董蕾茜，史孟彬，齊 超，鮑俊信

(中國聯(lián)合工程有限公司，浙江杭州 310052)

隨著國家對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)要求的進(jìn)一步提高，北京、浙江、江蘇等陸續(xù)出臺(tái)了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放的地方標(biāo)準(zhǔn)，其中浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)(以下簡(jiǎn)稱省地標(biāo))中對(duì)新建污水廠的排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高至地表“準(zhǔn)Ⅳ類水”標(biāo)準(zhǔn)[COD、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)等主要指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)]，對(duì)現(xiàn)有污水廠各項(xiàng)排放指標(biāo)的控制亦嚴(yán)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此，污水廠新一輪的“提質(zhì)增效”工作迫在眉睫。

在地表水“準(zhǔn)Ⅲ類”標(biāo)準(zhǔn)(COD、氨氮和TP等主要指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))下，污水廠提標(biāo)改造的難點(diǎn)在于NH3-N、總氮(TN)和TP的穩(wěn)定去除。NH3-N和TN的去除以強(qiáng)化生物脫氮為主，包括原生化池挖潛、增設(shè)后置反硝化脫氮工藝和碳源補(bǔ)充措施等。吳斯文等[1]對(duì)不同排放標(biāo)準(zhǔn)下污水廠提標(biāo)改造工藝的選擇進(jìn)行了歸納，認(rèn)為當(dāng)出水水質(zhì)采用“準(zhǔn)Ⅲ類”標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要在二級(jí)處理硝化和反硝化深度挖潛的基礎(chǔ)上，更需配置強(qiáng)化反硝化、硝化和去除有機(jī)物的深度處理單元，以保證出水NH3-N、TN、化學(xué)需氧量(CODCr)能夠達(dá)標(biāo)。劉向榮等[2]對(duì)高排放標(biāo)準(zhǔn)下城鎮(zhèn)污水處理廠的提標(biāo)改造進(jìn)行探討，根據(jù)不同工藝組合的預(yù)期效果，提出了高排放標(biāo)準(zhǔn)下污水廠提標(biāo)改造重點(diǎn)是提高生物處理率，強(qiáng)化生物硝化、反硝化。很多污水廠在改造過程中往往面臨用地緊張，生化池?zé)o新建或擴(kuò)建可能的問題。如何實(shí)現(xiàn)生化池的就地升級(jí)是實(shí)現(xiàn)更高排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。繼2008年無錫蘆村污水廠升級(jí)改造之后[3]，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)工藝在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[4-12]并取得了較好的效果，其對(duì)生化池的改造思路多為擴(kuò)大缺氧區(qū)強(qiáng)化TN去除、縮小好氧區(qū)、好氧區(qū)硝化不足部分通過投懸浮填料載體予以強(qiáng)化。TP的去除則通常采用生物除磷輔以化學(xué)除磷相結(jié)合的方法。本文以縉云縣某污水處理廠準(zhǔn)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造為例，分析了“MBBR+高效沉淀池+反硝化深床濾池”組合工藝在應(yīng)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)上的運(yùn)行效果，為類似污水廠的提標(biāo)改造提供設(shè)計(jì)思路。

1 項(xiàng)目背景

縉云縣某污水處理廠原處理規(guī)模為2×104m3/d，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，尾水排入新建溪。新建溪光瑤斷面是浙江省水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，位于污水廠下游1.8 km，水質(zhì)要求為Ⅲ類水質(zhì)，目前該斷面TP指標(biāo)時(shí)有超標(biāo)，NH3-N也有上升風(fēng)險(xiǎn)。隨著浙江省地標(biāo)的實(shí)施，并根據(jù)浙建城發(fā)〔2019〕108號(hào)文件“2019年完成全省100座城鎮(zhèn)污水處理廠清潔排放技術(shù)改造”的任務(wù)和縣政府“在全省率先實(shí)現(xiàn)污水處理廠出水NH3-N、TP指標(biāo)達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)”的要求，對(duì)該污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造是十分必要的。改造后，出水NH3-N和TP要求執(zhí)行地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，出水CODCr和TN按省地標(biāo)現(xiàn)有廠標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 改造前污水廠概況

