污水廠“準Ⅲ類”排放標準提標改造設計探討

摘 要：針對昆明市出臺的《DB 5301/T 43—2020城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》要求，滇池南岸某污水處理廠需要提標改造至昆明A限值排放。綜合分析了污水廠現有工藝和運行情況，得出提標改造的重點及難點是TN和TP的去除，需要對現狀生化系統挖潛改造和新增深度脫氮、超級限除磷工序實現提標改造目標。根據污染物去除機理和相關工程實例分析，生化系統挖潛改造采用多點進水、加大回流比、缺氧區加碳源、多點化學除磷、控制溶解氧等措施，深度脫氮單元采用上向流反硝化生物濾池工藝，超級限除磷單元采用溶氣氣浮+過濾工藝；并介紹了各單元設計參數，將各工藝段有機結合，使整個系統穩定運行，最終出水達標排放。

關鍵詞：高標準；準Ⅲ類；提標改造；反硝化生物濾池；氣浮

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-06

0 引言

滇池是國家重點治理“三河三湖”中的難點。從1988年以來，滇池治理經歷了探索治滇階段、工程治滇階段、系統治滇階段[1]，目前滇池治理進入了精準治理階段的新時期。為了加強滇池流域水污染防治，改善地表水環境質量，2020年4月昆明市發布了《DB 5301/T 43—2020城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》，要求位于生態環境敏感區域且尾水對水環境影響較大的新（改、擴）建及現有城鎮污水處理廠執行表1中A級限值。昆明主城和環滇池現狀污水處理廠需要由現狀《GB 18918—2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A提標至昆明DB 5301/T 43—2020 A限值，該限值主要指標達到湖、庫地表Ⅲ類標準（TN除外），昆明市地標A限值是現階段全國范圍內最嚴污水處理廠排放標準，與其他地方標準相比更加嚴厲的指標為TN和TP[2]，如北京市DB 11/890—2012的A標準和河北省DB 13/2795—2018核心控制區TN和TP的排放限值分別為10 mg/L和0.2 mg/L，而昆明市A限值為5 mg/L和0.05 mg/L。

目前國內已有較多“準Ⅳ類”“準Ⅲ類”高排放標準的污水處理廠實例[2，3]，主要工藝技術路線仍然為“預處理+生物處理+深度處理”，其中生化段在傳統生物處理工藝上通常進行優化、改良和組合，強化生物脫氮除磷；深度處理階段針對TN常選用下向流反硝化深床濾池，針對TP常選用高效沉淀+過濾、膜分離等，針對COD選用臭氧氧化和活性炭吸附等強化工藝。通過總結分析，采用常規工藝難以達到本項目設計目標，生化段挖潛改造是本項目的重點，深度處理段的深度脫氮和超級限除磷工藝選擇和設計是本項目的關鍵點和難點。

1 工程概況

選取昆明市第一批擬進行提標改造的某污水處理廠為探討對象，分析了污水廠現狀運行效果和提標改造思路、工藝選擇及設計。該污水廠位于滇池南岸，現狀主要工藝流程為：改良A2O生化池+二沉池+二次提升+V型濾池，采用紫外消毒工藝，現狀出水執行GB 18918—2002一級A。本次提標改造規模5.0×104 m3/d，設計進、出水水質見表1，達標尾水作為滇池生態補水。

2 污水廠現狀處理效果分析

該污水處理廠于2011年建成運行，本文選取2017—2021年連續5年的運行數據進行分析。結合其他高排放標準污水廠設計及提標改造實例[4，5]，本項目的重點及難點是COD、TN和TP指標的深度去除，需要對其現狀處理效果充分分析。

2.1 COD現狀去除效果

污水中有機污染物在生化池中經微生物吸附、代謝為CO2和H2O等，生物處理后主要以代謝產物和難降解有機污染物作為殘余物，一般殘余物濃度較低，當進水中無特殊難降解有機污染物時，通過合理控制活性污泥濃度和溶解氧濃度，生化段后再經深度處理BOD可達4 mg/L，COD可達20 mg/L[6]。由圖1可知，近5年來COD出水較為穩定，平均出水濃度為14.38 mg/L，現狀出水已經達到昆明A限值要求，這是由于進水COD濃度未達到原設計進水濃度值，平均為152.96 mg/L，污水廠低負荷運行有利于有機物的充分碳化去除，隨著污水處理提質增效，進水污染物濃度逐漸提高，本項目對有機物的去除按照遠期高進水濃度的工況進行設計。

