某城區(qū)污水處理廠二級生物處理系統(tǒng)提標(biāo)改造工藝設(shè)計

孫 巍，趙紅兵，張衛(wèi)東

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430014)

近年來，隨著國家對環(huán)保的要求日趨嚴(yán)格，城市生活污水處理廠作為水環(huán)境保護的重要基礎(chǔ)工程設(shè)施，作用愈加重要。與此同時，我國對污水處理廠的處理效果要求也不斷提升。目前，我國污水處理廠出水執(zhí)行的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)將基本控制項目的常規(guī)污染物標(biāo)準(zhǔn)值分為一級標(biāo)準(zhǔn)、二級標(biāo)準(zhǔn)及三級標(biāo)準(zhǔn)，其中一級標(biāo)準(zhǔn)又分為 A 標(biāo)準(zhǔn)和 B 標(biāo)準(zhǔn)。隨著水污染防治力度的加大，城市污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)要求提升為一級A標(biāo)準(zhǔn)或者更高的標(biāo)準(zhǔn)。對比《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的相關(guān)規(guī)定可知，污水處理廠出水水質(zhì)由一級 B 標(biāo)準(zhǔn)提升至一級 A 標(biāo)準(zhǔn)，除了需要進一步降低水中SS、BOD5、COD等物質(zhì)的含量外，提標(biāo)重點在于脫氮除磷[1-2]。針對TN去除的技術(shù)措施主要有：生化段用于強化生物脫氮、外加碳源，后端設(shè)置反硝化濾池。針對TP去除的主要技術(shù)措施為：生化段用來強化生物除磷，后端增加化學(xué)輔助除磷。這種生物、化學(xué)處理互為補充的組合方式無疑是最為穩(wěn)妥的，但因為生物處理方式更為環(huán)保節(jié)能，二次污染少，所以強化生物處理的脫氮除磷效果，降低所需輔助的化學(xué)除磷藥劑及碳源投加已成為行業(yè)共識。后端設(shè)置反硝化濾池需要增加工藝流程、運行費用及建設(shè)成本，如果僅通過挖潛、強化二級生物處理能力而實現(xiàn)脫氮除磷需求，對于污水處理廠提標(biāo)改造工藝而言，無疑更為簡單、高效。本工程設(shè)計方案正是秉承這一理念，應(yīng)運而生。

孝感市城區(qū)污水處理廠地處孝感市孝南區(qū)，隨著城市的發(fā)展已經(jīng)由建廠之初的遠(yuǎn)城區(qū)變成了今天的繁華之地，周邊無新增用地可能，而廠區(qū)內(nèi)原有預(yù)留用地面積小且利用難度大。此外，鑒于環(huán)保要求，設(shè)計方案還需考慮在施工期間現(xiàn)有廠區(qū)能夠正常運行、不停產(chǎn)。基于用地、工藝流程、外部要求等現(xiàn)實邊界條件，對現(xiàn)有二級生物處理系統(tǒng)的生物池進行擴容、調(diào)整功能分區(qū)、多點進水改造；更換內(nèi)回流泵，調(diào)整回流比，優(yōu)化回流點；強化生物脫氮除磷效果達到提標(biāo)需求。這種充分挖潛、利用、提高生物處理系統(tǒng)脫氮除磷能力的提標(biāo)策略，不僅可以有效降低后續(xù)處理設(shè)施的建設(shè)成本及運維費用，還有利于污水處理廠節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

1 項目概況

孝感市城區(qū)污水處理廠位于湖北省孝感市孝南區(qū)，是一座城市生活污水處理廠，總處理規(guī)模為14萬m3/d，分兩期實施。一期(7萬m3/d)于2008年竣工通水，二期(7萬m3/d)于2014年竣工通水，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，出水排入槐蔭河。本工程是對現(xiàn)有污水處理廠進行提標(biāo)改造，將出水水質(zhì)由一級B標(biāo)準(zhǔn)提高至一級A標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計規(guī)模為14萬m3/d。

1.1 現(xiàn)狀處理工藝

污水處理工藝：市政管網(wǎng)污水→粗格柵及進水泵房→細(xì)格柵及曝氣沉砂池→改良百樂卡AAO生物池→二沉池→消毒池→出水排放(枯水期自排，豐水期泵房提升)至槐蔭河。

