重慶市某污水廠不停產提標改造工程設計

石春寅，彭 晨，鄒浩東

(重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400020)

近年來，污水處理廠出水水質標準不斷提高，《水污染防治行動計劃》要求到2017年底出水水質全面達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準，而地方標準更加嚴格。2020年3月《梁灘河流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 50/963—2020)正式發布，明確要求重慶市梁灘河流域重點控制區域內處理規模≥1.0萬t/d的城鎮污水處理廠必須提標改造，相對于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，新標準重點針對的污染物指標為COD、NH3-N、TN和TP，并要求污水廠從2022年1月1日起執行。

梁灘河流域重點控制區域內現有大中型城鎮污水處理廠共5座，設計總處理規模為30萬t/d，部分污水廠已經滿負荷運行，根據環保要求，不能進行停產或者減產改造。國內污水處理廠升級改造案例較多，一般需要新建生物處理池或原生物池利舊改造。新建生物處理池需要新征地甚至增加中間提升，而原生物池利舊改造一般采用逐池改造，水量分攤至其余水池，存在改造期間出水水質超標的風險。基于此，本文以流域內某水廠為例，在分析一期工程實際運行水質和設計參數的基礎上，詳細闡述了污水廠不停產提標改造的具體設計方案，將一期氧化溝改造為AAO生物池，并增加高密度沉淀池，改造期間及改造后污水廠出水水質穩定達標。設計充分考慮了原有設施的利用及不停產改造方案，可供類似工程項目參考借鑒。

1 工程概況

1.1 一期工程概況

重慶市某污水處理廠一期工程建成于2008年，服務范圍為大學城、陳家橋、曾家等片區，設計規模為5萬t/d，一期設計出水水質為一級A排放標準。

一期工程污水處理工藝為粗格柵進水泵房→細格柵旋流沉砂池→厭氧池→Carrousel氧化溝→二沉池→中間提升泵房→纖維轉盤濾池→二氧化氯消毒池→達到一級A標準排放。氧化溝采用倒傘型表曝機，在氧化溝出水井加藥輔助除磷，剩余污泥采用帶機脫水處理后外運處置。

1.2 設計水質

2019年污水廠實際運行水質如表1所示，其中出水水質COD、NH3-N、TP這3項指標未達到梁灘河地標要求。本次提標改造工程設計出水水質執行《梁灘河流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 50/963—2020)表1重點控制區域限值。本改造工程設計進、出水水質如表1所示。

表1 2019年污水廠實際運行水質及本改造工程設計水質Tab.1 Actual Water Quality in 2019 and Design Water Quality of the Upgrading and Reconstruction Project

1.3 一期工程設計參數復核及存在的問題

為提出技術可靠、經濟合理的提標改造方案，本文對一期工程主要處理設施的設計參數進行復核。

(1)氧化溝設計參數

一期工程厭氧池停留時間為1.2 h，氧化溝停留時間為13.2 h，生物池總停留時間為14.4 h；按照新的設計進水、出水水質標準，采用硝化反硝化動力學公式計算，生物池厭氧池停留時間為1.2 h，缺氧區停留時間為4.2 h，好氧區停留時間為9.0 h。因此，在現狀進水水質前提下，氧化溝設計池容滿足新標準的要求，但氧化溝池底污泥沉積，導致實際池容減少，不能滿足新標準的要求。

(2)曝氣設計參數

一期工程氧化溝設置表曝機10臺，每臺機組充氧量為110 kg O2/h，總充氧量為1 100 kg O2/h；按照新的設計出水水質標準，計算得出標準需氧量為1 350 kg O2/h。由此可知，在現狀進水水質前提下，氧化溝曝氣量不能滿足新標準的要求。

