浙江標準下的城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造工藝研究*

周愛軍 王曉敏 梅榮武，

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，浙江 杭州310007)

浙江省水環(huán)境治理歷經(jīng)了“清三河”“剿滅劣Ⅴ類水”“美麗河湖”“五水共治”“污水零直排”等綜合治理行動，現(xiàn)階段已進入全面水生態(tài)修復的攻堅時期。截至2019年底，浙江省已累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠321座，處理規(guī)模1 480萬t/d[1]。城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水量約占浙江省總污水量的60%，是水污染物減排和水環(huán)境治理改善的重點[2]111。2018—2019年，浙江省先后發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 33/ 2169—2018)、《關于推進城鎮(zhèn)污水處理廠清潔排放標準技術改造的指導意見》以及《浙江省城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》等標準和文件，提出了城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造的總體目標和要求。DB 33/ 2169—2018對城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中化學需氧量、氨氮、總磷、總氮4項主要指標提出了排放限值要求，其中現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠要求達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)的準Ⅳ類標準。由于浙江省集中式綜合污水處理廠進水中工業(yè)廢水所占比例較高，一般為30%～40%[2]111,[3]，進水水質比較復雜，難降解污染物含量較高，迫切需要加強能滿足DB 33/ 2169—2018要求的城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造工藝研究，開發(fā)經(jīng)濟高效和穩(wěn)定運行的新工藝，加快推進浙江省生態(tài)環(huán)境治理能力現(xiàn)代化。

1 提標改造需解決的問題

目前浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠的二級處理工藝以接觸氧化法、序列間歇式活性污泥法和氧化溝為主，分別占二級處理工藝的34.09%、26.14%和21.59%[2]111。根據(jù)調研可知，在傳統(tǒng)生化系統(tǒng)中要同時高效地完成脫氮和除磷兩個過程，存在系統(tǒng)難降解有機污染物含量高、碳源競爭、氮磷去除程度不高及冬季總氮穩(wěn)定達標難等共性問題和技術難點，這些問題在提標改造中需重點解決。

1.1 難降解有機污染物去除率低

據(jù)統(tǒng)計，浙江省工業(yè)廢水排放量中，紡織行業(yè)廢水約占37.5%，造紙行業(yè)廢水約占28.4%，化工行業(yè)廢水約占13.0%。工業(yè)廢水成分復雜，含有大量難降解有機污染物和有毒有害物質，對生化系統(tǒng)沖擊較大，以處理生活污水為主的城鎮(zhèn)污水處理廠生化系統(tǒng)對此類污染物的去除率較低。

1.2 進水碳源不足

碳源作為微生物生長必須的營養(yǎng)元素，是生物脫氮除磷工藝的必要條件，主要消耗于除磷、反硝化和異氧菌代謝過程[4]。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠進水呈現(xiàn)出生化需氧量偏低、氮磷含量總體偏高的現(xiàn)象，總體碳氮比偏低、進水碳源不足，投加碳源的城鎮(zhèn)污水處理廠比例達66.3%。

1.3 氮磷去除程度不高

常規(guī)二級生化處理主要是去除含碳有機污染物，降低出水中化學需氧量和生化需氧量，而不能有效去除氨氮和總氮，一般城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水總氮為15～25 mg/L，達不到DB 33/ 2169—2018的要求。采用生物除磷方法，總磷可控制在0.5 mg/L以下，但要達到0.3 mg/L仍有難度，需進一步采用化學除磷的方法。

1.4 冬季低溫給出水總氮穩(wěn)定達標帶來難度

冬季低溫環(huán)境下，好氧池、厭氧池、缺氧池的微生物活性降低，生長速度慢，導致出水水質不穩(wěn)定。水溫低于15 ℃，硝化速率降低；低于5 ℃，微生物休眠，硝化作用停止。因此，冬季城鎮(zhèn)污水處理廠總氮穩(wěn)定達標難度大。

2 提標改造工藝研究

2.1 改造思路

城鎮(zhèn)污水處理廠因接納工業(yè)廢水性質和比例不同，所需選擇的提標工藝也不盡相同；另外，城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)行工藝有一定差異，導致提標改造工藝的選擇上也有一些局限性。本研究針對進水以生活污水為主、出水已達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的城鎮(zhèn)污水處理廠，分析其提標改造技術路線，針對DB 33/ 2169—2018提出的4項污染物指標和目前存在的問題，提標改造基本思路見表1。

表1 提標改造思路分析Table 1 Analysis of ideas for technology upgrading

2.2 提標改造工藝路線選擇與分析

提標改造遵循“先功能定位，后單元改造；先優(yōu)化運行，后工程措施；先內部碳源，后外加碳源；先生物除磷，后化學除磷”的技術原則[5]22，在改進優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)有工藝、加強運行管理、挖掘潛能的同時，通過增設污水處理設施，進一步提升污水處理效果。根據(jù)各廠不同情況，因地制宜采取不同措施，采用生物、化學等處理技術，確保出水穩(wěn)定達標。

