某污水處理廠擴建及提標改造工程設計與運行

白王軍，祝建中

(1. 河海大學，江蘇南京 210098；2. 河海大學環境學院，江蘇南京 210098)

1 項目概況

1.1 工程背景

高郵市某污水處理廠一期工程規模為2.5萬m3/d，主要工藝采用百樂克(BIOLAK)工藝，尾水排放執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級B標準，尾水就近排入北澄子河。隨著提升區域環境質量、可持續發展和南水北調東線水質的要求，高郵市某污水處理廠出水需達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，但目前一期工程缺少提標處理單元，因此，在常規生化處理工藝之后，必須增加深度處理工藝。

1.2 一期工藝及實際運行情況

高郵市某污水處理廠一期工程采用的主體工藝為百樂克(BIOLAK)與二沉池合建池。其優點是可以集成化，有一定節省用地優勢，缺點是缺氧區和好氧區未嚴格分離且距離較近，僅靠曝氣鏈的交替曝氣/不曝氣而形成缺氧區和好氧區，所以造成好氧區中的氧氣易帶入缺氧區，較難形成一個溶解氧濃度極低或缺氧的環境，極易造成出水水質TN超標的風險。

根據實測，目前高郵市海潮污水處理廠一期工程生活污水處理規模為1.61萬m3/d，工業廢水為0.56萬m3/d，基本接近設計規模。但由于進水中有相當數量的工業廢水，所需的碳源不足導致反硝化脫氮效果不佳，出水指標無法穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級B標準。

1.3 一期工程實際運行存在問題

對一期工程的實際運行進行調研后，發現存在如下幾個方面問題。

(1)隨著高郵市東北工業園區和東南工業園區污水的接入，總污水量中的工業污水量在逐漸增加。原有的工藝沒有考慮預處理，造成難溶解COD對生化處理的沖擊，出水的COD和脫氮所需的碳源品質都受到很大影響，使整體出水指標難以得到保障。

(2)百樂克(BIOLAK)工藝的缺氧區和好氧區未嚴格分離且距離較近，僅靠曝氣鏈的交替曝氣/不曝氣而形成缺氧區和好氧區。由于水的流動、缺氧區和好氧區距離較近及曝氣鏈的擺動，好氧區中的氧氣易帶入缺氧區，較難形成一個溶解氧濃度極低或缺氧的環境。因此，百樂克(BIOLAK)工藝雖然有一定的脫氮效果，但要達到穩定的脫氮效果尚有一定難度。

(3)擴建及提標改造過程中主要面臨的是由于污水處理廠已處在周邊居民較多的地塊，新增用地已無可能，如何充分挖掘原水池能力和用好預留用地，是成為擴建和提標改造必須考慮的重要方面[1-5]。

2 處理工藝及流程

2.1 設計水量水質

高郵市某污水處理廠根據擴建管網的收集范圍，擴建工程新增污水量為3.5萬m3/d，其中工業廢水量為1.0萬m3/d。其對進水COD的品質產生很大影響，需考慮增加預處理，減輕后續生化過程的污染物負荷。通過本次擴建工程，總設計水量將達到6.0萬m3/d。

擴建工程是在一期工程的基礎上擴建，為了合理確定進水水質，既需要考慮污水處理廠進水水質可能的變化，又不因取值過高而造成構筑物和設備的配置過大造成浪費。對污水處理廠一期工程在2017年6月—9月的進水水質進行分析，具體數據如表1所示。

表1 高郵市某污水處理廠進水水質分析表Tab.1 Analysis of Influent Quality of a WWTP in Gaoyou City

根據國內外大量實際運行工程經驗，設計進水水質指標保證率多取為80%～90%。從保障污水處理廠的安全運行角度考慮，按90%保證率取值，即：CODCr≤330 mg/L；BOD5≤130 mg/L；SS≤200 mg/L；NH3-N≤25 mg/L；TP≤5.0 mg/L；TN≤35 mg/L。根據環評要求，尾水排放執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。

表2 擴建及提標改造工程設計進出水水質Tab.2 Design Influent and Effluent Quality of Extention and Upgrading Project