2.1 改造前處理工藝及進(jìn)、出水水質(zhì)

改造前污水處理主體工藝采用缺氧/好氧(AO)工藝，深度處理工藝采用砂濾池直接過濾后通過紫外消毒渠消毒后達(dá)標(biāo)排放，工藝流程如圖1所示。

圖1 改造前污水處理工藝流程圖

通過對(duì)污水處理廠2018年4月—2019年3月連續(xù)12個(gè)月的進(jìn)、出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由表1可知，目前污水廠進(jìn)水CODCr和SS略低于設(shè)計(jì)值，NH3-N和TP約為設(shè)計(jì)值的60%，BOD5遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，TN與設(shè)計(jì)值相近。各項(xiàng)出水指標(biāo)基本滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)水質(zhì)。

表1 改造前設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行進(jìn)、出水水質(zhì)

各水質(zhì)指標(biāo)的出水達(dá)標(biāo)率分析表明：雖然從年均值上看，TN出水指標(biāo)與省地標(biāo)接近，但日均值分析表明，目前出水TN仍未能穩(wěn)定達(dá)到省地標(biāo)現(xiàn)有廠的要求，而NH3-N和TP出水指標(biāo)大部分均高于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)排放限值。因此，本次清潔排放提標(biāo)改造工程主要考慮NH3-N、TN及TP的穩(wěn)定去除。

2.2 原系統(tǒng)存在的問題

(1)本工程進(jìn)水組成中工業(yè)廢水約占50%，主要為服務(wù)范圍內(nèi)照明電器、廚具、模具加工、摩托車配件等五金機(jī)械加工行業(yè)廢水，其出水含有一定量的金屬或重金屬離子。盡管在工藝流程上利用初沉池加藥初沉以去除水中絕大部分金屬或重金屬離子，但未能被去除部分仍會(huì)在一定程度上抑制硝化細(xì)菌的新陳代謝，從而造成出水氨氮波動(dòng)或不達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)狀進(jìn)水BOD5均值為66 mg/L，BOD5/TKN僅為1.85，屬于碳源嚴(yán)重缺乏的低強(qiáng)度進(jìn)水水質(zhì)。為滿足脫氮需要，目前污水廠采用向生化池缺氧段投加乙酸鈉作為碳源，以強(qiáng)化反硝化效果，后期也應(yīng)維持相應(yīng)的碳源投加。

(2)原系統(tǒng)中主體工藝為AO工藝，原設(shè)計(jì)混合液回流比為150%，污泥回流比為50%，理論脫氮效率為66.6%。受AO工藝本身特性制約，當(dāng)進(jìn)水TN為40 mg/L左右時(shí)，即使按最理想的條件計(jì)算，出水TN也在13 mg/L以上。

(3)缺少獨(dú)立的生物除磷單元。剩余污泥的間歇式集中排放導(dǎo)致污泥在二沉池中停留時(shí)間較長(zhǎng)，造成再次釋磷，影響出水水質(zhì)。現(xiàn)狀用于化學(xué)除磷的砂濾池運(yùn)行效果較差，加藥后易板結(jié)。

(4)原系統(tǒng)采用紫外消毒設(shè)備，消毒效果不理想。且該污水廠經(jīng)過一次提標(biāo)和一次擴(kuò)建后，消毒渠布置位置不合理，水力流程出現(xiàn)繞行。

3 改造思路

原系統(tǒng)改造需要充分考慮以下幾點(diǎn)：①污水廠用地緊張，廠區(qū)征地紅線范圍內(nèi)可用建設(shè)用地面積僅為3 800 m2，無生化池?cái)U(kuò)建空間，只能就地升級(jí)；②優(yōu)先考慮強(qiáng)化原有生化池的硝化和反硝化功能進(jìn)行脫氮，延長(zhǎng)污泥齡，確保NH3-N達(dá)標(biāo)，力爭(zhēng)TN達(dá)標(biāo)，不足部分依靠新建深度處理解決[4,13]；③提高生化池生物除磷效率，并輔以后置化學(xué)除磷保證出水達(dá)標(biāo)[13]。

