某城區污水處理廠二級生物處理系統提標改造工藝設計

孫 巍，趙紅兵，張衛東

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430014)

近年來，隨著國家對環保的要求日趨嚴格，城市生活污水處理廠作為水環境保護的重要基礎工程設施，作用愈加重要。與此同時，我國對污水處理廠的處理效果要求也不斷提升。目前，我國污水處理廠出水執行的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)將基本控制項目的常規污染物標準值分為一級標準、二級標準及三級標準，其中一級標準又分為 A 標準和 B 標準。隨著水污染防治力度的加大，城市污水處理廠出水標準要求提升為一級A標準或者更高的標準。對比《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)和《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的相關規定可知，污水處理廠出水水質由一級 B 標準提升至一級 A 標準，除了需要進一步降低水中SS、BOD5、COD等物質的含量外，提標重點在于脫氮除磷[1-2]。針對TN去除的技術措施主要有：生化段用于強化生物脫氮、外加碳源，后端設置反硝化濾池。針對TP去除的主要技術措施為：生化段用來強化生物除磷，后端增加化學輔助除磷。這種生物、化學處理互為補充的組合方式無疑是最為穩妥的，但因為生物處理方式更為環保節能，二次污染少，所以強化生物處理的脫氮除磷效果，降低所需輔助的化學除磷藥劑及碳源投加已成為行業共識。后端設置反硝化濾池需要增加工藝流程、運行費用及建設成本，如果僅通過挖潛、強化二級生物處理能力而實現脫氮除磷需求，對于污水處理廠提標改造工藝而言，無疑更為簡單、高效。本工程設計方案正是秉承這一理念，應運而生。

孝感市城區污水處理廠地處孝感市孝南區，隨著城市的發展已經由建廠之初的遠城區變成了今天的繁華之地，周邊無新增用地可能，而廠區內原有預留用地面積小且利用難度大。此外，鑒于環保要求，設計方案還需考慮在施工期間現有廠區能夠正常運行、不停產?；谟玫亍⒐に嚵鞒?、外部要求等現實邊界條件，對現有二級生物處理系統的生物池進行擴容、調整功能分區、多點進水改造；更換內回流泵，調整回流比，優化回流點；強化生物脫氮除磷效果達到提標需求。這種充分挖潛、利用、提高生物處理系統脫氮除磷能力的提標策略，不僅可以有效降低后續處理設施的建設成本及運維費用，還有利于污水處理廠節能減排，綠色環保。

1 項目概況

孝感市城區污水處理廠位于湖北省孝感市孝南區，是一座城市生活污水處理廠，總處理規模為14萬m3/d，分兩期實施。一期(7萬m3/d)于2008年竣工通水，二期(7萬m3/d)于2014年竣工通水，尾水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，出水排入槐蔭河。本工程是對現有污水處理廠進行提標改造，將出水水質由一級B標準提高至一級A標準，設計規模為14萬m3/d。

1.1 現狀處理工藝

污水處理工藝：市政管網污水→粗格柵及進水泵房→細格柵及曝氣沉砂池→改良百樂卡AAO生物池→二沉池→消毒池→出水排放(枯水期自排，豐水期泵房提升)至槐蔭河。

污泥處理工藝：剩余污泥→預濃縮池→機械濃縮脫水池→高壓板框脫水至污泥含水率為60%→外運填埋。

1.2 運行現狀及分析

提標前污水處理廠出水水質穩定達到一級B標準，處理水量接近設計水量，運行狀況穩定、良好，2016年污水處理廠運行工況如圖1所示。對現狀處理情況進行分析得出：污水處理廠現有工藝對于CODCr、BOD5、氨氮這3項指標的去除效果已滿足一級A標準要求，說明現有改良百樂卡AAO生物池的好氧區容積及曝氣系統可以滿足提標需求；而對于SS、TP、TN 這3項指標的去除效果無法滿足提標需求，是提標改造設計亟需解決的重點。

圖1 提標前污水處理廠進、出水水質

1.3 用地現狀

廠區周邊土地均已開發利用，不具備新增用地的條件，提標改造工程須在廠區現狀用地紅線范圍內完成。廠區現有預留用地主要位于西南及東南側，具體位置如圖2所示。其中西南側預留用地①地塊面積稍大，但位于現有處理系統上游，東南側預留用地②地塊面積較小，位于現有處理系統下游。

