冉 陽，于東盛，付崢嶸，馬滿英，童 鑫，葉青勇

(1 湖南工業(yè)大學土木工程學院，湖南 株洲 412007；2 重慶三峽環(huán)保(集團)有限公司，重慶 401147；3 湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計咨詢有限責任公司，湖南 株洲 412007)

隨著現(xiàn)代城鎮(zhèn)化建設(shè)和生活水平的提高，岷江、沱江流域沿線的經(jīng)濟增長較為迅速，造成流域范圍內(nèi)大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水的隨意排放，此外，四川省鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)有的污水處理廠一般去除效率低，去除水量小等特點，再加上鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)污水處理廠配套設(shè)施和管理不完善，污水處理廠出水水質(zhì)較差。水質(zhì)較差的出水排入岷江、沱江流域后，導致沱江、岷江流域的水體富營養(yǎng)化日趨嚴重[1-4]。為了使岷江、沱江流域水質(zhì)提高，緩解水體污染及水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，2017年1月1日起四川省環(huán)保廳正式實施四川省岷江、沱江流域水污染排放標準(DB51/2311-2016)，與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)相比，對排入水體的各項污染物指標要求更為嚴格，尤其是氮磷排放標準，其中出水水質(zhì)中總氮≤10 mg/L，氨氮≤1.5(3)mg/L，總磷≤ 0.3 mg/L，達到地表水準Ⅳ類排放標準。此外，大多鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)也正規(guī)劃新建污水處理廠，以滿足更高要求的水質(zhì)排放標準，傳統(tǒng)污水處理方法可以滿足(DB51/2311-2016)中對于COD，BOD5，SS指標的要求，卻很難滿足氮磷指標的嚴格標準。為使新建的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠滿足排放標準，通過采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理與反硝化深床濾池一體化設(shè)備相結(jié)合的方法，可以改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠管理不當、維護困難、施工速度慢等劣勢，還能確保污水處理廠出水穩(wěn)定，達到地表水準Ⅳ類標準排放[5-8]。本文著重介紹了準Ⅳ類一體化設(shè)備應(yīng)用于新建鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的工藝流程及基本參數(shù)，形成準Ⅳ類水排放標準技術(shù)開發(fā)一體化裝備，快速方便的應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村生活污水處理，并為準Ⅳ類一體化設(shè)備應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建污水處理廠提供更多的技術(shù)支持和經(jīng)驗借鑒。

1 新建污水處理廠概況

1.1 設(shè)計水量及水質(zhì)

四川省瀘州市胡市鎮(zhèn)三街污水處理站(簡稱三街廠)和石洞鎮(zhèn)永壽社區(qū)污水處理站(簡稱永壽廠)為新建準Ⅳ類污水處理廠，設(shè)計規(guī)模分別為600 m3/d、500 m3/d，處理對象為區(qū)域內(nèi)居民生活污水，考慮到兩污水處理廠設(shè)計規(guī)模和進水水質(zhì)相近，同時為了滿足《四川省泯江、沱江流域水污染物排放標準》(DB51/2311-2016)中城鎮(zhèn)污水處理廠標準的規(guī)定，以實現(xiàn)通過污水處理廠后最終出水水質(zhì)達到地表水準Ⅳ類標準。本次三街廠和永壽廠的設(shè)計進出水水質(zhì)具體見表1。

表1 設(shè)計進、出水水質(zhì)Table 1 Design of influent and effluent quality

1.2 處理工藝

我國大多數(shù)省市地區(qū)的污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)中的一級A/B排放標準，隨著污水處理廠的提質(zhì)增效，原有的污水處理廠已不能滿足水質(zhì)水量的要求，需擴建或改建為地表水準Ⅳ類水排放標準。為了加強四川省泯江、沱江流域水污染防治，改善地表水水質(zhì)環(huán)境，大多鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)也正規(guī)劃新建污水處理廠，但由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠管理不完善，采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝+反硝化深床濾池的一體化設(shè)備深度處理工藝具有運行管理方便、施工速度快、出水水質(zhì)高和占地面積小等優(yōu)勢，因此農(nóng)村生活污水處理工藝選用以“曝氣沉砂池+A2/O帶高效沉淀段+反硝化深床濾池”為主體的三級生化處理工藝，并采用外加化學除磷保證出水總磷達標排放，必要時考慮碳源投加[9-10]，最終保證出水水質(zhì)達到《四川省泯江、沱江流域水污染物排放標準》(DB51/2311-2016)中城鎮(zhèn)污水處理廠標準。

