李 鵬，張 賽，姚 亮，聶 邦

(北京恩菲環(huán)保股份有限公司，北京 100038)

近些年，全國各地按照國家政策要求開展企業(yè)退城入園、退城進郊的工作[1]，形成了初具規(guī)模的城鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)，工業(yè)園區(qū)逐漸成為流域水污染防治系統(tǒng)的集成單元。而較多城鎮(zhèn)區(qū)域因缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，存在污水收集管網(wǎng)建設(shè)滯后于污水處理廠建設(shè)的問題，使生活污水的實際收集量較小。隨著工業(yè)企業(yè)的入駐，污水廠處理的工業(yè)污水比例逐漸升高。城鎮(zhèn)污水廠通常選用AO、氧化溝、SBR、生物接觸氧化法等工藝[2-4]，設(shè)計之初未考慮處理高比例的工業(yè)污水的措施，導致很多城鎮(zhèn)污水廠出水達不到排放標準。本文以北方某城鎮(zhèn)污水廠為例，針對接納高比例工業(yè)污水帶來的運行不穩(wěn)定、處理能力嚴重降低等問題，通過分析污水廠工藝運行情況，采取一系列技改優(yōu)化措施，解決污水廠達標達產(chǎn)運行的問題。

1 污水廠概況

1.1 工藝現(xiàn)狀

北方某S開發(fā)區(qū)為綜合經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，主要發(fā)展汽車配件加工、包裝加工、食品及農(nóng)副產(chǎn)品加工、新型建材等。S開發(fā)區(qū)與所在鎮(zhèn)區(qū)合建污水廠(以下簡稱S污水廠)，收集處理鎮(zhèn)區(qū)的生活污水和開發(fā)區(qū)的生活污水及工業(yè)污水，總設(shè)計規(guī)模為2.5萬m3/d，一期建設(shè)規(guī)模為1.25萬m3/d，總變化系數(shù)為1.47，設(shè)計接納的居民生活污水比例為80%、工業(yè)污水比例為20%。污水廠采用“水解酸化+接觸氧化法”的處理工藝，工藝流程如圖1所示，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

圖1 污水廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

S污水廠于2013年10月投入運行，初期平均處理水量為3 000 m3/d，由于污水收集管網(wǎng)不完善，進廠工業(yè)污水比例達50%以上，CODCr、氨氮、TN、懸浮物(SS)指標均超過設(shè)計值，造成出水TN、SS時常達不到出水標準。系統(tǒng)設(shè)計的生物接觸氧化池池體結(jié)構(gòu)單一，不存在缺氧、好氧交替環(huán)境，生物脫氮除磷作用較弱，無法滿足污染物去除率要求[5]。因此，生物接觸氧化法工藝已不適用于目前水質(zhì)。S污水廠于2015年期間對現(xiàn)狀工藝進行技改，改造思路為系統(tǒng)由接觸氧化法改為AO活性污泥法，將水解酸化池改造為缺氧池，生物接觸氧化池改造為曝氣池。在曝氣池中好氧微生物氧化分解污水中的BOD5,同時進行硝化反應，有機氮和氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮并回流至缺氧池，在缺氧環(huán)境下反硝化細菌利用污水中的有機碳源和外加碳源進行反硝化脫氮，提高系統(tǒng)的脫氮能力。按照AO活性污泥法運行后，二沉池出水無深度處理工藝，較難滿足一級A排放標準[6]，因此，將現(xiàn)有兩座二沉池串聯(lián)運行，即1座作為系統(tǒng)二沉池，1座與現(xiàn)有混凝池組合為混凝沉淀深度處理工藝，技改工藝流程如圖2所示。由于受二沉池和深度處理工藝處理負荷限制，系統(tǒng)設(shè)計處理能力減半，為6 250 m3/d。主要改造工程量為：拆除水解酸化池和生物接觸氧化池的填料，并在水解酸化池增加12臺功率N=4 kW的潛水攪拌器；好氧池出水渠增加3臺內(nèi)回流泵，單臺額定流量Q=50 m3/h，回流至水解酸化池起端；二沉池剩余污泥管路增加2臺污泥外回流泵(1用1備)，單臺額定流量Q=126 m3/h，回流至水解酸化池起端；兩座Φ=18 m的二沉池進出水管路切改。

圖2 污水廠技改工藝流程圖Fig.2 Flow Chart of Technical Improvement of Wastewater Treatment Process

