不同排放標準下污水廠提標改造工藝設(shè)計對比

吳斯文， 高雪， 黃志華， 賀珊珊

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司， 武漢 430000）

當(dāng)前， 全國各地區(qū)對污水污染物排放總量控制嚴格， 各地紛紛提高污水廠排放標準， 嚴重缺水地區(qū)和敏感性地區(qū)的污水廠主要出水指標已開始執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》， 還有一些地區(qū)已經(jīng)形成較為嚴格的地方標準， 高標準排污已然成為未來污水廠發(fā)展方向。

以徐州市某污水廠提標改造為例， 分別采用GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準（以下簡稱“一級A”）、 主要指標采用GB 3838—2002 中Ⅳ類標準（TN 除外）（以下簡稱“準Ⅳ類”）、 主要指標采用GB 3838—2002 中Ⅲ類（TN 除外）（以下簡稱“準Ⅲ類”）標準為要求， 進行工藝選擇與設(shè)計， 并對工程占地、 費用及成本等方面進行對比總結(jié)。

1 污水廠基本情況

1.1 工程概況

徐州市某污水廠規(guī)劃總規(guī)模為4 萬m3／d， 一期規(guī)模為2 萬m3／d， 出水水質(zhì)標準執(zhí)行“一級A”標準。 現(xiàn)狀工藝流程如下： 進水→粗格柵及進水泵房→細格柵及旋流沉砂池→A2O 生物池→配水配泥井→二沉池→濾布濾池→消毒渠→出水。

污水廠進水為合流制污水， 已滿負荷運行， 且雨污分流管網(wǎng)建設(shè)日趨完善， 水質(zhì)水量呈上升趨勢， 污水廠的擴建迫在眉睫。 同時， 該廠出水采用何種排放標準提標成為重要研究課題。

1.2 設(shè)計進出水水質(zhì)

根據(jù)2016 年8 月至2017 年7 月進水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析， 同時與徐州市雨污分流改造較為完善的污水廠對比， 考慮本項目納污范圍內(nèi)雨污分流改造后，進水水質(zhì)將有一定增高， 綜合確定本項目設(shè)計進水水質(zhì)。 本項目設(shè)計3 種排放標準， 分別為“一級A”、 “準Ⅳ類”、 “準Ⅲ類”。 設(shè)計進出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

1.3 存在問題分析

該廠存在問題主要有： ①生物除磷效果不佳，進水濃度很低情況下， 化學(xué)除磷PAC 投加量常達到20 mg／L； ②過濾原設(shè)計為砂濾池， 但因水力條件設(shè)計問題， 導(dǎo)致運行不暢， 已利用土建改為濾布濾池， 除磷藥劑常造成濾布堵塞， 藥劑投加點臨時調(diào)整在生物池出水口處， 又出現(xiàn)剩余污泥活性較差的問題； ③消毒工藝， 一期設(shè)計紫外消毒渠， 現(xiàn)狀改為次氯酸鈉接觸消毒， 接觸時間不足； ④廠區(qū)已按照總規(guī)模進行預(yù)留用地， 廠區(qū)周邊建設(shè)用地短缺， 補充征地困難。

在本項目提標改造工作中， 應(yīng)重點對存在問題提出解決措施， 并在此基礎(chǔ)上， 以出水指標作為目標要求， 做好工藝的選擇與設(shè)計， 優(yōu)選集約、 高效、 穩(wěn)定、 節(jié)能的處理工藝， 盡量節(jié)約成本、 節(jié)省占地， 避免二次征地。

2 不同排放標準要求下的提標改造工藝選擇

污水廠的提標改造， 針對不同的排放標準所要求的污染物去除指標不同， 所采取的技術(shù)路線也有所不同， 一般針對懸浮態(tài)有機物和SS 主要采用生化處理、 混凝沉淀、 過濾、 膜處理工藝； 溶解態(tài)有機物主要采用生化處理、 活性炭吸附、 臭氧氧化、芬頓工藝； TN、 氨氮類污染物常采用吹脫、 折點氯化、 生物脫氮工藝； 除磷主要采用生物除磷、 化學(xué)除磷； 溶解性無機物、 無機鹽類去除主要采用反滲透、 電滲析、 離子交換等工藝； 細菌、 病毒等微生物主要采用臭氧氧化、 消毒工藝。

針對本項目進水水質(zhì)特性及現(xiàn)狀分析， 出水水質(zhì)采用“一級A”標準的設(shè)計要點為二級處理的強化脫氮除磷、 深度處理去除SS 和TP； “準Ⅳ類”需更加強化二級處理的硝化與反硝化， 同時深度處理也需增強對BOD5、 SS 和TN 的去除； “準Ⅲ類”標準則既要在二級處理深度挖掘和強化各指標去除效果，更需配置強化反硝化、 硝化和去除有機物的深度處理單元， 以保證出水氨氮、 TN、 COD 能夠達標。

