基于小城鎮污水特征的兩級生物膜法處理工藝設計研究

文／魏鵬 合肥市市政設計研究總院有限公司 安徽合肥 230001

引言：

隨著城鎮化進程加快，小城鎮在城鎮總數中所占的比例不斷增大，經濟快速發展的同時環境污染問題隨之出現，城鎮污水排放量不斷增加，然而小城鎮基礎設施建設滯后于城鎮建設的發展，主要表現在小城鎮污水收集系統和處理設施不健全，污水處理率較低等[1]。與大中城市相比，小城鎮污水處理設施建設還受到資金來源缺乏和管理技術水平等條件制約。因此，選擇一套適合小城鎮污水特性、高效低耗、管理簡單的污水處理工藝，有助于更加全面提高污水處理水平，促進社會經濟可持續發展和建設環境友好型社會。

某建制鎮位于江蘇省宿遷市城郊，屬于駱馬湖流域保護范圍。按照國家《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》提出的基本無生活污水直排口、基本消除城中村、老舊城區和城鄉接合部生活污水收集處理設施空白區，基本消除黑臭水體，城市生活污水集中收集效能顯著提高目標，加快補齊鎮區污水收集和處理設施短板，實現污水管網全覆蓋、全收集。該鎮于2020年初開展中心鎮區污水處理提質增效工程，在該鎮區東南部新建污水處理廠1 座，污水處理廠設計規模為2500m3/d，主要處理鎮區居民生活污水和部分工業企業生產廢水。

1.設計進出水水質

工程設計初期，為更準確地確定其設計進水水質，在全面分析該鎮社會經濟發展現狀、產業結構布局以及規劃發展的基礎上，參考本地區同類型污水處理廠的進水監測數據，并考慮一定的設計余量，確定污水處理廠設計水水質；根據《江蘇省城鎮污水處理廠污染物排放標準》要求，設計出水水質指標達到二級標準，具體詳見下表1。

表1 污水廠設計進出水水質

2.工藝比選與流程設計

2.1 處理工藝比選

常規的城市污水二級生化處理工藝有氧化溝、A/O 法、A2/O 工藝等，若小城鎮污水處理采用這些常規工藝，會造成建設成本過高、技術支持難度大等問題，導致小城鎮污水處理廠無法有效建成或難以正常運行。小城鎮污水處理工藝的選擇，應充分考慮污水來源、收集和運行管理等具體情況，選擇建設成本低、運維管理簡便、運行成本低且具有穩定處理效果的工藝。根據工程實踐經驗，對以下常見的6 種小城鎮污水處理工藝進行比較分析，見下表2。

表2 小城鎮污水處理適用工藝比選分析

人工濕地和CRI工藝屬于人工強化自然水處理，基建、運行成本低。管理難度低，占地面積大，處理效果相對較差，人工濕地主要的缺點是受氣候影響大，使其應用受到嚴重限制。活性污泥法是城市污水處理的常規處理方式，其中IBR 和CASS 工藝均較為適合我國小城鎮污水處理，在這6 種工藝中，基建、運行費用、管理難度均偏高[2]。也會相對產生大量的污泥，但是出水水質穩定，效果好；高負荷生物濾池和生物接觸氧化工藝均屬于生物膜法，盡管處理效果不及上述2 種活性污泥法，但其運行成本低、管理難度低和污泥量較少等優點，使其受到廣泛應用[3]。

2.2 工藝流程設計

由于該鎮區企業生產季節性較強、居民生活污水排放的規律導致鎮區污水的水質、水量變化大。針對該鎮的污水排放特點，兼顧考慮降低后期運維費用和管理難易程度，污水處理廠采用預處理+兩級生物膜法工藝+深度處理組合工藝，生化段工藝采用高負荷生物滴濾池+生物接觸氧化池兩級生物膜法，具體處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

3.污水處理單元工藝設計

3.1 污水處理系統設計

3.1.1 粗格柵及進水泵房

污水由主干管輸送至污水提升泵房，經由粗格柵欄攔除污水中較大污染物，確保水泵安全運行。污水經水泵提升至細格柵及平流沉砂池。粗格柵渠和進水泵房合建，平面尺寸為L×B=10.8×8.0，地下部分深度6.5m，地上部分高度0.3m。采用回轉式機械格柵，柵寬1m，柵條間隙15mm，柵條厚度10mm，安裝傾角75°。格柵清渣采用機械清渣方式，定期進行清渣，同時配備1 套人工格柵作為備用。泵房內配備潛污泵（Q=100m3/h、H=13m、N=7.5kw）3 臺，2 用1 備。

