曾木海，謝小龍，楊 濤

(1.昆明市規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明 650041；2. 武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430023)

截至2018年，全國范圍內(nèi)已建成運營的污水處理廠有4 000余座。目前，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)是我國污水處理行業(yè)執(zhí)行最廣泛的排放標(biāo)準(zhǔn)。截至2019年底，執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠數(shù)量占全國污水處理廠總數(shù)的53.2%[1]。但是，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，各地針對污水排放要求制定了相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，如北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/307—2013)、四川省《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311—2016)和安徽省《巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)均規(guī)定執(zhí)行TN≤10 mg/L的排放限值，新一輪的提標(biāo)改造工作正在悄然發(fā)生。在更高標(biāo)準(zhǔn)下，污水處理廠提標(biāo)改造的難點和瓶頸問題是COD、TN、NH3-N和TP的去除，需依靠深度處理技術(shù)。工藝方面，雖然目前出水水質(zhì)優(yōu)于一級A標(biāo)準(zhǔn)的工程案例及相關(guān)介紹已經(jīng)很多，但由于各工程實施條件不同，相同工藝的設(shè)計邊界條件也不相同，不便與其對比分析。武漢某污水處理廠現(xiàn)狀出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，本次提標(biāo)改造工程將使出水水質(zhì)達(dá)到準(zhǔn)地表Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合其深度處理方案的設(shè)計，對幾種深度處理構(gòu)筑物進(jìn)行平行設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，可為此類工程的實施提供參考。

1 工程概況

污水處理廠進(jìn)水以市政生活污水為主，現(xiàn)狀生物處理單元采用改良氧化溝工藝，具有獨立的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，可實現(xiàn)同步脫氮除磷；現(xiàn)狀二級強化處理單元采用“高效沉淀池+精密過濾器”，工藝流程如圖1所示。提標(biāo)改造工程設(shè)計規(guī)模為8×104m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)。設(shè)計及實際進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示，其中，進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計值取原設(shè)計值和90%保證率下進(jìn)水實測值之間的較大值[2]。由表1可知，該廠現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)尚未達(dá)到原設(shè)計值，現(xiàn)狀出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到原設(shè)計一級A標(biāo)準(zhǔn)。此外，該廠進(jìn)水BOD5/CODCr約為0.4，BOD5/TN約為4.5，BOD5/TP約為54，適合采用生物法除碳和脫氮除磷。

圖1 現(xiàn)狀處理工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Current Treatment Process

表1 設(shè)計和實測進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Designed and Actual Water Quality of Influent and Effluent

2 深度處理技術(shù)路線

2.1 重難點分析

現(xiàn)狀改良氧化溝總水力停留時間為12 h，其中，厭氧區(qū)為1.5 h、缺氧區(qū)為2.5 h、好氧區(qū)為8.0 h；生物池污泥濃度為3.5 g/L，污泥齡為15 d；氣水比為5∶1，備用鼓風(fēng)機富裕曝氣能力144 m3/min。根據(jù)提標(biāo)改造工程對BOD5和NH3-N的要求，按照德國ATV城市污水設(shè)計規(guī)范和我國室外排水設(shè)計規(guī)范核算，生物池好氧池水力停留時間宜為8 h、污泥齡宜為9 d?，F(xiàn)狀改良氧化溝的好氧區(qū)水力停留時間和污泥齡均滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)BOD5充分碳化和NH3-N充分硝化[3-4]。

TN的去除與生物池的硝化液回流直接相關(guān)，回流量越大去除率越高，但是較大的回流量會改變?nèi)毖醭氐娜毖醐h(huán)境，不利于反硝化過程的進(jìn)行。常規(guī)AAO類型的生物反應(yīng)池，其硝化液回流比宜為200%～300%[4]。因此，現(xiàn)狀改良氧化溝的生物脫氮功能存在極限，無法確保出水TN穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計水質(zhì)(TN≤10 mg/L)要求，提標(biāo)改造工程中污水深度處理的難點是TN。