2.1 “一級A”標準的工藝選擇

針對該廠現(xiàn)狀存在問題， 深度處理的濾池和消毒渠均需重新改造設(shè)計， 因此本項目“一級A”標準工藝， 基本等同于常規(guī)污水廠“一級B”進行“一級A”標準的提標改造工藝選擇。

根據(jù)二級出水水質(zhì)指標及“一級A”標準的處理目標分析， 一級A 提標改造的處理目標主要為TN、 氨氮、 TP、 SS 和少量COD 的去除， 而TN、氨氮和COD 是可以在二級處理單元強化去除， SS和TP 則需要通過深度處理單元處理［1］。

一期A2O 工藝進水COD 濃度低， 反硝化段碳源不足影響脫氮效果， 生物除磷效果欠佳的原因主要是回流系統(tǒng)的硝態(tài)氮和溶解氧不利于厭氧釋磷，好氧吸磷效果差。 在二級處理的擴建和改造中， 一方面可補充碳源提高脫氮效果， 另一方面， 應(yīng)挖掘生物除磷能力， 減輕化學(xué)除磷壓力， 節(jié)約成本。

關(guān)于二級處理工藝選擇， 對比常用生物技術(shù)發(fā)現(xiàn)， UCT 與A2O 的原理和占地形式相近， 但回流污泥不直接進入?yún)捬醭兀?而是通過缺氧池回流到厭氧池， 能夠較好地解決溶解氧不利于厭氧釋磷的問題， 除磷效果更佳［2］。 而且， UCT 工藝具有氧氣需求量少， 污泥產(chǎn)量小， 能夠節(jié)省外加碳源的特點，更適用于我國普遍存在的低碳氮比的城市污水處理［3］。 因此， 針對本項目脫氮除磷要求較高、 進水碳源不足的特點， 結(jié)合二期用地情況， 推薦將UCT 工藝作為二級處理主體工藝。

本項目經(jīng)過強化生物處理后， 二級出水仍無法穩(wěn)定達標的污染物主要為SS 和TP， 針對以上2 種污染物， 目前較為成熟的工藝有混凝沉淀過濾工藝和膜工藝。 對于生活污水而言， “一級A”標準下，膜工藝的設(shè)備費用高， 運行成本偏高， 出于經(jīng)濟性考慮， 暫不作推薦； 同時結(jié)合該廠現(xiàn)狀濾布濾池運行良好， 但存在絮體堵塞濾布問題， 本項目“一級A”深度處理推薦采用高密度澄清池和濾布濾池聯(lián)用， 既能夠解決濾布堵塞問題， 又能夠有效去除SS、 TP 等污染物， 實現(xiàn)出水達標。 因此， “一級A”標準下污水處理工藝方案如圖1 所示。

圖1 “一級A”標準下的提標改造工藝方案Fig. 1 Upgrading and reconstruction process plan under"level A" standard

2.2 “準Ⅳ類”標準的工藝選擇

“準Ⅳ類”標準相比“一級A”標準， 對BOD5、COD、 氨氮、 TN、 TP 的要求有大幅提高， 其中，氨氮限值為1.5 mg／L， TN 限值為10 mg／L， TP 限值為0.3 mg／L， 脫氮除磷要求高。

二級處理效果是污水處理廠提標改造工程能否實現(xiàn)高標準出水的根本和基礎(chǔ)， 而污水二級處理過程中的提標挖潛更是改造重點［4］。

由于本項目在提標同時兼有擴建工程， 可對現(xiàn)狀和擴建二級工藝充分挖潛， 提高二級處理效率和處理程度， 減輕后續(xù)深度處理構(gòu)筑物的處理負荷。經(jīng)初步測算并結(jié)合工程經(jīng)驗， 通過對二級處理構(gòu)筑物的擴建和改造， 基本可保證BOD5、 COD、 氨氮等指標達到“準Ⅳ類”標準， 而深度處理應(yīng)著重解決TN、 TP 和SS 的去除。

根據(jù)2.1 節(jié)對二級處理技術(shù)分析， 本項目“準Ⅳ類”標準下的生物處理同樣推薦采用UCT 工藝，經(jīng)參數(shù)計算， UCT 池所需總設(shè)計停留時間約為18.9 h。 由于現(xiàn)狀A(yù)2O 生物池， 停留時間為16 h，在改造為UCT 池后， 需減量至1.7 萬m3／d 運行，同時再新建1 座2.3 萬m3／d 的UCT 池。 而二沉池方面， 沿用與一期相同參數(shù)， 水力負荷為1 m3／（m2·h）， 能夠滿足處理需求。