注：括號內為低于12 ℃時，氨氮的排放標準

表2中設計值與原一期設計值基本一致，則原有對應的一期處理構筑物進水處理量仍然按水量2.5萬m3/d進行運行，而生化擴建工程按3.5萬m3/d規模進行設計，水解酸化池和深度處理的擴建工程按6.0萬m3/d規模進行設計。

2.2 擴建工程處理工藝流程

針對一期工程實際運行存在的問題，以及提標改造工程的出水水質要求，主要有以下針對性的擴建改造。

(1)水解酸化池

由水質數據分析可知，設計的B/C在0.39左右，該數據表明進水的水質可生化性一般。增加水解酸化池可以將大分子物質降解為小分子物質，將難生化降解物質降解為易生化降解的物質，從而使B/C比例有所增加。不僅可以降解COD污染物，而且轉換成的小分子BOD5可以作為生化過程中脫氮除磷的碳源，從而減少外加碳源量，降低運行費用。同時，采用的水解酸化工藝對污水中的COD、BOD5、SS進行預處理降解和去除，減少對生化過程的污染物沖擊負荷。

(2)改良AAO生化池

改良AAO工藝由于將前置反硝化、厭氧、缺氧、好氧各工藝單元分隔清晰，有利于除磷菌、硝化菌、反硝化菌在各自有利的環境中生長，更好地發揮生物脫氮除磷的功能。特別是改良AAO的厭氧段，不僅可以有效地為除磷提供生物環境，而且因為前置反硝化和后置缺氧的協同作用，對高濃度的COD有一定的預處理作用，可以有效地緩解開發區工業廢水的沖擊，從而避免對后段生化的影響，以保證生化指標的有效降解。

(3)高效沉淀池+深床反硝化濾池

高效沉淀池不僅可以滿足除磷要求，而且可以進一步降低污水中的懸浮物濃度，減少對深床反硝化濾池的堵塞，降低反沖洗的次數，提高處理效率。而深床反硝化濾池作為集生物脫氮及過濾功能合二為一的處理單元，在提標改造中應用很廣，不僅是因為它脫氮效果好，而且占地小，非常適合城區污水處理廠的提標改造需要。

(4)粗格柵間及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、鼓風機房、污泥脫水房的設備進行優化改造，進一步提高進水污染物的去除效率。

最終通過擴建工程單元的選擇和改造工程單元的設備優化，結合出水水質目標要求，確定擴建及提標改造工程處理工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

3 擴建及提標改造設計

3.1 主要擴建構筑物設計

3.1.1 水解酸化池

設計流量為6.0萬m3/d，1座2組，中間設置管廊，鋼砼結構，平面尺寸為45.0 m×41.0 m，有效水深為6.80 m。主要設計參數：停留時間為4.5 h，上升流速為1.5 m/h。

配置向下流脈沖布水器72套，每組36套，流量Q=35 m3/(h·個)。

3.1.2 配水井

設計流量為6.0萬m3/d，1座，鋼砼結構，平面尺寸為10.0 m×5.0 m，有效水深為6.0 m。主要設計參數：停留時間為7.2 min。

3.1.3 改良AAO生化池

設計流量為3.5萬m3/d，1座2組，鋼砼結構，平面尺寸為74.8 m×55.0 m，有效水深為5.50 m。主要設計參數：停留時間為15.5 h，其中前置反硝化段0.6 h、厭氧段1.5 h、缺氧段4.0 h、好氧段9.4 h；污泥濃度為3 500 mg/L，污泥齡為16 d，污泥負荷為0.065 kg(BOD5)/(kg MLSS·d)，內回流比為250%～300%，外回流比為50%～100%；氣水比為7∶1。

前置反硝化段配置低速潛水推流器4臺，N=1.5 kW；厭氧段配置低速潛水推流器4臺，N=3.0 kW；缺氧段配置低速潛水推流器8臺，N=4.0 kW；好氧池底部安裝橡膠膜片式微孔曝氣器直徑為215 mm，數量為4 084只，通氣量為2.5 m3/(h·個)；內回流泵6臺，4用2備，Q=1 100 m3/h、H=1.5 m、N=7.5 kW。

