嚴格總氮出水標準下的污水廠提標改造
——以婁江污水廠為例

葉心彤

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

1 污水廠概況

婁江污水處理廠地處蘇州市區(qū)東北角，位于蘇州洋涇板工業(yè)區(qū)內(nèi)(圖1)。以揚富路為界分為2個廠區(qū)：北側(cè)廠區(qū)主要為一期工程、二期工程；南側(cè)廠區(qū)主要為升級改造工程。

圖1 婁江污水處理廠方位圖Fig.1 General Layout of Loujiang WWTP

婁江污水處理廠先后經(jīng)歷一期、二期、升級改造、污泥區(qū)改造等工程，形成現(xiàn)設計規(guī)模為14萬m3/d的污水處理廠。出水除TN外，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)表1一級A標準，TN指標執(zhí)行《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)中表1的限值標準。婁江污水處理廠尾水排入鳳凰涇匯合口下游500 m處的婁江北岸。

蘇州市婁江污水處理廠提質(zhì)增效工程的建設，可有效緩解婁江及陽澄湖水系水體質(zhì)量，杜絕因水體自然修復能力不足造成的內(nèi)河水體營養(yǎng)鹽超標問題，完善除臭及污泥處理，改善區(qū)域大氣環(huán)境。從總體上推進蘇州城市中心區(qū)及蘇州工業(yè)園區(qū)的污水處理行業(yè)邁上新臺階，本項目建設是十分必要的。

1.1 現(xiàn)狀處理水量

蘇州市婁江污水處理廠經(jīng)過前期建設，設計規(guī)模為14萬m3/d。目前，污水處理量已達到設計規(guī)模，多年日平均進水量約為12～14萬m3/d，有15%的頻率，污水量將超過設計規(guī)?！，F(xiàn)狀進出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設計進出水水質(zhì)Tab.1 Statistical Analysis of Influent and Effluent Water Quality

圖2 現(xiàn)狀工藝流程圖Fig.2 Existing Process Diagram of Loujiang Wastewater Treatment Plant

1.2 現(xiàn)狀工藝流程

一期工程設計規(guī)模為6萬m3/d，主要采用UNITANK工藝，出水執(zhí)行《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準(PO4-P除外)，于2003年建成投運。二期擴建于2009年建成投產(chǎn)后，將一期規(guī)模核減至設計能力為5.5萬m3/d，二期工程主要采用改良UNITANK工藝，規(guī)模為8.5萬m3/d，全廠設計規(guī)模達到14萬m3/d，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級B標準。2011年建成的升級改造工程，設計規(guī)模仍維持14萬m3/d不變，通過新建高效沉淀池、V型濾池等深度處理單元，出水除TN外，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)表1一級A標準，TN指標執(zhí)行《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)中表1的限值標準。現(xiàn)狀工藝流程如圖2所示。

1.3 本工程重點、難點

出水標準提高后，各污染物指標出水要求均提高，各污染物去除效果分析如下。

TN：TN的去除是本工程的重、難點。TN的去除依賴進水有機物濃度、可生化性和C/N比值，同時，還存在與TP的協(xié)調(diào)去除，是污水處理廠設計、運行中的難點。此外，若進水中存在較多的不可氨化的溶解性有機氨，對TN的去除會帶來一定的難度?，F(xiàn)狀生反池已超負荷運行，不能保證充分的停留時間。若要穩(wěn)定達標，需擴容生物處理系統(tǒng)。

CODCr：CODCr出水優(yōu)于一級A標準，若要穩(wěn)定達到30 mg/L以下，可以考慮加大曝氣以及好氧池停留時間。必要時，可以考慮在高效沉淀池混凝段投加粉末活性炭作為應急措施。

