基于高氨氮濃度的機場配套污水處理廠設計與運行分析

王永泉 周超 蔣濤 何適亞

（華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210098）

1 引言

機場配套污水處理廠污水的來源主要包括生活污水、生產廢水。生活污水包括航站樓、辦公區、生活區等區域，是污水處理廠的主要污水來源；生產廢水包括航空食品公司、機修廢水、地面沖洗水等。某機場配套污水處理廠處理工藝為A2O 工藝，處理規模為3 000 m3/d，2020 年其面臨提標改造，要求出水滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。受航班飛行量影響，污水處理廠面臨進水水量不穩定、進水氨氮濃度高等問題，污水處理廠改造更是面臨現場占地受限、無法停車改造等問題。因此，充分利用原生化池處理能力是提標改造的關鍵。本文對原有參數進行復核，通過提高缺氧段停留時間、優化風機選型、提高運行階段污泥沉降比3 種方式進行改造，改造后運行效果顯著，可為同類型污水處理廠提標改造提供借鑒和參考。

2 項目概況

2.1 項目背景

某機場配套污水處理廠設計規模為3 000 m3/d，進水有航站樓、辦公區等生活污水和機修廢水及地面沖洗水等，原核心工藝采用A2O 工藝，出水水質執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B 標準。本次提標改造工程仍維持原有規模3 000 m3/d，設計出水水質提升至GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。設計進出水水質見表1。

表1 設計進出水水質

2.2 改造難點

（1）進水水量不穩定

受航班飛行量影響，進水水量不穩定。白天航班客流量大，工作人員多，產生的污水也多。夜間航班客流量少，工作人員少，相對產生的污水也少。根據數據統計，23：00—07：00 時段進水量很少，07:00 后進水量逐漸增多。

（2）進水氨氮濃度高

由于污水處理廠來水多為如廁水，氨氮濃度很高，通常為常規生活污水處理廠的2～3 倍，BOD，COD 等指標與常規生活污水廠進水相差無幾。廣東某機場污水處理廠進水氨氮濃度為60 mg/L，四川某機場污水廠進水氨氮濃度為50 mg/L，本項目進水氨氮濃度為70～90 mg/L。

（3）占地面積小，不停車改造

該項目占地面積有限，周邊無新增用地，無法通過新增構筑物方式進行改造，且污水廠改造不能影響航班飛行，因此本次改造為不停車改造，即邊改造邊運行。

3 工程設計

3.1 主要參數校核

原處理工藝為：格柵＋調節池＋生化池＋二沉池＋消毒＋出水。

（1）調節池

構筑物尺寸：20.0 m×15.0 m×6.0 m；停留時間：14.4 h。

通常調節池池容需綜合考慮最高日高時以及平均日用水量的變化，采用逐時排水量計算法經計算后適當放大10%～20%池容［1］。韓溫堂等［2］認為，當處理水量低于5 000 m3/d 時，調節池的停留時間應為6～8 h。根據經驗，調節池的停留時間多為4～12 h，本項目調節池的停留時間為14.4 h，能夠滿足使用要求。

（2）生化池

構筑物尺寸：20.8 m×40.7 m×5.5 m；有效水深：4.5～4.9 m；總有效容積3 289 m3；厭氧段∶缺氧段∶好氧段池容＝1 ∶1 ∶3；停留時間：厭氧段4.8 h，缺氧段4.8 h，好氧段14.4 h；

朱星等［3］研究表明，通過延長缺氧區水力停留時間，可以提高A2O/MBR 工藝脫氮效果，針對城市污水處理廠，缺氧區水力停留時間從1.5 h 增加到3.7 h，組合工藝出水TN 濃度可降低至9.25±2.13 mg/L。魯文娟等［4］研究表明，對于生活污水，當缺氧區與好氧區的水力停留時間之比由1 ∶3 增加到1 ∶2時，系統的脫氮率由50%提高到80%，且對抑制污泥膨脹發生有好處。

