俞 晟，陳一虎，張延頗

(蘇州市職業(yè)大學(xué)環(huán)境與分析研究室，江蘇蘇州 215104)

現(xiàn)階段我國市政污水水量巨大，污染物種類主要以有機(jī)物、N、P和顆粒物等為主，而傳統(tǒng)單一處理技術(shù)很難適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展需求[1-3]。物理和化學(xué)技術(shù)雖可去除部分顆粒和溶解污染物，但處理成本高昂，特別是化學(xué)處理(中和、沉淀、電解、氧化/還原、吹脫等)通常需要添加化學(xué)藥劑，容易造成二次污染，存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。活性污泥法、生物接觸氧化法、生物濾池等工藝憑借成本低廉、污染物降解徹底等特點(diǎn)，已成為大型污水處理企業(yè)的首選[3-6]，但其污泥膨脹和污泥中毒等問題一再困擾著水處理工程師和現(xiàn)有市政污水處理廠[3]。

雖然我國市政污水生化處理程度和效率一再提升，但因排水水質(zhì)不斷提高，仍需尋求一種不顯著增加投資、處理成本的高效、快速、節(jié)能且管理簡單的污水處理技術(shù)[1,3,6-8]。本文就江蘇某處理規(guī)模為4.0萬m3/d的市政污水廠提標(biāo)改造進(jìn)行分析，針對原污水活性污泥法工藝處理出水化學(xué)需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)和懸浮物(SS)等污染物無法達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)的“痛點(diǎn)”進(jìn)行生化池改造，在原工藝線路不變基礎(chǔ)上加裝生物截留器[9]，以實(shí)現(xiàn)該市政污水處理廠出水CODCr、BOD5和SS達(dá)標(biāo)排放。

1 材料與方法

1.1 污水來源

江蘇某市政污水廠處理規(guī)模為4.0萬m3/d，服務(wù)面積達(dá)20 km2，服務(wù)8萬人口，管網(wǎng)沿線住戶占90%以上，因此，管網(wǎng)主要收集生活污水，同時(shí)該污水廠位于發(fā)展規(guī)劃用地內(nèi)，無改擴(kuò)建場地。污水廠原工藝為全混合好氧活性污泥法，改造前出水僅達(dá)GB 18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)(表1)。由于國家對污水廠處理出水要求的提高，現(xiàn)需對原技術(shù)進(jìn)行升級改造，使其出水達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 污水廠進(jìn)水水質(zhì)及原工藝出水水質(zhì)Tab.1 Influent and Effluent Quality of Original Processes

1.2 水廠技術(shù)

1.2.1 工藝改造

原工藝流程為“市政管網(wǎng)-初沉池A、B-配水井A、B-好氧生化池A～F-濾池A～F-沉淀加藥池A～F-集水取樣井A、B-水體”[圖1(a)]。因原工藝出水CODCr、BOD5、SS參數(shù)指標(biāo)僅達(dá)GB 18918—2002中一級B標(biāo)準(zhǔn)，因此，在原主要工藝不變基礎(chǔ)上，將原工藝構(gòu)筑物一半(因各池A～C與池D～F為并聯(lián)運(yùn)行)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工藝流程改造為“市政管網(wǎng)-初沉池B-配水井B-加裝生物截留器好氧生化池D～F-濾池D～F-沉淀加藥池D～F-集水取樣井B-水體)”[圖1(b)]，即主要改造環(huán)節(jié)為：在原好氧生化池D～F中分別加裝生物截留器(1組、2組和3組)，同時(shí)試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉生化池C～D/D～E/D～F間連通管(保證池D、池E、池F獨(dú)立)、加藥沉淀池C、D間出水連通管路及加藥沉淀池D～F與監(jiān)測井B管路，防治原工藝與不同加裝截留器數(shù)量改造出水相互干擾，以保證后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和比較改造后出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。待穩(wěn)定后，連通加藥沉淀池D～F與監(jiān)測井B管路，采集監(jiān)測井B集水，用于采集生物截留器改造后的最終出水。

圖1 (a)原市政污水廠及(b)改造后污水廠主要處理工藝流程圖Fig.1 (a) Original Processes of WWTP and (b) Reconstructed Processes of WWTP

生化好氧池經(jīng)改造后，在混合好氧生化法[水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)同步，濾池污泥泵回至生化反應(yīng)池]基礎(chǔ)上通過生物截留器截留，使得在好氧生化反應(yīng)池中活性污泥得到適當(dāng)截留，即大密度污泥保留于生化反應(yīng)器中并進(jìn)一步提供篩濾泥層，以實(shí)現(xiàn)SRT大于HRT。

