某污水處理廠提標工程的運行分析及出水水質預測模擬研究

沈虎祥

（中國空分工程有限公司，浙江 杭州 310021）

為進一步提高浙江水環境質量， 提升城鎮污水處理廠污染治理能力， 在浙江省第十三屆人民代表大會《政府工作報告》 中指出浙江省從2018 年開始啟動100 座城鎮污水處理廠清潔排放技術改造工程， 并在2019 年開始實施城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準（DB 33/2169-2018），即在目前城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）中一級A 標準的基礎上進一步精確化學需氧量、氨氮、總磷、總氮4 個項目的排放限值[1]，達到浙江省清潔排放標準。

本文以東南沿海某地污水處理廠三期擴建工程實例，分析工藝運行方案以及相關工程措施，為污水處理廠清潔排放標準提標建設和運行提供案例。

1 污水處理廠工程概況

污水處理廠一、二期處理規模為4 萬t/d，采用“水解+CAST+反硝化深床濾池+紫外線消毒”組合工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB918-2002）》一級A 標準。三期擴建工程處理規模為2 萬t/d，出水要求達到浙江省《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準（DB33/2169-2018）》和《城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB918-2002）》一級A 標準。

1.1 進水水質

由于該污水處理廠提升泵房已按6 萬t/d 的規模建成，三期擴建工程進水來自已建提升泵房，因此進水水質與一二期工程相同。

根據已收集2019 年該污水處理廠一期、二期工程的進水水質實測資料，對COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS 等主要水質指標進行統計分析，如圖1 所示。

圖1 一期、二期實測進水水質統計散點圖

根據以上分析，該污水廠進水95%涵蓋率水質情況及水質特點見表1。

表1 95%涵蓋率進水水質情況表 mg·L-1

該污水處理廠污水來源包括城市生活污水、工業園區排放的工業廢水，生活污水的比重在42%～60%之間，工業廢水的比重在40%～58%之間。 工業園區內企業一般均配備了污水治理設施,但是氮、磷的納管指標多數執行《污水排入城鎮下水道水質標準（GB/T31962-2015）》, TN≤70 mg/L,TP≤8 mg/L,指標相對較寬。 因此,企業、工業園區的污水治理設施基本上對BOD5處理功能較強,但是對氮、磷處理功能相對薄弱,出水具有低B/C 值、高氮磷的特點[2]。 根據污水處理廠一、二期工程進水水質監測統計資料，綜合考慮各企業預處理后污水的特點及存在的不確定因素，確定污水處理廠三期混合進水水質指標，見表2。

表2 進水水質指標 mg·L-1

1.2 設計出水排放標準

該污水處理廠三期工程出水水質執行浙江省 《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB33/2169-2018）和《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB918-2002）一級A 標準，見表3。

表3 設計出水排放標準 mg·L-1

2 擴建工程方案

2.1 工藝選擇

該污水處理廠進水中工業廢水所占比重相對較高，工業園區廢水均是處理后的尾水，綜合污水可生化性較差，水中難降解物質較多，根據一、二期實際進水水質分析，B/C在0.26 左右，屬于較難生化廢水。 高比例工業廢水對城鎮污水處理廠的運行和提標改造帶來巨大挑戰,矛盾主要集中在以下方面：（1）工業廢水造成城鎮污水處理廠進水的C∶N∶P 失衡,導致運行成本上升[3]；（2）溶解性難生物降解物質增加了污水處理廠建設的投資成本；（3）工業廢水的不穩定性對污水處理廠運行造成沖擊。

針對三期擴建項目達到浙江省清潔排放標準的幾項污染物因子（COD、NH3-N、TN 和TP），本工程主要的難點和對應提標工藝如下：

（1） 出水COD 標準提高，從一級A 標準的50 mg/L 提高到清潔排放標準的40 mg/L。因此需要提高生化工藝去除有機物的效率。 COD 的去除主要在生態鏈反應池實現。 生化工藝采用生態鏈反應池工藝，其容積大，停留時間長，抗沖擊性好，通過鼓風曝氣，保證硝化反應的完成，使污水中的大部分COD 被去除，同時將氨氮轉化成硝態氮以及進行脫氮反應。

（2）出水的氨氮和總氮標準提高，氨氮從一級A 標準的5（8） mg/L 提高到清潔排放標準的2（4） mg/L；總氮從一級A 標準的15 mg/L 提高到清潔排放標準的12（15） mg/L。 氨氮的去除方法主要有吸附、氨化、硝化、反硝化等。 去除過程主要在生態鏈反應池進行，通過控制好氧池末端DO 在2～3 mg/L 來控制出水氨氮穩定達標[4-5]。 總氮的去除主要在生態鏈反應池和反硝化深床濾池進行，通過控制硝化混合液的回流比，生態鏈反應池采用多點進水以節省碳源。 在反硝化深床濾池控制濾池進水溶解氧，提高反硝化效率，確保濾池出水穩定性[6]。 因此需要提高生化工藝硝化和反硝化效率，增加深度脫氮工藝。