3.1.4 二沉池

設計流量為3.5萬m3/d，2座，鋼砼結構，圓形，每座直徑為35 m，有效水深為3.0 m。采用中心進水周邊出水的幅流式沉淀池。主要設計參數：表面負荷為0.76 m3/(m2·h)，停留時間為4.0 h。

配置雙周邊驅動、全橋雙臂式刮吸泥機2臺，N=1.1 kW。

3.1.5 污泥回流泵房

設計流量為3.5萬m3/d，1座，鋼砼結構，圓形，直徑為8 m。主要設計參數：外回流比為50%～100%。

配置外回流污泥泵3臺，2用1備，Q=730 m3/h、H=6 m、N=18.5 kW；配置剩余污泥泵2臺，1用1備，Q=50 m3/h、H=10 m、N=3 kW；配置高速潛水攪拌器1臺，N=2.2 kW。

3.1.6 中間提升泵房

設計流量為6.0萬m3/d，1座，鋼砼結構，平面尺寸為12.0 m×6.0 m，有效水深為4.5 m。

配置二次提升泵3臺，2用1備，Q=1 250 m3/h、H=8 m、N=37 kW。

3.1.7 高效沉淀池

設計流量為6.0萬m3/d，1座2組，鋼砼結構，平面尺寸為28.0 m×20.6 m，每組沉淀池直徑為10 m，有效水深為6.5 m。主要設計參數：機械混合時間為3.0 min，絮凝反應時間為15.0 min，沉淀區表面負荷為16.0 m3/(m2·h)，PAC藥劑量為15 mg/L，PAM藥劑量為3 mg/L。

配置機械混合攪拌機2臺，N=15.5 kW；配置絮凝攪拌機2臺，N=3.0 kW；配置中心傳動濃縮機2臺，N=0.75 kW；配置污泥泵3臺，2用1備，Q=100 m3/h、H=20 m、N=22 kW。

3.1.8 深床反硝化濾池

設計流量為6.0萬m3/d，1座2組，每組4格，鋼砼結構，平面尺寸為36.0 m×25.0 m，池體高為6.0 m。主要設計參數：平均濾速為6.0 m/h，單格過濾為70 m2，濾床深度為2.5 m。反沖洗過程：氣洗2～3 min；氣水聯合沖洗10～15 min；水洗5～10 min；氣洗反沖洗強度為46.8 m3/(m2·h)，水洗反沖洗強度為12 m3/(m2·h)；碳源為醋酸鈉，投加量為5 mg/L。

配套反沖洗泵房及鼓風機房1座，建筑面積為300 m2，磚混結構，平面尺寸為30.0 m×8.0 m，房內配置水泵3臺，2用1備，Q=840 m3/h，H=10 m，N=37 kW；設置羅茨鼓風機2臺，1用1備，Q=54.6 Nm3/min，P=58.8 kPa，N=75 kW。

3.1.9 接觸消毒池

原有紫外消毒池改為反沖洗廢水池，新建接觸消毒池，設計流量為6.0萬m3/d，1座，鋼砼結構，平面尺寸為20.0 m×18.5 m，有效水深為4.0 m。主要設計參數：次氯酸鈉藥劑用量為10 mg/L，接觸消毒時間為35 min。

3.1.10 污泥濃縮池

設計流量為6.0萬m3/d，2座，鋼砼結構，圓形，每組直徑為12 m，有效水深為4.5 m。主要設計參數：進水為含水率為99.2%，濃縮至97%以下；污泥固體負荷為45 kg/(m2·d)。

配置中心傳動濃縮機2臺，每臺直徑為12 m，N=0.75 kW。

3.1.11 加藥間

設計流量為6.0萬m3/d，1座，建筑面積為300 m2，磚混結構，平面尺寸為24.0 m×8.0 m。

配套PAC自動投加系統，加藥量為15 mg/L，2套，1用1備；配套PAM自動投加系統，加藥量為3 mg/L，2套，1用1備；配套次氯酸鈉自動投加系統，加藥量為10 mg/L，2套，1用1備；配套醋酸鈉自動投加系統，加藥量為5 mg/L，2套，1用1備。