2.2 NH3-N和TN現狀去除效果

從A2O工藝運行角度來看，生物脫氮需要活性污泥系統在好氧和缺氧間轉換，現狀改良A2O生化系統預缺氧、厭氧、缺氧、好氧單元均為完全混合式，使得好氧和缺氧間的轉換是時間上的、也是空間上的。從圖2中顯示，出水NH3-N平均值為0.85 mg/L，但波動較大，已接近昆明A限值要求，需要進一步提升控制硝化菌活性和好氧區溶解氧濃度。現狀鼓風機房安裝3臺單級高速離心鼓風機，風量Q=6200 m3/h，最高時氣水比為5.37，供氧條件可以滿足提標改造要求。出水TN平均值為6.89 mg/L，雖然進水TN濃度也未達到設計值，在低負荷運行工況下出水未達到目標值5 mg/L，說明反硝化過程不徹底。TN的去除與混合液回流比、缺氧區碳源密切相關，同時在A2O生化系統中，生物脫氮除磷本身也存在一些難以克服的矛盾，生化系統脫氮存在極限，僅靠生化系統無法滿足提標改造出水要求，需要新增深度脫氮工序。

2.3 TP現狀去除效果

TP現狀去除效果如圖3所示，近5年進水TP平均值為4.46 mg/L，出水TP平均值為0.16 mg/L，說明現狀生物除磷和深度處理過濾單元處理效果較好。一般情況下，在進水TP濃度達到設計值，通過生物除磷和常規混凝、沉淀、過濾深度處理出水TP可達0.3 mg/L[6]，因此針對本次TP≤0.05 mg/L的出水目標，常規深度處理工藝無法滿足處理要求，要強化化學除磷及分離工藝。

3 提標改造方案

3.1 總體思路

本次提標改造的重難點是COD、TN和TP的去除，為充分利用現狀設施，節能降耗控投資，擬對現狀改良A2O生化池進行改造，充分挖潛其生物降碳、脫氮及除磷的能力。針對TN和TP的高要求，需進一步新增深度脫氮和超級限除磷工序，同時對污水廠現狀預處理構筑物和輔助生產設施進行復核，不作改造。提標改造技術路線見圖4。

3.2 生化段挖潛方案

現狀生化池在傳統A2O池的基礎上已做了優化改進，前端設置了預缺氧池，停留時間0.52 h，可有效緩解回流污泥中硝酸鹽矛盾，回流污泥先進入預缺氧池充分反硝化后再進入厭氧池，在沒有硝酸鹽搶先消耗碳源的情況下聚磷菌利用充足的碳源進行釋磷，強化了聚磷菌好氧池高效吸磷。在此基礎上，增加多點進水、加大內回流比、投加碳源、控制溶解氧、多點化學除磷措施對生化系統進行挖潛改造。

①多點進水：將沉砂池來水分配至預缺氧池、缺氧池和厭氧池，其中30%進入預缺氧池、30%進入預厭氧池、40%進入缺氧池，可通過流量計及閥門進行調控，既可保證厭氧釋磷對碳源的要求，同時兼顧缺氧區有一定的碳源提供反硝化電子供體，有效利用原水中的碳源。

② 加大混合液回流比：由于存在內循環，出水中存在少部分硝酸鹽反硝化不徹底。常規ANO生化池混合液回流比一般不超過400%，A2O工藝混合液回流比一般為200%～300%[5]，現狀生化池回流比通過堰門控制，設計為200%，難以精準控制。本次改造后不再使用回流堰門，采用軸流泵進行混合液回流，回流比增大到300%。

③ 投加碳源：近5年平均進水C/N比為3.52，C/N較低，雖然對生化池進水做了多點分配改造，但滿足不了微生物反硝化過程對碳源的需求。因此，在生化池缺氧區設置碳源投加點。

④ 控制溶解氧：有機物的去除受DO濃度變化影響較小，DO濃度對生物脫氮除磷影響效果明顯，較高的脫氮效率需要維持較低的DO條件，而較高的生物除磷活性需要保持相當的DO濃度，本次通過溶解氧儀反饋和流量計、閥門控制，將好氧區DO濃度控制在1.0～2.0 mg/L。

⑤ 多點化學除磷：多點化學除磷可增強出水TP去除效果[7，8]，在深度處理之前強化化學除磷可以減輕后端除磷單元的壓力，使污水處理系統更加穩定。故在生化池出水投加PAC，增強二沉池對TP的去除效果，但要控制加藥量，避免過量的PAC影響回流污泥活性。

