高比例工業污水條件下的城鎮污水廠運行診斷及優化技改

李 鵬，張 賽，姚 亮，聶 邦

(北京恩菲環保股份有限公司，北京 100038)

近些年，全國各地按照國家政策要求開展企業退城入園、退城進郊的工作[1]，形成了初具規模的城鎮工業園區，工業園區逐漸成為流域水污染防治系統的集成單元。而較多城鎮區域因缺乏統籌規劃，環保基礎設施較為薄弱，存在污水收集管網建設滯后于污水處理廠建設的問題，使生活污水的實際收集量較小。隨著工業企業的入駐，污水廠處理的工業污水比例逐漸升高。城鎮污水廠通常選用AO、氧化溝、SBR、生物接觸氧化法等工藝[2-4]，設計之初未考慮處理高比例的工業污水的措施，導致很多城鎮污水廠出水達不到排放標準。本文以北方某城鎮污水廠為例，針對接納高比例工業污水帶來的運行不穩定、處理能力嚴重降低等問題，通過分析污水廠工藝運行情況，采取一系列技改優化措施，解決污水廠達標達產運行的問題。

1 污水廠概況

1.1 工藝現狀

北方某S開發區為綜合經濟開發區，主要發展汽車配件加工、包裝加工、食品及農副產品加工、新型建材等。S開發區與所在鎮區合建污水廠(以下簡稱S污水廠)，收集處理鎮區的生活污水和開發區的生活污水及工業污水，總設計規模為2.5萬m3/d，一期建設規模為1.25萬m3/d，總變化系數為1.47，設計接納的居民生活污水比例為80%、工業污水比例為20%。污水廠采用“水解酸化+接觸氧化法”的處理工藝，工藝流程如圖1所示，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

圖1 污水廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

S污水廠于2013年10月投入運行，初期平均處理水量為3 000 m3/d，由于污水收集管網不完善，進廠工業污水比例達50%以上，CODCr、氨氮、TN、懸浮物(SS)指標均超過設計值，造成出水TN、SS時常達不到出水標準。系統設計的生物接觸氧化池池體結構單一，不存在缺氧、好氧交替環境，生物脫氮除磷作用較弱，無法滿足污染物去除率要求[5]。因此，生物接觸氧化法工藝已不適用于目前水質。S污水廠于2015年期間對現狀工藝進行技改，改造思路為系統由接觸氧化法改為AO活性污泥法，將水解酸化池改造為缺氧池，生物接觸氧化池改造為曝氣池。在曝氣池中好氧微生物氧化分解污水中的BOD5,同時進行硝化反應，有機氮和氨氮轉化為硝態氮并回流至缺氧池，在缺氧環境下反硝化細菌利用污水中的有機碳源和外加碳源進行反硝化脫氮，提高系統的脫氮能力。按照AO活性污泥法運行后，二沉池出水無深度處理工藝，較難滿足一級A排放標準[6]，因此，將現有兩座二沉池串聯運行，即1座作為系統二沉池，1座與現有混凝池組合為混凝沉淀深度處理工藝，技改工藝流程如圖2所示。由于受二沉池和深度處理工藝處理負荷限制，系統設計處理能力減半，為6 250 m3/d。主要改造工程量為：拆除水解酸化池和生物接觸氧化池的填料，并在水解酸化池增加12臺功率N=4 kW的潛水攪拌器；好氧池出水渠增加3臺內回流泵，單臺額定流量Q=50 m3/h，回流至水解酸化池起端；二沉池剩余污泥管路增加2臺污泥外回流泵(1用1備)，單臺額定流量Q=126 m3/h，回流至水解酸化池起端；兩座Φ=18 m的二沉池進出水管路切改。

圖2 污水廠技改工藝流程圖Fig.2 Flow Chart of Technical Improvement of Wastewater Treatment Process

1.2 進出水水質

統計S污水廠2016年1月—2018年10月實際進水水質、原設計進出水質如表1所示，可知實際進水水質除TP外均超過了設計值。

表1 進出水水質Tab.1 Influent and Effluent Quality

1.3 實際處理水量

隨著S開發區污水管網不斷完善，城鎮企業和常住人口數量的逐漸增多，廠外水量隨之提升。S開發區市政排水管網雖然按照分流制進行建設，但建設時雨污水管道混接情況嚴重，另外，S開發區周邊無河渠，雨水無最終出路，因此，雨季時S污水廠廠外水量激增。旱季時S污水廠廠外水量為5 000～8 000 m3/d，雨季時廠外水量可達8 000～10 000 m3/d。由于僅有1座二沉池運行，當處理水量為5 000 m3/d時，二沉池均時表面負荷為0.82 m/h，若水量增大到8 000 m3/d，則二沉池均時表面負荷為1.31 m/h，負荷過高容易造成跑泥。因此，為保證S污水廠的穩定運行，處理水量需控制在6 000 m3/d以內，導致上游污水管網經常高液位運行。2019年5月上旬，由于進水氨氮、TN指標連續超過設計值，出水TN接近超標，日進出水指標如表2所示。S污水廠采取降低處理量來保證出水水質的措施，處理量只能達到4 500 m3/d，核算廠外約有6 000 m3/d的污水產生，若無法繼續提升處理能力會造成上游污水外溢。

