浙江標(biāo)準(zhǔn)下的城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工藝研究*

周愛軍 王曉敏 梅榮武，

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，浙江 杭州310007)

浙江省水環(huán)境治理歷經(jīng)了“清三河”“剿滅劣Ⅴ類水”“美麗河湖”“五水共治”“污水零直排”等綜合治理行動(dòng)，現(xiàn)階段已進(jìn)入全面水生態(tài)修復(fù)的攻堅(jiān)時(shí)期。截至2019年底，浙江省已累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠321座，處理規(guī)模1 480萬(wàn)t/d[1]。城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水量約占浙江省總污水量的60%，是水污染物減排和水環(huán)境治理改善的重點(diǎn)[2]111。2018—2019年，浙江省先后發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/ 2169—2018)、《關(guān)于推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理廠清潔排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)改造的指導(dǎo)意見》以及《浙江省城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019—2021年)》等標(biāo)準(zhǔn)和文件，提出了城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造的總體目標(biāo)和要求。DB 33/ 2169—2018對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮4項(xiàng)主要指標(biāo)提出了排放限值要求，其中現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠要求達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。由于浙江省集中式綜合污水處理廠進(jìn)水中工業(yè)廢水所占比例較高，一般為30%～40%[2]111,[3]，進(jìn)水水質(zhì)比較復(fù)雜，難降解污染物含量較高，迫切需要加強(qiáng)能滿足DB 33/ 2169—2018要求的城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工藝研究，開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效和穩(wěn)定運(yùn)行的新工藝，加快推進(jìn)浙江省生態(tài)環(huán)境治理能力現(xiàn)代化。

1 提標(biāo)改造需解決的問題

目前浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠的二級(jí)處理工藝以接觸氧化法、序列間歇式活性污泥法和氧化溝為主，分別占二級(jí)處理工藝的34.09%、26.14%和21.59%[2]111。根據(jù)調(diào)研可知，在傳統(tǒng)生化系統(tǒng)中要同時(shí)高效地完成脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程，存在系統(tǒng)難降解有機(jī)污染物含量高、碳源競(jìng)爭(zhēng)、氮磷去除程度不高及冬季總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)難等共性問題和技術(shù)難點(diǎn)，這些問題在提標(biāo)改造中需重點(diǎn)解決。

1.1 難降解有機(jī)污染物去除率低

據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江省工業(yè)廢水排放量中，紡織行業(yè)廢水約占37.5%，造紙行業(yè)廢水約占28.4%，化工行業(yè)廢水約占13.0%。工業(yè)廢水成分復(fù)雜，含有大量難降解有機(jī)污染物和有毒有害物質(zhì)，對(duì)生化系統(tǒng)沖擊較大，以處理生活污水為主的城鎮(zhèn)污水處理廠生化系統(tǒng)對(duì)此類污染物的去除率較低。

1.2 進(jìn)水碳源不足

碳源作為微生物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素，是生物脫氮除磷工藝的必要條件，主要消耗于除磷、反硝化和異氧菌代謝過(guò)程[4]。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水呈現(xiàn)出生化需氧量偏低、氮磷含量總體偏高的現(xiàn)象，總體碳氮比偏低、進(jìn)水碳源不足，投加碳源的城鎮(zhèn)污水處理廠比例達(dá)66.3%。

1.3 氮磷去除程度不高

常規(guī)二級(jí)生化處理主要是去除含碳有機(jī)污染物，降低出水中化學(xué)需氧量和生化需氧量，而不能有效去除氨氮和總氮，一般城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水總氮為15～25 mg/L，達(dá)不到DB 33/ 2169—2018的要求。采用生物除磷方法，總磷可控制在0.5 mg/L以下，但要達(dá)到0.3 mg/L仍有難度，需進(jìn)一步采用化學(xué)除磷的方法。

1.4 冬季低溫給出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)帶來(lái)難度

冬季低溫環(huán)境下，好氧池、厭氧池、缺氧池的微生物活性降低，生長(zhǎng)速度慢，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。水溫低于15 ℃，硝化速率降低；低于5 ℃，微生物休眠，硝化作用停止。因此，冬季城鎮(zhèn)污水處理廠總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)難度大。

2 提標(biāo)改造工藝研究

2.1 改造思路

城鎮(zhèn)污水處理廠因接納工業(yè)廢水性質(zhì)和比例不同，所需選擇的提標(biāo)工藝也不盡相同；另外，城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)行工藝有一定差異，導(dǎo)致提標(biāo)改造工藝的選擇上也有一些局限性。本研究針對(duì)進(jìn)水以生活污水為主、出水已達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，分析其提標(biāo)改造技術(shù)路線，針對(duì)DB 33/ 2169—2018提出的4項(xiàng)污染物指標(biāo)和目前存在的問題，提標(biāo)改造基本思路見表1。

