同步硝化反硝化設(shè)計(jì)案例
——以沁陽市某污水處理廠為例

蔣 雷

(鄭州市建筑設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450000)

沁陽市某污水處理廠是沁陽市較早的污水處理廠，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3×104m3/d，主要處理城鎮(zhèn)生活污水和部分企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水。由于建設(shè)時(shí)間較早，污水處理廠出水水質(zhì)僅達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，污水廠出水中含可溶性難降解有機(jī)物以及氮、磷等溶解性無機(jī)化合物，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入河流、湖泊，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成污染[1-2]。為貫徹和落實(shí)國家政策，維持生態(tài)穩(wěn)定平衡，控制源頭污染物排放，對(duì)沁陽市某污水處理廠進(jìn)行脫氮除磷提標(biāo)改造，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程背景

污水處理廠采用的是生物接觸氧化工藝，具體的工藝流程如圖1 所示。該廠通水至今經(jīng)歷了調(diào)試、培菌、試運(yùn)行等階段, 最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，出水水質(zhì)達(dá)到國家當(dāng)時(shí)要求的標(biāo)準(zhǔn)。但是，隨著國家對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)要求的提高，該廠目前的出水水質(zhì)暫不符合國家一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)對(duì)該廠經(jīng)行改造，以提高出水水質(zhì)。

圖1 沁陽市某污水處理廠工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of a WWTP in Qinyang City

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

本次升級(jí)改造設(shè)計(jì)仍采用原設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，改造前的進(jìn)、出水水質(zhì)及排放后的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 沁陽市某污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì) 及排放參數(shù) (單位：mg/L)Tab.1 Influent and Effluent Water Quality and Discharge Parameters of a WWTP in Qinyang City (Unit: mg/L)

如表1所示，污水處理廠現(xiàn)有設(shè)施處理COD、BOD以及SS效果良好，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)NH3-N和TP的處理能力較差。因此，需針對(duì)脫氮除磷進(jìn)行技術(shù)改造。

1.2 改造前工藝分析

污水處理廠改造前依據(jù)的是以往標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的工藝流程，出水標(biāo)準(zhǔn)的提高以及原先工藝的不足導(dǎo)致污水處理廠在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一些問題。

(1)由表1可知，NH3-N濃度無變化，脫氮效果不佳。NH3-N的生化去除主要靠硝化菌的硝化作用，使含氮有機(jī)物氧化分解成硝酸氮。NH3-N濃度沒有發(fā)生變化，說明硝化菌沒有成為優(yōu)勢(shì)菌種，硝化反應(yīng)不明顯。主要原因是污泥齡不足，存在水流短路現(xiàn)象；污水沒有回流到反硝化池，反硝化反應(yīng)不明顯；污水經(jīng)過生化池再進(jìn)入反硝化池，有機(jī)物氧化分解，碳源不足[3]。

(2)聚磷菌(PAOs)和反硝化除磷菌(DPB)是一種在動(dòng)態(tài)環(huán)境下才能夠生長繁殖的細(xì)菌，需交替出現(xiàn)“厭氧-缺氧-好氧”環(huán)境，單一的環(huán)境或順序相反的環(huán)境使PAOs/DPB均難以正常繁殖[4-5]。原污水處理工藝中沒有污泥回流，水解池中聚磷菌不多，釋磷效果不明顯，導(dǎo)致好氧池中吸磷效果也不理想，造成TP去除率不高[6]。

(3)現(xiàn)狀工藝路線沒有深度處理環(huán)節(jié)，出水水質(zhì)難以保證。

2 升級(jí)改造工程介紹

2.1 工程規(guī)模

本次改造為污水處理廠脫氮除磷升級(jí)改造設(shè)計(jì)，進(jìn)水水質(zhì)和水量均未發(fā)生變化。因此，仍維持工程原來的設(shè)計(jì)規(guī)模3×104m3/d。

2.2 改造工藝路線

污水廠原主要采用接觸氧化工藝，該工藝在去除有機(jī)物方面具有很好的效果。但是，隨著國家對(duì)出水水質(zhì)要求的提高，接觸氧化工藝由于沒有混合液回流和污泥回流系統(tǒng)，脫氮除磷的效果不佳[7]。結(jié)合本廠的實(shí)際情況，本次通過改進(jìn)預(yù)處理設(shè)施、強(qiáng)化生物處理和增加深度處理來提高出水水質(zhì)，達(dá)到同步脫氮除磷的效果[8]。進(jìn)水經(jīng)格柵后，由污水提升泵提升至新建沉砂池，然后重力自流至初沉池(原水解池改造)；初沉池出水重力自流至厭氧池(原一級(jí)反硝化池改造)；再自流至缺氧池(原生化池前段改造，取消原生化池中填料)，而后進(jìn)入好氧池(原生化池后段改造，增加曝氣系統(tǒng)，提高曝氣量)；再流至2個(gè)二沉池(其中1個(gè)為原一沉池改造)；2個(gè)二沉池的出水匯流至混凝池(原消毒池改造)，再新建過濾間，最后出水經(jīng)紫外線消毒，以達(dá)到一級(jí)A的出水標(biāo)準(zhǔn)。新增混合液回流、污泥回流系統(tǒng)。新增污泥離心脫水機(jī)，處理含磷的剩余污泥。具體改造如圖2和圖3所示。