污泥處理工藝：剩余污泥→預(yù)濃縮池→機械濃縮脫水池→高壓板框脫水至污泥含水率為60%→外運填埋。

1.2 運行現(xiàn)狀及分析

提標(biāo)前污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級B標(biāo)準(zhǔn)，處理水量接近設(shè)計水量，運行狀況穩(wěn)定、良好，2016年污水處理廠運行工況如圖1所示。對現(xiàn)狀處理情況進行分析得出：污水處理廠現(xiàn)有工藝對于CODCr、BOD5、氨氮這3項指標(biāo)的去除效果已滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)要求，說明現(xiàn)有改良百樂卡AAO生物池的好氧區(qū)容積及曝氣系統(tǒng)可以滿足提標(biāo)需求；而對于SS、TP、TN 這3項指標(biāo)的去除效果無法滿足提標(biāo)需求，是提標(biāo)改造設(shè)計亟需解決的重點。

圖1 提標(biāo)前污水處理廠進、出水水質(zhì)

1.3 用地現(xiàn)狀

廠區(qū)周邊土地均已開發(fā)利用，不具備新增用地的條件，提標(biāo)改造工程須在廠區(qū)現(xiàn)狀用地紅線范圍內(nèi)完成。廠區(qū)現(xiàn)有預(yù)留用地主要位于西南及東南側(cè)，具體位置如圖2所示。其中西南側(cè)預(yù)留用地①地塊面積稍大，但位于現(xiàn)有處理系統(tǒng)上游，東南側(cè)預(yù)留用地②地塊面積較小，位于現(xiàn)有處理系統(tǒng)下游。

圖2 污水處理廠用地現(xiàn)狀示意圖

2 現(xiàn)狀存在問題及總體解決方案

通過前述對廠區(qū)現(xiàn)狀運行工況分析得出，現(xiàn)有工藝對于CODCr、BOD5、氨氮指標(biāo)的去除效果已滿足提標(biāo)要求，現(xiàn)有超標(biāo)污染物指標(biāo)主要為SS、TP、TN。具體的設(shè)計進、出水水質(zhì)及處理程度要求如表1所示，其中對于SS、TP、TN的去除率要求分別為96.2%、90.0%、62.5%。根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中污水廠的處理效率規(guī)定可知，二級處理(活性污泥法)對于SS的去除率為70.0%～90.0%，對TP的去除率為75.0%～85.0%，對TN的去除率為60.0%～85.0%。對比二級處理效率與本廠提標(biāo)要求的處理效率得出，SS及TP的去除必須依賴深度處理單元的輔助，而TN的去除完全可以強化二級處理的生物脫氮效果而實現(xiàn)。因此，提標(biāo)改造設(shè)計以確保出水SS、TP、TN達標(biāo)為主旨，并結(jié)合用地條件、現(xiàn)有工藝流程綜合考慮，確定為通過改造現(xiàn)有二級生物處理系統(tǒng)、增加池容、降低負(fù)荷、優(yōu)化回流方式等多途徑提高生物脫氮除磷效果[2-4]。需要說明的是，二級生物處理以確保TN出水達標(biāo)為首要任務(wù)，TP的去除以生物處理為主、化學(xué)除磷為輔。

表1 設(shè)計進、出水水質(zhì)及處理程度

在位于現(xiàn)有工藝流程上游的預(yù)留用地①增設(shè)厭氧/缺氧生物反應(yīng)池，用來強化廠區(qū)二級生物系統(tǒng)的脫氮除磷效果；在位于現(xiàn)有工藝流程下游的預(yù)留用地②增設(shè)深度處理構(gòu)筑物，以去除SS為主要目標(biāo)、化學(xué)除磷為輔，并進一步降低其他污染物指標(biāo)，提升出水水質(zhì)。因深度處理用地非常有限，采用了高負(fù)荷的加砂高速沉淀池及精密過濾設(shè)備，提標(biāo)后的工藝流程如圖3所示。

