上流式反硝化濾池在城鎮污水處理廠提標改造中的應用

盧澤海，陳柱堆，鄭從交，袁俊鋒

(東莞市水務集團凈水有限公司，廣東 東莞 523770)

“十三五”期間提出，為了保護水資源，將提標改造大批城鎮污水處理設施，提標改造對象主要為已建且尚未達到一級A排放標準的污水處理廠、一些水體水質未達到地表水Ⅳ類標準的城市以及一些位于敏感區域的污水處理廠[1]。未來對污水處理廠的監測指標也會更多以及更加嚴格，污水處理廠不但要保證其具備較高的SS、BOD5、COD去除能力，還要保證其高效脫氮除磷及某些復雜有機物的處理效果[2]。東莞市某城鎮生活污水處理廠規模為5x104m3/h，主體工藝為微曝氧化溝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級B標準。鑒于國家政策號召，急需對該廠污水處理工藝進行提標改造。

1 提標改造分析與設計

1.1 原工藝流程

該廠提標改造前工藝流程圖如圖1所示，尾水排放至附近的河流，污水處理過程中產生的剩余污泥委托有資質的單位處置。

圖1 改造前工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram before renovation

1.2 運行情況分析

該廠2017年各月份運行期間平均進出水水質如表1所示。

表1 2017年水質統計表Table 1 2017 water quality statistics (mg/L)

該廠污水處理量已達到設計值，從表1數據可以看出，出水COD、BOD5、氨氮穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準和廣東省地方標準《水污染排放限值》(DB44/26-2001)第二時段一級標準中兩者的較嚴值，但出水TN、TP和SS不能穩定達到現行標準，特別是出水TP和SS。對此，此次提標改造重點提高TN、TP和SS的去除率。

1.3 重點控制目標分析

1.3.1 TN指標分析

出水TN平均濃度為11.05 mg/L，但不能穩定達標，特別是枯水期，此次提標改造需提高TN的去除率。微曝氧化溝工藝脫氮基本過程包括氨化、亞硝化、硝化和反硝化，氨化作用主要是由氨化功能菌在好氧或厭氧環境下將污水中的有機氮轉化為氨氮；亞硝化作用由亞硝化菌在好氧環境下將氨氮轉化為亞硝態氮；硝化作用是由硝化菌在好氧環境下將亞硝態氮轉化為硝態氮；反硝化作用是由反硝化菌在缺氧環境下利用污水中的碳源將硝態氮轉化為氮氣，從而達到去除TN的目的[3]。污水中比較少的一部分氮是通過同化被微生物吸收成為細菌細胞的一部分，這一部分氮通過剩余污泥的排出而減少[4]。污水中TN一般以有機氮、氨氮、硝態氮、亞硝態氮這4種形式存在，根據表1運行數據可以看出，進水氨氮占TN58.7%，出水氨氮只占TN9.5%，即該廠進水TN組分中主要以氨氮為主；出水TN成分中主要以有機氮、硝態氮、亞硝態氮為主，氨氮轉化率達93.40%。此次提標改造TN指標主要考慮對有機氮、硝態氮和亞硝態氮的去除。污水處理廠進水總有機氮(TON)包含顆粒有機氮(PON)、膠體有機氮(CON)和溶解性(DON)，經過一、二級處理后出水主要以DON為主，水解和氨化可去除DON[5]。本次提標改造考慮調整曝氣強度控制原微曝氧化溝池好氧段DO，確保厭氧段滿足嚴格厭氧環境，增強厭氧段水解和氨化作用，提高有機氮轉化氨氮的效率。從進水BOD5和TN的水質數據可知，進水BOD5濃度偏低，TN濃度偏高，進水BOD5/TN=2.12。多數學者認為，當BOD5/TN值小于3～5，認為碳氮比較低[6]。原工藝微曝氧化溝池容有限，加上已滿負荷運行，在原微曝氧化溝工藝基礎上改造比較困難，此次提標改造考慮新增反硝化單元，并增加碳源投加裝置，當進水碳氮比較低時，通過投加碳源供反硝化細菌進行反硝化反應，提高TN去除率。

1.3.2 TP指標分析

根據表1運行數據可以看出，出水TP濃度平均為0.48 mg/L，但不能穩定達標。水體中有三種形態的磷：無機磷化合物(磷酸鈣、磷酸鈉、磷酸鎂及磷灰石礦石等)、有機磷化合物(核酸、植酸及卵磷酸)和還原態PH3[7]。微曝氧化溝生物除磷主要由聚磷菌完成，聚磷菌除磷的具體過程為：聚磷菌在厭氧段釋放體內的磷酸鹽并產生ATP；利用厭氧段水解產酸菌生成的低分子有機酸合成PHB，PHB儲存在聚磷菌體內為后續好氧段吸磷提供準備；在好氧段聚磷菌利用在厭氧段儲存進體內的PHB以及污水中的有機物將污水中的磷酸鹽吸收至體內[8]。聚磷菌在厭氧段釋放少量磷酸鹽，在好氧段大量吸磷，將污水中大部分磷酸鹽轉移至活性污泥中，最后隨剩余污泥排出系統，從而達到除磷目的。此外聚磷菌也可以利用一些非溶解氧參與吸磷，被稱為反硝化除磷[9]。一般城市污水經生物除磷后，較難達到0.50 mg/L以下，需要輔以化學除磷，以滿足出水水質的一級A要求。對此，本次提標改造需增加化學除磷裝置輔助除磷。