表2 日進出水水質Tab.2 Routine Influent and Effluent Quality

2 工藝運行診斷

2.1 水質指標

由表2可知，S污水廠進水CODCr、氨氮、TN、TP指標最高值分別超過設計值的12.5%、120.0%、85.7%、40.0%，出水最高值距標準限值的安全余量分別為40.0%、88.0%、0.0%、40.0%，因此，出水TN為關鍵提升指標。

在S污水廠實際運行過程中，發現夜間進廠污水污染物濃度較白天更高，因此，對某日夜間進廠污水按照2 h間隔進行采樣，水質檢測結果如圖3所示。可以推測在夜間企業有超標排放污水的嫌疑。

圖3 某日夜間實際進水水質指標Fig.3 Actual Water Quality Indices of a Certain Night

綜上，S污水廠進水水質大幅超過設計值，且夜間進水污染物濃度顯著增高，對廠內穩定運行造成很大的影響。

2.2 工藝控制指標

2.2.1 生物池容積核算

AO生物池由4條線組成，每條線分割為均勻的11格，其中缺氧區為3格，好氧區為8格，每格按照上下折流方式設置。生物池處理能力按照雨季時最大水量進行計算，即進廠水量為10 000 m3/d，缺氧區容積V1=2 625 m3，水力停留時間HRT1=6.3 h,好氧區容積V2=7 000 m3，水力停留時間HRT2=16.8 h,則AO生物池總水力停留時間HRT=23.1 h。根據室外排水設計標準進行核算[6]，滿足AO生物池處理要求。

2.2.2 回流比

在目前處理水量為4 500 m3/d條件下，根據進水TN和出水TN控制要求，計算系統內回流比需為300%[6]。系統設有3臺回流泵，單臺額定流量Q=50 m3/h，核算當前內回流比為80%，說明系統內回流量嚴重不足，曝氣區產生的硝酸鹽無法足量回到缺氧區進行反硝化脫氮，是導致系統出水TN居高不下的主要原因。

二沉池污泥外回流泵(額定流量Q=126 m3/h)按照目前處理水量核算回流比為67%，根據室外排水設計標準，外回流比需控制在50%～100%，目前滿足要求，但隨著處理水量超過6 000 m3/d后，外回流比將低于50%。

2.2.3 碳源

S污水廠在缺氧區進水端投加液體高效復核碳源，碳源有效含量為20%，2019年5月初平均投加量為200 mg/L。隨著出水TN不斷升高，投加量增加至330 mg/L后TN并未有明顯的降低，只能通過減少處理水量來保證出水水質。經計算，S污水廠進水中BOD5/CODCr約為0.4，BOD5/TN約為3.10。理論上BOD5/TN>2.86即滿足脫氮要求，但污水廠實際運行過程中受缺氧區溶解氧與硝酸鹽競爭電子供體的影響，一般需要BOD5/TN>5.00才能滿足脫氮要求[7]。按照出水TN指標小于15 mg/L計算，單位體積水量平均需去除約36 mg/L的TN，則最少需要BOD5含量為180 mg/L，而平均進水BOD5含量約為160 mg/L，單位體積水量需補充投加20 mg/L有效碳源，即液體高效復核碳源投加量為100 mg/L(有效含量為20%)。但實際碳源投加量遠大于計算投加量，因此，系統內回流比不足導致硝酸鹽回流量少是主要原因。

2.2.4 溶解氧

進一步分析缺氧區溶解氧的影響。采用HACH便攜式溶解氧儀HQ1130對按水流方向對每條線每格生物池的溶解氧進行測定，結果如表3所示。缺氧池溶解氧含量均小于0.5 mg/L，滿足缺氧環境下反硝化的要求[8-9]。但整個系統溶解氧分布不均衡，尤其線3和線4的末端溶解氧較高，需要進行曝氣支管路的閥門調整，使溶解氧控制在合理水平，防止回流污泥攜帶過多溶解氧破壞缺氧區環境。

表3 生物池沿程溶解氧的變化Tab.3 Changes of DO along Biochemical Pool

現有生物池曝氣鼓風機3臺，2用1備，單臺參數Q=32.3 m3/min，H=49.0 kPa。按照處理水量為10 000 m3/d核算，氣水比為9.3∶1，滿足生物池需氧量的要求[10]。

3 優化技改及運行效果

根據S污水廠運行的緊迫性分兩步進行優化技改，第一步確保出水達標情況下提升處理能力至6 000 m3/d，保障旱季時污水全收集全處理；第二步提升處理能力至10 000 m3/d，滿足處理水量進一步提升的要求。