(3)二沉池設計參數

一期工程二沉池采用2座周邊進水周邊出水二沉池，直徑為42 m，最大流量時表面負荷為1.0 m3/(m2·h)，沉淀負荷較低，能滿足新標準的要求。

(4)加藥系統設計參數

一期工程加藥間采用2臺隔膜計量泵加藥輔助化學除磷，流量為500 L/h，揚程為0.3 MPa，投加點為氧化溝出水井；經計算，化學除磷量為2.0 mg/L，PAC投加摩爾比為2，PAC溶液(氧化鋁質量分數為6%)投加量為230 L/h。因此，一期工程計量泵流量能滿足新標準的要求，但除磷藥劑隨污泥回流至氧化溝會影響微生物生長，實際投藥量受到限制，導致加藥系統不能滿足新標準的要求。

(5)污泥系統設計參數

一期工程脫水車間采用2臺帶式濃縮脫水機，帶寬為2 000 mm，處理量為30～55 m3/h；經計算，污水廠提標改造后剩余污泥量為7.5 t DS/d，化學污泥量為0.7 t DS/d，折算成含水率99.2%的濕污泥量為1 025 m3/d。因此，2臺帶機同時工作，每天工作10 h，能滿足新標準的要求。

(6)濾池設計參數

一期工程濾池采用2套纖維轉盤濾池，每套12片轉盤，轉盤直徑為3.0 m，過濾面積為453.6 m2，最大流量時濾速為處理量為6.34 m/h，能滿足新標準的要求。

(7)存在的問題

根據污水廠實際運行情況，改造前出水水質COD、NH3-N、TP這3項指標未達到梁灘河地標要求。結合一期工程設計工藝參數分析，原處理工藝水質難以達標的原因：①氧化溝中好氧區和缺氧區的分布不合理[1]，溝內循化流態導致無法形成獨立穩定的缺氧和好氧環境；②氧化溝表面曝氣機老舊，充氧能力不足，效率低，能耗高；③氧化溝底部流速低，污泥易沉積，底部沉泥高度達到了0.8 m，導致氧化溝有效容積不足；④二沉池除磷藥劑隨污泥回流至氧化溝，影響微生物生長，TP難以進一步去除。因此，需對原工藝設施進行改造，重點方向為改造氧化溝強化生物脫氮及增加化學除磷工藝。

2 工藝方案

提標改造技術路線包括優化預處理單元、改造生物處理單元、增加深度處理單元[2]。通過上述對一期工程運行水質、設計參數的復核及存在問題的分析，本文主要對一期氧化溝及曝氣設施進行改造以及功能分區，增加曝氣量，減少池底淤泥，增大有效容積，強化去除COD和NH3-N，并在二沉池后增加獨立的化學除磷設施，以免二沉池過量投加除磷藥劑影響生物處理系統，進一步去除TP。

2.1 氧化溝改造工藝方案

目前，國內城市污水處理廠一般可將氧化溝改造為AAO、MBBR或MBR等的污水處理工藝。AAO工藝將生物池分為厭氧、缺氧、好氧，3種不同的環境條件和微生物菌群種類的有機配合，具有同時去除有機物、脫氮除磷的功能；MBBR工藝通過向生物池中投加一定數量的懸浮載體，可以提高生物池中的生物量及生物種類；MBR是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。表2為3種常見氧化溝改造工藝對比情況。

表2 氧化溝改造工藝比較Tab.2 Comparison of Oxidation Ditch Reconstruction Processes

根據污水廠氧化溝的型式及存在的問題，由表2可知，一期Carrousel氧化溝改造為AAO工藝施工簡單，可實現不停產改造，運行管理方便，更為經濟合理，主要內容包括：①調整氧化溝導流墻布置，分為缺氧區和好氧區2個功能分區，增加內回流設施；②拆除表曝機，設置鼓風曝氣設施；③增加推流器，形成缺氧區和好氧區分別獨立循環流態，防止污泥沉積。

2.2 深度處理改造方案

經過生物處理單元改造后，COD和NH3-N可達到梁灘河地標要求。一般單采用生物除磷工藝很難滿足出水含磷量低于1.0 mg/L的排放要求[3]，更難以滿足梁灘河地標出水TP限值0.3 mg/L的要求。

