AOAO工藝耦合MCCE技術在老舊污水處理站提標改造中的應用

楊虎林，劉桂文，馬永強，方 建，方劍興，李 磊

(1.浙江省環保集團有限公司，浙江杭州 310000；2.南京高新工大生物技術研究院有限公司，江蘇南京 210044；3.浙江富春紫光環保股份有限公司，浙江杭州 310000；4.浙江省環保集團象山有限公司，浙江杭州 315700)

目前，我國的水資源現狀存在總量緊缺、人均占有量低、地區分布不均、水體污染日益加重、城市缺水情況凸顯等問題[1-2]。為了改善和提升水環境質量，提高城鎮污水處理排放標準成為必然。截至2020年，全國城市污水處理能力總量為19 267 m3/d，污水處理率為95.05%，其中浙江省污水處理率達到97.43%。2018年，浙江省地方標準《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》 (DB 33/2169—2018)針對新建或者改擴建污水處理廠提出了更為嚴格的出水排放要求，包括化學需氧量(CODCr)、總氮(TN)、氨氮和總磷(TP)這4項指標。在新形勢、新標準之下，污水處理廠(站)的提標改造工作也變得更為迫切。而污水廠(站)的提標改造工作是在原有工程現狀的基礎上，秉持經濟節能效益原則，優化工藝、技術、設備以及運行參數等條件，增強污水處理廠(站)處理能力，以滿足更高的出水排放標準[3-4]。

基于介質的細胞集群效應(medium-based cell cluster effect，MCCE)的高效生物處理技術，是在污水處理構筑物內投加載體，在充氧的環境中，填料表面聚集附著大量微生物從而形成生物膜，生物膜中的微生物吸收分解水中的有機物。當生物膜增長到一定厚度時，生物膜內部/外部會形成好氧/厭氧環境，為短程硝化-厭氧氨氧化工藝創造了適宜的環境。

本文以寧波市象山縣級高塘污水處理站提標改造方案為例，介紹了該污水處理站提標改造的主體工藝，并對比分析了該項目的運行效果，為同類污水處理站相關工程建設提供參考。

1 工程介紹

1.1 項目概況

該污水處理站原設計規模為800 m3/d，采用AO(anoxic/aerobic)工藝，主要處理周邊農村污水，另含有少量海鮮加工廢水和垃圾滲濾液，其中海鮮加工廢水比重較大。原有AO工藝設備老化，且進水水質與水量波動較大，現有的污水處理能力只能勉強達到浙江省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 33/973—2015)一級標準，無法滿足規定的更高出水標準。而處理后的水直接排入附近河道，對周邊的生態環境造成一定的影響，因此，從經濟、效率角度出發，對原有污水處理站工藝進行提標改造，改造后應達到浙江省對省內污水廠出水水質要求，出水執行《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 33/2169—2018)限值標準。

1.2 設計進、出水水質

提標改造后，項目出水排放水質執行浙江省地方標準《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 33/2169—2018)。項目設計進、出水水質如表1所示。

表1 設計進、出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

1.3 提標改造工藝流程

根據設計進、出水水質和原有工藝情況，本次項目改造應用MCCE技術耦合AOAO(缺氧+好氧+兼氧+好氧)工藝，將原好氧池改造為好氧池1、兼氧池和好氧池2以提高系統去碳脫氮能力。即原生化系統改造為缺氧+好氧+兼氧+好氧，其中新增提升池至兼氧池的進水管路，同時將二沉池改造成高效沉淀池，在生化除磷基礎上耦合化學除磷手段。提標改造后工藝流程如圖1所示。

圖1 改造前后污水處理工藝對比Fig.1 Comparison of Wastewater Treatment Process before and after Reconstruction

傳統上，AAO(厭氧+缺氧+好氧)工藝用于同時去除廢水中的氮和磷。AOAO工藝則是將工藝流程順序調整為缺氧、好氧、兼氧和好氧反應池。在缺氧池中，磷從生物質中被釋放，并消耗其中的碳源。氨氧化物在好氧池中被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，繼而在缺氧池中被還原為氮氣[5]。微生物在交替缺氧/好氧環境下生長，能夠利于生物自身活性的增強，可實現短程硝化，強化系統脫氮除磷效果，大大提高工藝的處理效率[6]。

同時，在運用AOAO工藝基礎上耦合MCCE技術，以生物膜替代活性污泥，可大幅提高生物量及生物活性，增強系統抗沖擊力，獲得更高的脫氮效率，保證工藝穩定運行。

總體上，MCCE技術主要有以下優勢。

(1)特有的載體填料[7]。載體由南京高新工大生物技術研究院有限公司自主研發，圓柱形，直徑為25 mm，高度為10 mm，密度為0.96 g/cm3，孔隙率為85%，填充量為40%。該填料可促使微生物快速形成生物膜，掛膜牢固。

(2)高效的去碳脫氮除磷菌劑，輔以特有的錨定劑[8]。錨定劑由南京高新工大生物技術研究院有限公司自主研發，可顯著促進掛膜效率。基于細胞集群效應，通過復配各種誘導物形成錨定劑，促進胞外聚合物(EPS)形成，可在3 d左右形成生物膜，7 d左右穩定。