3.1.2 細格柵及平流沉砂池

細格柵和平流沉砂池合建，平面尺寸L×B×H=14.5×2.8×2.8m，分細格柵及平流沉砂池兩個處理段。其中細格柵寬0.7m，格柵間隙5mm，設計柵前水深0.35m，格柵安裝傾角45°，配備規格為GH700、N=0.55kw的格柵除污機一套。平流沉砂池設計水力停留時間30s，水平流速0.25m/s，其中渠寬1m，沉砂區高度0.42m，有效水深為0.5m，設2 個砂斗，斗深1.72m。配備砂水分離器（Q=12L/s、N=0.25kw）1 臺；吸砂泵（Q=12m3/h、H=16m、N=2.2kw）2 臺。

3.1.3 中間水池

設置中間水池1 座，鋼混凝土結構，總外形尺寸為L×B×H=8.6×4.8×3.5m，配備潛水污水泵（Q=150m3/h、H=10m、N=11kw）2 臺，1 用1 備。沉砂池出水經自流進入中間水池，然后經由中間水池內的水泵提升進入高負荷生物濾池。

3.1.4 高負荷生物濾池

高負荷生物濾池近期設置1 座，設計規模為2500m3/d。污水經由濾池上部的旋轉布水器噴淋下來，經過堆積的濾料層，濾料表面生長的生物膜對污水中的有機物進行降解，濾池供氧由自然通風完成。設計水力負荷為27m3/(m2·d)，有機負荷1.0kgCOD/(m3·d)，運行回流稀釋比R=1～2。濾池設計采用圓形構造，直徑D=16m，濾池高H=6.5m。其中底部構造層1.75m，濾料層3.55m，超高1.2m。濾池內采用無機固體活性生物填料，其中下層為承托層，填料粒徑70～100mm，厚1.05m；上層為濾料層，填料粒徑40～100mm，厚2.5m。濾池頂部配備自旋轉布水器一套，布水器直徑D=15.8m，布水器轉速為15r/min。濾池下部設集水池，經濾池處理過的污水通過其底部匯水渠收集后，輸送至集水池。集水池尺寸為L×B×H=4.0×1.5×2.5m。

3.1.5 綜合反應池（包含接觸氧化、混合池等）

生物接觸氧化池近期設置1 座，設計規模為2500m3/d，遠期按照同等規模增設1 座。池體凈尺寸L×B×H=25×5×5m，平均分為5 格，第一格為缺氧區，其余4 格為好氧區。池內安裝彈性立體填料，設計填料有機負荷0.8kgCOD/(m3·d)，填料層高2.80m，填料總體積為350m3。池底采用膜片式微孔曝氣器，每個曝氣頭服務面積為0.4m2，曝氣強度為12.55m3/min。配備曝氣風機（Q=12.55m3/min、H=5m、N=18.5kw）2 臺，一用一備。池末端（第5格內）設置內循環泵（Q=150m3/h、H=8m、N=7.5kw）1 臺，將好氧區硝化液通過內循環泵回流到缺氧區，設計最大回流比為200%。

混合絮凝沉淀池采用機械混合絮凝+ 平流沉淀工藝。混合絮凝池設計HRT=24min，設計尺寸L×B×H=5×2×5m，均分為3 格，鋼混凝土結構，投加聚合氯化鋁作為絮凝劑，投加量為30mg/L。平流沉淀池設計表面負荷0.93m3/(m2·h)，水力停留時間2.30h，沉淀池總尺寸L×B×H=23×5×5m。

3.1.6 轉盤過濾池

轉盤過濾池1 座，設計處理流量為2500m3/d，濾池池體部分采用鋼混凝土結構，外形尺寸為L×B×H=6.2×3.2×6.8m。濾池平均濾速為15m3/（h·m2），安裝濾盤數量為2 片，濾布有效過濾面積11.4m2。