1.2 進出水水質(zhì)

統(tǒng)計S污水廠2016年1月—2018年10月實際進水水質(zhì)、原設(shè)計進出水質(zhì)如表1所示，可知實際進水水質(zhì)除TP外均超過了設(shè)計值。

表1 進出水水質(zhì)Tab.1 Influent and Effluent Quality

1.3 實際處理水量

隨著S開發(fā)區(qū)污水管網(wǎng)不斷完善，城鎮(zhèn)企業(yè)和常住人口數(shù)量的逐漸增多，廠外水量隨之提升。S開發(fā)區(qū)市政排水管網(wǎng)雖然按照分流制進行建設(shè)，但建設(shè)時雨污水管道混接情況嚴重，另外，S開發(fā)區(qū)周邊無河渠，雨水無最終出路，因此，雨季時S污水廠廠外水量激增。旱季時S污水廠廠外水量為5 000～8 000 m3/d，雨季時廠外水量可達8 000～10 000 m3/d。由于僅有1座二沉池運行，當處理水量為5 000 m3/d時，二沉池均時表面負荷為0.82 m/h，若水量增大到8 000 m3/d，則二沉池均時表面負荷為1.31 m/h，負荷過高容易造成跑泥。因此，為保證S污水廠的穩(wěn)定運行，處理水量需控制在6 000 m3/d以內(nèi)，導致上游污水管網(wǎng)經(jīng)常高液位運行。2019年5月上旬，由于進水氨氮、TN指標連續(xù)超過設(shè)計值，出水TN接近超標，日進出水指標如表2所示。S污水廠采取降低處理量來保證出水水質(zhì)的措施，處理量只能達到4 500 m3/d，核算廠外約有6 000 m3/d的污水產(chǎn)生，若無法繼續(xù)提升處理能力會造成上游污水外溢。

表2 日進出水水質(zhì)Tab.2 Routine Influent and Effluent Quality

2 工藝運行診斷

2.1 水質(zhì)指標

由表2可知，S污水廠進水CODCr、氨氮、TN、TP指標最高值分別超過設(shè)計值的12.5%、120.0%、85.7%、40.0%，出水最高值距標準限值的安全余量分別為40.0%、88.0%、0.0%、40.0%，因此，出水TN為關(guān)鍵提升指標。

在S污水廠實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)夜間進廠污水污染物濃度較白天更高，因此，對某日夜間進廠污水按照2 h間隔進行采樣，水質(zhì)檢測結(jié)果如圖3所示?？梢酝茰y在夜間企業(yè)有超標排放污水的嫌疑。

圖3 某日夜間實際進水水質(zhì)指標Fig.3 Actual Water Quality Indices of a Certain Night

綜上，S污水廠進水水質(zhì)大幅超過設(shè)計值，且夜間進水污染物濃度顯著增高，對廠內(nèi)穩(wěn)定運行造成很大的影響。

2.2 工藝控制指標

2.2.1 生物池容積核算

AO生物池由4條線組成，每條線分割為均勻的11格，其中缺氧區(qū)為3格，好氧區(qū)為8格，每格按照上下折流方式設(shè)置。生物池處理能力按照雨季時最大水量進行計算，即進廠水量為10 000 m3/d，缺氧區(qū)容積V1=2 625 m3，水力停留時間HRT1=6.3 h,好氧區(qū)容積V2=7 000 m3，水力停留時間HRT2=16.8 h,則AO生物池總水力停留時間HRT=23.1 h。根據(jù)室外排水設(shè)計標準進行核算[6]，滿足AO生物池處理要求。

2.2.2 回流比

在目前處理水量為4 500 m3/d條件下，根據(jù)進水TN和出水TN控制要求，計算系統(tǒng)內(nèi)回流比需為300%[6]。系統(tǒng)設(shè)有3臺回流泵，單臺額定流量Q=50 m3/h，核算當前內(nèi)回流比為80%，說明系統(tǒng)內(nèi)回流量嚴重不足，曝氣區(qū)產(chǎn)生的硝酸鹽無法足量回到缺氧區(qū)進行反硝化脫氮，是導致系統(tǒng)出水TN居高不下的主要原因。

二沉池污泥外回流泵(額定流量Q=126 m3/h)按照目前處理水量核算回流比為67%，根據(jù)室外排水設(shè)計標準，外回流比需控制在50%～100%，目前滿足要求，但隨著處理水量超過6 000 m3/d后，外回流比將低于50%。