圖2 污水處理廠用地現狀示意圖

2 現狀存在問題及總體解決方案

通過前述對廠區現狀運行工況分析得出，現有工藝對于CODCr、BOD5、氨氮指標的去除效果已滿足提標要求，現有超標污染物指標主要為SS、TP、TN。具體的設計進、出水水質及處理程度要求如表1所示，其中對于SS、TP、TN的去除率要求分別為96.2%、90.0%、62.5%。根據《室外排水設計標準》中污水廠的處理效率規定可知，二級處理(活性污泥法)對于SS的去除率為70.0%～90.0%，對TP的去除率為75.0%～85.0%，對TN的去除率為60.0%～85.0%。對比二級處理效率與本廠提標要求的處理效率得出，SS及TP的去除必須依賴深度處理單元的輔助，而TN的去除完全可以強化二級處理的生物脫氮效果而實現。因此，提標改造設計以確保出水SS、TP、TN達標為主旨，并結合用地條件、現有工藝流程綜合考慮，確定為通過改造現有二級生物處理系統、增加池容、降低負荷、優化回流方式等多途徑提高生物脫氮除磷效果[2-4]。需要說明的是，二級生物處理以確保TN出水達標為首要任務，TP的去除以生物處理為主、化學除磷為輔。

表1 設計進、出水水質及處理程度

在位于現有工藝流程上游的預留用地①增設厭氧/缺氧生物反應池，用來強化廠區二級生物系統的脫氮除磷效果；在位于現有工藝流程下游的預留用地②增設深度處理構筑物，以去除SS為主要目標、化學除磷為輔，并進一步降低其他污染物指標，提升出水水質。因深度處理用地非常有限，采用了高負荷的加砂高速沉淀池及精密過濾設備，提標后的工藝流程如圖3所示。

圖3 污水處理廠提標改造工藝流程示意圖

3 二級生物處理系統提標改造工藝設計

對于已建的二級生物反應池，強化其生物脫氮除磷效果的常用改造方法有3種。①優化功能分區。若生物池池容基本滿足要求，可通過新增隔墻或結合初沉池綜合利用等方式，將原池內各反應段分區進行調整或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等。②改造為移動床生物膜反應器(MBBR)工藝。MBBR工藝是向池中投加填料，填料在池內混合液回流翻轉的作用下自由移動，對于好氧池，通過曝氣使填料移動；對于厭氧及缺氧反應池，依靠機械攪拌作用移動。MBBR工藝吸收了傳統流化床與生物接觸氧化法兩種工藝的優點，因懸浮填料內外表面形成具有生物量高、泥齡長特點的生物膜，可以獲得較好的脫氮除磷效果。該工藝比較適用于用地限制、無法增加反應池池容的老廠改造。③擴容降負荷改造。通過降低已建生物反應池處理規模，減小負荷、延長水力停留時間，同時另外增設生物反應池，滿足污水處理水量要求[5]。

3.1 強化生物脫氮除磷技術路徑

本工程現有二級生物處理構筑物為改良百樂卡AAO生物池，通過優化設計，將影響生物脫氮除磷效果的各影響因素向有利于脫氮除磷方向推進，強化生物脫氮除磷效果。另外，以優先生物脫氮、同步生物除磷、輔以化學除磷，同時考慮碳源補充為基本原則，具體技術路徑如下。

(1)碳氮比。充足的有機物是保障脫氮及厭氧釋磷效果的重要因素之一，本工程提標改造前進水BOD5/TN為2.6，BOD5/TP為18.7，可通過多點進水提高有機物利用率，并補充碳源，多途徑滿足脫氮除磷的碳源需求。

(2)污泥負荷與污泥齡。為了獲得較好的脫氮效果，需要較低的污泥負荷及較長的污泥齡，但與之相反，縮短泥齡可以提高生物除磷效果。本工程生物池設置的目的是以生物脫氮為主，可以通過增加池容、降低污泥負荷、提高污泥齡獲得較好的生物脫氮條件。

(3)污泥及混合液回流比。當硝化與反硝化條件都較好時，系統最大脫氮率是總回流比r(污泥與混合液回流比之和)的函數，最大脫氮率為r/(1+r)。增加總回流比可以提高脫氮效果，但總回流比為4時，再增加回流比對脫氮效果的提高不大，反而會降低系統運行效果。