污水首先通過污水提升泵進入粗機械格柵中去除大的漂浮物，再經(jīng)過細機械格柵進一步去除細小漂浮物，依靠重力自流進入曝氣沉砂池中去除污水中的泥沙，然后流進調(diào)節(jié)池中調(diào)節(jié)水量、均合水質(zhì)，調(diào)節(jié)池中設(shè)有潛污泵，使污水提升至A2O一體化設(shè)備中，分別進行厭氧、缺氧、好氧多級反應(yīng)，去除污水中大部分有機物、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)。A2O一體化設(shè)備三臺并聯(lián)，采用可調(diào)節(jié)進水堰多點進水，充分利用污水中的碳源，每臺設(shè)備帶有高效沉淀段，可有效進行泥水分離，高效沉淀池清水進入中間水池后經(jīng)水泵提升至反硝化深床濾池，最后經(jīng)紫外線消毒后回用或達標排放[11-13]。具體工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

2 深度處理工藝設(shè)計及運行參數(shù)

2.1 工藝設(shè)計

帶有高效沉淀段的A2O一體化設(shè)備二級生化處理后的出水水質(zhì)一般僅能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)中的一級A/B標準，需要在二級生化處理(A2O一體化設(shè)備)后增加深度處理的反硝化深床濾池。本次反硝化深床濾池設(shè)計規(guī)模為600 m3/d，小時最大處理能力25 m3，總變化系數(shù)為1.3，設(shè)計水溫20 ℃，反硝化深床濾池深度處理進、出水水質(zhì)見表2。

表2 深度處理設(shè)計進、出水水質(zhì)Table 2 Design of influent and effluent quality

經(jīng)二級處理后的出水進入中間水池，經(jīng)加藥泵補充碳源后由反硝化深床濾池上方進入濾池，通過內(nèi)部填充的石英砂濾料過濾進一步去除SS，同時石英砂濾料上有利于微生物的繁衍生長，為反硝化細菌提供相對嚴格的厭氧環(huán)境和良好的生存環(huán)境。附著在濾料表面的反硝化細菌在相對厭氧環(huán)境下將硝基氮、亞硝基氮轉(zhuǎn)化為氮氣(N2)，而生成的N2能使微生物與水得到充分接觸，更有利于反硝化過程的進行。反硝化深床濾池內(nèi)部有氮氣排氣管，當?shù)獨庠趦?nèi)部儲存較多時，水頭損失增加，不利用水體的流動，通過裝置的自動祛氮以維持處理裝置的正常運行[14]。反硝化深床濾池也對磷的去除產(chǎn)生積極影響，可通過微生物代謝進一步去除，當水質(zhì)中磷含量超標時，通過加藥泵化學除磷后然后進入反硝化深床濾池。隨著濾料截留的SS和生物量的增加，濾床的水頭損失不斷增大，當水頭損失達到設(shè)定值或氣/水反沖洗周期設(shè)定值時，啟動氣/水反清洗，反沖洗水流入反沖洗廢水收集池得以處理，濾后水經(jīng)過收水系統(tǒng)收集流入清水池，并通過管道式紫外消毒后得以排放，深度處理工藝流程見圖2。

圖2 深度處理工藝流程Fig.2 Flow chart of wastewater treatment process

反硝化深床濾池的主要設(shè)計內(nèi)容如下：

(1)反硝化濾池

(2)反沖洗系統(tǒng)

水沖強度：2～4 L/(m2·s)，按水沖強度最大時計算，單獨水洗時反洗強度最大為：

Q反=q水·F=4×6.37×3.6=89 m3/h，設(shè)計臥式反洗水泵Q=89 m3/h，揚程H=8.5 m，功率為2.2 kW。氣沖強度：15～24 L/(m2·s)，按單獨氣沖強度最大時的空氣流量計算，氣沖強度為：Q反=q氣·F=24×6.37×3.6=550 m3/h，設(shè)計反沖洗羅茨鼓風機Q=9.5 m3/min，升壓=65.5 kPa。

(3)反沖洗廢水池

反沖洗排水為重力排水，反洗排水管流速取0.8～1.0 m/s，則反洗排水管為DN200，反沖洗排水排入反沖洗廢水池中，反沖洗廢水池有效容積144m3，設(shè)計反沖洗排水泵兩臺(一用一備)，流量Q=10 m3/h，揚程H=10 m，功率N=0.75 kW，經(jīng)泵提升回流至二級處理前段的調(diào)節(jié)池。

(5)加藥系統(tǒng)

碳源采用乙酸鈉，投加濃度為10%，按儲存3天設(shè)置儲罐，去除量為10 mg/L，按乙酸鈉投加，去除1 mg/L投加量為6 mg/L，則10%濃度乙酸鈉投加量為360 kg，約0.3 m3，按運輸一次儲存3天，則儲存容積約0.9 m3；設(shè)計V=1 m3儲罐，PE材質(zhì)，配套304材質(zhì)攪拌器。計量泵投加量為15 L/h，投加泵選型為：流量Q=25 L/h，揚程40 m，數(shù)量2臺，1用1備。

