000 mg/L。用SBR模擬不同的缺氧池HRT及不同的填料填充比，每組數據穩定運行3 d后分別測定進水、出水TN。

小試試驗采用污水廠進水，進水TN平均為45 mg/L，進水NH3-N平均為30 mg/L，出水NH3-N為1.2 mg/L，硝態氮為15.6 mg/L，亞硝氮為0.01 mg/L。說明硝化反應進行徹底，經過曝氣階段，NH3-N轉化為硝態氮，出水TN波動可能是碳源不足或HRT不足導致，為了排除碳源不足因素影響，在小試試驗時投加碳源。

碳源投加量計算如下，采用乙酸鈉投加。按去除1 g TN，需投加4.2 g CODCr計算，而1 g乙酸鈉相當于0.78 g COD。因此，去除1 g TN，需投加4.2/0.78=5.38 g乙酸鈉。SBR小試試驗時，假設出水COD均不參與反硝化反應，污水廠出水TN波動值為18 mg/L，需去除TN為3 mg/L，所需碳源均需由外界投加，需投加碳源為3×5.38/1 000=16.1 mg/L。小試試驗時按照20 mg/L投加量補充碳源。

2.2.1 不同HRT對TN的影響

碳源充足條件下，小試試驗缺氧池HRT取3～8 h進行監測，分別取樣測量TN，試驗結果如圖5所示。缺氧池HRT提高到6 h時，出水TN為14.62 mg/L，達到了出水標準。這說明碳源充足條件下，缺氧池HRT是關鍵因素，增加缺氧池HRT，反硝化反應才可以充分進行。

現有污水廠實際HRT為2.9 h左右，HRT嚴重不足，出水TN為15～22 mg/L，必須進行工藝改造才能穩定達標。

圖5 不同HRT時TN及去除率Fig.5 TN Concentration and Removal Rate under Different HRT

2.2.2 現有HRT情況下不同的填料投加比對TN的影響

由于污水廠現有缺氧池HRT為2.9 h左右，考慮到污水廠實際情況，擬通過在缺氧區池內增加填料，提高生物量濃度，以此提高處理效率。為了驗證投加填料是否有助于提高TN去除率及確定合理的投加量，在碳源充足的情況下，通過投加不同數量的填料，驗證現有HRT不能增加的情況下，投加多少填料才能確保TN達標。

小試試驗采用污水廠進水，填料投加比分別為15%、20%、25%、30%、35%時進行監測，分別取樣測量TN，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同填料投加比時 TN及去除率Fig.6 TN Concentration and Removal Rate under Different Proportion of Filler Dosage

試驗結果顯示，小試試驗在投加填料達到有效容積的25%時，出水TN為14.2 mg/L，達到了出水標準，TN去除率為68.2%。說明通過投加填料的方式可以改善污水廠出水TN波動的問題，能實現TN穩定達標。

根據小試試驗結果，碳源充足情況下，針對TN不達標問題的解決辦法有2種：(1)不投加填料，新增部分缺氧池，延長缺氧池HRT為6 h；(2)不新增池容，在缺氧池內投加填料，且填料投加比≥25%。

經過綜合對比，結合污水廠實際情況，選擇在缺氧池內投加填料改善TN波動的問題。

3 改造工程設計

3.1 生化處理系統改造

現有改型BIOLAK生物池2 座，一、二期缺氧區池容總計約為4 250 m3。根據小試試驗結果，分別在一、二期缺氧區內投加25%的MBBR專用填料，共計投加量為1 060 m3，填料有效比表面積≥450 m2/m3。并在每座池內設置6臺(4.0 kW)專用攪拌器，底座處采用“不銹鋼板+混凝土基座”固定，防止破壞池底防滲膜及素混凝土層，以保持填料流化狀態。為避免填料流失或進入好氧池，在內回流管路上設置拍門及止回閥等防倒流措施，并在缺氧區出水處設置不銹鋼攔截篩網及吹掃裝置。

改造后，生物池污泥濃度為3 500～4 000 mg/L (不包括填料上的生物膜)，污泥齡為20 d，污泥負荷為0.11 kg BOD5/(kg MLSS·d)，好氧段TN負荷為0.03 kg TN/(kg MLSS·d)，混合液回流比為200%～300%，外回流比為100%，曝氣量為156.72 m3/min，氣水比為6.44∶1，乙酸鈉投加量為500～800 kg/d。