BOD5：現(xiàn)狀BOD5已穩(wěn)定在10 mg/L以下，滿足提標要求。

SS：現(xiàn)狀SS已穩(wěn)定在10 mg/L以下，滿足蘇州特別排放標準。

NH3-N：NH3-N出水優(yōu)于一級A標準，但離本次標準仍有差距。NH3-N的去除主要靠硝化過程來完成，NH3-N的硝化過程將成為控制生化處理好氧單元設計的主要因素。要滿足設計出水要求，必須按強化硝化來考慮。由于NH3-N的硝化過程遠比碳的氧化過程緩慢，硝化將成為生化處理好氧單元設計的控制因素。在保證曝氣供氧的條件下，NH3-N的去除可以滿足要求。同時，由于現(xiàn)狀生反池曝氣系統(tǒng)年久失修，曝氣量不均勻，目前，廠內(nèi)正在實施更換二期反應池的曝氣系統(tǒng)。

TP：一般市政污水處理廠采用生物除磷工藝去除TP，可以將出水TP控制在0.5～1 mg/L，已達到生物除磷能力的極限。要滿足出水TP低于0.3 mg/L的要求，必須在充分利用生物除磷的前提下，增加化學除磷，設計考慮在二級處理末端及深度處理階段強化化學除磷。

綜上，CODCr、TN、NH3-N、TP是本工程的重點。

2 污水處理工藝設計

2.1 污水廠設計水量和水質(zhì)

蘇州婁江污水處理廠設計規(guī)模：平均流量Q=14萬m3/d；總變化系數(shù)K總=1.30；高峰流量Qmax=7 583 m3/h。本次新建二級處理規(guī)模：平均流量Q=7萬m3/d；總變化系數(shù)K總=1.50；高峰流量Qmax=4 375 m3/h。設計進出水水質(zhì)如表2 所示。

表2 設計進出水水質(zhì)Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality

2.2 處理工藝選擇

根據(jù)現(xiàn)狀統(tǒng)計的進水水質(zhì)、運行狀況及出水目標，本次工程重點考慮脫氮，包含NH3-N氧化和反硝化除氮。針對脫氮的目標，可考慮現(xiàn)狀二級處理單元減量運行，同時，對現(xiàn)狀生反池內(nèi)設備進行更新改造和調(diào)整，調(diào)整回流比，改善曝氣系統(tǒng)，優(yōu)化工藝運行；新增1組7萬m3/d的預處理+二級處理單元，結(jié)合現(xiàn)狀已建的深度處理單元，來達到本次執(zhí)行的排放標準。

經(jīng)綜合比選，本工程二級處理工藝擬采用Bardenpho工藝，強化脫氮。

在第一級AO工藝中，回流混合液中的硝酸鹽氮在反硝化菌的作用下，利用原污水中的含碳有機物作為碳源，在第一缺氧池中進行反硝化反應，反硝化后的出水進入第一好氧池后，含碳有機物被氧化，含氮有機物實現(xiàn)氨化和NH3-N的硝化作用，同時，在第一缺氧池反硝化產(chǎn)生的N2在第一好氧池經(jīng)曝氣吹脫釋放出去。在第二級AO工藝中，由第一好氧池而來的混合液進入第二缺氧池后，反硝化菌利用混合液中的內(nèi)源代謝物質(zhì)進一步進行反硝化，反硝化產(chǎn)生的N2在第二好氧池經(jīng)曝氣吹脫釋放出去，改善污泥的沉淀性能，同時，內(nèi)源代謝產(chǎn)生的NH3-N也可以在第二好氧池得到硝化。Bardenpho具有2次反硝化過程，利用第二段進行內(nèi)源反硝化來進一步強化脫氮。根據(jù)國外文獻及實際業(yè)績，Bardenpho工藝可使TN達到10 mg/L以下或更低。四段Berdenpho工藝脫氮率高，但除磷效果差，為了提高除磷率，對Bardenpho工藝進行改良，即在原工藝的基礎上，于第一個缺氧池前增加了1個厭氧段。增設的厭氧池，保證了磷的釋放，在好氧條件下有更強的吸收磷的能力，提高了除磷效率。最終，好氧段(Ⅱ)為混合液提供短暫的曝氣時間，也可降低二沉池出現(xiàn)厭氧狀態(tài)和釋放磷的可能性。

2.3 總體設計方案

現(xiàn)狀婁江污水處理廠分一、二期工程及升級改造工程。污水自廠外管網(wǎng)進入粗、細格柵及曝氣沉砂池后，進入一、二期一體化反應池，深度處理經(jīng)高效沉淀池、氣水反沖洗濾池及紫外線消毒池處理后泵提升排入婁江。