2.2 運行參數(shù)

深度處理的反硝化深床濾池采用一體化設(shè)備，自動化控制程度高，變水位調(diào)控運行，重洗周期根據(jù)水質(zhì)情況實時確定。反洗水量為89 m3/h，反洗進水管為DN125，實際流速為1.4 m/s；反洗氣量為550 m3/h，反洗進氣管為DN100，實際風速為15 m/s。

3 運行效果與討論

準Ⅳ類新建項目完工后，經(jīng)過3個月的調(diào)試工作，2019年12月開始污水處理廠進入穩(wěn)定運行期，通過2020年1月至2020年6月連續(xù)六個月對各處理工藝水質(zhì)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到月平均進出水水質(zhì)，采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝+反硝化深床濾池一體化設(shè)備的深度處理工藝使出水水質(zhì)達到四川省岷江、沱江流域水污染排放標準(DB51/2311-2016)，其中CODCr，NH3-N，TN，TP去除率分別為88.44%～95.95%，99.19%～99.49%，91.28%～96.15%，97.82%～99.33%。對運行條件下去除效果深入分析，論證本項目長期穩(wěn)定運行的可行性，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，總經(jīng)驗教訓，以期為新建鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠準Ⅳ類排放標準提供一種工藝技術(shù)選擇。

3.1 三街廠的去除效果

由圖3可知，三街廠出水水質(zhì)中CODCr，NH3-N，TP每次均能達到地表準Ⅳ類水排放標準，但運行前期出水TN濃度不能達到準Ⅳ類水排放標準。大量試驗證明，在運行條件下通過加藥系統(tǒng)向反硝化深床濾池中投加乙酸鈉和二級生化處理工藝A2/O的缺氧池中投加葡萄糖補充碳源，可使出水中TN濃度小于12 mg/L。此外，A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝，不僅彌補了傳統(tǒng)A2/O在二沉池存在污泥漂浮的問題，同時也解決了高效除磷的問題，使脫氮除磷處理效率提高。A2/O一體化設(shè)備中高效沉淀池的設(shè)置在自動精準控制下能實時監(jiān)控TP濃度，必要時投加液體鋁鹽，使出水平均TP小于0.3 mg/L。

圖3 三街廠的去除效果Fig.3 Removal effect of Sanjie plant

3.2 永壽廠的去除效果

由圖4可知，永壽廠采用的A2/O的生化處理工藝加反硝化深床濾池的深度處理工藝，水量在500 m3/d的污水處理規(guī)模下，出水水質(zhì)可以達到DB51/2311-2016的要求，TN去除效果較好且運行穩(wěn)定，可能的原因是反硝化深床濾池采用2～3 mm的均質(zhì)石英砂，較大的比表面積能顯著提升了濾料的固體截留能力，同時濾料為反硝化細菌提供了掛膜介質(zhì)，生成的N2為微生物與水的充分接觸起到一定作用，提高了反硝化深床濾池的脫氮除磷能力。因此，A2/O的生化處理工藝加反硝化深床濾池的深度處理工藝解決了傳統(tǒng)污水處理法難使總氮和氨氮以及總磷達到排放標準的問題，并能長期維持出水水質(zhì)地表準Ⅳ類水標準。

圖4 永壽廠的去除效果Fig.4 Removal effect of Yongshou plant

4 結(jié) 論

(1)本次鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建污水處理廠采用的A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝加反硝化深床濾池一體化的深度處理工藝，水量在500～600 m3/d的污水處理規(guī)模下，出水水質(zhì)可以達到DB51/2311-2016的要求，且運行穩(wěn)定，克服了傳統(tǒng)污水處理法使總氮、氨氮和總磷達到排放標準的問題。

(2)A2/O一體化設(shè)備采用可調(diào)節(jié)進水堰，并設(shè)置多點進水，充分利用污水中的碳源，同時A2/O一體化設(shè)備加高效沉淀池的生化處理工藝，不僅彌補了傳統(tǒng)A2/O在二沉池存在污泥懸浮的問題，可有效進行泥水分離，還解決了高效除磷的問題，進一步提高了脫氮除磷效果。

(3)反硝化深床濾池一體化設(shè)備內(nèi)部填充2～3 mm的均質(zhì)石英砂，較大的比表面積提升了濾料的固體截留能力，內(nèi)部填充的濾料為反硝化細菌提供了掛膜介質(zhì)，生成的N2有利于微生物與水的充分接觸，提高反硝化深床濾池對氮磷的去除。