表1 提標(biāo)改造思路分析Table 1 Analysis of ideas for technology upgrading

2.2 提標(biāo)改造工藝路線選擇與分析

提標(biāo)改造遵循“先功能定位，后單元改造；先優(yōu)化運(yùn)行，后工程措施；先內(nèi)部碳源，后外加碳源；先生物除磷，后化學(xué)除磷”的技術(shù)原則[5]22，在改進(jìn)優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)有工藝、加強(qiáng)運(yùn)行管理、挖掘潛能的同時(shí)，通過(guò)增設(shè)污水處理設(shè)施，進(jìn)一步提升污水處理效果。根據(jù)各廠不同情況，因地制宜采取不同措施，采用生物、化學(xué)等處理技術(shù)，確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.2.1 重視源頭污染物的控制

由于城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水普遍存在碳源不足的問題，在提標(biāo)改造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制豆制品加工廢水、垃圾滲濾液等高含氮廢水的接入，適當(dāng)放寬含優(yōu)質(zhì)有機(jī)碳源、碳氮比高的有機(jī)廢水進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠的濃度[5]20。

2.2.2 優(yōu)化原有處理系統(tǒng)

浙江省現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造基本存在可用地面積有限、投資運(yùn)行成本明顯增加等問題。為了提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，在提標(biāo)改造過(guò)程中應(yīng)盡可能縮短工藝流程，減少新增構(gòu)筑物。當(dāng)現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)設(shè)備、構(gòu)筑物、運(yùn)行控制參數(shù)存在一定的可調(diào)控空間時(shí), 提標(biāo)改造工程應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化原有處理系統(tǒng), 提高系統(tǒng)除磷脫氮能力[5]21,[6]。

2.2.3 生化后端增設(shè)反硝化/硝化濾池單元

為提高氨氮和總氮的去除效率，在優(yōu)化原有二級(jí)生化系統(tǒng)、增強(qiáng)原生化段硝化效率的前提下，可考慮在生化后端增設(shè)反硝化/硝化濾池，將硝態(tài)氮進(jìn)一步反硝化處理，以去除水中剩余的總氮、氨氮。通常此時(shí)需投加必要的碳源[5]21，以確保出水穩(wěn)定達(dá)到DB 33/ 2169—2018的要求。

2.2.4 生化段后增設(shè)混凝沉淀/過(guò)濾單元

二級(jí)生化處理后，出水總磷以磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機(jī)磷為主，后兩者在水解或生物降解作用下會(huì)轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽。提標(biāo)改造需要將總磷排放標(biāo)準(zhǔn)從0.5 mg/L提高到0.3 mg/L，除了要優(yōu)化原有生化段提高除磷效率外，還需要在二級(jí)生化段后增設(shè)混凝沉淀/過(guò)濾段，去除廢水中總磷、懸浮類難降解有機(jī)污染物等污染物。目前常用于提標(biāo)改造的混凝沉淀/過(guò)濾工藝有高密度澄清池、磁混凝沉淀池、連續(xù)砂濾池、濾布濾池、精密過(guò)濾器等，處理效果和經(jīng)濟(jì)成本比較見表2。磁混凝沉淀池通過(guò)投加磁粉以強(qiáng)化絮凝和凈化效果，并加速絮體的沉淀，具有除磷效果好、運(yùn)行效果穩(wěn)定、占地面積小的明顯優(yōu)勢(shì)，是提標(biāo)改造首選的混凝沉淀工藝。

表2 混凝沉淀/過(guò)濾工藝比較Table 2 Comparison of coagulating sedimentation/filtration process

2.2.5 增設(shè)難降解有機(jī)污染物去除單元

二級(jí)生化處理出水中，溶解態(tài)有機(jī)污染物占78.0%～86.0%，懸浮態(tài)有機(jī)污染物占10.0%～17.0%，膠體態(tài)有機(jī)污染物占4.8%左右。溶解態(tài)有機(jī)污染物主要包括基質(zhì)中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物、聚合作用產(chǎn)生的復(fù)雜化合物，其中環(huán)狀難降解化合物占58.0%。出水生化需氧量/化學(xué)需氧量(質(zhì)量比)為0.10～0.16，可生化性差。提標(biāo)改造需要將化學(xué)需氧量排放標(biāo)準(zhǔn)從50 mg/L提高到40 mg/L，除了優(yōu)化現(xiàn)有生化段提高除碳效率外，必要時(shí)增加高級(jí)氧化、物理化學(xué)吸附工藝，以去除難以生化降解的有機(jī)污染物，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