圖2 (a)加裝3組生物截留器的好氧生化池F及(b)生物截留器組件Fig.2 (a) Aeration Pool F with Three Biological Interceptors and (b) Components of Biological Interceptors

1.2.2 生物截留器

3組具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物截留器(發(fā)明專利號為ZL 201611159387.3)按順序加裝至好氧生化池F[圖2(a)]，改造后生化反應(yīng)池D和生化反應(yīng)池E分別為加裝1組和2組生物截留器。生物截留器[圖2(b)]為不銹鋼SUS 304材質(zhì)，由下至上可分為導(dǎo)流錐(將泥-水-氣混合液導(dǎo)流至生物截留器外邊緣，避免從反應(yīng)廊道狹縫進(jìn)入廊道而干擾污泥沉淀，同時(shí)可因升流作用在導(dǎo)流錐和廊道底部狹縫產(chǎn)生負(fù)壓抽吸力，促進(jìn)密實(shí)陳化污泥再次回流至全混合生化反應(yīng)區(qū))、污泥反應(yīng)廊道(廊道水平夾角α=50°, 間距寬度d=50 mm)、污泥沉淀泥斗、清水緩沖區(qū)(利用重力進(jìn)行二次沉淀活性污泥)和鋸齒出水堰等部分。

原生化反應(yīng)池D～F內(nèi)加裝生物截留器1組、2組和3組后，其占好氧生化生物反應(yīng)單池容積為6.7%、13.3%和20.0%，按污水廠好氧生化池全天24 h穩(wěn)定工作時(shí)間計(jì)算得生物截留器內(nèi)處理時(shí)間為1.6、3.2 h和4.8 h。生物截留器將原好氧活性污泥反應(yīng)池分隔成內(nèi)外兩部分，外部沿用原全混合活性污泥法；內(nèi)部按水流流向[圖2(a)中的黑色指示箭頭]，混合液由曝氣氣提后經(jīng)污泥反應(yīng)廊道、污泥沉淀泥斗、清水緩沖區(qū)，最后清水通過鋸齒堰排出。改造后曝氣生化反應(yīng)池活性污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為3 700～9 300 mg/L，且污泥指數(shù)(SVI)為60～100 mL/g(原工藝中好氧生化反應(yīng)池MLSS為3 300～4 900 mg/L，SVI為80～130 mL/g)，且生物截留器中泥斗和廊道下沿端與導(dǎo)流錐間距2 mm(內(nèi)回流排泥，無需將濾池中污泥泵回至生化池)，可保證大密度顆粒/絮狀污泥回流至生化反應(yīng)池內(nèi)。因此，與原好氧活性污泥法直接出水相比，加裝生物截留器的好氧生化池中污水流向調(diào)整為“配水井B-全混合活性污泥法-曝氣提升-廊道-泥斗-清水緩沖區(qū)-出水堰-好氧池出水”，其中曝氣主要提供污水好氧生化所需氧氣和氣提引流污水進(jìn)入廊道。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測與記錄

監(jiān)測水樣按程序在原工藝好氧出水自沉降30 min后取上清液作為生化出水監(jiān)測，而加裝不同數(shù)量截留器生化池則直接出水取樣監(jiān)測，工藝優(yōu)化改造完成后以集水取樣井水質(zhì)檢測值為準(zhǔn)。CODCr、BOD5、SS分別按國標(biāo)《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(HJ 828—2017)、《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)和《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》(GB/T 11901—1989)進(jìn)行每日常規(guī)檢測和記錄，同時(shí)CODCr配備KS2202在型線監(jiān)測儀(量程為0～2 000.0 mg/L，精度為0.1 mg/L)進(jìn)行實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測(供參考)?；钚晕勰酀舛扔上？寺麺LSS8200KWC在線檢測儀(0～20 000 mg/L，精度為200 mg/L)進(jìn)行監(jiān)測測定。此外，記錄運(yùn)行周期內(nèi)排水合格天數(shù)，按式(1)計(jì)算排水合格率。

(1)

水樣監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016 MSO進(jìn)行計(jì)算與分析，以單邊分析法(ANOVA，IBM SPSS Statistics v25.0 for Windows)對試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性校驗(yàn)，同組數(shù)據(jù)間顯著性差異設(shè)定置信區(qū)間為p<0.05。本次試驗(yàn)所有記錄、計(jì)算和分析得到數(shù)據(jù)均用Origin Pro 2020軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物截留器數(shù)量對好氧池CODCr、BOD5和SS排放分析