本次設計考慮對二期改良型交替式反應池進行減量化運行，運行規(guī)模由原8.5萬m3/d調(diào)整為7萬m3/d。一期UNITANK反應池日后僅作雨季或污水高峰流量時的應急處理反應池。

本工程擬利用升級改造廠區(qū)預留用地新建處理構(gòu)筑物，由于升級改造廠區(qū)與一、二期廠區(qū)相距甚遠，且由于地鐵7號線的實施，可能對已建進水總管造成影響。經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比選后，擬新建7萬m3/d預處理及二級處理綜合處理構(gòu)筑物，包括：粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、生物反應池、二沉池、回流污泥及剩余污泥泵房、化學污泥泵房、加藥間、鼓風機房及變配電間等。二級處理出水與二期生反池混合后進入現(xiàn)狀深度處理單元。

原紫外線消毒池及出水泵房拆除，新建消毒池及出水泵房于升級改造工程用地內(nèi)，與現(xiàn)狀深度處理出水合理銜接。

原加氯間位于一、二期廠區(qū)內(nèi)，由于揚富路拓寬工程的施工，現(xiàn)狀加氯間擬拆除，新建加氯設施于新增的預處理及二級處理綜合構(gòu)筑物中的加藥間內(nèi)。同時，加藥間內(nèi)還有本次新增生反池的碳源投加設施。

同步提升加蓋除臭設施，現(xiàn)有加蓋封閉單元和異味氣體(如濃縮池)收集后進入化學洗滌單元及生物濾池單元后，再納入現(xiàn)狀土壤濾池末端處理排放。未考慮加蓋除臭的設施，如二期改良型交替式反應池和新建的預處理及二級處理設施，加蓋封閉后氣體至臭氣處理單元處理后排放。本次除臭工藝采用化學洗滌+生物濾池/土壤濾池無組織排放。

污泥部分考慮預留新建板框脫水車間，廠區(qū)全部污泥通過調(diào)理及脫水，最終含水率60%～65%的污泥產(chǎn)物外運填埋處理?，F(xiàn)狀一期污泥脫水車間調(diào)整為污泥處理備用，升級改造工程儲泥池及污泥脫水機房拆除。其總體改造如圖3所示，工藝流程如圖4所示。

圖3 總體改造示意圖Fig.3 General Figure of Reconstruction Project

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process Flow Chart of Second Phase Upgrading and Expansion

2.4 主要水處理構(gòu)筑物設計

(1)提質(zhì)增效粗格柵及進水泵房

本工程新增粗格柵及進水泵房1座，規(guī)模為7萬m3/d。粗格柵井包括格柵除污機、柵渣輸送、壓榨機及檢修閘門。格柵截除進水中的較大雜物，防止污水泵損壞。格柵井共設有2套機械格柵，中間設隔墻，每臺格柵寬為1.8 m，柵條凈間距為15 mm，傾角為75°。在格柵后設置1臺無軸螺旋輸送機和壓榨機，脫水后的柵渣含水率應小于60%。進水泵房設置6臺潛水離心泵，4用2備，3臺變頻；單臺規(guī)格：Q=1 094 m3/h，H=12.5 m，N=55 kW。

(2)提質(zhì)增效細格柵及曝氣沉砂池

提質(zhì)增效工程新建細格柵及曝氣沉砂池1座2組，規(guī)模總計7萬m3/d。細格柵井包括細格柵和柵渣輸送機。細格柵攔截進水中的較細雜物，保護后續(xù)設備。細格柵設計2套內(nèi)進流格柵除污機，柵隙為3 mm，安裝角為90°，功率為2.2 kW。設計過柵流速為0.6 m/s，柵前水深為1.6 m。同時，設置超越渠道，超越渠道內(nèi)設置回轉(zhuǎn)式格柵1座，柵隙為6 mm，回轉(zhuǎn)式格柵配套有螺旋輸送壓榨機1套。