在美國EPA推薦的技術中通常是生物、化學與物理除磷的組合工藝，可將其分為3大類：①生物除磷+化學除磷+沉淀過濾；②生物除磷+化學除磷+兩級過濾；③生物除磷+化學除磷+膜分離。3類技術中第①類技術最常用，應用范圍較廣，該技術出水TP為0.01～0.07 mg/L。沉淀過濾既可以采用傳統工藝，如平流、豎流和輻流式沉淀池，以及砂濾池、多介質濾池和流化床濾池；也可以采用新技術，如斜板(管)沉淀池、高密度沉淀池、磁混凝工藝以及活性砂濾池[4]。一期工程已有濾池，本次深度處理只增加沉淀工序，表3為3種常見深度處理沉淀池池型對比情況。

表3 深度處理沉淀池池型比較Tab.3 Comparison of Advanced Treatment Sedimentation Tanks

根據國內外污水廠除磷工藝運行情況，由表3可知，雖然高密度沉淀池的運營維護較復雜，成本較高，但出水TP月均值低于傳統工藝，節省占地面積。因此，本工程除磷沉淀工藝擬采用高密度沉淀池，在AAO生物除磷基礎上，增加化學除磷和沉淀過濾，沉淀采用高密度沉淀池，并利用現狀纖維轉盤濾池過濾，出水TP可滿足新標準0.3 mg/L的限值要求。

化學除磷的藥劑一般采用鋁鹽、鐵鹽(包括亞鐵鹽)、石灰和鋁鐵聚合物等[5]。由于鐵鹽影響出水色度，石灰投加系統復雜且投資較高，本工程化學除磷藥劑采用鋁鹽(PAC)。本工程除磷藥劑投加點包括生化池出水井和高密池進水井2處，TP可通過二沉池的剩余污泥和高密池的化學污泥去除，兩級沉淀可提高除磷保證率，降低藥劑對生物處理系統的影響，節省投藥量等。

根據以上分析，本工程推薦污水處理流程工藝如圖1所示。

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

2.3 工藝設計

本工程改造擴容的構(建)筑物為氧化溝改造、中間泵房擴容、加藥間擴容，新建構筑物為鼓風機房、高密度沉淀池。

(1)氧化溝改造

設計規模為5.0萬t/d，分為2座。設計水溫為15 ℃，污泥濃度為4 g/L，脫氮速率為0.05 kg NO3-N/(kg MLSS·d)，污泥總產率系數為0.7 kg MLSS/(kg BOD5)，好氧區污泥泥齡為12.8 d，BOD5污泥負荷為0.073 kg BOD5/(kg MLSS·d)，標準供氣量為16 800 m3/h，氣水比為8∶1，混合液回流比為100%～300%，污泥回流比為50%～100%。

一期氧化溝分2座，圖2是其中1座氧化溝改造前的平面圖，厭氧池長度為42.4 m，寬度為5.0 m，深度為6.5 m，有效水深為6.0 m，有效容積為1 250 m3；氧化溝長度為82.0 m，寬度為44.6 m(單溝凈寬為7 m)，深度為4.7 m，有效水深為4.2 m，有效容積為13 750 m3。圖3是氧化溝改造為AAO生物池后的平面圖，改造后生物池總停留時間為14.4 h，其中厭氧區停留時間為1.2 h，缺氧區停留時間為4.0 h，好氧區停留時間為9.2 h。

圖2 一期氧化溝改造前平面圖Fig.2 Plan of Oxidation Ditch before Reconstruction

圖3 一期氧化溝改造后平面圖Fig.3 Plan of Oxidation Ditch after Reconstruction

改造內容：2座氧化溝調整導流墻位置，改為AAO生物池，缺氧池和好氧池分別形成循環流態，具有較強的抗水質沖擊能力；調整潛水推流器布置位置，確保生物池底部流速不小于0.3 m/s；拆除一期倒傘型表曝機，增加5 600個微孔曝氣盤(D300，3 m3/h)；增加6臺混合液回流泵(流量為1 050 m3/h，揚程為0.8 m，功率為5.5 kW，變頻調速)。