2.2.1 重視源頭污染物的控制

由于城鎮(zhèn)污水處理廠進水普遍存在碳源不足的問題，在提標改造過程中應嚴格控制豆制品加工廢水、垃圾滲濾液等高含氮廢水的接入，適當放寬含優(yōu)質有機碳源、碳氮比高的有機廢水進入城鎮(zhèn)污水處理廠的濃度[5]20。

2.2.2 優(yōu)化原有處理系統(tǒng)

浙江省現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造基本存在可用地面積有限、投資運行成本明顯增加等問題。為了提高技術經(jīng)濟可行性，在提標改造過程中應盡可能縮短工藝流程，減少新增構筑物。當現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)設備、構筑物、運行控制參數(shù)存在一定的可調控空間時, 提標改造工程應優(yōu)先考慮優(yōu)化原有處理系統(tǒng), 提高系統(tǒng)除磷脫氮能力[5]21,[6]。

2.2.3 生化后端增設反硝化/硝化濾池單元

為提高氨氮和總氮的去除效率，在優(yōu)化原有二級生化系統(tǒng)、增強原生化段硝化效率的前提下，可考慮在生化后端增設反硝化/硝化濾池，將硝態(tài)氮進一步反硝化處理，以去除水中剩余的總氮、氨氮。通常此時需投加必要的碳源[5]21，以確保出水穩(wěn)定達到DB 33/ 2169—2018的要求。

2.2.4 生化段后增設混凝沉淀/過濾單元

二級生化處理后，出水總磷以磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機磷為主，后兩者在水解或生物降解作用下會轉化成正磷酸鹽。提標改造需要將總磷排放標準從0.5 mg/L提高到0.3 mg/L，除了要優(yōu)化原有生化段提高除磷效率外，還需要在二級生化段后增設混凝沉淀/過濾段，去除廢水中總磷、懸浮類難降解有機污染物等污染物。目前常用于提標改造的混凝沉淀/過濾工藝有高密度澄清池、磁混凝沉淀池、連續(xù)砂濾池、濾布濾池、精密過濾器等，處理效果和經(jīng)濟成本比較見表2。磁混凝沉淀池通過投加磁粉以強化絮凝和凈化效果，并加速絮體的沉淀，具有除磷效果好、運行效果穩(wěn)定、占地面積小的明顯優(yōu)勢，是提標改造首選的混凝沉淀工藝。

表2 混凝沉淀/過濾工藝比較Table 2 Comparison of coagulating sedimentation/filtration process

2.2.5 增設難降解有機污染物去除單元

二級生化處理出水中，溶解態(tài)有機污染物占78.0%～86.0%，懸浮態(tài)有機污染物占10.0%～17.0%，膠體態(tài)有機污染物占4.8%左右。溶解態(tài)有機污染物主要包括基質中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物、聚合作用產(chǎn)生的復雜化合物，其中環(huán)狀難降解化合物占58.0%。出水生化需氧量/化學需氧量(質量比)為0.10～0.16，可生化性差。提標改造需要將化學需氧量排放標準從50 mg/L提高到40 mg/L，除了優(yōu)化現(xiàn)有生化段提高除碳效率外，必要時增加高級氧化、物理化學吸附工藝，以去除難以生化降解的有機污染物，達到排放標準要求。

(1) 臭氧氧化+生物濾池工藝

對于含難降解長鏈有機污染物含量較高的廢水，提標改造可增設臭氧氧化+生物濾池的處理工藝，先通過臭氧氧化將長鏈打開，提高廢水可生化性，進而采用生物濾池進一步去除小分子有機污染物。臭氧氧化+生物濾池工藝處理效果見表3。

表3 臭氧氧化+生物濾池工藝處理效果Table 3 Ozone oxidation+biological filter process treatment effect

(2) 磁粉+粉末活性炭投加工藝

磁粉+粉末活性炭投加工藝與磁混凝沉淀工藝相比，在混凝池前增加了一個粉末活性炭接觸吸附池。與臭氧+活性炭濾池工藝相比，投加的粉末活性炭可節(jié)省50%～70%，化學需氧量、色度等去除率為50%～90%，操作運維較為簡單。

2.2.6 加強工藝運行管理

針對冬季低溫環(huán)境下總氮穩(wěn)定達標難度大的問題，應加強污水處理工藝運行管理，運用大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)適時調整運行工況。當?shù)蜏貋砼R前特別是當污水水溫低于15 ℃時, 采用冬季運行模式。可以通過提高混合液回流比,增加活性污泥和微生物的總量；通過提高溶解氧濃度,維持較高的硝化速率；或者采用較長的泥齡，降低硝酸鹽負荷，延長水力停留時間，投加必要的碳源，在好氧區(qū)投加懸浮填料，以提升生物硝化和反硝化效果[5]22，[7]。