(3)剩余污泥量少。以在生物填料上形成的EPS生物膜替代活性絮狀污泥，微生物不易流失，生物量為活性污泥法的5～10倍，無需污泥回流。因此，反應池的污泥量大幅度降低，剩余污泥量顯著降低，可綜合降低50% 以上，減少后續污泥處理的成本及設備投資。

(4)生物量及生物活性翻倍式增長，可大幅處理污水處理效率，為本次提標改造提供了可行性的技術基礎。

2 提標改造工程設計方案

2.1 進水系統

進水系統原有一臺進水泵，額定流速為35 m3/h，實際流速為50 m3/h左右，因存在實際進水量(1 200 m3/d)大于設計水量的情況，對進水系統進行改造，在泵站增加一臺35 m3/h的新泵，并根據浮球控制新泵和老泵的開關。當液位在低位時，關閉兩臺進水泵；當液位達到中高位時，開啟新泵，維持進水流速恒定；當液位達到高位(危險位)時，即日處理量大于設計處理量時，將會同時開啟兩臺泵，維持水站中的水量不會超過調節池警戒水位，導致溢出，并將進水口一分為二，約1/2進入現有的缺氧池，剩余部分進入兼氧池。

2.2 生化系統

生化系統的改造主要是：①在現有的缺氧池到好氧池溢流口上添加一塊格柵網，防止載體流失；②在現有的好氧池中添加兩塊不銹鋼板(4.8 m×5 m×0.01 m)，將好氧池分為3個反應池，分別為好氧池1、兼氧池和好氧池2(圖2～圖3)，其中每塊鋼板都有6根工字鋼固定在水池中，每塊鋼板都留有一個格柵孔；③在兼氧池中放置一臺潛水攪拌器，利于載體的翻動；④將二沉池改造成高效沉淀池；⑤在好氧池2到高效沉淀池的溢流口上也添加一塊格柵，防止載體流失。

圖2 改造前池型設計Fig.2 Design of Pool Type before Reconstruction

工程改造完成后在反應池中投加載體、菌劑和錨定劑，同時減緩外回流比例，當載體成功掛膜后，停止外回流，這樣能保證在不影響出水水質的情況下完成掛膜馴化工作。

圖3 改造后池型設計Fig.3 Design of Pool Type after Reconstruction

2.3 工藝參數對比

如表2所示，污水處理站改造后由原始800 m3/d的處理水量提升至1 200 m3/d，總水力停留時間由初始11.4 h縮短至7.6 h，有效提高了污水處理站的處理效率，降低了時間成本。

表2 改造前后相關工藝參數對比Tab.2 Comparison of Related Process Parameters before and after Reconstruction

3 提標改造工程運行成本分析

3.1 系統污泥總產量

本污水處理站提標改造后運用MCCE技術，無需污泥回流，好氧池2出口SS檢測值即為生化污泥產生量，綜合高效沉淀池化學除磷產生的污泥增加量和污泥脫水的增加污泥量，即為總污泥產量。

由表3計算可知，改造后生化系統每處理萬噸水平均產生0.330 t(絕干)污泥，即1 200 t/d污水量產生化學污泥39.6 kg/d。

根據實際污水處理站進水檢測數據，系統平均進水TP含量為3.24 mg/L，項目改造完成后出水水質TP排放標準為0.30 mg/L，依據項目穩定運行月余的生化池出水實測TP數據，生化池平均去除率以65%計，則需化學除磷量為1.03 mg/L。

化學除磷工藝選用藥劑聚合氯化鋁(PAC)，根據式(1)，理論去除1 g的P需0.87 g的Al，則去除質量濃度為1.03 mg/L的TP需Al量為1.03×0.87≈0.9 mg/L。理論1 mg的Al可產生4.52 mg磷酸鹽，根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2021)中第 6.7.5條規定，本提標改造項目采用最大安全系數3，則產生化學污泥量為0.9×4.52×3=12.2 mg/L，即每處理萬噸水平均產生0.12 t(絕干)污泥，1 200 t/d污水量產生化學污泥18.6 kg/d。

(1)

由于污泥脫水需添加藥劑，該階段增加的污泥量為處理量的10%左右。即污泥脫水增加污泥量為(0.33+0.12)×10%=0.045 t。

表3 好氧池2出水口剩余污泥量測算值Tab.3 Measured Value of Excess Sludge at the Outlet of Aerobic Tank 2

綜上，總污泥產量為0.33+0.12+0.045=0.495 t DS/萬m3。

3.2 運行成本分析

本次提標改造項目僅新增設備進水提升泵1臺、潛水攪拌機1臺和刮泥機1臺，該污水處理站內主要設備的用電情況如表4所示，合計計算每日總用電量為584.4 kW·h。根據計算，該污水站經營成本為37.07萬元/a，污水處理量為43.8萬m3/a，合計噸水經營成本為0.819元/m3(表5)。