(2)鼓風機房

設計規模為5.0萬t/d，最大供氣量為280 m3/min。

本工程設置鼓風機1座，配置3臺離心式鼓風機(2用1備)，單臺參數：風量為140 m3/min，風壓為50 kPa，功率為175 kW，用于改造后的AAO生物池好氧區曝氣。根據好氧池溶解氧濃度控制鼓風機開停或調節進口導流葉片角度自動調節風量。

(3)中間泵房擴容

設計規模為5.0萬t/d，變化系數為1.38，設計流量為2 875 m3/h。

一期工程設置泵房1座，平面尺寸為8.3 m×5.0 m，池深為4.0 m，水深為3.0 m，有效容積為124.5 m3，配置軸流泵3臺(2用1備)，水泵參數：流量為1 438 m3/h，揚程為4.0 m，功率為30 kW。本改造工程將軸流泵更換為3臺潛污泵，潛污泵流量為1 438 m3/h，揚程為6.0 m，功率為45 kW。

(4)高密度沉淀池

設計流量為2 875 m3/h，快速混合時間為2.6 min，速度梯度值為430 s-1；中間反應時間為1.2 min；絮凝反應時間為11.8 min，最大回流比為5%。絮凝反應導流筒內流速為0.5～0.6 m/s，導流筒外流速為0.1～0.3 m/s；斜管沉淀區表面負荷為11.1 m3/(m2·h)；污泥濃縮區高度為2.4 m，污泥濃縮時間為6.0 h。

新建高密度沉淀池1座，分2池，單池尺寸為33.6 m×24.85 m，池深為6.9 m。

主要設備：斜管直徑為80 mm，長度為750 mm，面積為260 m2；2套快速混合攪拌機，直徑為1.0 m，功率為15 kW，變頻調速；2套絮凝反應攪拌機，導流筒直徑為2.5 m，功率為11 kW，變頻調速；2套污泥濃縮機，直徑為14 m，功率為1.5 kW，轉速為0.02～0.1 r/min，無極調速；6套污泥螺桿泵，流量為75 m3/h，揚程為0.3 MPa，功率為9.0 kW，變頻調速。

(5)加藥間擴容

在保留一期工程生物池出水井投加除磷劑基礎上，增加高密度沉淀的加藥系統。設計流量為2 875 m3/h，化學除磷量為2.0 mg/L，PAC投加摩爾比為2，化學干污泥為0.7 t DS/d。PAM投加量為0.5～1.0 mg/L，投加濃度為0.2%，制備濃度為1%。

本工程在加藥間增加2套隔膜計量泵，流量為300 L/h，揚程為0.3 MPa，1用1備，投加PAC至高密度沉淀池的快速混合池；并增加1套PAM制備裝置和2臺隔膜計量泵，流量為1 500 L/h，揚程為0.3 MPa，1用1備，投加PAM至高密度沉淀池的絮凝反應池。

3 不停產改造技術方案

一期工程2組處理構筑物設計規模各2.5萬t/d，目前,實際水量已經達到3.0萬t/d，按照環保局要求，改造期間不能減量運行。因此，改造期間2組處理構筑物要求正常運行。根據前述工藝方案，不停產改造難點包括氧化溝導流墻改造、氧化溝內設備安裝及新老構筑物管道對接3個方面，本文提出相應的技術方案。

(1)氧化溝導流墻改造

為了滿足缺氧區和好氧區形成循化流態的要求，氧化溝局部需要拆除和新建導流墻。氧化溝廊道內平均流速約為0.5 m/s，不停產的要求下采用潛水員拆墻，拆墻和澆筑導流墻難度極大。