圖3 污水處理廠提標(biāo)改造工藝流程示意圖

3 二級生物處理系統(tǒng)提標(biāo)改造工藝設(shè)計

對于已建的二級生物反應(yīng)池，強化其生物脫氮除磷效果的常用改造方法有3種。①優(yōu)化功能分區(qū)。若生物池池容基本滿足要求，可通過新增隔墻或結(jié)合初沉池綜合利用等方式，將原池內(nèi)各反應(yīng)段分區(qū)進行調(diào)整或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等。②改造為移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)工藝。MBBR工藝是向池中投加填料，填料在池內(nèi)混合液回流翻轉(zhuǎn)的作用下自由移動，對于好氧池，通過曝氣使填料移動；對于厭氧及缺氧反應(yīng)池，依靠機械攪拌作用移動。MBBR工藝吸收了傳統(tǒng)流化床與生物接觸氧化法兩種工藝的優(yōu)點，因懸浮填料內(nèi)外表面形成具有生物量高、泥齡長特點的生物膜，可以獲得較好的脫氮除磷效果。該工藝比較適用于用地限制、無法增加反應(yīng)池池容的老廠改造。③擴容降負(fù)荷改造。通過降低已建生物反應(yīng)池處理規(guī)模，減小負(fù)荷、延長水力停留時間，同時另外增設(shè)生物反應(yīng)池，滿足污水處理水量要求[5]。

3.1 強化生物脫氮除磷技術(shù)路徑

本工程現(xiàn)有二級生物處理構(gòu)筑物為改良百樂卡AAO生物池，通過優(yōu)化設(shè)計，將影響生物脫氮除磷效果的各影響因素向有利于脫氮除磷方向推進，強化生物脫氮除磷效果。另外，以優(yōu)先生物脫氮、同步生物除磷、輔以化學(xué)除磷，同時考慮碳源補充為基本原則，具體技術(shù)路徑如下。

(1)碳氮比。充足的有機物是保障脫氮及厭氧釋磷效果的重要因素之一，本工程提標(biāo)改造前進水BOD5/TN為2.6，BOD5/TP為18.7，可通過多點進水提高有機物利用率，并補充碳源，多途徑滿足脫氮除磷的碳源需求。

(2)污泥負(fù)荷與污泥齡。為了獲得較好的脫氮效果，需要較低的污泥負(fù)荷及較長的污泥齡，但與之相反，縮短泥齡可以提高生物除磷效果。本工程生物池設(shè)置的目的是以生物脫氮為主，可以通過增加池容、降低污泥負(fù)荷、提高污泥齡獲得較好的生物脫氮條件。

(3)污泥及混合液回流比。當(dāng)硝化與反硝化條件都較好時，系統(tǒng)最大脫氮率是總回流比r(污泥與混合液回流比之和)的函數(shù)，最大脫氮率為r/(1+r)。增加總回流比可以提高脫氮效果，但總回流比為4時，再增加回流比對脫氮效果的提高不大，反而會降低系統(tǒng)運行效果。

3.2 具體工藝設(shè)計方案

為充分利用、挖潛二級生物處理系統(tǒng)的脫氮除磷功能，采用多種途徑同步優(yōu)化，創(chuàng)造適宜的脫氮除磷條件，具體工藝設(shè)計如下。

(1)優(yōu)化現(xiàn)有生物池分區(qū)，新建生物池增加池容，降低負(fù)荷。現(xiàn)狀改良AAO生物池停留時間為12.8 h(厭氧區(qū)1.8 h，缺氧區(qū)3.0 h，好氧區(qū)8.0 h)，污泥質(zhì)量濃度為5 g /L。提標(biāo)改造后的分區(qū)為選擇區(qū)、厭氧區(qū)和缺氧區(qū)。

①選擇區(qū)：新增選擇區(qū)，停留時間為0.5 h。

②厭氧區(qū)：新建厭氧池1和厭氧池2，停留時間分別為1.0 h和0.5 h。

③缺氧區(qū)：新增前置缺氧池1，停留時間為0.6 h，并將現(xiàn)狀厭氧區(qū)改為缺氧池2，停留時間為1.8 h，用來補充缺氧區(qū)容積的不足，強化生化脫氮能力。改造后，新的缺氧區(qū)由3個部分組成：缺氧池1(新建)+缺氧池2(現(xiàn)狀厭氧區(qū)改造)+缺氧池3(現(xiàn)狀缺氧區(qū))，總停留時間為5.4 h。