污水處理廠尾水中的殘余有機物以分子量較大和較小的有機物為主，可生化性較差、繼續(xù)生物降解難度大[5-6]。事實上，易生物降解的有機物在前端生物處理過程中，基本均已得到有效去除，殘余有機物多為腐植酸、富里酸以及微生物代謝產(chǎn)物等難降解的有機物。而本工程對出水COD要求較高(CODCr≤20 mg/L)，單純依靠現(xiàn)狀處理設(shè)施難以確保出水COD穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，提標(biāo)改造工程中污水深度處理的重點是COD。

2.2 案例分析和工藝篩選

根據(jù)前述分析，深度處理方案的總體思路為：在保證設(shè)計出水水質(zhì)目標(biāo)的前提下，充分挖掘現(xiàn)狀處理設(shè)施的潛力，根據(jù)去除對象針對性地選擇處理工藝，避免資源浪費。其中，NH3-N、BOD的去除擬通過強化現(xiàn)狀改良氧化溝的硝化和碳化過程；TN、COD的去除擬通過新增深度處理單元；TP的去除擬以強化現(xiàn)狀處理設(shè)施除磷效果為主、新增深度處理工藝為輔，從而保證出廠水達(dá)到準(zhǔn)地表Ⅲ類水(TN≤10 mg/L)要求。

污水處理技術(shù)路線不僅關(guān)系著污水廠的出水質(zhì)量，還關(guān)系著工程的投資和運營，意義重大、影響深遠(yuǎn)，國內(nèi)部分高標(biāo)準(zhǔn)污水處理工程案例研究結(jié)果如表2所示。通過對國內(nèi)部分高標(biāo)準(zhǔn)污水處理工程實施案例總結(jié)和分析，得出以下結(jié)論：深度脫氮單元可采用反硝化深床濾池工藝和MBR工藝，深度降解COD單元可采用臭氧接觸氧化工藝和活性炭吸附工藝[11]。

表2 部分高標(biāo)準(zhǔn)污水處理工程案例Tab.2 Some Municipal WWTPs with High Effluent Quality Requirements

反硝化深床濾池兼具生物脫氮和表面過濾功能，可同步去除TN、SS、TP?，F(xiàn)有運行經(jīng)驗表明：反硝化深床濾池可以滿足出水水質(zhì)TN<5 mg/L、SS<10 mg/L、TP<0.3 mg/L(化學(xué)輔助除磷)[12]。

MBR工藝由生物池和膜池組成，通過使用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)二沉池，使水力停留時間和污泥齡分離，生物處理系統(tǒng)容積負(fù)荷大大提高。此外，MBR膜也能通過自身的過濾作用和膜表面沉積層(濾餅層)的過濾/吸附作用，去除部分污染物。在MBR工藝中，膜的無選擇分離作用為世代時間較長的菌種(如反硝化菌等)在系統(tǒng)中的生存和富集創(chuàng)造了條件，增強了系統(tǒng)的硝化、反硝化能力，提高了含氮污染物的去除率。

臭氧接觸氧化工藝主要通過徹底的化學(xué)氧化，把水中的難降解有機物氧化成CO2和H2O，實現(xiàn)水質(zhì)凈化，有直接反應(yīng)和間接反應(yīng)2種途徑。直接反應(yīng)利用O3分子(ORP=2.07 eV)氧化有機物；間接反應(yīng)利用O3在催化作用下產(chǎn)生的·OH(ORP=2.8 eV)氧化有機物。理論上，在O3供應(yīng)充足的情況下，能去除水中大部分有機污染物，且一般不會引發(fā)二次污染。

污水中的有機污染物含有大量的羥基、羧基、氨基官能團(tuán)，污染物在流經(jīng)活性炭表面時，在范德華力、庫侖力和表面張力等作用下發(fā)生遷移并被吸附。因此，當(dāng)活性炭與難降解有機污染物充分接觸時，污染物從液相轉(zhuǎn)移至固相、污水得到凈化，同時去除部分SS和TP[13]。吸附飽和的活性炭再生后可重復(fù)利用，以減少新炭的補充量。