現狀生化池為1座2組，生化池改造可在旱季分組、分步施工，不會造成污水廠停產。

3.3 深度處理方案

深度處理難點之一為TP的去除。昆明市現狀運行的污水廠中已有10個廠TP提標至昆明A限值，提標總規模合計103.5×104 m3/d，其余指標仍執行國家一級A排放。目前，在昆明市針對出水TP≤0.05 mg/L的工藝方案有“溶氣氣浮+過濾”和“MBR膜+納濾膜”工藝，其中“溶氣氣浮+過濾”工藝在多個污水廠提標改造中得到了應用[5]，

“MBR+DF”雙膜系統僅作為示范性項目應用于“洛龍河污水處理廠水質提升”中。與雙膜系統相比，“溶氣氣浮+過濾”工藝投資及運行費用低，后期沒有更換膜組件的費用，占地面積小，優勢較為明顯。氣浮工藝對懸浮態TP和磷酸鹽的去除主要依靠細微納米級氣泡與污水中絮凝反應后的不溶性磷酸鹽沉淀物形成水-氣-固三相混合物，密度小于水而上浮到水面，最終通過刮渣機自動刮除。超極限除磷對固液分離要求較高，氣浮出水因含有微絮體，使得顆粒磷占比升高，過濾單元可有效截留高負荷下氣浮出水的殘存微絮體[9]，本次新建的氣浮池出水與現狀V型濾池聯用可使SS、TP穩定達標。

深度處理的另一難點為TN的去除。出水TN在昆明地區沒有達到5 mg/L的案例，在建的第十四污水廠執行昆明A限值，但目前尚未運行，故深度脫氮工藝的選擇借鑒昆明市在建污水廠和國內其他工程案例[5]。如表2所示，目前深度脫氮工藝主要為反硝化生物濾池和反硝化深床濾池。反硝化生物濾池同時擁有高效反硝化和懸浮物截留功能，為上向流濾池，采用大粒徑（4～6 mm）的陶瓷濾料，粗糙多孔的球狀陶粒濾料更容易掛膜，反硝化微生物不易流失，抗沖擊負荷能力強，同時氣水同向上向流，利于排除氮氣，不會發生氣阻。污水通過配有一個自動閥的管道自底部進入反硝化生物濾池，并均勻分配于生物濾料層中，在上升過程中，污水中的硝酸鹽及亞硝酸鹽與附著在生物濾料上的微生物發生反硝化反應，達到深度脫氮的要求。而常用的反硝化深床濾池為下向流、小粒徑（1.7～3.3 mm）石英砂濾料濾池，細小、光滑的石英砂介質限制了微生物膜的生長，同時截污能力也小，需頻繁反沖洗，反硝化菌不易生長，同反硝化產生的氮氣泡向上流動與水流方向相反，阻礙來水中的微生物向下流動，加劇了上述過程，并使過濾阻力增大，縮短反沖洗周期。故本項目選用脫氮效果更好的反硝化生物濾池。

針對生化段處理殘留的COD，深度處理沒有新增處理單元，進入到深度處理段的難降解和不可降解的有機物可通過排泥得到有效去除，經過氣浮和V型濾池，出水SS可達5 mg/L以下，能有效去除殘留有機物。

根據上述分析，確定本次提標改造深度脫氮和超級限除磷工藝采用“反硝化生物濾池+氣浮+V型濾池（現狀）”。

4 提標改造工藝設計

4.1 工藝流程

本次提標改造保持現狀主體工藝流程不變，深度處理段新增反硝化生物濾池、氣浮池及配套構（建）筑物，氣浮池運行過程中投加大量PAC、PAM，氣浮出水含有部分藥劑殘余物，為避免藥劑殘余物影響反硝化濾池中生物膜活性，將氣浮池設置在反硝化濾池之后，氣浮池出水再接現狀V型濾池。由于增加了兩個深度處理單元，且反硝化生物濾池自身水力損失較大，約為2.5 m，現狀二次提升潛污泵揚程達不到要求，需要更換潛污泵。提標改造確定的工藝流程見圖5。