考慮到本項目進水氨氮濃度較高，缺氧區停留時間3.7 h 遠遠不夠，且厭氧段生化除磷效果有限，多依靠后端的混凝沉淀加藥方式除磷，因此將厭氧段改造為缺氧段，增大缺氧區停留時間，提高脫氮效果。

（3）豎流式二沉池

構筑物尺寸：10.0 m×10.0 m×6.0 m；設計平均表面負荷：0.62 m3/（m2·h）。

朱貽鳴等［5］認為表面負荷為0.5 m3/（m2·h）時是豎流式二沉池比較理想的設計表面負荷。GB 50014—2021《室外排水設計標準》中二沉池表面負荷的取值為0.6～1.5 m3/（m2·h）。劉恒等［6］對國內多家地下污水處理廠進行調研，根據調研結果，受占地面積影響，豎流二沉池表面負荷在0.82～1.28 m3/（m2·h）。根據經驗，實際運行過程中，二沉池表面負荷在0.6～0.8 m3/（m2·h）時效果最為穩定。本項目表面負荷為0.62 m3/（m2·h），因此不考慮對二沉池進行改造。

原調節池停留時間和二沉池表面負荷均滿足要求。生化池總停留時間滿足要求，但脫氮效果有限，由于無深度處理工藝，總磷去除率有限且存在水質出水不穩定現象。

3.2 工藝路線確定

污水處理的主流工藝包括AO，A2O，MBR，MBBR 以及上述不同工藝之間的組合。

袁志紅等［7］研究表明，采用A2O/MBR 工藝對城鎮污水處理廠提標至準Ⅳ類具有良好的處理效果。通過優化控制溶解氧，可以降低平均電耗。多種研究表明［8-9］，采用MBR 工藝由于系統內有較高濃度污泥及較長的泥齡，即便在低溫條件下仍能保持較高的硝化反應速率。吳迪［10］、韓萍［11］等研究表明，采用MBBR 工藝可以同步強化脫氮除磷，抗沖擊負荷能力強、耐受低溫，主要指標能穩定達到一級A 標準。“混凝沉淀池＋濾布濾池”組合在越來越多的污水處理廠提標改造中得到了廣泛應用。該組合工藝運行方便且效果很好，不僅適用于市政生活污水廠，也適用于化工園區污水處理廠［12］。

若本項目選擇MBR 工藝，則需對現有生化池進行改造，改造過程中需要停水，無法滿足不停車改造要求，且MBR 工藝運行復雜，對運維管理人員的要求較高。MBBR 則對填料流態化要求較高，且出水端容易堵塞，從而容易出現雍水現象。

綜合上述分析，結合本次提標改造排放標準，本項目選擇“AO＋混凝沉淀＋轉盤濾池”工藝。通過將厭氧池改造為缺氧池，提高缺氧池池容，從而提高停留時間，強化對TN 的去除。考慮到微生物除磷效果甚微，因此采用化學除磷方式，通過新建混凝沉淀池及濾布濾池，確保磷排放達標。

3.3 改造設計

（1）缺氧段設計

構筑物尺寸：20.8 m×8.0 m×5.5 m；停留時間：9.6 h；潛水攪拌機4 臺（增設）：葉輪直徑615 mm，轉速480 r/min，功率4.0 kW。

（2）風機選型

通常風機的選型應結合項目定位、風量風壓要求、運行維護等因素綜合考慮，曝氣風機多選用離心鼓風機（如空氣懸浮、磁懸浮、單級高速離心風機等）。同時應結合近遠期、實際水質與設計水質的差異情況合理選擇同型號風機，工作臺數一般不少于2 臺。

由于機場污水處理廠存在進水水量不穩定的情況，特別是夜間水量小，若選擇同型號風機，夜間運行時不僅存在過度曝氣導致微生物死亡，從而運行工況不穩定的情況，也會造成能源浪費。因此，本項選擇2 種不同型號風機。

