VFL 工藝在小型再生水廠中的工程應用

李新建

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

北京市是華北地區超大型缺水城市，年人均水資源量僅為全國人均的八分之一，是資源性缺水地區，水資源緊缺已成為影響首都現代化建設的突出矛盾[1-2]。因此，再生水作為重要的可利用水資源，已納入到北京市水資源統一配置管理中，是重要的戰略水源之一[3-5]。

隨著我國經濟持續快速穩定發展，我國城鎮污水處理規模日益提升，污泥產量也相應增加。據統計，2019 年我國污泥產量已超過6 000 萬t（以含水率80%計），預計2025 年我國污泥年產量將突破9 000 萬t[6]。2015 年，北京市全年處理生活污水14.4 億m3，污泥產量117.4 萬t（含水率60%～80%），日產污泥約3 200 t/d[7]。

為加快污水治理和再生水利用設施建設、有效改善首都水環境，2013 年4 月，北京市政府印發了《北京市加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2013—2015 年）》，工作目標是到“十二五”末，全市污水處理率達到90%以上，污泥基本實現無害化處理，實現首都水環境的明顯好轉；全市新建再生水廠47 座，所有新建再生水廠主要出水指標一次性達到地表水Ⅳ類標準[8]。為實現該目標，保持社會經濟的可持續發展，通州區政府實施了通州區鄉鎮再生水廠建設運營項目，共計新建及改建9 個水廠，其中四個小型水廠采用VFL 工藝，出水水質按北京DB 11/890—2012 中B 排放標準執行。

1 工程概況

現主要對西集鎮中心區再生水廠進行介紹。該工程位于通州區西集鎮中心區以東，望金溝西側、榆牛溝北側，服務于整個西集鎮中心區。西集鎮中心區再生水廠規模5 000 m3/d，分期實施，一期規模2 000 m3/d，二期3 000 m3/d，除生物處理部分外其余設施一次建設成，一期占地6 723 m2。處理出水排入榆牛溝。

1.1 設計進出水水質

根據《北京市加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2013—2015 年）》計劃要求，西集鎮中心區再生水廠工程出水水質按北京《DB11/890—2012》中B 排放標準執行。設計進出水水質見表1 所列。

表1 設計進出水水質一覽表

1.2 設計工藝流程

西集鎮中心區再生水廠工程綜合考慮經濟、技術、環境、投資等因素，主體工藝采VFL 工藝[9-11]，工藝流程見圖1 所示。

圖1 西集鎮中心區再生水廠工藝流程圖

污水經過預處理階段后，進入VFL（垂直流迷宮Vertical Flow Labyrinth） 組合池，VFL 生化池在厭氧區、缺氧區內設置豎向導流板，將厭氧區、缺氧區分隔成串聯的反應室，每個反應室都是相對獨立的上下流式污泥床系統，利用內部良好的水力流態、實現強化系統生物固體截留能力與流徑的延長的特點對污染物進行生物降解，然后污水進入VFL 生化池的好氧區，好氧區內配有曝氣管，污染物進一步進行好氧曝氣降解，并通過控制混合液回流實現BOD、總氮等的高效去除，處理后的污水進入沉淀區沉淀。

VFL 生化池出水進入混凝沉淀池，并向其中投加混凝劑與助凝劑，進一步去除水中總磷、SS 等污染物，沉淀后出水經過轉鼓過濾器后進入消毒池，經消毒后出水，保證出水水質。

1.3 主要設計參數

1.3.1 預處理系統

預處理系統包括粗格柵與提升泵井、預處理池（細格柵井、沉砂池、調節池），設計規模5 000 m3/d，設計平均流量208 m3/h,設計最大流量366 m3/h（變化系數Kz=1.75）。粗格柵與提升泵井尺寸：12.1 m×4.8 m×10.0 m，預處理池尺寸：21.37 m×13.5 m×3.9 m。