3.1 一步優化技改措施

根據現有生物池多格構造的池型，將AO工藝改造為多級AO工藝(AAOAO)，即由厭氧區、缺氧區、好氧區、后缺氧區、后好氧區5段組成[11]。生物池第1格為厭氧區，停留時間為2.1 h；第2～3格為缺氧區，停留時間為4.2 h；第4～9格為好氧區，停留時間12.6 h；內回流位置調整為第2格起端，每條線第9格末端各設置1臺內回流軸流泵，單臺水泵額定流量Q=210 m3/h，使內回流比在處理水量為10 000 m3/d 時達到200%；第10格為后缺氧區，停留時間為2.1 h，關閉該位置曝氣管路閥門形成缺氧環境，為防止活性污泥沉淀，每隔4 h開曝氣10 min，后期安裝潛水攪拌器；第11格為后曝氣區，停留時間為2.1 h。碳源投加改為兩點，為缺氧區起端和后缺氧區起端，并以后缺氧區投加為主。

經改造后的多級AO工藝特點為：1)可使好氧區的部分硝化液直接進入后缺氧區進行反硝化脫氮，減少因內回流量不足導致反硝化脫氮能力下降的問題；2)內回流位置調整至第2格起端，形成第1格的厭氧環境，減少硝酸鹽對聚磷菌釋磷的影響，提高生物除磷效果，同時也減少了深度處理段的化學除磷藥劑的投加，技改后6個月運行數據表明節省投加量約為30%；3)碳源主要以后缺氧區投加為主，使厭氧區和缺氧區充分利用原水中的碳源，節約碳源藥劑投加量[12]。

通過對系統每條線的曝氣支管路閥門進行調整，使系統溶解氧進行合理控制，具體數據如表4所示。

表4 生物池沿程溶解氧的變化Tab.4 Changes of DO along Biochemical Pool

一步優化技改后經過7 d調試期，在保證TN達標情況下處理能力提升至6 480 m3/d，具體數據如表5所示。碳源藥劑投加量由330 mg/L降至100 mg/L左右。

表5 一步技改運行數據Tab.5 Operation Data of One Step Technical Improvement

3.2 二步優化技改措施

經一步技改后，限制水量提升的主要問題是二沉池和深度處理工藝的處理負荷。在處理水量為10 000 m3/d 條件下若恢復兩座二沉池并聯運行，則均時表面負荷為0.82 m/h，滿足處理要求，但工藝流程缺少深度處理單元。受水量提升要求時間緊的制約，新建深度處理構筑物無法滿足要求。超磁分離原理是在傳統混凝技術的基礎上同步加入磁種，使其與混凝劑、污染物等結合為一體，形成磁性復合體，然后利用自身比重大、沉降快的特點通過磁分離裝置，加速固液分離，從而將懸浮物去除，采用PAC混凝劑的同時也起到化學除磷的作用。因此，二步技改新增一套處理規模為10 000 m3/d的超磁分離一體化集裝箱式設備，具有占地面積小、設備到場完成管路安裝后即可使用的優點。同時，更換污泥外回流泵使回流比在處理水量為10 000 m3/d條件下達到100%。二步優化技改完成后，雨季典型月的日處理水量如圖4所示，二沉池出水TP和超磁分離一體化設備出水TP如圖5所示，最高處理水量接近10 000 m3/d，超磁分離一體化設備出水TP優于一級A排放標準，可見二步優化技改實現了水量的進一步提升。

圖4 雨季典型月日處理水量Fig.4 Daily Water Treatment Capacity of Typical Month in Rainy Season

圖5 雨季典型月出水TP變化Fig.5 Variation of Effluent TP of Typical Month in Rainy Season

4 結論

(1)工藝運行診斷分析表明，S污水廠因進水中工業污水比例和污染物濃度超過設計值，導致原設計工藝不滿足處理要求，進一步分析原因主要是生物池改造為AO工藝不滿足深度脫氮除磷的要求、二沉池串聯運行不滿足水量提升的要求、內回流量不足導致TN居高不下和碳源過度投加。針對問題提出了2個步驟，第一步改造生物池功能分區為五段式多級AO工藝，更換回流泵組提高內回流量，增加后缺氧區提高系統反硝化脫氮效果并節省內回流量，優化碳源投加點至后缺氧區可充分利用原水中的碳源進行反硝化。實踐表明，五段式多級AO工藝滿足深度脫氮除磷的要求且可以節約藥劑投加量，碳源藥劑投加量由330 mg/L降至100 mg/L左右，除磷藥劑投加量可節約30%左右。第二步恢復兩座二沉池的并聯運行后，增加1套超磁分離一體化集裝箱式設備作為深度處理工藝，具有占地面積小、安裝快速便捷的優點，實現了水量進一步提升的需求。實際運行結果表明，在高比例工業污水條件下，S污水廠在確保出水達標情況下處理能力接近10 000 m3/d，滿足了運營生產的需求。

(2)S污水廠優化技改表明，污水廠運營出現的問題需要詳盡分析運行數據以及對各工藝和設備參數進行復核，判斷是否滿足實際運行條件，并充分利用現有建構筑物進行改造。建議今后對污水廠進行全流程水質分析，判斷每個工藝段的實際處理效果，為工藝優化調整提供依據。