具體改造措施有以下幾條。

(1)原AO池僅有缺氧區(qū)和好氧區(qū)兩部分，為充分發(fā)揮生物除磷效果，在缺氧區(qū)前新增厭氧區(qū)，缺氧區(qū)不足部分由好氧區(qū)補(bǔ)足，好氧區(qū)不足部分則通過在好氧區(qū)投加填料，將其升級(jí)為移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)。MBBR能實(shí)現(xiàn)同一反應(yīng)器內(nèi)不同功能微生物泥齡分離，生物膜泥齡長(zhǎng)，有利于脫氮，活性污泥采用短泥齡，有利于除磷?？紤]到寡碳源條件影響載體表面生物膜形成及生物膜內(nèi)部反硝化效果，現(xiàn)狀生化池缺氧區(qū)的碳源投加建議保留。

(2)新建高效沉淀池進(jìn)行化學(xué)除磷，原砂濾池停用。高效沉淀池集混合、絮凝和沉淀于一體，布置集約緊湊，水力負(fù)荷高，污染物去除率高。

(3)新建反硝化深床濾池作為深度脫氮的保障，以滿足尾水受納水體日益嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。反硝化深床濾池可以有多種運(yùn)行模式，包括砂濾模式、生物反硝化模式和生物硝化模式[14]。其中，生物反硝化模式是其主要運(yùn)行模式，通過投加碳源，激活濾料表面生物膜，實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮。在二級(jí)處理出水TN過高，無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)啟用，最大可以去除10 mg/L的硝酸鹽氮，是穩(wěn)定水質(zhì)的有力保障。反硝化濾池應(yīng)根據(jù)進(jìn)、出水DO、COD和硝酸鹽氮指標(biāo)實(shí)現(xiàn)碳源的精準(zhǔn)投加，同時(shí)采用恒水位控制濾池運(yùn)行液位，避免高落差跌水導(dǎo)致進(jìn)水DO增加，減少碳源消耗[15-16]。

(4)廢除原紫外消毒渠，新建消毒接觸池，采用次氯酸鈉消毒。

(5)不停產(chǎn)施工設(shè)計(jì)：對(duì)生化池進(jìn)行單座單格逐一改造，并待深度處理部分構(gòu)筑物和管道實(shí)施完成后，短時(shí)停水進(jìn)行快速切割。

4 改造方案設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率

按照浙江省生態(tài)文明建設(shè)新要求及縣政府相關(guān)會(huì)議明確，出水NH3-N和TP需執(zhí)行地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，CODCr和TN按省地標(biāo)現(xiàn)有廠執(zhí)行，BOD5和SS按一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率

4.2 改造后處理工藝流程

綜合考慮用地條件、處理效果、建設(shè)工期和運(yùn)行成本等多方面因素，本次將原生化池改造成MBBR池，提升生物脫氮除磷能力，深度處理工藝采用“高效沉淀池+反硝化深床濾池+次氯酸鈉消毒”。工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后污水處理工藝流程圖

4.3 主要構(gòu)筑物工藝設(shè)計(jì)

4.3.1 MBBR池

本次MBBR池的工藝設(shè)計(jì)基于原AO生化池池型構(gòu)造，將其分成厭氧、缺氧和好氧3個(gè)區(qū)，根據(jù)生化池進(jìn)出水水質(zhì)計(jì)算各區(qū)池容。首先保證厭氧區(qū)和缺氧區(qū)容積，好氧區(qū)不足部分通過投加懸浮填料來保證。MBBR生化池池容分配及改造示意圖如表3及圖3所示。

圖3 MBBR生化池改造示意圖

表3 生化池改造前后池容分配 (單座)