1.3.2 VFL 組合池

VFL 組合池為VFL 工藝的核心部分，包括含厭氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、混凝沉淀池、轉鼓過濾器、消毒池及污泥池，各池集約化布置，實現節地目標。設計規模2 000 m3/d，設計平均流量83 m3/h，設計最大流量161 m3/h（變化系數Kz=1.94），該工藝比常規工藝節地約15%。

VFL 反應池：（1）污泥濃度（MLSS）：厭氧、缺氧池7 000～8 000 mg/L，好氧池3 000～4 000 mg/L。（2）總水力停留時間21.5 h，其中，厭氧池3.5 h，缺氧池6.2 h，好氧池11.8 h。（3）外回流比300%～400%。（4）沉淀區平均表面負荷0.55 m3/（m2·h）。

混凝沉淀池：反應時間0.35 h,沉淀時間2.5 h，沉淀區平均表面負荷0.66 m3/（m2·h）。過濾采用轉鼓過濾器成套設備。

VFL 組合池尺寸45.3 m×18.5 m×4.5 m 。

1.3.3 污泥處理系統

VFL 工藝在處理污水的同時兼顧了污泥的減量化，工藝產泥量低，VFL 生化反應池的污泥產率按0.1 kgSS/kgBOD5計算，同時考慮混凝沉淀池加藥量，所需要處理的污泥總量為62.8 kg/d，泥餅按照含水率80%計算，脫水之后的污泥體積為約0.31 m3/d。污泥脫水采用帶式濃縮脫水機一體機。

2 工藝特點

VFL 工藝是可實現剩余污泥排放量少、污水與污泥同步處理、低耗高效的環境友好型工藝。

2.1 工藝原理（見圖2）

圖2 VFL 工藝原理圖

如圖2 所示：1 區域為厭氧、缺氧區，即垂直迷流宮結構；2 區域為好氧區；3 區域為沉淀區；4 為內部循環；5 為污泥回流；6 為管式微孔曝氣器；7 為排水槽。

（1）在厭氧區和缺氧區結構上采用垂直流迷宮式結構，多個下向流和上向流的污泥床間隔串聯。其中在向上流的分格內，由于污水的上向流速使活性污泥形成懸浮的污泥床，少部分污泥會隨水流進入下一個下向流分格，大部分污泥因重力作用留在該格內，因此這一結構能夠使厭氧、缺氧區內保持很高的污泥濃度，一般在7 000-10 000 mg/L，使單位池容的反應效率大幅度提高。同時，該結構形式在相同池容的條件下能夠最大限度地延長厭氧區、缺氧區污水的流程，不僅避免了污水在反應池中發生短流，而且使污水與微生物進行充分接觸、混合，延長有效反應時間。這是一種推流式反應器，是反應器中效率最高的。而這種垂直流態的改進，尤其是上升流態的分格消除了回流污泥中硝酸鹽對厭氧區、缺氧區環境狀態的不利影響，大幅度地提高污水處理效率和抗沖擊能力。

（2）系統設置了不同于傳統A2/O 工藝的混合液和污泥回流，其反應流程如圖3 所示。

圖3 VFL 污泥循環路線圖

組合池沉淀區的活性污泥部分回流到缺氧區前端，回流污泥中帶有溶解氧，在垂直流結構中，水流至缺氧區第二、三格，溶解氧濃度可以迅速降低，在較長的缺氧流程中反硝化反應可以進行非常徹底，并充分利用污水中的碳源（BOD5），其反硝化速率遠遠高于依靠內源呼吸作用進行的反硝化。因此，需要的反硝化反應充分，停留時間短、容積小。