3.2 新建高效沉淀池

新建高效沉淀池1座，建于室內，包括高效沉淀池和加藥間2部分。

高效沉淀池設計水量按3.5萬m3/d計算，設計為1座2格，分為機械混合區、絮凝區、斜管沉淀區。混合區HRT為2 min，絮凝區HRT為15 min，斜管沉淀區表面負荷為12 m3/(m2·h)。

加藥間內包括PAC、PAM 和乙酸鈉等3套溶藥及加藥系統。

4 運行效果及分析

改造工程自2019年投產，經過近兩年的穩定運行，缺氧池填料及高效沉淀池運行狀態良好。對2019年11月—2020年3月連續5個月進水及出水水質進行監測和分析。

如圖8所示，改造后出水CODCr濃度在15～41 mg/L，平均去除率為90.7%，去除率明顯提升，且穩定性大幅增加，改造后低溫運行時未出現較大的出水水質波動，說明改造措施選擇適宜，系統抗沖擊能力改善較大。

圖8 改造后CODCr濃度及去除率Fig.8 COD Concentration and Removal Rate after Reconstruction

如圖9所示，改造后出水TN濃度在8.9～14.9 mg/L，平均去除率為72.8%，實現了出水TN穩定達標。說明增加穩定的碳源投加系統很有必要，在缺氧池增加MBBR填料可以有效緩解低溫時缺氧池池容不足的問題。

圖9 改造后TN濃度及去除率Fig.9 TN Concentration and Removal Rate after Reconstruction

如圖10所示，改造后出水TP濃度在0.1～0.49 mg/L，平均去除率為94.1%，藥劑投加量較改造前尚有小幅下降，說明增加高效沉淀池可以有效解決出水TP波動問題，實現TP穩定達標。

圖10 改造后TP濃度及去除率Fig.10 TP Concentration and Removal Rate after Reconstruction

5 改造經驗總結及經濟分析

(1)改型BIOLAK工藝各有差異，改造時應根據具體項目實際運行數據分析，針對性改造。本項目實際運行時，TN、TP波動較大，存在冬季水溫較低時缺氧區池容不足的問題，但無法通過運行手段實現好氧區切換為缺氧區，且由于池體結構形式特殊，也無法通過增加隔墻將池容分割給缺氧段，廠區又無空地新建部分缺氧區，需因地制宜，選擇合理的改造方式。

(2)缺氧區池容不足時，可通過在缺氧區內投加MBBR填料，利用填料掛膜能增加生物量濃度的特征，彌補池容不足的缺陷。經過小試試驗驗證，在缺氧區投加填料對TN波動有較好效果，經過兩年多的實際運行，出水水質穩定。但應注意同步增加配套措施，如同時增加專用潛水推流器及攔截裝置，保證填料流化狀態良好且不易流失。

(3)針對本項目出水TP時有波動、加藥量較大、經常造成砂濾池堵塞的問題，新增高效沉淀池，加藥量穩定，實現了出水TP穩定達標，解決了砂濾池堵塞問題。

(4)本項目改造費用為：缺氧池增加MBBR填料改造部分費用約472萬，新增高效沉淀池及加藥間部分費用約916萬，改造總投資共計約1 388萬。

(5)改造前本項目碳源及除磷藥劑投加不穩定，藥劑費用較高，改造后碳源改為穩定連續投加，高效沉淀池加藥量較改造前藥劑用量也小幅下降，雖然增加了高效沉淀池動力費用，但直接運行成本仍有小幅下降，約下降了0.06元/(t水)。

6 結語

針對本項目原有改型BIOLAK生物池冬季水溫較低時出水TN、TP時有波動的問題，分析了各個處理單元的現狀；針對缺氧區池容不足、“土壩+ 防滲膜”結構形式改造困難、砂濾池堵塞嚴重、廠區缺少穩定的加藥裝置等問題，提出了“缺氧池增加MBBR填料+新建高效沉淀池”的改造方案；鑒于缺氧區投加MBBR填料時，反硝化面積負荷不易確定，同步進行了現場小試試驗，用試驗結果為后續設計參數確定提供了可靠參考，對類似項目設計參數選取具有借鑒意義。改造后的污水廠經過近兩年的實際運行，出水水質可穩定達到國家要求排放標準的一級A 標準，說明改造工藝流程和工藝參數選取較為合理。