沉砂池采用曝氣沉砂池，1座2組?？偝辽傲繛?.2 m3/d；砂含水率為60%，容重為500 kg/m3。曝氣沉砂池流態(tài)為旋流推進式，垂直隔板下設柵條，起到穩(wěn)流和截污的效果。每座曝氣沉砂池內(nèi)設置鏈板式刮砂機，將沉積于池底的沉積砂提升分離后外運處置。

(3)提質(zhì)增效生反池

本工程的重點是脫氮，因此，生物反應是設計的重中之重，擬采用多段Bardenpho工藝，強化脫氮。

新建生反池1座2組，總規(guī)模為7萬m3/d，單組為3.5萬m3/d。生反池部分有效水深為7.5 m。整個反應池分為6個區(qū)，分別為預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧Ⅰ區(qū)、好氧Ⅰ區(qū)、好氧/缺氧Ⅱ區(qū)、好氧Ⅱ區(qū)。來自曝氣沉砂池的污水與二沉池的回流污泥一并先進入預缺氧段或厭氧段。本工程采用多點進水方式，除直接進入預缺氧段或厭氧區(qū)外，一部分污水也直接進入缺氧區(qū)和好氧區(qū)，補充反硝化所需碳源，污水的分配比例根據(jù)出水的水質(zhì)情況進行調(diào)整。好氧段末端回流過來的含有高濃度硝酸鹽的污泥也進入缺氧區(qū)，厭氧段和缺氧段內(nèi)均設潛水攪拌器使池內(nèi)污水攪動，避免污泥沉積。經(jīng)反硝化的污水進入好氧段，好氧段底部均布置微孔曝氣器，采用精確曝氣，為微生物生長提供氧氣，保證供氣精確可控，同時確保池內(nèi)混合液呈懸浮狀態(tài)。后續(xù)污水經(jīng)過缺氧和好氧交替進行硝化和反硝化。每池設置出水堰板以控制生物反應池液位。

(4)提質(zhì)增效二沉池

二沉池部分采用平流式二沉池，2座12組，單格寬為7 m。每座二沉池設置調(diào)節(jié)堰門，可以對每組的流量進行調(diào)節(jié)。每組設置1臺鏈板式刮泥機，設備跨度為7.0 m，池長為54.5 m。通過刮板將沉積于池底的污泥刮向泥斗，由套筒閥將泥斗中的污泥排入排泥槽，返程時刮板向上，將液面浮渣刮向端部。

二沉池出水進入深度處理單元高效沉淀池。來自二沉池的回流污泥，將通過潛水軸流泵提升后，進入生物反應池。每座二沉池設置外回流污泥泵6臺(4用2備)，回流率為100%～150%，單泵流為1 094 m3/h，揚程為3.5 m。剩余污泥泵3臺(2用1備)，單泵流量為100 m3/h，揚程為20 m。剩余污泥通過轉(zhuǎn)子泵提升至一、二期配泥井和污泥濃縮池。

3 工程效益分析

本工程尚未施工，預計本工程實施后，各項污染指標削減量如表3所示。

表3 各污染指標削減量Tab.3 Reduction in Pollution Indicators

本次工程總投資為3.8億元，其中，工程費用為3.4萬元。新增二級處理污水單位處理成本為0.61元/m3。根據(jù)測算，稅后項目資本金財務內(nèi)部收益率為5.88%。項目稅前投資回收期為12.62年，小于行業(yè)基準投資回收期(18年)，稅后投資回收期為

13.52年。以生產(chǎn)能力利用率表示該項目的盈虧平衡點，BEP=56.78%，國民經(jīng)濟效益良好。

4 總結(jié)

隨著環(huán)保要求的逐步提高，太湖流域附近污水廠的TN出水標準日益嚴格；但各廠提標改造應因地制宜。本次提質(zhì)增效方案，充分結(jié)合了現(xiàn)狀實際情況，針對水質(zhì)標準的提高進行了有針對性的措施，同時，節(jié)約用地、取長補短、發(fā)揮現(xiàn)狀設施特點，具有較強的針對性和適應性，保障產(chǎn)能和指標雙重達標。本次提質(zhì)增效方案研究思路可為類似項目提供參考。