3.2 具體工藝設計方案

為充分利用、挖潛二級生物處理系統的脫氮除磷功能，采用多種途徑同步優化，創造適宜的脫氮除磷條件，具體工藝設計如下。

(1)優化現有生物池分區，新建生物池增加池容，降低負荷。現狀改良AAO生物池停留時間為12.8 h(厭氧區1.8 h，缺氧區3.0 h，好氧區8.0 h)，污泥質量濃度為5 g /L。提標改造后的分區為選擇區、厭氧區和缺氧區。

①選擇區：新增選擇區，停留時間為0.5 h。

②厭氧區：新建厭氧池1和厭氧池2，停留時間分別為1.0 h和0.5 h。

③缺氧區：新增前置缺氧池1，停留時間為0.6 h，并將現狀厭氧區改為缺氧池2，停留時間為1.8 h，用來補充缺氧區容積的不足，強化生化脫氮能力。改造后，新的缺氧區由3個部分組成：缺氧池1(新建)+缺氧池2(現狀厭氧區改造)+缺氧池3(現狀缺氧區)，總停留時間為5.4 h。

(2)生物池各分區之間可進行轉換，設計靈活。新建厭氧/缺氧反應池的核心宗旨是確保出水TN達標，因此，分區轉換是為了進一步提高脫氮效果。其單組平面布置如圖4所示，具體轉換方式：通過切換回流渠進水閘門，改變混合液回流出口位置至厭氧池2，可將其轉換為缺氧區，根據實際運行需求，進一步增加缺氧區容積，提高脫氮效果。

圖4 厭氧/缺氧反應池單組平面示布置示意圖

(3)將混合液內回流比由200%提高至300%，提高脫氮效率。

(4)多點進水，通過在進水及回流渠之間的變頻穿墻泵實現，可提高有機物利用率，減少碳源投加量。

(5)外加輔助碳源，用于特殊時段進水碳源不足時補充碳源，滿足供給反硝化脫氮的碳源需求，提高脫氮效果穩定性。

(6)優化各分區的進、出水條件及回流位置，提高池容利用率、抗沖擊負荷能力、脫氮除磷效果。

4 提標改造運行效果

提標工程于2019年底竣工通水，自運行以來，出水水質穩定優于一級A標準。隨著近幾年孝感城區污水管網的不斷完善以及雨污分流改造工程的有序推進，提標改造后的進水指標較改造前有所提高，出水水質也明顯優于提標前，提標改造工程效果顯著，具體年均進、出水水質情況如表2所示。其中二級生物處理系統在去除氨氮、TN、CODCr、BOD5污染指標方面的表現較為突出，對TP的去除也起到了關鍵作用。提標前后各項指標去除率對比如圖5所示，提標后出水TN平均質量濃度為7.9 mg/L，去除率為63.0%～72.0%；出水TP平均質量濃度為0.2 mg/L，去除率為90.0%～96.0%。將提標改造后的二級生物處理系統處理效果與改造前進行對比分析發現：提標后TN平均去除率由 54.4%提高至68.5%，TP平均去除率由84.6%提高至93.5%。且本次提標改造新增電耗低，全部新增處理單元電耗為0.096 kW·h/m3，提標用地僅用1.3×104m2，噸水投資僅為640元。

表2 提標改造前后平均進、出水水質對比

圖5 提標前后各項指標去除率對比

5 結論

孝感市城區生活污水處理廠基于提標需求并結合用地現狀，在現有百樂卡生物池前端增設厭氧/缺氧反應池，重新構建高效二級生物處理系統的工藝設計獨具匠心，通過精心設計將提標障礙逐一擊破，使污水處理廠的提標得以順利完成。解決方案簡單而高效，經過實踐檢驗合理、可行。

(1)強化生物脫氮效果，不僅可以在系統后端設置反硝化生物濾池，也可借鑒本設計，在系統前端生化段增設缺氧反應池強化脫氮效果。

(2)通過調整生物脫氮除磷的運行條件可以獲得較好的脫氮除磷效果。出水TN平均質量濃度為7.9 mg/L，去除率為63.0%～72.0%；出水TP平均質量濃度為0.2 mg/L，去除率為90.0%～96.0%。

(3)對于生活污水處理廠，TN、TP以生物處理系統為主的工藝效果穩定、無二次污染、能耗低，提標改造的全部新增處理單元電耗為0.096 kW·h/m3。

(4)提標方案簡單、高效，用地節約，建設成本低，提標用地僅為1.3×104m2，噸水投資僅為640元。