3.2 主要一期工程改造設計

該項目原有總設計規模為6.0萬m3/d，粗格柵間及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、鼓風機房、污泥脫水房的土建工程均按總規模一次建成，設備分期安裝的原則，所以土建工程和水力負荷滿足擴建要求。

3.2.1 粗格柵間及進水泵房

設計流量為6.0萬m3/d，1座，鋼砼結構，平面尺寸為15.9 m×18.5 m，地下部分深約為6.90 m，地上部分凈高5.0 m。土建工程已建，本次工程增加粗格柵1臺，柵隙為20 mm，N=1.5 kW；增加污水提升泵2臺，1用1備，Q=1 460 m3/h、H=12 m、N=55 kW，與一期組成2臺大泵3臺小泵，共5臺，3用2備。

3.2.2 細格柵及旋流沉砂池

設計流量為6.0萬m3/d，1座，鋼砼結構，平面尺寸為18.5 m×21.0 m；旋流沉砂池設兩組，每組處理水量3.0萬m3/d，沉砂池直徑為4.0 m。土建工程已建，本次工程采用轉鼓細格柵替換一期的階梯式細格柵，共設置2臺，柵隙為1 mm，格柵傾角為35°，N=1.5 kW；旋流沉砂池設備一期已安裝。

3.2.3 鼓風機房

設計流量為6.0萬m3/d，1座，磚混結構，平面尺寸為26.8 m×8.5 m；土建工程已建，本次工程增加鼓風機3臺，2用1備，Q=85 Nm3/min、P=58.8 kPa、N=132 kW。

3.2.4 污泥脫水房

設計流量為6.0萬m3/d，1座，磚混結構，平面尺寸為22.0 m×10.5 m；土建工程已建，本次工程增加帶式濃縮脫水一體機1臺，帶寬為2 500 mm，配套污泥供料泵1臺、PAM加藥裝置2套。

通過本次擴建及提標改造工程的建設，改造工程的粗格柵間及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、鼓風機房、污泥脫水房進水水量將達到6.0萬m3/d，而水質因為更換處理效率高的設備而進一步提高預處理效果，比如轉鼓細格柵，極大的優化提升進水水質，特別是SS的去除率進一步降低，利于后續處理單元處理效率的提高。

4 工藝設計特點

(1)對一期進水水質進行數據分析，有針對性地選擇合理工藝

以往設計往往根據相似污水處理廠進水水質進行設計，選擇水質數據偏小，會造成出水不穩定，甚至不達標；所用數據偏大，則造成建構筑物和設備的極大浪費。本工程在充分調研、實測進水水質基礎上，合理確定進水水質，從而為設計提供了可靠的數據保障，有針對性選擇合理工藝，使出水水質穩定達標。

(2)針對一期工程存在問題，采用合適處理工藝

一期工程百樂克(BIOLAK)工藝存在耐負荷沖擊小和出水水質不穩定等缺點。擴建及提標改造工程則通過比選后采用更為穩定可靠且出水水質穩定的AAO處理工藝，同時為了使TP、SS和TN穩定達標，深度處理采用“高效沉淀池+深床反硝化濾池”處理工藝。

(3)預處理應用水解酸化工藝，為使配水均勻采用脈沖布水器

預處理應用水解酸化工藝將不溶性有機物水解為溶解性物質，將大分子、難于生物降解的物質轉化為易于生物降解的物質，可以為改良AAO生化池的微生物提供優質碳源。為了保障布水均勻，防止死角，高效應用水解酸化池，采用了脈沖布水器。脈沖布水器可以將污水在極短時間內均勻布水到水解酸化池各點，瞬時使布水管的流量成倍增加，進而促使污泥與污水混合均勻，避免池內的死角和短流，提高了水解酸化的效率。

(4)升級改造設備，以適用新工藝

采用轉鼓式細格柵，不僅對柵渣等物質截留效率高，而且可以對細小纖維進行有效攔截，最大作用就是防止對改良AAO生化池底部橡膠膜片式微孔曝氣器的堵塞，有利于設備的運行維護。