1.3.3 SS指標分析

根據表1數據可以看出，出水SS平均濃度為10 mg/L，但不能穩定達標。據統計，常規二級處理后出水SS無法穩定達到10 mg/L以下，特別是當進水水質水量受到沖擊、生化池污泥濃度偏高時易發生出水SS偏高問題。常見的SS深度處理工藝有磁混凝、氣浮、活性砂濾、高效沉淀池、濾布濾池等或與生物法工藝的組合，如生物濾池、磁混凝+高效沉淀池等等。該廠提標改造中需增加針對SS去除效果較好的深度處理工藝，以進一步降低出水SS濃度。

1.4 提標工藝選擇

提標改造處理的是該廠的尾水，所以設計規模也是5x104m3/d，TN、TP和SS是此次提標改造重點去除對象，提標改造擬增設在原廠區，位置有限，需選擇占地面積小、對TN、TP和SS去除率較好的工藝，對此選擇上流式反硝化濾池工藝。上流式反硝化濾池是集生物脫氮、化學除磷和精密過濾于一體的污水深度處理工藝，利用其特有的反硝化填料組件和精密直濾組件可同時去除TN、TP和SS。提標改造后工藝流程圖如圖2所示。

圖2 提標改造后工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram after renovation

1.5 提標單體設計

提標改造主要構筑物有二級提升泵房及加藥間、上流式反硝化濾池、紫外消毒池、出水明渠等。

1.5.1 二級提升泵房及加藥間(合建)

功能：二級提升泵房對原二級處理排放的尾水進行二次提升；加藥間存放混凝劑及碳源，安裝加藥設備，為提標改造工藝提供必要的污水處理藥劑。平面尺寸：9.50 m×8.00 m。主要設備：(1)潛水離心泵，4臺，3用1備，單臺流量1000 m3/h，揚程8.0 m，功率45 kw，可通過液位控制自動運行，也可設置手動控制；(2)電動單梁懸掛式起重機1套，額定起重重量為 3 t，起重高度為4.5 m，跨距4.5 m；(3)碳源加藥系統：藥桶容積15 m3，計量泵2臺，1備1用，單臺流量200 L/h， H=0.5 MPa，P=0.75 kW；(4)PAC加藥系統：藥桶容積15 m3，計量泵2臺，1備1用，單臺流量200 L/h，H=0.5 MPa，P=0.75 kW。

1.5.2 上流式反硝化濾池

功能：上流式反硝化濾池利用附著在反硝化填料組件上的反硝化菌進行反硝化反應將硝態氮轉化成氮氣，從而達到去除TN的目的；在濾池進水口投加混凝劑，利用精密直濾組件可截留污水中TP和SS。平面尺寸：33.76 m×19.14 m。主要設備：(1)混合攪拌器2臺，單臺功率7.5 kW；(2)反硝化填料組件252套，精密直濾組件252套；(3)移動式高效反沖洗設備4套，單套功率26.37 kW；(4)反洗排污泵3臺，2用1冷備，單臺排污泵流量110 m3/h，H=10 m，P=5.5 kW。

1.5.3 紫外消毒池

功能：使用紫外射線和投加次氯酸鈉輔助消毒，使細菌指標到達國家排放標準。平面尺寸：16.40 m×5.10 m。主要設備：(1)紫外消毒系統2套，型號為UVC-320W-8/2；(2)電動葫蘆，額定起重重量為1 t，起重高度為6.0 m。

1.5.4 出水明渠

平面尺寸：8.20 m×5.35 m。主要設備：(1)回用水泵2臺，1用1備，單臺流量30 m3/h，H=15 m，P=7.4 kW。

2 運行效果及經濟指標

東莞市某城鎮生活污水處理廠經過提標改造后，于2020年 5月正式運營，提標進出水水質如表2所示，出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準和廣東省地方標準《水污染排放限值》(DB44/26-2001)第二時段一級標準中兩者的較嚴值。該廠提標改造工程總投資約4000萬元，噸水直接處理成本約0.10元/m3。

表2 提標改造后提標進出水質統計表Table 2 The water quality statistics table of the influent and effluent after the upgrade (mg/L)

3 結 論

經工程實踐表明：上流式反硝化濾池作為城鎮生活污水二級處理廠的提標改造工藝，投資少，占用面積小，連續運行，操作簡單，可有效去除SS、TP和TN，適合同類型或類似污水處理廠的提標改造。