VFL 工藝具有獨特的污泥循環線路。沉淀區泥斗內除了一部分活性污泥用于反硝化外，另一部分活性污泥回流到好氧區。好氧區的混合液排入污泥區，再由污泥區回流至厭氧區。因此可以使污泥保持活性。處于低負荷完全混合式的好氧區，微生物處于活性較低的狀態，進入污泥池后逐漸進入內源呼吸狀態，污泥部分消解，剩余的微生物是經過自然篩選。這樣的微生物再進入高負荷的厭氧區，活性重新被激發，吸附和降解有機物的活性逐步增強，提高了反應效率和處理效果，同時污泥可以長時間保持活性，在自代謝的過程中實現污泥減量化。

2.2 工藝特點

（1）VFL 工藝抗沖擊負荷能力強，占地面積小。

VFL 工藝從池型的結構設計和運行管理兩方面進行優化，整個系統是在高污泥濃度（厭氧區、缺氧區污泥濃度7～8 g/L，好氧區污泥濃度3～4 g/L）下運行的，完全具備抗沖擊負荷的能力，同時VFL 組合池各池間緊湊布置合而為一，減少占地。

（2）VFL 工藝產泥量極低。

VFL 工藝在處理污水的同時兼顧了污泥的減量化，系統產泥量低。能夠有效降低污泥的產量及相應的處理成本，為再生水廠的運營帶來顯著經濟效益、環境效益。運用VFL 工藝的再生水廠正常運行2～3 a 后才開始第一次排泥，此后約每三個月排泥一次。

（3）VFL 技術系統簡單，能耗低，日常維護工作量小。

VFL 技術設備種類和數量已經減到了最少，除了污水進口處的提升設備和除砂設施（根據項目需要設置）外，以生化組合池為核心，配套設備只有鼓風機、轉鼓過濾器和消毒加藥設備。因此設備的日常維護工作量大幅度減少，能耗最大程度地節約。

3 運行效果

西集鎮中心區再生水廠（見圖4）于2017 年7 月調試運行，出水水質穩定達到北京《DB 11/890—2012》中B 排放標準。整個工藝對水量水質的耐沖擊性強，運行穩定可靠，處理成本低。

圖4 VFL 工藝再生水廠現場之實景

4 存在的問題及工藝完善內容

（1）根據以往再生水廠VFL 工藝運行數據（見表2），當進水SS 負荷較高時，SS 出水水質不穩定，因此西集鎮中心再生水廠在VFL 工藝出水后增設混凝沉淀池，通過投加藥劑，并經過預沉淀后，再通過轉鼓過濾器過濾，可以有效降低SS 與TP 的出水濃度，使水質穩定達標，同時可以有效避免轉鼓過濾器堵塞。

表2 某再生水廠進出水水質一覽表

（2）水廠運行初期，由于污水管網覆蓋率和收集率較低可能導致實際進廠水量遠達不到設計規模且進水水量水質不均勻程度高，因此污水在廠內的停留時間會大幅延長，同時進水低有機負荷率容易導致污泥膨脹現象。針對此種可能出現的情況，設計中，通過設置調節池，并在VFL 池進水端采用脈沖進水方式，根據液位的變化控制啟停。針對進水的水量與水質，風機采用變頻運行的方式，有效調節向好氧池的供氣量，避免低負荷時產生過氧化現象，同時起到節能的作用；VFL 工藝具有獨特的污泥循環路線，使厭氧區、缺氧區、好氧區中的MLSS 維持在一定濃度內，同時厭氧區、缺氧區利用上下水流促進攪拌，不但可以實現工藝的穩定運行和水質達標排放，而且降低了處理能耗。

5 結語

西集鎮中心區再生水廠采取VFL+ 混凝沉淀池+轉鼓過濾器+ 次氯酸鈉消毒的污水處理工藝，在應對進水水質水量不穩定的情況時，各項出水水質指標均穩定達到北京DB 11/890—2012 中B 排放標準，甚至更好的水質，滿足再生水水質要求；處理污水的同時兼顧了污泥的減量化，比常規污水處理工藝節地約15%。因此該工藝適用節地要求高、去除氨氮、SS 與除磷效果好、易維護、成本低、進水水質水量不穩定的小型再生水廠。