本項目深度處理階段， 主要目標污染物為TN、TP 和SS， 結(jié)合處理目標和現(xiàn)有用地條件， 推薦采用高密度澄清池（外加介質(zhì)）＋反硝化深床濾池工藝。一方面， 高密度澄清池通過外加介質(zhì)能夠形成大而重的絮體顆粒， 沉淀效率更高， 占地更小； 另外，采用反硝化深床濾池， 能夠兼顧反硝化脫氮和過濾， 保證出水TN 和SS 雙達標［5］。 因此， 該廠“準Ⅳ類”標準下， 污水處理工藝方案如圖2 所示。

圖2 “準Ⅳ類”標準下的提標改造工藝方案Fig. 2 Upgrading and reconstruction process plan under "quasi four category" standard

2.3 “準Ⅲ類”標準的工藝選擇

“準Ⅲ類”標準相比“準Ⅳ類”標準， 對BOD5、COD、 氨氮、 TP 提出更高要求， 因此除了挖潛二級生物處理能力外， 還需增加脫氮、 去除COD 能力更強的深度處理工藝。

本項目“準Ⅲ類”標準下的二級生物處理工藝選擇， 一方面延續(xù)“準Ⅳ類”工藝思路， 采用UCT 工藝， 將現(xiàn)狀A(yù)2O 池改造為UCT 池， 并減量至1.7萬m3／d 運行， 再新建1 座2.3 萬m3／d 的UCT 池。在此基礎(chǔ)上， 在生物池內(nèi)聯(lián)用移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝， 能夠在生物池內(nèi)形成復(fù)合生物膜，通過增加填料可以增加污泥量， 提高抗沖擊負荷能力， 確保有機物完全氧化［6］， 一定程度上提高脫氮效果。

在深度處理方面， 考慮本項目對BOD5、 COD、氨氮的去除要求很高， 深度處理工藝選定為二沉池應(yīng)急投加粉末活性炭； 反硝化和硝化（碳化）濾池去除TN、 氨氮， 強化去除BOD5； 在硝化濾池前設(shè)混合絮凝池投加除磷藥劑， 硝化濾池后疊加濾布濾池單元。 粉末活性炭的投加能夠有效控制出水COD濃度， 反硝化和硝化濾池不僅對污水中BOD5、 氨氮、 TN 有較好的去除， 同時通過濾池中微生物同化作用也可去除一定的磷［7］， 有效減少化學(xué)除磷投藥量， 再通過濾布濾池能夠進一步去除SS， 最終能夠穩(wěn)定實現(xiàn)出水達標。 本工程“準Ⅲ類”標準下，污水處理工藝方案如圖3 所示。

圖3 “準Ⅲ類”標準下的提標改造工藝方案Fig. 3 Upgrading and reconstruction process plan under "quasi three category" standard

2.4 技術(shù)經(jīng)濟分析

本項目針對3 種排放標準的處理要求， 共形成了3 種具有針對性的擴建及提標改造工藝方案， 并就3 種方案的主體工藝、 占地面積、 工程投資、 成本等進行了技術(shù)經(jīng)濟分析， 比較結(jié)果見表2。

由表2 可知， 隨著出水標準的提高， 工程構(gòu)筑物明顯增多， 占地面積增大， 工程費用和水處理成本提高。 本項目采用“準Ⅳ類”和“準Ⅲ類”標準相比于“一級A”標準， 工程占地方面分別增加了10%和53%， 工程費用方面分別提高了35% 和73%，水處理成本方面分別提高了54%和118%。

表2 技術(shù)經(jīng)濟比較Tab. 2 Technical and economic comparison

3 結(jié)語

（1） 提標改造的技術(shù)路線應(yīng)圍繞所需去除的污染物指標， 結(jié)合用地、 水質(zhì)和工藝特點分析， 進行針對性的工藝選擇與設(shè)計， 以取得與處理目標相適應(yīng)的預(yù)期處理效果。

（2） 愈加嚴格的出水標準， 污水處理程度愈加提高， 工藝流程將越來越長， 對工程用地、 工程投資、 運營成本都將相應(yīng)提高， 而且工藝的復(fù)雜程度和設(shè)備的維護檢修量都將明顯提高， 這是對污水廠經(jīng)營提出的新的要求與挑戰(zhàn)。

（3） 在高排放標準要求下進行污水廠提標改造的建設(shè)， 能夠大幅提高污水處理程度， 與此同時，也將增加經(jīng)濟投資和成本， 以及運行維護難度。 采取何種排放標準， 應(yīng)根據(jù)污水水質(zhì)特性、 受納水體情況、 當(dāng)?shù)亟?jīng)濟情況等多方面考慮； 在提標改造的同時， 應(yīng)進行充分的技術(shù)經(jīng)濟分析， 考慮多種手段相結(jié)合來達到節(jié)能減排的目的。