3 深度處理工程方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)深度處理要求和污水廠自身特點，并結(jié)合國內(nèi)案例調(diào)研結(jié)果，擬選“反硝化深床濾池工藝+臭氧接觸氧化工藝”、“反硝化深床濾池工藝+活性炭吸附工藝”、“MBR工藝+臭氧接觸氧化工藝”、“MBR工藝+活性炭吸附工藝”4種方案，工藝流程如圖2所示。鑒于O3在降解水中有機物的同時，可對出水進(jìn)行消毒，方案一和方案四中僅在巴氏計量槽前進(jìn)行管式加氯，以補充必要的余氯、形成持久的滅菌能力。另外，為了充分利用進(jìn)水中殘存的BOD、減少外加碳源的補充量，并延長活性炭的再生周期、降低活性炭的再生頻率，方案二將反硝化深床濾池置于活性炭吸附池之前。

圖2 深度處理工藝流程圖 (a)方案一；(b)方案二；(c)方案三；(d)方案四Fig.2 Flow Charts of Advanced Treatment Process (a)scheme 1; (b) scheme 2;(c) scheme 3; (d) scheme 4

(1)反硝化深床濾池工藝

反硝化深床濾池設(shè)計流量為3 333.3 m3/h，共1座，分6格并聯(lián)運行，并配有廢水池、清水池和設(shè)備間，總平面尺寸為45.2 m×26.5 m，池深6.8 m。濾料采用2～3 mm的均質(zhì)石英砂，濾床厚2.44 m。過濾周期為24 h，設(shè)計濾速為6 m/h，強制濾速為8 m/h。沖洗方式為氣水聯(lián)合反沖洗，單獨氣洗2 min+氣水聯(lián)合沖洗8 min+單獨水洗5 min，水洗強度為5 L/(m2·s)，氣洗強度為25 L/(m2·s)，重復(fù)2次。反硝化過程產(chǎn)生的氮氣大量集聚，會使污水在濾料之間繞竄，妨礙其與濾膜充分接觸，為保障脫氮效果，每4 h驅(qū)氮一次，每次持續(xù)2 min。

(2)MBR工藝

MBR工藝通過新建后置缺氧/好氧池，與現(xiàn)狀改良氧化溝形成多級AO生物池+MBR膜池運行模式，設(shè)計流量為3 333.3 m3/h，膜池至新建好氧池的回流比為500%，新建好氧池至缺氧池的回流比為400%。缺氧/好氧生物池共1座，分2組并聯(lián)運行，單組平面尺寸為36.6 m×32.6 m，池深8 m，缺氧池HRT為2.5 h，好氧池HRT為2.0 h。生物池內(nèi)污泥濃度為6 g/L，好氧池氣水比為2∶1。MBR膜池共1座，分12個廊道并聯(lián)運行，總平面尺寸為73.0 m×46.3 m(含設(shè)備間)，池深5 m。膜池內(nèi)共安裝108個成品膜組器，單個組器過濾面積為2 100 m2，平均膜通量為14.70 L/(m2·h)，污泥濃度為8 g/L。好氧池曝氣風(fēng)機與膜池吹掃風(fēng)機集中布置，風(fēng)機房平面尺寸為20 m×10 m。

(3)臭氧接觸氧化工藝

鑒于本工程COD去除負(fù)荷不高，臭氧接觸氧化工藝采用直接反應(yīng)，同時，預(yù)留出遠(yuǎn)期升級為臭氧催化氧化工藝的建設(shè)條件。臭氧接觸氧化工藝由臭氧接觸氧化池、臭氧制備系統(tǒng)及殘余臭氧破壞系統(tǒng)組成，O3在接觸池內(nèi)氧化水中有機物。接觸池設(shè)計流量為4 333.3 m3/h，共1座，分2組并聯(lián)運行，單組平面尺寸為42.0 m×12.0 m，有效水深為5 m。O3投加量為125 kg/h，接觸時間為60 min。臭氧制備系統(tǒng)設(shè)計流量為3 333.3 m3/h，以液氧為原料現(xiàn)場制備O3，采用5臺臭氧發(fā)生器，單臺制備能力為25 kg O3/h(濃度為10%)。