對于常規市政污水處理廠，活性污泥法氣水比取值在6 ∶1～15 ∶1。考慮到本項目氨氮進水濃度較高，是常規污水處理廠進水濃度的2～3 倍，去除率也較高，因此提高氣水比取值在15 ∶1～20 ∶1。風機選型按照2 種氣水比進行，分別按6 ∶1 及15 ∶1 進行選型，白天水量大時運行大風量（15∶1）風機，夜間水量小時運行小風量（6 ∶1）風機。大小風量風機均為2臺，交替使用，一方面可以解決單臺運行時間長導致過熱需要降溫問題，另一方面也起到互為備用的作用。

大小風量羅茨風機參數為：大風量Q＝18.8 m3/min，風壓H＝6 m，N＝37 kW，2 臺；小風量Q＝7.54 m3/min，風壓H＝6 m，N＝15 kW，2 臺。

（3）混凝沉淀池＋濾布濾池

混合池停留時間：2.4 min；設計平均流量時表面負荷：2.79 m3/（m2·h）；混凝沉淀池構筑物尺寸：8.5 m×9.6 m×3.4 m；濾布濾池構筑物尺寸：5.67 m×2.80 m×3.00 m。

4 運行分析

4.1 氨氮運行分析

常規污水處理廠氨氮進水濃度在40 mg/L 左右，日常運行時污泥沉降比在30%左右。考慮到機場配套污水處理廠進水氨氮濃度比較高，通常在70 mg/L左右，常規的30%污泥沉降比去除效率有限，無法滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準，特別是冬季氣溫較低，微生物活性劑數量均下降明顯，從而去除效率更低。因此建議提高污泥沉降比至50%，不僅能降低氨氮出水濃度，對冬季低溫期污水也有較好的去除效果。

控制污泥沉降比在30%，分別在2020 年11 月、12 月分2 次進行試驗，2020 年11 月氨氮出水數據見圖1。

圖1 2020 年11 月氨氮出水數據

從圖1 可以看出，自11 月3 日至15 日，共計13 d 的時間內，氨氮的出水數值在0.31～9.21 mg/L之間，且出水數值波動較大，無法穩定達標。自11 月16 日提高污泥沉降比在50%左右時，出水數值穩定在0.20 mg/L 以內，出水穩定達標。

2020 年12 月氨氮出水數據見圖2。

圖2 2020 年12 月氨氮出水數據

從圖2 可以看出，自12 月17 日至28 日，共12 d時間，氨氮出水數值在2.72～9.66 mg/L 之間，出水數值波動較大，12 月28 日數值為2.72 mg/L，滿足一級A 排放標準，是由于在12 月27 日提高污泥沉降比至50%，有個數據遞減的過程，自12 月28 日后，出水數值穩定在0.50 mg/L 以內。

通過上述數據分析，當污泥沉降比在30%左右、氨氮進水濃度在70 mg/L 時，出水水質不穩定，無法持續滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。當污泥沉降比在50%左右、氨氮進水濃度在70 mg/L 時，出水水質穩定在0.5 mg/L以內，持續達標。

4.2 COD 運行分析

2020 年11—12 月COD 出水數據見圖3。

圖3 2020 年11—12 月COD 出水數據

從圖3 可以看出，自2020 年11 月3 日至2020年12 月31 日，COD 出水數值在8.13～27.75 mg/L 之間，始終低于30 mg/L，運行穩定且優于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。

4.3 TP 運行分析

2020 年11—12 月TP 出水數據見圖4

圖4 2020 年11—12 月TP 出水數據

從圖4 可以看出，自2020 年11 月3 日至2020年12 月31 日，TP 出水數值始終低于0.2 mg/L，運行穩定且優于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。

5 結論

針對機場配套污水處理廠改造，該污水廠采用“AO＋混凝沉淀＋濾布濾池”工藝，通過設計階段提高缺氧段停留時間、優化風機選型，運行階段提高污泥沉降比3 種方式進行有機結合，改造后污水廠出水穩定達標。出水氨氮穩定低于0.5 mg/L，COD 穩定低于30 mg/L，TP 穩定低于0.2 mg/L，應用效果良好，為同類型污水處理廠提標改造提供借鑒和參考。