原AO池總尺寸為48 m×32.25 m×5.7 m(單座)，池內(nèi)有效水深為5.2 m，總停留時(shí)間約為19 h，池體分成可獨(dú)立運(yùn)行的兩格。在現(xiàn)有池型的基礎(chǔ)上重新分配池容后，厭氧區(qū)池容為699 m3，停留時(shí)間為1.68 h；缺氧區(qū)池容為2 092 m3，停留時(shí)間為5.02 h；好氧區(qū)池容為5 114 m3，停留時(shí)間為12.27 h。好氧MBBR區(qū)填料的總有效生物膜面積約為2.06×105m2，有效比表面積≥450 m2/m3，填料填充率25%。從流化角度考慮，好氧池填料填充率應(yīng)<67%，從運(yùn)行能耗及維護(hù)管理角度考慮，一般要求填充率>15%。實(shí)際工程中，好氧池懸浮填料填充率一般為25%～60%[6]。設(shè)計(jì)污泥濃度為3.5 g/L(不包括填料上的生物膜)，DO為3～5 mg/L?；旌弦夯亓鞅日{(diào)整至200%，污泥回流比調(diào)整至100%。主要配置攪拌機(jī)、進(jìn)出水?dāng)r截網(wǎng)、輔助流化系統(tǒng)等。

4.3.2 高效沉淀池

高效沉淀池通過投加化學(xué)藥劑，進(jìn)一步去除二沉池出水中的TP、COD和SS。本工程高效沉淀池設(shè)計(jì)規(guī)模為2×104m3/d，總變化系數(shù)KZ=1.49，共1座，分獨(dú)立運(yùn)行的兩格，混合時(shí)間為45 s，絮凝時(shí)間為11 min，斜管沉淀區(qū)設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為10 m3/(m2·h)。主要配置攪拌機(jī)、刮泥機(jī)、污泥回流及污泥排放泵等。混凝劑采用堿式氯化鋁(PAC)，助凝劑采用聚丙烯酰胺(PAM)，化學(xué)除磷量按1.0 mg/L計(jì)。

4.3.3 反硝化深床濾池

反硝化深床濾池設(shè)計(jì)規(guī)模為2×104m3/d，總變化系數(shù)KZ=1.49，共1座分4格，由濾池部分、反沖洗風(fēng)機(jī)房、電控室、反沖洗清水儲(chǔ)水池、反沖洗廢水池及管廊組成。單格過濾面積為43.2 m2，采用石英砂濾料，濾料層厚度(不含承托層)為1.83 m。設(shè)計(jì)最大濾速為7.2 m/h，強(qiáng)制濾速為9.6 m/h。去除TN量按10 mg/L計(jì)，反硝化容積負(fù)荷為0.64 kg NO3-N/(m3·d)。采用氣/水反沖洗模式進(jìn)行反沖洗，水反沖洗強(qiáng)度為15 m/h，空氣反沖洗強(qiáng)度為92 m/h，反沖洗周期為24～48 h。主要配置濾磚、石英砂、鵝卵石、反沖洗水泵、反沖洗風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及氣源系統(tǒng)等。

濾池采用恒液位控制避免濾池進(jìn)水過高的跌水造成溶解氧的增加。進(jìn)、出水端設(shè)置在線監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水水質(zhì)和水量，以調(diào)整碳源投加比例。采用乙酸鈉作為反硝化的碳源物質(zhì)，在進(jìn)水端混合池投加并混合。

此外，本次改造還新建消毒接觸池1座，新增PAC、PAM和乙酸鈉3套溶藥及加藥系統(tǒng)，于構(gòu)筑物旁就近設(shè)置。

5 改造后運(yùn)行情況

污水廠從2019年10月開始提標(biāo)改造建設(shè)，于2020年4月完工。經(jīng)調(diào)試試運(yùn)行后，6月—12月的出水水質(zhì)情況如表4和圖4所示。

表4 改造后出水水質(zhì) (2020年6月—12月)

圖4 NH3-N、TN和TP出水水質(zhì)

(1)CODCr。改造后出水CODCr基本在20 mg/L以下，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)初步推測(cè)，可能存在以下兩方面的原因：一是原生化池升級(jí)為MBBR池后所形成的泥膜復(fù)合工藝增加了系統(tǒng)內(nèi)菌群的多樣性，延長(zhǎng)了污泥齡，增強(qiáng)了難生物降解有機(jī)物的生物降解效果；二是高效沉淀池的混凝沉淀作用和反硝化深床濾池的過濾作用進(jìn)一步提高了有機(jī)物的去除率。