3 案例分析

3.1 污水處理廠概況

浙江省某城市污水處理廠現(xiàn)狀設計規(guī)模為8萬t/d，處理污水主要為生活污水與工業(yè)廢水，工業(yè)廢水約占 30%，納管工業(yè)企業(yè)廢水主要為電鍍企業(yè)、印染服裝企業(yè)和機械加工企業(yè)廢水等，出水中化學需氧量、氨氮、總磷、總氮最高日均質量濃度分別為31.60、3.48、0.41、13.04 mg/L，主要超標因子為總磷，一年中有19次日均值超標。本次提標改造主要目標為削減氨氮、總磷和總氮，以及設計處理規(guī)模擴容為10萬t/d。設計進出水水質見表4。

表4 設計進出水水質1) Table 4 Designed water quality of influent and effluent mg/L

3.2 提標改造工藝設計

提標改造工藝流程見圖1。提標改造主要針對氨氮、總磷、總氮等指標，因此，提標改造首先考慮優(yōu)化現(xiàn)有生化段，以提高生化段脫氮除磷效率，再在生化段后端增設高效沉淀池以去除總磷和懸浮型污染物，增設反硝化深床濾池以去除廢水中的總氮，增設次氯酸鈉消毒池以確保出水糞大腸菌群數(shù)達到標準。

注：虛線框中內容為本次提標改造新增。 圖1 提標改造工藝流程Fig.1 Processing chart of technology upgrading

(1) 優(yōu)化擴容二級生化系統(tǒng)

現(xiàn)狀設計處理規(guī)模為8萬t/d，總停留時間為23.00 h，改造后設計處理規(guī)模為10萬t/d，總有效停留時間為19.45 h，其中厭氧區(qū)2.05 h，缺氧區(qū)6.22 h，好氧區(qū)11.18 h。污泥質量濃度為3～6 g/L，生化區(qū)污泥負荷為 0.052 kg/(kg·d)，污泥齡為21.66 d。硝化液回流比為300%，污泥回流比為20%～200%。

(2) 改造機械攪拌沉淀池

現(xiàn)狀設計處理規(guī)模為8萬t/d，分離區(qū)上升流速為 1.29 mm/s。本次改造降低處理規(guī)模，提高停留時間，處理規(guī)模降低為5萬t/d(剩余5萬t/d廢水通過新建高效沉淀池進行處理)，分離區(qū)上升流速為1.00 mm/s，同步增加聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺加藥系統(tǒng)。

(3) 新建高效沉淀池

設計處理規(guī)模為5萬t/d，與機械攪拌沉淀池并聯(lián)運行，變化系數(shù)為1.3，高效沉淀池設置混凝池、絮凝池和沉淀區(qū)。混凝池停留時間為 1.12 min，絮凝池停留時間為 18.14 min，沉淀區(qū)直徑為 13.0 m，斜管區(qū)表面負荷為10.21 m/(m2·h)。

(4) 新建反硝化深床濾池

設計處理規(guī)模為10萬t/d，變化系數(shù)為1.3，平均濾速為5.4 m/h，高峰濾速為7.0 m/h。

(5) 新建次氯酸鈉消毒接觸池

設計處理規(guī)模為10萬t/d，平均停留時間為 31.00 min，確保出水糞大腸菌群數(shù)≤1 000 個/L。

3.3 改造效果分析

該污水處理廠提標改造前后各月份出水中污染物最大日均值見圖2。由圖2可見，提標改造前出水中各污染物濃度波動較大，改造后能穩(wěn)定達到DB 33/ 2169—2018的要求。改造前后出水中氨氮最大日均值分別為3.48、1.22 mg/L，改造后降幅為64.94%；改造前后出水中總磷最大日均值分別為0.41、0.25 mg/L，改造后降幅為39.02%；改造前后出水中總氮最大日均值分別為13.04、10.87 mg/L，改造后降幅為16.64%。

圖2 提標改造前后出水中污染物質量濃度Fig.2 Concentration of pollutants in the effluent before and after technology upgrading

4 結 論

(1) 為達到DB 33/ 2169—2018排放要求，城鎮(zhèn)污水處理廠需進行提標改造，提標改造中需解決現(xiàn)狀城鎮(zhèn)污水處理廠難降解有機污染物去除率低、進水碳源不足、冬季總氮穩(wěn)定達標難等問題。

(2) 提標改造應根據(jù)DB 33/ 2169—2018提出的4項主要污染物指標進行有針對性、高效地改造。通常改造思路為：優(yōu)化現(xiàn)有二級生化系統(tǒng)以提高脫氮除磷效率，增設硝化/反硝化濾池以進一步脫氮，增設混凝沉淀/過濾單元以進一步除磷。如果剩余化學需氧量中以難降解有機污染物為主，增設深度氧化處理單元以降低出水中化學需氧量。

(3) 案例分析中的提標改造工藝可為城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造項目提供參考，但改造時需具體分析各污水處理廠實際運行情況，因地制宜地采取措施。