4 運行結果分析

4.1 提標改造前出水

如表6所示，該污水處理站出水中CODCr、氨氮、TN、TP各指標基本都未達到浙江省清潔排放標準，均需進一步優化廢水處理系統。

4.2 提標改造后

4.2.1 提標改造后運行狀況

提標改造項目中，載體以40%填充率進行投加，正常運行后，曝氣均勻，載體均勻翻滾，局部無死角，具體生化池載體狀態如圖4所示。

表4 主要設備用電情況Tab.4 Power Consumption of Main Equipments

污水處理站進水的水量水質變化會影響污水處理站的穩定運行以及出水穩定達標排放。因而本次提標改造處理效果將從以下4個方面分別進行討論分析。

4.2.2 設計進水量、水質

設計進水是指進水指標符合表1設計進水指標，進水水量為1 200 m3/d左右，因有效控制了前段進水水質，出水連續檢測時段為2021年8月5日—9月1日，主要分析水質指標有CODCr、氨氮、TN和TP，各項指標均能連續穩定達到《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 33/2169—2018)排放標準，如圖5～圖8所示。

如圖5和圖7所示，污水處理站存在進水CODCr≤80 mg/L的情況，水質C/N失衡現象嚴重，此時需要額外添加碳源。

表5 運行成本匯總Tab.5 Summary of Operation Costs

表6 提標改造前污水處理站實際進、出水水質Tab.6 Actual Water Quality of Influent and Effluent before Upgrading and Reconstruction

圖4 (a)好氧池1、(b)兼氧池和(c)好氧池2載體翻動情況Fig.4 Carrier Turnover of (a) Aerobic Tank 1, (b) Facultative Tank and (c) Aerobic Tank 2

圖5 CODCr去除效果Fig.5 Effect of CODCr Removal

圖7 TN去除效果Fig.7 Effect of TN Removal

圖6 氨氮去除效果Fig.6 Effect of Ammonia Nitrogen Removal

圖8 TP去除效果Fig.8 Effect of TP Removal

4.2.3 設計進水量、CODCr超標

在項目運行期間，管網沿線偶爾存在海產品副業加工廠偷排生產污水情況，偶發性會發生進水水質波動較大的情況，首先分析在進水水量正常、進水CODCr較高情況下本項目的運行情況。

如表7所示，在進水水量≤1 200 m3/d、CODCr≥400 mg/L時，對污水站廢水處理系統沖擊影響不大，隨機選取的5 d出水中各指標均能達到排放標準。當進水CODCr最大質量濃度為495 mg/L時，出水CODCr質量濃度為35.1 mg/L，去除率為92.9%；氨氮質量濃度由原水中的77.91 mg/L降至0.22 mg/L，去除率為99.7%；TN質量濃度由80 mg/L降至10.78 mg/L，去除率為86.5%；TP質量濃度由原水中的3.22 mg/L降至0.08 mg/L，去除率為97.5%。

表7 CODCr超標時進、出水水質Tab.7 Water Quality of Influent and Effluent while CODCr Exceeding

4.2.4 水量、氨氮指標超標

表8為進水水量≥1 200 m3/d、氨氮≥40 mg/L情況下，污水處理站出水達標排放率約為83%。項目進水CODCr(358.3 mg/L)和氨氮(104.52 mg/L)指標含量都較高的狀況下，對污水處理系統瞬時沖擊太大，頻繁高濃度進水沖擊不利于硝化細菌等自養細菌的馴化，從而導致出水水質氮含量超標，而CODCr、TP可穩定達標。

表8 水量、氨氮超標時進、出水水質Tab.8 Water Quality of Influent and Effluent while Water Quantity and Ammonia Nitrogen Exceeding

4.2.5 水量、水質超標

污水站處于海域范圍內，隨著春季禁漁期的到來，漁業加工產業進入休整狀態，會造成大量的沖洗廢水進入污水管網，高濃度進水及高進水量會使得污水站運行負荷遠遠超過設計負荷，直接導致生化段、沉淀段水力停留時間大大縮短，造成污水處理效率的下降。由表9可知，當進水水量≥1 200 m3/d、CODCr≥400 mg/L、TN≥40 mg/L時，對生化處理系統造成較大沖擊，DO迅速下降，硝化速率無法充分滿足對進水TN的降解要求。

表9 水量、水質超標時進、出水水質Tab.9 Water Quality of Influent and Effluent while Water Quantity and Water Quality Exceeding

5 結語

(1)提標改造項目中，利用AOAO工藝耦合MCCE技術，實現生化系統高效去碳脫氮，同時以化學除磷法為輔可有效提高污水處理系統總體的除磷效率。

(2)污水站提標改造僅新增3臺設備，污水處理量為43.8萬m3/a，噸水經營成本為0.819元/m3，具有項目建設費用低、工藝運行成本省等特點。

(3)污水站主要針對鄉鎮生活污水處理，建議類似項目容積過小的調節池水力停留時間可控制在8 h左右，以平衡進水水質、水量，利于項目工藝的穩定運行。

(4)污水站的設計經驗對出水水質要求高、用地緊張、經費有限、進水波動較大等條件的農村生活污水站的提標改造提供了一定的參考。