圖2 改造后的工藝流程Fig.2 Process Flow Chart after Reconstruction

圖3 改造后的生化部分平面簡(jiǎn)圖Fig.3 Plane Diagram of Biochemical Part after Reconstruction

2.2.1 改進(jìn)預(yù)處理設(shè)施

(1)格柵

格柵能有效截留較大的懸浮物或漂浮物，減輕后續(xù)處理構(gòu)造物的負(fù)荷。現(xiàn)設(shè)置兩道格柵，但由于安裝角度太大，已截留的部分柵渣在水流作用下，又沖落至污水中。工藝改造把兩個(gè)格柵改為1個(gè)不銹鋼中格柵，減小安裝角度，柵條的凈間距為30 mm。

(2)增設(shè)沉砂池

沉砂池去除比重較大的無機(jī)顆粒，以減輕沉淀池的負(fù)荷，改善污泥處理構(gòu)筑物的處理?xiàng)l件。生活污水處理中，宜設(shè)置沉砂池，減少污水中比重較大的無機(jī)顆粒[9]?？紤]本工程碳源不足，污水直接跨越初沉池，直接進(jìn)入后面的厭氧池，工藝改造沉砂池后設(shè)置跨越初沉池的跨越管。

(3)水解池改為初沉池

原工藝水解池?zé)o排泥系統(tǒng)，池中集泥過深，出水COD較高。該廠主要處理生活污水，工業(yè)廢水占比不大，污水生化性良好，無需設(shè)水解池，故水解池改為初沉池。同時(shí)，利用水解池的高度，使污水重力自流到反硝化池。

2.2.2 強(qiáng)化生物處理段

(1)一級(jí)反硝化池改為厭氧池

原反硝化池2個(gè)池體相鄰，管道連接二級(jí)、三級(jí)生化池。但是，現(xiàn)狀處理效果不理想，將反硝化池改為厭氧池，二沉池的污泥回流到厭氧池中。初沉池出水由池底進(jìn)入?yún)捬醭?。厭氧池的出水進(jìn)入一級(jí)生化池的配水渠。將原水解池的攪拌器改造為推流器，安裝于厭氧池中，加強(qiáng)水的流動(dòng)，防止污泥沉淀。

(2)生化池的改造

①生化池池體的改造

將原一級(jí)生物池前端30 m改造為缺氧池，混合液回流到前段配水渠。一級(jí)生物池的后10 m和二級(jí)、三級(jí)生物池改為好氧池。配水渠進(jìn)水口設(shè)于水下，采用淹沒出流方式，避免形成短路，并設(shè)置閘門調(diào)節(jié)流量。出水采用溢流堰，出水流過的堰頂，溢流流入排水渠道，每個(gè)生化池之間用明渠或管道連接。

②污水污泥回流系統(tǒng)的改造

新增混合液污泥回流系統(tǒng)，利用廠區(qū)現(xiàn)有設(shè)備，分別在2座二沉池的集泥槽處各設(shè)1臺(tái)200ZL-3型軸流泵，在生化池出口處設(shè)5臺(tái)200ZL-3型軸流泵用于污泥回流。污泥回流的總流量為762 m3/h，污泥回流比為61.0%；混合液回流的總流量為1 875 m3/h，混合液回流比為150.0%。此數(shù)值是現(xiàn)狀提升設(shè)備的最大提升能力，符合規(guī)范和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際運(yùn)行中可適當(dāng)調(diào)整，提高出水水質(zhì)。

表2 生物反應(yīng)池校核計(jì)算Tab.2 Checking Calculation of Biological Reactor

③好氧池曝氣系統(tǒng)的改造

原曝氣系統(tǒng)采用的是池底單側(cè)曝氣，工藝改造整個(gè)池底設(shè)置曝氣器曝氣，增加曝氣量，曝氣器采用上海威德薄膜盤式微孔曝氣器，氧利用率不低于20%。每個(gè)小格子(10 m×6 m)布置96個(gè)曝氣器，每個(gè)曝氣器服務(wù)面積為0.63 m2，總供氣量為116.77 m3/min，需增加1臺(tái)40 m3/min的備用風(fēng)機(jī)。