（3）出水的總磷標準也有較大幅度的提高，從一級A 標準的0.5 mg/L 提高到清潔排放標準的0.3 mg/L。去除污水中總磷主要通過化學除磷和過濾等污水深度處理設施，因此提標工程建立了高效沉淀池，并通過投加藥劑輔助處理作為深度處理工程，使出水總磷達到排放標準。

另外，根據一二期的運行經驗，本項目服務范圍內的工業園區有較多羽絨加工企業，廢水中含有較多細小羽絨，機械細格柵無法去除，對后續生化處理系統造成不利影響。 因此在細格柵和旋流沉砂池后增設超細膜格柵，進一步攔截纖維、鴨絨等細小物質，減少固態雜質對后續工藝處理的影響。 同時，因為工業廢水在進水中占比較高,工業廢水水量和水質不穩性會對城鎮污水處理廠運行過程中帶來沖擊，所以在工藝選擇上也采取針對性措施：在現有工藝基礎上，結合實際運行情況，在生態反應池前建立調節池，能夠滿足事故調蓄需求，對進水進行調質調量，減少工業廢水的沖擊，改善后續生化處理的條件。

2.2 工藝流程

三期擴建工程工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

2.3 主要構筑物及設計參數

2.3.1 細格柵及旋流沉砂池

細格柵渠2 道，渠寬1 m，配置機械回轉格柵2 臺，柵隙5 mm，柵寬0.9 m。 旋流沉砂池2 座，直徑2.43 m，配置2 臺旋流沉砂器，單臺處理能力為600 m3/h，n=12～20 rpm，N=1.1 kW。

2.3.2 超細格柵池

設置膜格柵2 道，渠寬1.4 m，孔徑1 mm。 在進一步攔截纖維、鴨絨等細小物質。

2.3.3 調節池

調節池1 座，容積5 000 m3，停留時間6 h。 調節池內設置潛水攪拌機，加強水質混合均勻并防止池底懸浮物淤積。 調節出出水端設置提升泵2 臺，1 用1 備，Q=800～1 200 m3/h，H=4 m，N=18.5 kW。

2.3.4 生態鏈反應池

生態鏈反應池1 座，池體尺寸：200 m×45 m×7.5 m，反應池內分多個區域，每個區從池底到水面又分為污泥層、厭氧層、缺氧層、好氧層。 污泥層設置排泥管路，好氧層設置組合填料單元，末端設置硝化液回流，回流比200%。 生態鏈反應池采用多點進水，設置配水井，分配各區進水量。 回流泵Q=840 m3/h，H=1.5 m，N=7.5 kW，共3 臺，2 用1 備。 生態鏈反應池供氧系統由空氣懸浮風機+微孔曝氣管組成，空氣懸浮風機3 臺，2 用1 備，Q=85 m3/min，P=40 kPa，N=75 kW。

2.3.5 中間提升池

中間提升池容積200 m3，收集生化出水將其提升至深度處理單元。 中間提升池配置提升泵3 臺，2 用1備，Q=600 m3/h，H=12 m，N=37 kW。

2.3.6 高效沉淀池

高效沉淀池2 座，并聯運行。 混合區停留時間2 min，反應區停留時間10.5 min，沉淀區平面尺寸10 m×10 m，表面負荷6.2 m3/m2·h。 高效沉淀池投加聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺，去除水中的磷酸鹽。 如遇上生化處理出水COD 較高，可在前端投加粉末炭。

2.3.7 反硝化深床濾池

反硝化深床濾池包括濾池本體、管廊間、廢水池、清水池、反沖洗機房等。 濾池本體分為4 個濾池，單格尺寸13.5 m×2.8 m×6.0 m（H），濾速6.0 m/h，濾料為2～4 mm 的石英砂濾料。汽水聯合反沖洗。反硝化深床濾池進口補加碳源，在濾池內進行反硝化脫氮，控制濾池進水溶解氧對于降低反硝化濾池碳源投加費用、提高濾池出水穩定性有重要作用，確保總氮出水達到清潔排放標準。

2.3.8 化學消毒池

該污水處理廠一、二期工程采用紫外消毒，從實際運行來看，紫外消毒效果較差，因此，三期工程采用次氯酸鈉消毒。 建有化學消毒池1 座，池容450 m3，接觸時間30 min。