2.2.3 碳源

S污水廠在缺氧區(qū)進水端投加液體高效復核碳源，碳源有效含量為20%，2019年5月初平均投加量為200 mg/L。隨著出水TN不斷升高，投加量增加至330 mg/L后TN并未有明顯的降低，只能通過減少處理水量來保證出水水質(zhì)。經(jīng)計算，S污水廠進水中BOD5/CODCr約為0.4，BOD5/TN約為3.10。理論上BOD5/TN>2.86即滿足脫氮要求，但污水廠實際運行過程中受缺氧區(qū)溶解氧與硝酸鹽競爭電子供體的影響，一般需要BOD5/TN>5.00才能滿足脫氮要求[7]。按照出水TN指標小于15 mg/L計算，單位體積水量平均需去除約36 mg/L的TN，則最少需要BOD5含量為180 mg/L，而平均進水BOD5含量約為160 mg/L，單位體積水量需補充投加20 mg/L有效碳源，即液體高效復核碳源投加量為100 mg/L(有效含量為20%)。但實際碳源投加量遠大于計算投加量，因此，系統(tǒng)內(nèi)回流比不足導致硝酸鹽回流量少是主要原因。

2.2.4 溶解氧

進一步分析缺氧區(qū)溶解氧的影響。采用HACH便攜式溶解氧儀HQ1130對按水流方向?qū)γ織l線每格生物池的溶解氧進行測定，結(jié)果如表3所示。缺氧池溶解氧含量均小于0.5 mg/L，滿足缺氧環(huán)境下反硝化的要求[8-9]。但整個系統(tǒng)溶解氧分布不均衡，尤其線3和線4的末端溶解氧較高，需要進行曝氣支管路的閥門調(diào)整，使溶解氧控制在合理水平，防止回流污泥攜帶過多溶解氧破壞缺氧區(qū)環(huán)境。

表3 生物池沿程溶解氧的變化Tab.3 Changes of DO along Biochemical Pool

現(xiàn)有生物池曝氣鼓風機3臺，2用1備，單臺參數(shù)Q=32.3 m3/min，H=49.0 kPa。按照處理水量為10 000 m3/d核算，氣水比為9.3∶1，滿足生物池需氧量的要求[10]。

3 優(yōu)化技改及運行效果

根據(jù)S污水廠運行的緊迫性分兩步進行優(yōu)化技改，第一步確保出水達標情況下提升處理能力至6 000 m3/d，保障旱季時污水全收集全處理；第二步提升處理能力至10 000 m3/d，滿足處理水量進一步提升的要求。

3.1 一步優(yōu)化技改措施

根據(jù)現(xiàn)有生物池多格構(gòu)造的池型，將AO工藝改造為多級AO工藝(AAOAO)，即由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)5段組成[11]。生物池第1格為厭氧區(qū)，停留時間為2.1 h；第2～3格為缺氧區(qū)，停留時間為4.2 h；第4～9格為好氧區(qū)，停留時間12.6 h；內(nèi)回流位置調(diào)整為第2格起端，每條線第9格末端各設(shè)置1臺內(nèi)回流軸流泵，單臺水泵額定流量Q=210 m3/h，使內(nèi)回流比在處理水量為10 000 m3/d 時達到200%；第10格為后缺氧區(qū)，停留時間為2.1 h，關(guān)閉該位置曝氣管路閥門形成缺氧環(huán)境，為防止活性污泥沉淀，每隔4 h開曝氣10 min，后期安裝潛水攪拌器；第11格為后曝氣區(qū)，停留時間為2.1 h。碳源投加改為兩點，為缺氧區(qū)起端和后缺氧區(qū)起端，并以后缺氧區(qū)投加為主。

經(jīng)改造后的多級AO工藝特點為：1)可使好氧區(qū)的部分硝化液直接進入后缺氧區(qū)進行反硝化脫氮，減少因內(nèi)回流量不足導致反硝化脫氮能力下降的問題；2)內(nèi)回流位置調(diào)整至第2格起端，形成第1格的厭氧環(huán)境，減少硝酸鹽對聚磷菌釋磷的影響，提高生物除磷效果，同時也減少了深度處理段的化學除磷藥劑的投加，技改后6個月運行數(shù)據(jù)表明節(jié)省投加量約為30%；3)碳源主要以后缺氧區(qū)投加為主，使厭氧區(qū)和缺氧區(qū)充分利用原水中的碳源，節(jié)約碳源藥劑投加量[12]。