3.1.7 紫外消毒池

污水處理廠尾水采用紫外消毒工藝進行消毒滅菌。消毒渠土建規模按照2500m3/d 設計，平面尺寸為L×B=8.4×2.7m，設置紫外消毒渠1 道，渠深1.4m，水深0.62m。一期工程安裝一個紫外消毒燈模塊組，共2 根燈管。采用低壓高強紫外燈管，單根燈管的功率為250W。

3.2 污泥處理系統

處理系統產生的污泥大部分為深度處理化學污泥，沉淀池產污泥量約0.25t/d，污泥含水率99.9%。設計污泥池一座，外形尺寸L×B×H=12.2×10.2×5.5m。用于儲存沉淀池排出的污泥，廠區剩余污泥由專用槽罐車運至距其約10km 外的龍河污水處理廠進行板框壓濾后填埋處理，排泥間隔時間為15d。

4.工藝設計特色

針對小城鎮生活污水處理廠進水的水量和水質波動較大的特點，選擇高負荷生物滴濾池與生物接觸氧化池串聯的兩級生物膜法工藝作為生物處理單元，并將高負荷生物滴濾池作為前端處理單元，能夠有效地抵抗來水高負荷沖擊，利用其無需機械曝氣，自然通風供氧的特點，大量去除污水中的有機物，減少了污水處理中的能耗，降低運行費用。同時，本工程在高負荷生物滴濾池底部設有集水池，內置回流泵，可根據水質、水量情況調整回流比，受來水波動沖擊小，耐沖擊負荷強。即使在夜間污水處理廠無進水情況下，仍然能夠通過回流運行維持濾料表面生物膜活性，保證處理單元穩定運行。

污水經過高負荷生物滴濾池處理后，污水中的COD降解能到達50%以上。經由提升泵進入接觸氧化池，接觸氧化工藝作為一種浸沒式生物膜法，也具有抗沖擊負荷強，不存在污泥膨脹等優點，將其與高負荷生物滴濾池串聯使用，能夠最大程度減少處理構筑物的池容，降低污水處理廠的建設投資費用。生物接觸氧化池內采用YDT 立式彈性填料，該填料具有掛膜快，生物附著量大，致密不脫落，無堵塞、剛柔適度等特點。填料以尼龍繩為中心，使絲條呈立體均勻排列輻射狀態，填料在有效區域內能夠立體全方位均勻舒展滿布池內。填料絲條拉毛處理，表面粗糙，其特殊構造對水中的氣泡作密集性多層次的切割，對微氣泡有良好的吸附作用，使微生物、污水和氧氣充分接觸。接觸氧化池分為5 格，在末端設置回流泵一臺，根據運行狀況以及進水水質靈活的調節回流量，并且利用每格曝氣干管控制其曝氣量，在接觸氧化池內形成缺氧區和好氧區，有利于污水中氨氮的有效去除。

工程中將接觸氧化池、機械絮凝池和平流沉淀池合建，形成一體化綜合池，既簡化了單獨建設這些構筑物時配套的管道以及閥門系統，又節省工程占地，可有效降低項目投資，簡化運維管理難度。

5.運行效果及主要經濟指標分析

5.1 運行效果

污水處理廠于2020年10月份開始運行調試，2021年3月份正式運行，處理負荷保持在2200m3/d 左右，處理系統進出水水質見表3。運行數據表明，出水指標均達到了設計標準。污水處理廠建成后，鎮區整體水環境質量明顯得到了較大的改善。

表3 污水處理廠運行效果

5.2 主要經濟指標分析

本工程總投資1200 萬元，其中土建費用840 萬元，設備采購及安裝費用320 萬元，調試費用40 萬元。本工程建成投產運行以來，噸水處理成本為0.56 元/m3（其中電費0.32 元，藥劑費0.15 元，人工費0.05 元，其他費用0.04 元）。

結語：

經過近兩年運行表明，以高負荷生物滴濾池+生物接觸氧化為主體的兩級生物膜法處理工藝處理效果穩定，污泥產量少，從工藝設計的角度對小城鎮污水處理污泥產量進行減量化，減輕了小城鎮污水處理廠處理剩余污泥處置的負擔，進一步降低了其運行成本。該工藝在小城鎮污水處理中成功應用，有效解決當前很多小城鎮污水處理設施建得起用不起，建得好用不好的困境，對小城鎮污水處理具有較好適用性，可為小城鎮污水處理廠設計提供參考和借鑒。