污水廠一期氧化溝導流墻分為鋼筋砼和磚砌兩種，在對氧化溝進行功能分區、導流墻布置時，為減少施工難度，設計考慮拆除磚砌導流墻。對于新建導流墻，設計3個方案進行研究。方案1：導流墻采用預制鋼筋砼結構，參照裝配式建筑模式整體吊裝，可依靠自重穩固于生物池內；方案2：導流墻采用鋼結構，整體吊裝，鋼結構與池壁之間采用化學螺栓固定；方案3：在氧化溝外部新建缺氧池，一期氧化溝全部改為好氧池。方案2鋼結構需要水下固定，施工難度較大，工期較長。方案3流程不順暢、硝化液回流能耗高。經過詳細技術經濟比較后推薦采用方案1，即新建導流墻采用預制鋼筋砼結構，整體吊裝。

(2)氧化溝內設備安裝

一期氧化溝設備改造包括曝氣系統、推流器、回流泵等。為實現不停產改造，一般采用水下施工方式，但存在施工困難、工期長、設備易脫落等缺點。本技術方案曝氣系統設備采用可提升式曝氣器，安裝、檢修方便，氧化溝無需放空；對于推流器及回流泵(潛污泵)的安裝，設計采用配重固定方式，即預制重量約3 t的鋼筋砼底座，將設備固定于鋼筋砼底座，整體吊裝于氧化溝池底。

(3)新老構筑物管道對接

改造工程高密度沉淀池與一期中間提升泵房、一期濾池存在管道對接問題。為實現不停產改造，新建構筑物在完成土建及其設備管道安裝后，做好臨時調水措施，然后對接一期構筑物管道。本改造工程新建高密池出水管高于一期濾池進水渠水位，先將其連通，然后連接一期中間泵房與高密池進水渠；一期中間泵房配置3臺潛污泵，2用1備，潛污泵單獨設置出水管連接至高密池，潛污泵及出水管可逐臺更換。

4 改造期間出水水質

本污水廠于2020年10月—12月實施提標改造，為確保改造期間出水水質穩定達標，采取了以下措施：在污水量較小時實施氧化溝改造；氧化溝改造前進行水下清淤；拆除氧化溝隔墻時及時清除廢渣；預制鋼筋砼隔墻及設備基礎達到設計強度后方可進行吊裝，吊裝前應進行水下定位并清除池底淤泥，確保一次性安裝到位；安裝完曝氣器、推流器等設備后再拆除原有表曝機。改造期間出水水質如表4所示，出水各項指標均達到《污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

表4 改造期間實際進、出水水質Tab.4 Actual Water Quality of Influent and Effluent during Reconstruction

5 改造后運行效果

(1)本提標改造工程總投資為5 000萬元，于2021年初調試運行。由于氧化溝改造期間正常運行，無需進行微生物培養，經過半個月試運行后污水廠出水各項指標均穩定達到《梁灘河流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》，如表5所示。

表5 改造后實際進、出水水質Tab.5 Actual Influent and Effluent Water Quality after Reconstruction

(2)生物池改造前氧化溝運行電耗約為480萬kW/a，改造后AAO生物池及鼓風機運行電耗約為330萬kW/a，可節省電耗150萬kW/a，主要原因是生物池底部曝氣比表面曝氣效率更高。

(3)化學除磷作為輔助除磷措施，采用高密度沉淀池，TP可降至0.3 mg/L以下，高密池需新增用地面積約為2 000 m2。

(4)本工程新增化學污泥量約0.7 t DS/d，占總污泥量的10%，采用一期帶機脫水含水率降至80%后外運江津珞璜熱電廠協同焚燒處置。

6 結論

(1)本設計詳細分析一期污水處理工藝參數，針對去除污染物指標，通過多方案技術經濟比較，選擇了“原有氧化溝改造為AAO池+新建高密度沉淀池”的提標改造方案，改造后出水水質穩定達到《梁灘河流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》。

(2)改造工藝“AAO池+新建高密度沉淀池”具有脫氮除磷效果好、工藝可靠、運行成本低等優點，工藝合理有效。

(3)本設計提出了氧化溝正常運行同時實施改造的技術措施，滿足了原有構筑物改造期間不停水不超負荷運行的需求，改造期間出水水質不受影響。對同類污水廠提標改造工程具有一定的借鑒意義。