4.2 生化池改造

現狀生化池為1座2組，并聯運行，總水力停留時間14.18 h。多點進水改造：預缺氧區30%，厭氧區、缺氧區70%，將現狀進水井用隔墻分為兩格配水井，第一格控制預缺氧池進水，第二格控制厭氧池、缺氧池進水，通過管道分別至厭氧池、缺氧池，管道上設置蝶閥控制流量；回流比調控改造：廢除現狀內回流堰門，單組生化池增加3臺混合液回流泵，單臺流量1600 m3/h，2用1備，采用穿墻軸流泵，更換污泥外回流潛污泵3臺（2用1備），單臺流量2083 m3/h；碳源投加：根據進水水質及后續生物濾池運行情況控制投加量，生化段缺氧區擬定TN去除量為5 mg/L，液體商品乙酸鈉含量按20%計算，乙酸鈉投加量為30 mg/L；多點化學除磷：在生化池出水總管上設置PAC投加點，安裝管道混合器，二沉池沉淀擬定總磷去除量為0.5 mg/L，購買成品PAC固體中Al2O3有效含量30%，溶解后液體PAC中Al2O3有效含量10%，液體PAC投加量為25 mg/L；溶解氧控制：好氧池DO濃度通過溶解氧測定儀測量反饋，再通過流量計、閥門控制曝氣量，將DO控制在1～2 mg/L。

4.3 中間提升泵房改造

現狀二次提升泵房設有4臺潛污泵，揚程均為7.5 m，由于深度處理增加了生物濾池和氣浮池，生物濾池進水水位與二次提升泵房停泵水位靜揚程13.15 m，因此現狀潛污泵需要更換。更換后提升泵采用大、小泵搭配，小泵1臺，流量420 m3/h，大泵3臺，流量830 m3/h，揚程均為15 m。

4.4 反硝化生物濾池

生物濾池設1座6格，并聯運行，配套設施包括反沖洗水池、反沖洗系統、反沖洗廢水貯池，均與濾池合建。生物濾池單格過濾面積45.03 m2，設計水力負荷（濾速）9.3 m3/（m2·h），峰值水力負荷11.6 m3/（m2·h），峰值反硝化負荷0.93 NO3-N/m3·d。

生物濾池反沖洗頻率為10～18 h，水洗強度30 m3/（m2·h），氣洗強度130 m3/（m2·h），反沖洗廢水排入廢水貯池，通過提升泵抽排至進水泵房。生物濾池前端設置混合池，使投加的碳源與原水充分混合，生物濾池進、出水處設在線COD測定儀和硝酸鹽測量儀，通過測量進、出水中的COD和硝酸鹽濃度自動控制乙酸鈉的投加量。生物濾池擬定TN去除量為10～12 mg/L，液體商品乙酸鈉含量按20%計算，乙酸鈉投加量為72 mg/L。

4.5 氣浮池

溶氣氣浮設備設1座3組，并聯運行，單組處理能力為1042 m3/h，每組氣浮裝置由高效混合絮凝反應器和浮選式固液分離裝置組成。另設氣浮設備間，設有PAC儲槽、PAM自動溶解裝置、空壓機、鼓風機、PAC加藥泵、PAM投加泵等。氣浮池表面負荷20 m3/（m2·h），溶氣回流比10.4%。氣浮池擬定總磷去除量為1 mg/L，PAC投加量為60 mg/L，PAM投加量為0.5 mg/L。氣浮池排泥水約為90 m3/d，配套污泥提升泵房1座，有效容積為120 m3，將排泥水抽排至現狀污泥濃縮池。

4.6 運行成本分析

運行成本核算主要包含電耗、藥耗、污泥處置及生產管理人員產生的費用。工程投產后增加單位經營成本0.78元/m3，其中電費為0.14 元/m3（電耗為0. 26 kW·h/m3）、藥劑費[包括乙酸鈉、聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）]為0.31 元/m3、污泥外運處置費為0.23 元/m3，維修管理及其他費用為0.1 元/m3，本項目不新增人員。

5 結論

本項目的實施滿足滇池流域城鎮污水處理廠提標改造工作要求，由現狀GB 18918—2002一級A提標至昆明DB 5301/T 43—2020 A限值。通過對滇池南岸某污水廠現狀運行效果和相關工程案例分析，最終確定提標改造主體工藝為：生化池（挖潛改造）+反硝化生物濾池（新建）+氣浮池（新建）+V型濾池（現狀）。項目總投資為10928.24萬元，工程費用8796.89萬元，工程投產后增加單位總成本1.13元/m3，增加單位經營成本0.78元/m3。該項目為昆明市第一批提標改造的污水廠之一，已立項，正處于實施推進階段，工程實施后可以減輕污水廠尾水對滇池的污染，可為其余提標改造項目和新建項目提供參考。

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