(5)改良AAO生化池進水分配渠的應用

改良AAO生化池的是在傳統AAO工藝的厭氧池之前設置前置反硝化段，所有的污泥回流到前置反硝化段，而水解酸化池的污水進入分配渠實現多點進水。分配渠中設置有插板閘，通過插板閘調節堰寬而對進入前置反硝化段和厭氧段的污水進行不同比例分配，提高同步脫氮除磷的效果。

(6)充分挖掘原水池能力和用好預留用地

充分應用粗格柵及進水泵房和細格柵及旋流沉砂池的預處理能力，即使在水量增加的情況下，也能保障污水對生化處理的沖擊；同時，應用占地少、處理效果佳的水解酸化池、高效沉淀池、深床反硝化濾池，以優化預留用地。

(7)針對一二期脫氮差別較大混合水，優化深床反硝化濾池設計和運行

一期生化因工藝原因無嚴格區分缺氧而反硝化區存在脫氮效果偏差，但改造路線中維持現狀運行，脫氮功能由深床反硝化濾池完成；二期生化擴建嚴格按照缺氧反硝化設計，脫氮效果好。因此深床反硝化濾池的進水為一、二期脫氮后差別較大的混合水，為此深床反硝化濾池在設計方面采用比較保守的濾速，以保障脫氮的出水要求，同時在運行控制方面采用較短的反沖洗周期，以保障出水TN的達標。

(8)優化深床反硝化濾池設計和控制運行，保障碳源不穿透和脫落的生物膜出水SS超標

深床反硝化濾池工藝，常規情況如果不接好氧段或深度過濾段，存在碳源穿透反硝化濾池致COD上升和反硝化濾池脫落的生物膜造成SS上升甚至超標的風險。為了保障出水水質的達標，該項目設計上采用適宜的過濾速度，既能節省占地，又能優化碳源和脫落的生物膜的停留時間；同時在運行上，通過經驗確定碳源的投加量和脫落的生物膜超標周期，確定適宜的反沖洗周期，確保在脫落的生物膜超標前，進行氣水反沖洗。

5 運行效果及主要技術經濟指標

5.1 運行效果

試運行以來，目前實際進水水量達到4.0萬m3/d。通過對預處理、生化池處理、深度處理段聯動調試，系統處理效果穩定，出水數據優于排放標準，特別是TN和NH3-N能在保證總磷達標的情況下依然滿足出水要求。2018年10月測得的進出水水質如表3所示。

表3 擴建及提標改造后實際進出水水質Tab.3 Actual Water Quality of Influent and Effluent after Extention and Upgrading

由表3可知，經過水解酸化、改良AAO生化、高效沉淀池和深床反硝化濾池后，出水不僅指標穩定達標，而且出水NH3-N穩定低于1 mg/L，TN穩定低于7 mg/L，排入河流后對水質具有提升效能。

預處理的水解酸化池對于生化保障非常重要，從運行效果來看，對CODCr的降解可以達到30%～35%，對BOD5的降解可以達到20%～25%。由于污泥層的存在，SS可以降解可以達到50%～60%，但NH3-N、TN和TP的效果欠佳，降解幾乎可以忽略。

經過改良AAO生化、高效沉淀池和深床反硝化濾池工藝處理后，不僅CODCr、BOD5和SS去除率達到90%以上，而且難易去除的NH3-N、TN和TP也達到85%以上，大大保障了出水的水質安全。

5.2 主要技術經濟指標

擴建及提標改造工程總投資為8 950萬元，其中，建筑工程為4 525萬元，安裝工程為651萬元，設備及工器具購置為2 788萬元，其他費用為986萬元；運行總成本為1.50元/m3，經營成本為1.20元/m3，直接運行成本為1.00元/m3，污水處理廠噸水投資為2 557元。

6 結語

高郵市某污水處理廠擴建及提標改造工程總投資為8 950萬元，除擴建改良AAO生化池和二沉池規模為3.5萬m3/d外，提標改造的預處理、深度處理，以及升級改造的設備規模均為6.0萬m3/d。采用較為先進的工藝設計理念，對一期存在的問題進行了優化整合改進，并選取合理的設計參數，可供同類污水處理廠擴建及提標改造時作為參考。