在好氧活性污泥池內(nèi)加裝生物截留器，需考慮反應(yīng)器對好氧生化池內(nèi)生化工藝的影響[1]，使其在微影響(甚至不影響)原好氧生化反應(yīng)池內(nèi)工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，提高出水水質(zhì)，進(jìn)而解決該污水廠CODCr、BOD5和SS出水不達(dá)標(biāo)的問題。理論上，生物截留器屬好氧生化反應(yīng)變形的強(qiáng)化生化工藝反應(yīng)器，此類反應(yīng)器加裝數(shù)量越多，其反應(yīng)出水水質(zhì)越優(yōu)，但加裝數(shù)量直接關(guān)系工程施工強(qiáng)度以及工程投資成本，違背了現(xiàn)階段污水廠改造經(jīng)濟(jì)性要求，大大降低了工藝升級改造的優(yōu)勢，且容易造成治理浪費(fèi)和處理成本大幅增加[2,6]。因此，考慮滿足出水要求的同時(shí)，校驗(yàn)生物截留器加裝數(shù)量，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比最優(yōu)化。

相較于原污水廠工藝，在進(jìn)水CODCr=(218.0±17.0) mg/L、BOD5=(152±20) mg/L、SS=(231±24) mg/L時(shí)，好氧反應(yīng)池內(nèi)加裝生物截留器均可大幅提升CODCr、BOD5和SS去除率(圖3)。加裝1組、2組、3組截留器的生化池CODCr出水分別降至(65.0±6.0)、(51.0±3.0)、(40.0±2.0)mg/L[圖3(a)]，BOD5出水降至(16±3)、(10±2)、(7±1)mg/L[圖3(c)]，SS出水降至(92±7)、(67±10)、(55±4)mg/L[圖3(e)]。經(jīng)過濾和加藥沉淀后，加裝1組、2組、3組截留器最終CODCr出水分別穩(wěn)定至(62.0±6.0)、(48.0±5.0)、(38.0±4.0)mg/L[圖3(b)]，BOD5出水穩(wěn)定至(13±3)、(10±2)、(8±1)mg/L[圖3(d)]，SS出水穩(wěn)定至(13±2)、(10±2)、(7±1)mg/L[圖3(f)]。同時(shí)分析抽檢30次污水廠終端排水合格率，對比原工藝CODCr、BOD5、SS排放合格率(13%±4%、2%±2%、9%±3%)，加裝1組、2組和3組的CODCr排放合格率分別為8%±3%、62%±6%和98%±7%，BOD5排放合格率為20%±3%、64%±8%和100%±4%，SS排放合格率為19%±9%、56%±8%和96%±6%。

圖3 生化好氧活性污泥池內(nèi)生物截留器加裝數(shù)量優(yōu)化Fig.3 Optimized Numbers of the Biological Interceptors Installed in Aerobic Activated Sludge Pools

單組生物截留器容積占生化反應(yīng)池容積6.7%(無曝氣HRT=1.6 h)，而好氧生化排放水質(zhì)誤差限為5%～8%[3,10]，因此,僅加裝1組生化截留反應(yīng)器對CODCr、BOD5和SS出水影響值與誤差限相當(dāng)，且1組生化截留器時(shí)生化池MLSS為(4 170±330) mg/L(原污水廠MLSS為3 300～4 900 mg/L)，故單組生物截留器對好氧出水無顯著影響(p>0.05)。當(dāng)加裝2組[容積比為13.3%，生化池MLSS為(7 380±510) mg/L，無曝氣HRT=3.2 h]和3組[容積比為20.0%，生化池MLSS為(8 950±390)mg/L，無曝氣HRT=4.8 h]生物截留器時(shí)，兩者對生化反應(yīng)池容積比和MLSS的影響已超出傳統(tǒng)好氧生化出水誤差范圍，且高容積比直接造成廊道和泥斗無曝氣干擾氣時(shí)間延長，有利于顆粒/絮狀污染物沉淀分離、積聚富集(泥斗內(nèi)活性MLSS為10 800～11 300 mg/L)和不斷密實(shí)(泥斗內(nèi)活性污泥表觀密度為1.007～1.013 mg/cm3)，高M(jìn)LSS也直接提高了好氧生化反應(yīng)池內(nèi)活性污泥與污染物反應(yīng)速率[6,11]。