(4)活性炭吸附工藝

活性炭吸附池設(shè)計流量為3 333.3 m3/h，分12組并聯(lián)運行，每組安裝8個吸附器，每個吸附器控制面積為3.0 m×3.0 m；單座吸附池平面尺寸為16.5 m×42.0 m，池深7.8 m。每個吸附器裝填32 m3煤質(zhì)破碎顆?；钚蕴浚骄綖?～4 mm，有效吸附時間為30 min?；钚蕴匡柡椭芷诩s為150 d，熱再生系統(tǒng)處理能力為12 t/d。此外，為去除不斷積累的SS、防止碳粒板結(jié)、保證吸附效果，活性炭需定期反洗，反洗周期和強度視進(jìn)水SS而定。

3.2 方案比選

如表3所示，活性炭吸附工藝比臭氧接觸氧化工藝投資多，反硝化深床濾池工藝比MBR工藝投資少；活性炭吸附工藝比臭氧接觸氧化工藝經(jīng)營成本低，反硝化深床濾池工藝比MBR工藝經(jīng)營成本低。由于現(xiàn)狀二沉池和新建MBR膜池均進(jìn)行固液分離，方案三和方案四功能冗雜，不合理。方案二雖然能夠通過對飽和炭實施再生回用以節(jié)約成本，但用于大規(guī)模廢水深度處理時，需同時配套布水、反洗、再生等工程，初期投資高。且研究表明，活性炭吸附工藝對分子量為500～3 000的有機物去除效果好，對大分子和小分子的有機物去除效果較差[14]。而臭氧接觸氧化工藝可根據(jù)進(jìn)水污染物負(fù)荷靈活調(diào)整O3投加量，對水質(zhì)水量沖擊負(fù)荷的抵抗能力強于活性炭吸附工藝。此外，臭氧接觸氧化工藝具有良好的滅菌消毒效果，當(dāng)前端處理構(gòu)筑物出水CODCr達(dá)標(biāo)時，臭氧接觸氧化系統(tǒng)不開啟，臭氧接觸池充當(dāng)次氯酸鈉接觸消毒池使用；當(dāng)前端處理構(gòu)筑物出水CODCr不達(dá)標(biāo)時，臭氧接觸氧化系統(tǒng)開啟，降解COD并消毒。綜合考慮工程投資、經(jīng)營成本及運維管理，推薦方案一為提標(biāo)改造工程深度處理方案。

表3 深度處理方案比選Tab.3 Comparison of Advanced Treatment Schemes

4 結(jié)語

為了響應(yīng)新的排放要求，并配合當(dāng)?shù)厮h(huán)境綜合整治工作，武漢某污水處理廠擬實施提標(biāo)改造工程，將尾水水質(zhì)由現(xiàn)狀一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至接近地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)。通過對該廠進(jìn)水水質(zhì)分析和現(xiàn)狀處理設(shè)施功能復(fù)核，確定了“強化現(xiàn)狀設(shè)施處理功能+新建深度處理工藝”的總體思路。根據(jù)“反硝化深床濾池工藝+臭氧接觸氧化工藝”、“反硝化深床濾池工藝+活性炭吸附工藝”、“MBR工藝+臭氧接觸氧化工藝”和“MBR工藝+活性炭吸附工藝”4種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提標(biāo)改造工程深度處理方案推薦采用“反硝化深床濾池工藝+臭氧接觸氧化工藝”。另外，為節(jié)約污水深度處理成本，其尾水除用于廠區(qū)綠化、道路澆灑、溶藥配藥等，還將作為河道生態(tài)補水水源。