人工快滲組合工藝在高濃度生活污水處理廠提標改造中的應用

張驚宇，駱靈喜，孫 樂，左 晶，王 淼，張春媛，姜 明

(1.巴彥淖爾環保投資有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000；2.深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.內蒙古內蒙古環投環保技術有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010；4.內蒙古環港環保科技有限責任公司，內蒙古 赤峰 024000)

1 引言

由于活性污泥法為主的常規污水人工處理技術普遍存在工藝復雜、管理維護難度大、剩余活性污泥處置難且易造成二次污染等難以克服的缺點，因此，近年來工藝簡單、能耗低、運行管理方便、環境友好的污水自然處理技術得到較好研究和應用，尤其在中小城鎮和農村地區。國外應用比較廣泛包括美國的“化糞池-土壤吸附系統(ST/SAS)”和“潛流人工濕地系統”、澳大利亞的“FILTER污水處理系統”[1]、新西蘭的“就地處理系統”、德國的“PKA濕地污水處理系統”[2]等。

自1980年后，我國確立了根據國情與各地區的自然和社會經濟狀況，實行人工處理與自然處理并行的技術政策，在吸收與改進發達國家傳統污水人工處理技術的同時，積極推行替代二級處理的土地處理系統、人工濕地、氧化塘和氧化溝等自然處理技術[3]。其中，土地處理系統經過“七五”“八五”聯合科技攻關，為在我國推行這類型技術提供了有力保證。

其中，人工快滲污水處理技術(簡稱“CRI技術”)對土地滲濾技術進行了重大改進，通過采用滲透性能良好的天然介質取代天然土層，大幅度提高了水力負荷和系統抗沖擊性[4～6],水力負荷相比人工濕地提高數十倍；同時，人工快滲池采用了自然復氧方式，一方面在布水期通過“噴泉式”布水提高進水與空氣接觸，另一方面在落干期通過間歇式污水下滲產生的負壓進行填料充氧，從而無需曝氣設備，大幅度降低工藝的運行能耗[7，8]，減少電耗產生的碳排放；另外，人工快滲池通過采用干濕交替運行方式，確保人工快滲池填料微生物數量動態平衡，避免產生剩余活性污泥，無需反沖洗[9]。近年來，CRI技術主要憑借運行能耗低、管理維護簡便、不產生剩余活性污泥[10]等優點，已在我國20多個省市近200個污水處理設施得到較廣泛應用，尤其適用于河道水質凈化、城鎮污水處理設施提標改造、農村污水分散式處理等領域，出水主要指標可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB 18918-2002)》一級A以上標準[11～13]。

我國北方地區如內蒙古地區，冬季寒冷且漫長，極端天氣的氣溫可達到-30 ℃以下。在嚴寒天氣下，由于污泥微生物活性大幅度下降，將嚴重影響污水處理設施的處理效果。CRI技術屬于生物膜工藝范疇，本研究通過實際工程案例，分析了人工快滲組合工藝在內蒙古自治區某高濃度生活污水處理廠提標改造工程的應用效果，為人工快滲技術在北方寒冷地區的推廣應用提供借鑒。

2 工藝設計情況

本項目位于內蒙古自治區赤峰市某污水處理廠，由于項目前期實際運行過程中進水水質偏高，使得污水處理系統運行不穩定。同時，由于本地區水資源稀缺，生活污水處理后作為中水回用可實現水資源可持續利用，故在原址基礎上進行改擴建、污泥深度脫水及中水回用工程。

污水處理廠原工藝為“AA/0+高效澄清池+V型濾池+紫外消毒”，提標改造后工藝為“A/A/O+MBBR+A/O+絮凝沉淀+V型濾池+人工快滲”(圖1)，改造后處理規模15000 m3/d(中水回用工程總規模為12000 m3/d)，提標改造工程充分利用了原有設施，主要增加了1座調節池、1座 A/O 池、1座人工快滲池、1座污泥濃縮池、2座污泥調理池、1座污泥深度脫水車間及其配套泵房、新建人工快滲池保溫棚。

圖1 污水處理廠提標改造工藝流程

根據設計圖紙，該項目出水水質主要指標需達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)V類標準(其中，TN及SS指標需達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18198-2002)中的一級A標準)，具體設計進出水指標如表1所示。

表1 設計進出水指標

3 結果與分析

據統計，該項目2021年平均日處理水量12966.96 t/d，設施負荷率達到86%；由表2全年統計數據可見，該項目進水濃度較高，其中CODCr進水濃度達到512.3 mg/L，氨氮進水濃度達到60.56 mg/L，總氮進水濃度達到130.48 mg/L，總磷進水濃度達到6.72 mg/L。

根據表2全年平均出水濃度和圖1各月份平均出水濃度變化情況可見，該項目出水的CODCr、氨氮、總磷指標全年穩定達到設計的《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)V類標準，甚至接近《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類水標準；另外，出水TN指標全年可穩定達到設計的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18198-2002)一級A標準。

表2 2021年全年進出水濃度統計

4 討論

結合本項目的設計和運營經驗，對于進水濃度較高、冬季氣溫較低的污水處理場景，CRI技術可進行以下方面考慮。

(1)CRI技術是一種利用天然砂石及礦物表面生長的生物膜進行污水凈化的自然污水處理技術，優勢是能耗低，且對微污染水具有非常好的處理效果，尤其適用于污水深度處理。通過將CRI工藝和改良生化處理工藝(優化好氧段)進行組合，不僅可大大減少工藝運行能耗，同時可大幅度提高出水水質，出水水質遠優于地表Ⅴ類水標準，其中COD和氨氮等部分指標甚至可達到地表Ⅲ類水標準。優秀的出水水質凈化效果，可為污水處理設施應對進水水質波動和冬季運行提供了更充足的調整余量。

(2)為了確保CRI組合工藝在北方寒冷地區正常運行，建議各構筑物增加保溫設施，人工快滲池建議采用半地下式或地下式建設方式[14]；保溫設施頂部建議采用雙層鋼化玻璃材質，既可減少散熱，又能充分利用太陽光進行增溫。

圖2 2021年各月份項目進出水濃度變化

(3)為了盡可能地減小寒冷地區冬季水溫過低對污水處理設施菌種活性的影響，建議冬季運行時適當延長各生化段的污水停留時間，提高生化段污泥濃度，加大絮凝沉淀加藥量，或向人工快滲池中適當添加功能微生菌劑等措施[15]。