2.3.9 污泥處理系統

污泥處理系統由兩部分組成：污泥濃縮系統和污泥脫水系統。 污泥濃縮系統采用疊螺式濃縮機，2 臺，1用1 備，單臺處理能力90～180 kgDS/h。 污泥脫水采用高壓隔膜板框壓濾機2 臺，1 用1 備，壓濾機過濾面積125 m2，工作壓力1.2 MPa。 污泥脫水前投加無機鐵鹽和石灰調理，處理后污泥含水量小于60%，泥餅外運到當地水泥廠處置。

2.3.10 除臭系統

污水廠臭氣主要以揮發性有機物以及硫化氫、甲硫醇、氨等惡臭物質為主。除臭工藝采用生物滴濾工藝。除臭裝置分為兩套。 一套位于廠區預處理區塊，負責收集細格柵及旋流沉砂池、超細格柵池、調節池等預處理設施臭氣，處理風量為18 000 m3/h；；另一套位于污泥處理區塊，負責處理污泥貯池和污泥調理池、污泥脫水機房和污泥堆場區塊，處理風量為28 000 m3/h。

3 工程改進效果和經濟分析

該污水廠三期擴建工程于2021 年5 月開始投入試運行，2021 年9 月試運行結束，試運行期間各項指標處理效果總體較好，COD、氨氮、SS 一直穩定達標，TN、TP 期間偶有波動，后續經過運行調整也能穩定達標。下面對污水處理系統2021 年6 月至9 月份三個月的處理效果進行分析（實際污水量在1.5 萬t/d 左右）。

3.1 COD 處理效果

工程增大了生物池厭氧區域，容積變大，污水處理停留時間長，增強難降解有機物水解酸化的處理效果。從圖3 可以看出，該污水廠進水COD 在140～280 mg/L 之間，進水波動性較大，高值接近低值的2 倍，但系統出水非常穩定，出水COD 穩定在40 mg/L 以下。去除率基本達到85%以上，多數時段在90%左右。相對于一、二期工程去除效果提升了約6%,COD 處理效果良好。

圖3 COD 處理效果圖

3.2 氨氮和總氮處理效果

提標選用多級A/O 串聯工藝，多級A/O 串聯取消內回流設備，上一級硝化液完全進入下一級缺氧區進行反硝化，強化脫氮效果，提高脫氮效率。從圖4 和圖5 可知，該污水廠進水氨氮在12～20 mg/L 之間，出水氨氮穩定在2 mg/L 以下，氨氮去除率大于90%，比一、二期增加了約5%。進水總氮在16～28 mg/L 之間，出水總氮穩定在12 mg/L 以下，較之前提升了7%左右。出水指標較優，均能滿足出水排放標準。同時，提標工藝使污水中的碳源分配更加合理，降低了投資和運行成本。

圖4 氨氮處理效果圖

圖5 總氮處理效果圖

3.3 總磷處理效果

通過在生態鏈反應池后建立高效沉淀池，同時輔以化學藥劑，污水處理工藝高效的結合了生物除磷功能和化學除磷功能，提高除磷效率。 從圖6 可知，該污水廠進水總磷大部分時段在4.5～8 mg/L 之間，進水總磷較高，波動較大。污水處理后，總磷去除率在85%～95%之間，隨著進水的波動而波動，出水總磷均在0.3 mg/L以下，比一、二工程的處理效果更加穩定，達到了污水排放標準的要求。

圖6 總磷處理效果圖

3.4 經濟分析

該污水廠三期工程占地面積3.53 hm2，脫水后的污泥量約為4.5 t/d（含水率60%）。 總投資16 431.41 萬元，試運行期間工程日常運行藥劑費0.353 元/m3、電費0.698 元/m3。合計污水處理成本約1.549 元/m3，略高于提標改造前的運營成本，但是能夠取得較好的污水處理效果，符合預期的要求。

4 數據模擬分析

隨著信息時代的發展，計算機硬件和軟件技術進一步的提升，數據驅動模型在各個方面的應用也展現了長足的優勢。 污水處理是一個復雜多變的過程，并且外界的動態的環境因素對其有較大的影響，具有較強的時變性、非線性、遲滯性等特點。 因此在工藝處理過程中的部分關鍵水質參數不能夠實時的測量和獲取，從而導致工藝控制無法第一時間調控[8]。研究將支持向量機回歸模型（SVR）用于針對污水處理中出水水質的軟件檢測，能夠即時、準確的發現污水處理水質中未達標的水質參數，與傳感器硬件相結合自主調節工藝處理流程中的相關參數，主動避免了人工測試的延后性，提高了工藝調節效率。 模型能夠確保污水處理出水水質穩定達標，為污水處理廠的控制技術優化提供參考。 因為其能夠減少人工測試過程，及時準確調控工藝，所以也能達到節能降耗，降低經濟成本的效果，最終促進污水資源的再利用。