通過對系統(tǒng)每條線的曝氣支管路閥門進行調(diào)整，使系統(tǒng)溶解氧進行合理控制，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 生物池沿程溶解氧的變化Tab.4 Changes of DO along Biochemical Pool

一步優(yōu)化技改后經(jīng)過7 d調(diào)試期，在保證TN達標情況下處理能力提升至6 480 m3/d，具體數(shù)據(jù)如表5所示。碳源藥劑投加量由330 mg/L降至100 mg/L左右。

表5 一步技改運行數(shù)據(jù)Tab.5 Operation Data of One Step Technical Improvement

3.2 二步優(yōu)化技改措施

經(jīng)一步技改后，限制水量提升的主要問題是二沉池和深度處理工藝的處理負荷。在處理水量為10 000 m3/d 條件下若恢復兩座二沉池并聯(lián)運行，則均時表面負荷為0.82 m/h，滿足處理要求，但工藝流程缺少深度處理單元。受水量提升要求時間緊的制約，新建深度處理構(gòu)筑物無法滿足要求。超磁分離原理是在傳統(tǒng)混凝技術(shù)的基礎(chǔ)上同步加入磁種，使其與混凝劑、污染物等結(jié)合為一體，形成磁性復合體，然后利用自身比重大、沉降快的特點通過磁分離裝置，加速固液分離，從而將懸浮物去除，采用PAC混凝劑的同時也起到化學除磷的作用。因此，二步技改新增一套處理規(guī)模為10 000 m3/d的超磁分離一體化集裝箱式設(shè)備，具有占地面積小、設(shè)備到場完成管路安裝后即可使用的優(yōu)點。同時，更換污泥外回流泵使回流比在處理水量為10 000 m3/d條件下達到100%。二步優(yōu)化技改完成后，雨季典型月的日處理水量如圖4所示，二沉池出水TP和超磁分離一體化設(shè)備出水TP如圖5所示，最高處理水量接近10 000 m3/d，超磁分離一體化設(shè)備出水TP優(yōu)于一級A排放標準，可見二步優(yōu)化技改實現(xiàn)了水量的進一步提升。

圖4 雨季典型月日處理水量Fig.4 Daily Water Treatment Capacity of Typical Month in Rainy Season

圖5 雨季典型月出水TP變化Fig.5 Variation of Effluent TP of Typical Month in Rainy Season

4 結(jié)論

(1)工藝運行診斷分析表明，S污水廠因進水中工業(yè)污水比例和污染物濃度超過設(shè)計值，導致原設(shè)計工藝不滿足處理要求，進一步分析原因主要是生物池改造為AO工藝不滿足深度脫氮除磷的要求、二沉池串聯(lián)運行不滿足水量提升的要求、內(nèi)回流量不足導致TN居高不下和碳源過度投加。針對問題提出了2個步驟，第一步改造生物池功能分區(qū)為五段式多級AO工藝，更換回流泵組提高內(nèi)回流量，增加后缺氧區(qū)提高系統(tǒng)反硝化脫氮效果并節(jié)省內(nèi)回流量，優(yōu)化碳源投加點至后缺氧區(qū)可充分利用原水中的碳源進行反硝化。實踐表明，五段式多級AO工藝滿足深度脫氮除磷的要求且可以節(jié)約藥劑投加量，碳源藥劑投加量由330 mg/L降至100 mg/L左右，除磷藥劑投加量可節(jié)約30%左右。第二步恢復兩座二沉池的并聯(lián)運行后，增加1套超磁分離一體化集裝箱式設(shè)備作為深度處理工藝，具有占地面積小、安裝快速便捷的優(yōu)點，實現(xiàn)了水量進一步提升的需求。實際運行結(jié)果表明，在高比例工業(yè)污水條件下，S污水廠在確保出水達標情況下處理能力接近10 000 m3/d，滿足了運營生產(chǎn)的需求。

(2)S污水廠優(yōu)化技改表明，污水廠運營出現(xiàn)的問題需要詳盡分析運行數(shù)據(jù)以及對各工藝和設(shè)備參數(shù)進行復核，判斷是否滿足實際運行條件，并充分利用現(xiàn)有建構(gòu)筑物進行改造。建議今后對污水廠進行全流程水質(zhì)分析，判斷每個工藝段的實際處理效果，為工藝優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。