2.2.3 二沉池的改造

現(xiàn)狀二沉池主要問題是面積太小，表面負(fù)荷過大，沉淀效果不好，故將原一沉池也改為二沉池，減小二沉池的負(fù)荷。原二沉池尺寸：長約40 m，寬約12 m，高約4.5 m，水面標(biāo)高為96.70 m。改造二沉池(原一沉池)尺寸：長約40 m，寬約12 m，高約4.5 m，水面標(biāo)高為98.10 m。進(jìn)水口，采用底孔式入流裝置，底部設(shè)擋流板。出水口，采用可調(diào)鋸齒三角堰，指狀形式，每個(gè)池子出水堰長不小于100 m。在出水堰前應(yīng)設(shè)置收集與排除浮渣的設(shè)施。為改造二沉池采購1臺(tái)跨度為12 m的桁架式吸泥吸泥機(jī)。

2.2.4 增加深度處理

深度處理的對(duì)象是生化出水，為了進(jìn)一步去除水中的SS，提高出水水質(zhì)?，F(xiàn)狀消毒池采用的是二氧化氯消毒。為了提高出水水質(zhì)，新增過濾間，過濾間前宜設(shè)混凝池，故將消毒池改為混凝池?，F(xiàn)狀消毒池內(nèi)的隔墻等間距布置，通過逐漸降低池底的方法達(dá)到流速遞減的目的。混凝池(原消毒池)尺寸：長約40 m，寬約6 m，高約3.0 m，水面標(biāo)高為96.40 m。起端墊高至距池頂1.0 m，以5%的坡度坡向末端，末端水深為3.0 m。末端出水采用管道出水，原有的出水口不再使用。出水管道埋地至過濾間。

過濾間可進(jìn)一步去處懸浮物，提高出水水質(zhì)。過濾設(shè)備選用全浸式轉(zhuǎn)盤微過濾裝置，運(yùn)行過程中邊過濾邊沖洗[10]。轉(zhuǎn)盤微過濾裝置要求進(jìn)水SS不高于20 mg/L，防止SS過高阻塞過濾轉(zhuǎn)盤。在過濾間出水處采用紫外線消毒，以進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。

2.2.5 污泥處理系統(tǒng)

污水處理廠的污泥處理越來越受到重視，不能隨意排放。剩余污泥中含有大量的氮磷，可以通過制作肥料等方式變廢為寶，提高經(jīng)濟(jì)效益。

二沉池的剩余污泥中含有大量的聚磷菌，若使用重力濃縮會(huì)使污泥厭氧釋磷，上清液磷含量升高，回流則增加了污水處理中磷的負(fù)荷，直接排放則造成二次污染。故污泥處理采用機(jī)械濃縮脫水，減少污泥濃縮的時(shí)間。污泥離心脫水后制成泥餅外運(yùn)。

初沉池的污泥仍用廠區(qū)原有的污泥處理設(shè)備進(jìn)行處理；二沉池的污泥則需新購機(jī)械離心脫水設(shè)備進(jìn)行處理。同時(shí)應(yīng)注意污泥的綜合利用，變廢為寶，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 工程運(yùn)行情況

提標(biāo)改造工程于2016年調(diào)試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行4年，日均進(jìn)水量為3萬m3。根據(jù)污水處理廠2018年全年進(jìn)出水指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，升級(jí)改造工程出水污染物濃度如表3所示。

表3 沁陽市污水處理廠2018 年全年進(jìn)出水 指標(biāo)統(tǒng)計(jì) (單位：mg/L)Tab.3 Influent and Effluent Water Quality of a WWTP in Qinyang City in 2018 (Unit: mg/L)

4 工藝特點(diǎn)

(1)提標(biāo)改造工藝盡量在原構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，水解池、反硝化池以及生化池等原有構(gòu)筑物在本次提標(biāo)改造中得到了有效的利用，合理規(guī)劃各構(gòu)筑物的布局，減少了提升次數(shù)，節(jié)省了工程造價(jià)和運(yùn)行成本。

(2)本次提標(biāo)改造工藝最主要的是對(duì)工藝流程進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，增加了污水回流和污泥回流系統(tǒng)；同時(shí)，更改曝氣方式，增加了污水的可生化性，達(dá)到同步脫氮除磷的效果。

5 結(jié)語

氮、磷造成的水體富營養(yǎng)化是水體污染的重要原因之一，也是國內(nèi)外水污染治理的難題[11]，為從根本上解決氮、磷造成的污染，必須從源頭上減少污染物排放量。沁陽市某污水處理廠提標(biāo)改造工程，針對(duì)其進(jìn)水水質(zhì)、水量的特點(diǎn)，采用AAO工藝對(duì)其進(jìn)行脫氮除磷改造，充分利用現(xiàn)有構(gòu)筑物達(dá)到同步脫氮除磷的效果，經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，改善了沁陽市地表水環(huán)

境質(zhì)量，提高了人們的生活質(zhì)量，可為同類型污水處理廠工藝選擇提供參考。