分析圖2生物截留器內(nèi)混合液流向，混合液通過曝氣提升進(jìn)入生物截留器，廊道側(cè)壁限制導(dǎo)致泥水混合液在廊道內(nèi)形成豎向流和橫向振蕩流疊加，同時(shí)近側(cè)壁區(qū)域內(nèi)流速慢于廊道中心區(qū)流速，進(jìn)而導(dǎo)致混合液在廊道內(nèi)因內(nèi)摩擦而形成微漩渦，混合液中的污泥(特別是絲狀污泥等)在此微漩渦存在下自纏繞聚集。此過程對顆粒物進(jìn)行卷掃和捕集，進(jìn)而將小顆粒污泥卷積形成松散大顆粒/絮狀污泥。生物截留器內(nèi)無曝氣剪切，因此，大顆粒/絮狀污泥先于水體沉積至廊道底部，并在水壓作用下進(jìn)入沉淀泥斗而密實(shí)成大顆粒污泥[2,9,11]。此顆粒污泥主要有活性微生物組成，表面多孔且擁有各類官能團(tuán)，可以強(qiáng)化流經(jīng)污泥表面的物質(zhì)和能量交換。沉淀泥斗內(nèi)的活性污泥相互擠壓，導(dǎo)致顆粒物間隙和通路狹小而形成迷路，造成水流呈層流流態(tài)。當(dāng)污染物流經(jīng)該區(qū)域時(shí)，微區(qū)域內(nèi)流速減緩、路程增加，在活性污泥過濾篩料作用下促使顆粒物進(jìn)一步沉淀。同時(shí)密集和多孔高官能團(tuán)污泥，提高了污染物與活性污泥接觸面積，加速CODCr、BOD5和SS等污染物削減[7,11-12]。同時(shí)因吸附-篩濾作用的顆粒/絮狀污泥間隙錯(cuò)綜復(fù)雜、污染物延程削減及水流無曝氣擾動等因素疊加，實(shí)現(xiàn)微生物穩(wěn)定分成聚集而促使絮狀/小顆?；钚晕勰鄬ξ廴疚锏奈健⒉都瓦M(jìn)一步泥水分離。此外，通過間隙內(nèi)回流的“陳化”顆粒則為污泥聚集提供凝聚核心，為下一輪污泥聚集和污染物去除提供啟動觸發(fā)點(diǎn)。此加裝3組生物截留器后的工藝出水已滿足GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 生物截留器對最終排放CODCr、BOD5和SS處理運(yùn)行穩(wěn)定性分析

市政污水廠長期穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)和工藝穩(wěn)定性是污水廠高層和技術(shù)主控人員首要考慮的問題[2-5]。因此，在滿足水量和水質(zhì)基礎(chǔ)上，需要保證運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)施和設(shè)備無重大事故，并將排水控制在GB 18918—2002一級A水平。本節(jié)分析好氧生化池內(nèi)加裝3組生物截留器后全年出水CODCr、BOD5和SS的穩(wěn)定性，考察生物截留器對提標(biāo)處理的有效性。

污水廠加裝3組生物截留器全年CODCr、BOD5、SS運(yùn)行出水分別穩(wěn)定至(37±4)、(8±1)、(7±1)mg/L(圖4)，均滿足GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，且出水合格天數(shù)頻次分別為100%±3%、97%±5%、99%±5%。

圖4 生物截留器對出水(a)CODCr、(b)BOD5和(c)SS達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性分析Fig.4 Stability Analysis of the Biological Interceptors on Concentrations of (a)CODCr, (b) BOD5 and (c)SS in Effluent

加裝3組生物截留器后反應(yīng)池中活性污泥濃度遠(yuǎn)超常規(guī)好氧活性污泥法的濃度，因此，絮狀/顆粒污泥在截留器中經(jīng)過團(tuán)聚和壓縮而形成分層區(qū)，即生物種類和分布經(jīng)水力和生物選擇的雙重篩選而在廊道和污泥斗內(nèi)差異性形成優(yōu)勢種群而形成微宇宙區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的水生生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上保證了生物截留器內(nèi)污染物與活性污泥反應(yīng)效率[9,11]，有效促使微生物在生物截留反應(yīng)器內(nèi)高效、持久和穩(wěn)定地去除污染物, 改善出水水質(zhì)。

2.3 生物截留器對最終排放N、P和色度等指標(biāo)合格性校驗(yàn)

雖然工藝改造前處理出水中N、P、色度、pH和大腸桿菌等指標(biāo)達(dá)到GB 18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)要求(表1)，但本次改造針對原處理核心工藝好氧生化池進(jìn)行升級改造(均以加裝3組生物截留裝置的生化池計(jì)算)，為避免因改造而引起的N、P、色度、pH和大腸桿菌等指標(biāo)排放超標(biāo)可能性，需要對穩(wěn)定運(yùn)行后市政污水廠出水中此類水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