4.1 支持向量機

支持向量機是一類按監督學習方式對數據進行二元分類的廣義線性分類器，其決策邊界是對學習樣本求解的最大邊距超平面，最終轉化為一個凸二次規劃問題的求解。 SVM 的核心目標就是把給定的樣本集D={（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），...，（xn，yn）}，yi∈{1，-1}中的兩類樣本劃分成正反兩類，其在空間中找到一個最優的分類超平面，使兩類樣本之間的間隔最大，超平面方程為：ωTx+b=0。 滿足該條件的決策邊界實際上構造了2 個平行的超平面作為間隔邊界以判別樣本的分類：

通過引入拉格朗日乘子：ai和ai*可得到其拉格朗日函數和對偶最優化形式：

其中，K（xi，xj）為核函數。 通常使用的核函數有：

線性核函數：K（xi，xj）=xixj；

多項式核函數（POLY）：K（xi，xj）=（xixj）d，d≥1；

其中，為參數預測值，yi為樣本真實值，MSE 的值越小，模型的預測準確性就越好。

其中，為樣本真實值的平均值，分子部分表示真實值與預測值的平方差之和，類似于均方差MSE，分母部分表示真實值與均值的平方差之和，類似于方差。根據R2的取值，來判斷模型的好壞，其取值范圍為[0，1]，R2越大，表示模型擬合效果越好[11]。

4.2 SVR 模型的訓練與驗證

研究以進水溫度、PH、COD、氨氮、總氮、總磷為輸入參數，以出水COD、氨氮、總氮、總磷為預測參數輸出，建立SVR 回歸模型，使用污水處理廠的實際測量數據為訓練和測試樣本。 模型對出水COD、氨氮、總氮、總磷預測結果的評價指標的見表4，預測結果如圖7 所示。

表4 SVR 預測結果評價指標

圖7 預測和實測結果對比

由表4 和圖7 可得，其中出水COD 預測結果一般，但是大部分誤差在5 mg 以內。 對出水氨氮、總氮、總磷預測結果較為準確，MSE 均達到10-2數量級，相關系數也達到了0.9 以上，驗證了模型的準確性。結果表明研究建立的SVM 預測模型預測的出水COD、氨氮、總氮、總磷的結果與測量結果誤差較小，在合理范圍以內，滿足工程應用的需要。

5 結論與建議

（1）生態鏈反應池的本質是多層多級生物膜法A/O 工藝，對較難生化廢水的COD 去除效果較好，出水COD 穩定小于40 mg/L。生態反應鏈池工藝優點明顯，具有生態景觀效果明好、污泥產量小（僅為傳統活性污泥工藝的20%）、運行成本低和抗沖擊負荷能力高等優點。

（2）高效沉淀池和深床反硝化濾池組合的深度處理工藝，對TP 和TN 的處理效果明顯，高效沉淀池進水TP 在3 mg/L 左右，出水TP＜0.5 mg/L，反硝化深床濾池處理出水TP 穩定在0.3 mg/L 以下。 生態鏈反應池出水TN 在10～15 mg/L 之間，深床反硝化濾池出水TN 穩定在8～12 mg/L 之間。

（3）從運行效果來看，整個系統日均產泥量在4 噸左右（含水率70%），以物化污泥為主，試運行期間，生化污泥量很少。 因此以生態鏈反應池為核心的工藝組合能滿足浙江省清潔排放標準的要求，可作為未來污水處理廠建設或提標的可選工藝。

（4）建立了SVM 預測模型預測出水COD、氨氮、總氮、總磷，預測結果誤差較小，能夠應用于工程實踐，在預測結果不滿足出水指標時，可及時調整污水處理工藝流程，確保出水水質穩定達標，對污水處理有指導意義。

工業廢水對城鎮污水處理廠的影響和溶解性難降解污染物問題是生態環境問題的關注重點。 工業廢水沖擊是污水處理廠達標運行的最大安全隱患，工業廢水不能只關注是否能滿足納管標準下游城鎮污水處理廠是否還有處理水量的余量，也應評價工業廢水中的污染物是否會對城鎮污水處理廠的工藝造成沖擊,是否能得到有效降解。 本項目工業廢水占比較高，擴建工程雖設置了調節池，但當進水水質水量波動大時，仍會受到沖擊。 因此需對上游的工業廢水進行管控,減少高標準運行的風險。