(2)NH3-N和TN。在投加填料約2個(gè)月后，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，NH3-N的出水水質(zhì)基本穩(wěn)定維持在1 mg/L以下，尤其是在冬季水溫較低不利于硝化時(shí)，NH3-N的出水水質(zhì)也能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，表現(xiàn)出了MBBR工藝對(duì)低溫的適應(yīng)性。污水廠冬季氨氮不達(dá)標(biāo)的主要原因在于冬季硝化細(xì)菌生長(zhǎng)更為緩慢，所需泥齡長(zhǎng)，而MBBR系統(tǒng)中的生物膜為生長(zhǎng)緩慢的硝化細(xì)菌提供了非常有利的生存環(huán)境，低溫時(shí)優(yōu)勢(shì)尤為明顯[3]。

本工程TN的去除可以分為生化池缺氧段的前置反硝化和反硝化深床濾池的后置反硝化兩部分[15,17]。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)碳源嚴(yán)重缺乏的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)向生化池缺氧段投加碳源約60 mg/L(折合BOD5)，使進(jìn)水BOD5/TKN維持在3.5左右，盡可能發(fā)揮前置反硝化的潛能，以降低后置反硝化的負(fù)荷和碳源投加量。反硝化深床濾池的碳源投加量視進(jìn)出水水質(zhì)調(diào)整，據(jù)污水廠反饋，在冬季低溫月運(yùn)行時(shí)，反硝化深床濾池的碳源投加量約為生化池缺氧段投加量的50%。當(dāng)水質(zhì)波動(dòng)較大或者溫度等原因?qū)е虑爸梅聪趸式档蜁r(shí)，后置反硝化深床濾池是確保出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要保障。

(3)TP和SS。TP通過生物和化學(xué)作用共同去除，出水穩(wěn)定維持在0.2 mg/L以下，達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。本次改造用高效沉淀池替代原有砂濾池后，混凝劑的投加量較之前增加50%～60%，化學(xué)除磷作用增強(qiáng)。出水SS穩(wěn)定在6 mg/L以下，SS的高效去除同時(shí)保證了出水TP的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本工程總投資為2 590.76萬元，其中建安工程費(fèi)用為2 214.83萬元，其他費(fèi)用為300.47萬元，預(yù)備費(fèi)為75.46萬元，建設(shè)期貸款利息不計(jì)。污水廠原噸水處理費(fèi)用約為0.6元，經(jīng)提標(biāo)改造后，噸水處理費(fèi)用為1.1元，增加的處理費(fèi)用主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)以及污泥處置費(fèi)等。

7 結(jié)論與建議

本提標(biāo)改造工程工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)：(1)對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行充分可靠的數(shù)據(jù)分析，確定重點(diǎn)污染物，有針對(duì)性地選擇處理工藝；(2)在用地緊張的情況下，通過原生化池MBBR改造，充分挖掘其處理能力；(3)通過高效沉淀池和反硝化深床濾池的聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)同步高效除磷和脫氮，并進(jìn)一步去除SS和CODCr，實(shí)現(xiàn)了用地少、出水水質(zhì)高的目標(biāo)。改造后，出水由一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提高至地表水準(zhǔn)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，深度處理部分噸水占地約為0.19 m2/(m3·d)，全廠噸水占地約為1.18 m2/(m3·d)。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)出水水質(zhì)要求高、用地緊張、有不停產(chǎn)施工等要求的類似污水廠的提標(biāo)改造提供一定的參考。

本工程屬于碳源嚴(yán)重缺乏的低強(qiáng)度進(jìn)水水質(zhì)。目前污水廠采用向生化池缺氧段和反硝化深床濾池內(nèi)投加乙酸鈉作為碳源，取得了較好的脫氮效果，但碳源總體消耗量較大。污水經(jīng)初沉池沉淀后會(huì)降低后續(xù)生化反應(yīng)所需的碳源，建議在實(shí)際進(jìn)水SS不大于200 mg/L時(shí)超越初沉池運(yùn)行[18]，在保證出水水質(zhì)的前提下判斷是否能減少碳源的投加量。當(dāng)二沉池出水TN能穩(wěn)定達(dá)到小于12 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，反硝化深床濾池也可以改為砂濾模式運(yùn)行。