比較表2中原工藝生化池出水和改造后生化池出水及污水廠監(jiān)測井出水，改造后N、P、色度、pH和大腸桿菌等指標(biāo)與原工藝相比沒有顯著改變(p> 0.05)，各類排放出水水質(zhì)值均完全達(dá)到GB 18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。這主要是因?yàn)殡m加裝3組生物截留器(生化池F)可有效提高活性污泥濃度，在進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定的情況下，污泥濃度提高而提高了反應(yīng)推動力，在一定程度上可提高出水水質(zhì)[11,13]，但原工藝出水中N、P等指標(biāo)已達(dá)到甚至優(yōu)于GB 18918—2002一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，且其中殘存的濃度(除pH)基本是由出水中污泥產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，N、P、色度和大腸桿菌等濃度均低于檢出限)。綜上，加裝生物截留器后，N、P、色度、pH和大腸桿菌等排放仍處于符合要求的穩(wěn)定低水平狀態(tài)。

表2 全年穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)原工藝和改造后其他排放水質(zhì)指標(biāo)值比較Tab.2 Comparison of Water Quality Values from Original and Reconstructed Processes in Stable Operation Period of the Whole Year

2.4 生物截留器在全工藝出水達(dá)標(biāo)時(shí)運(yùn)維成本分析

污水廠的工藝和技術(shù)需要周期性施工和調(diào)試，造成施工調(diào)試周期內(nèi)市政污水廠處于半工作甚至不工作狀態(tài)[10]，而污水廠好氧設(shè)備的運(yùn)維成本在整個(gè)企業(yè)運(yùn)行成本比重較大，已成為市政污水處理廠處理效率和工程技術(shù)中的瓶頸[5]。因此，在保證污水廠正常運(yùn)行處理水量的前提下，減少基建和運(yùn)維成本，以及縮短施工和調(diào)試周期，將對我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

好氧活性污泥池中加裝生物截留器，可在不停水條件下完成施工安裝和調(diào)試，且模塊化生物截留器安裝方便和適應(yīng)性強(qiáng)，且不形成生物膜，不產(chǎn)生填料板結(jié)和后續(xù)更換等一系列問題。由圖1和表3可知，因內(nèi)回流而降低了污泥在濾池與生化池之間回流能耗，同時(shí)因出水中SS在截留器中的沉淀和生物篩濾作用，減小了濾池過濾負(fù)荷，使得濾池反沖周期延長和后續(xù)加藥沉淀所需藥劑得到一定程度節(jié)約，因此,運(yùn)行電耗和藥劑成本得以大幅降低。原工藝新增生物截留器雖為不銹鋼SUS 304材質(zhì)，但其運(yùn)行過程中仍需進(jìn)行適當(dāng)防腐處理和維護(hù)，因而造成養(yǎng)護(hù)成本和管理費(fèi)用有小幅增加。按表2計(jì)算，原生化工藝增加生物截留器后實(shí)現(xiàn)污水廠出水達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)要求前提下，直接增加了基建成本(15.21萬元)，運(yùn)維成本節(jié)省了(0.009±0.002)元/m3(單日節(jié)約運(yùn)維費(fèi)用為360元)，則設(shè)備新增投資基建費(fèi)用可于423 d(約14個(gè)月)后得到回收。

表3 污水廠改造投資及其運(yùn)行成本分析Tab.3 Reconstruction and Running Costs of Processes of WWTP

3 結(jié)論

以江蘇處理規(guī)模為4.0 萬m3/d的市政污水廠提標(biāo)改造為出發(fā)點(diǎn)，原生化處理工藝設(shè)施和設(shè)備基礎(chǔ)上優(yōu)化生化曝氣池內(nèi)加裝生物截留器數(shù)量，當(dāng)加裝3組生物截留器后污水處理效率和合格率均可滿足提標(biāo)排放要求，CODCr、BOD5和SS出水分別為(38.0±4.0)、(8±1)mg/L和(7±1)mg/L。生物截留器全年運(yùn)行出水CODCr、BOD5和SS分別為(37.0±4.0)、(8±1)mg/L和(7±1)mg/L，且出水合格率天數(shù)頻次分別為100%±3%、97%±5%和99%±5%,同時(shí)，生物截留器技術(shù)在近乎零風(fēng)險(xiǎn)地實(shí)現(xiàn)排放水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，且設(shè)備新增投資基建費(fèi)用可于423 d(約14個(gè)月)后得到回收。