(2)生物池各分區(qū)之間可進行轉(zhuǎn)換，設(shè)計靈活。新建厭氧/缺氧反應(yīng)池的核心宗旨是確保出水TN達標(biāo)，因此，分區(qū)轉(zhuǎn)換是為了進一步提高脫氮效果。其單組平面布置如圖4所示，具體轉(zhuǎn)換方式：通過切換回流渠進水閘門，改變混合液回流出口位置至厭氧池2，可將其轉(zhuǎn)換為缺氧區(qū)，根據(jù)實際運行需求，進一步增加缺氧區(qū)容積，提高脫氮效果。

圖4 厭氧/缺氧反應(yīng)池單組平面示布置示意圖

(3)將混合液內(nèi)回流比由200%提高至300%，提高脫氮效率。

(4)多點進水，通過在進水及回流渠之間的變頻穿墻泵實現(xiàn)，可提高有機物利用率，減少碳源投加量。

(5)外加輔助碳源，用于特殊時段進水碳源不足時補充碳源，滿足供給反硝化脫氮的碳源需求，提高脫氮效果穩(wěn)定性。

(6)優(yōu)化各分區(qū)的進、出水條件及回流位置，提高池容利用率、抗沖擊負(fù)荷能力、脫氮除磷效果。

4 提標(biāo)改造運行效果

提標(biāo)工程于2019年底竣工通水，自運行以來，出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)。隨著近幾年孝感城區(qū)污水管網(wǎng)的不斷完善以及雨污分流改造工程的有序推進，提標(biāo)改造后的進水指標(biāo)較改造前有所提高，出水水質(zhì)也明顯優(yōu)于提標(biāo)前，提標(biāo)改造工程效果顯著，具體年均進、出水水質(zhì)情況如表2所示。其中二級生物處理系統(tǒng)在去除氨氮、TN、CODCr、BOD5污染指標(biāo)方面的表現(xiàn)較為突出，對TP的去除也起到了關(guān)鍵作用。提標(biāo)前后各項指標(biāo)去除率對比如圖5所示，提標(biāo)后出水TN平均質(zhì)量濃度為7.9 mg/L，去除率為63.0%～72.0%；出水TP平均質(zhì)量濃度為0.2 mg/L，去除率為90.0%～96.0%。將提標(biāo)改造后的二級生物處理系統(tǒng)處理效果與改造前進行對比分析發(fā)現(xiàn)：提標(biāo)后TN平均去除率由 54.4%提高至68.5%，TP平均去除率由84.6%提高至93.5%。且本次提標(biāo)改造新增電耗低，全部新增處理單元電耗為0.096 kW·h/m3，提標(biāo)用地僅用1.3×104m2，噸水投資僅為640元。

表2 提標(biāo)改造前后平均進、出水水質(zhì)對比

圖5 提標(biāo)前后各項指標(biāo)去除率對比

5 結(jié)論

孝感市城區(qū)生活污水處理廠基于提標(biāo)需求并結(jié)合用地現(xiàn)狀，在現(xiàn)有百樂卡生物池前端增設(shè)厭氧/缺氧反應(yīng)池，重新構(gòu)建高效二級生物處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計獨具匠心，通過精心設(shè)計將提標(biāo)障礙逐一擊破，使污水處理廠的提標(biāo)得以順利完成。解決方案簡單而高效，經(jīng)過實踐檢驗合理、可行。

(1)強化生物脫氮效果，不僅可以在系統(tǒng)后端設(shè)置反硝化生物濾池，也可借鑒本設(shè)計，在系統(tǒng)前端生化段增設(shè)缺氧反應(yīng)池強化脫氮效果。

(2)通過調(diào)整生物脫氮除磷的運行條件可以獲得較好的脫氮除磷效果。出水TN平均質(zhì)量濃度為7.9 mg/L，去除率為63.0%～72.0%；出水TP平均質(zhì)量濃度為0.2 mg/L，去除率為90.0%～96.0%。

(3)對于生活污水處理廠，TN、TP以生物處理系統(tǒng)為主的工藝效果穩(wěn)定、無二次污染、能耗低，提標(biāo)改造的全部新增處理單元電耗為0.096 kW·h/m3。

(4)提標(biāo)方案簡單、高效，用地節(jié)約，建設(shè)成本低，提標(biāo)用地僅為1.3×104m2，噸水投資僅為640元。