(1) 臭氧氧化+生物濾池工藝

對(duì)于含難降解長(zhǎng)鏈有機(jī)污染物含量較高的廢水，提標(biāo)改造可增設(shè)臭氧氧化+生物濾池的處理工藝，先通過(guò)臭氧氧化將長(zhǎng)鏈打開，提高廢水可生化性，進(jìn)而采用生物濾池進(jìn)一步去除小分子有機(jī)污染物。臭氧氧化+生物濾池工藝處理效果見表3。

表3 臭氧氧化+生物濾池工藝處理效果Table 3 Ozone oxidation+biological filter process treatment effect

(2) 磁粉+粉末活性炭投加工藝

磁粉+粉末活性炭投加工藝與磁混凝沉淀工藝相比，在混凝池前增加了一個(gè)粉末活性炭接觸吸附池。與臭氧+活性炭濾池工藝相比，投加的粉末活性炭可節(jié)省50%～70%，化學(xué)需氧量、色度等去除率為50%～90%，操作運(yùn)維較為簡(jiǎn)單。

2.2.6 加強(qiáng)工藝運(yùn)行管理

針對(duì)冬季低溫環(huán)境下總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)難度大的問題，應(yīng)加強(qiáng)污水處理工藝運(yùn)行管理，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)適時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況。當(dāng)?shù)蜏貋?lái)臨前特別是當(dāng)污水水溫低于15 ℃時(shí), 采用冬季運(yùn)行模式?？梢酝ㄟ^(guò)提高混合液回流比,增加活性污泥和微生物的總量；通過(guò)提高溶解氧濃度,維持較高的硝化速率；或者采用較長(zhǎng)的泥齡，降低硝酸鹽負(fù)荷，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，投加必要的碳源，在好氧區(qū)投加懸浮填料，以提升生物硝化和反硝化效果[5]22，[7]。

3 案例分析

3.1 污水處理廠概況

浙江省某城市污水處理廠現(xiàn)狀設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬(wàn)t/d，處理污水主要為生活污水與工業(yè)廢水，工業(yè)廢水約占 30%，納管工業(yè)企業(yè)廢水主要為電鍍企業(yè)、印染服裝企業(yè)和機(jī)械加工企業(yè)廢水等，出水中化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮最高日均質(zhì)量濃度分別為31.60、3.48、0.41、13.04 mg/L，主要超標(biāo)因子為總磷，一年中有19次日均值超標(biāo)。本次提標(biāo)改造主要目標(biāo)為削減氨氮、總磷和總氮，以及設(shè)計(jì)處理規(guī)模擴(kuò)容為10萬(wàn)t/d。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表4。

表4 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)1) Table 4 Designed water quality of influent and effluent mg/L

3.2 提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)

提標(biāo)改造工藝流程見圖1。提標(biāo)改造主要針對(duì)氨氮、總磷、總氮等指標(biāo)，因此，提標(biāo)改造首先考慮優(yōu)化現(xiàn)有生化段，以提高生化段脫氮除磷效率，再在生化段后端增設(shè)高效沉淀池以去除總磷和懸浮型污染物，增設(shè)反硝化深床濾池以去除廢水中的總氮，增設(shè)次氯酸鈉消毒池以確保出水糞大腸菌群數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

注：虛線框中內(nèi)容為本次提標(biāo)改造新增。 圖1 提標(biāo)改造工藝流程Fig.1 Processing chart of technology upgrading

(1) 優(yōu)化擴(kuò)容二級(jí)生化系統(tǒng)

現(xiàn)狀設(shè)計(jì)處理規(guī)模為8萬(wàn)t/d，總停留時(shí)間為23.00 h，改造后設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10萬(wàn)t/d，總有效停留時(shí)間為19.45 h，其中厭氧區(qū)2.05 h，缺氧區(qū)6.22 h，好氧區(qū)11.18 h。污泥質(zhì)量濃度為3～6 g/L，生化區(qū)污泥負(fù)荷為 0.052 kg/(kg·d)，污泥齡為21.66 d。硝化液回流比為300%，污泥回流比為20%～200%。

(2) 改造機(jī)械攪拌沉淀池

現(xiàn)狀設(shè)計(jì)處理規(guī)模為8萬(wàn)t/d，分離區(qū)上升流速為 1.29 mm/s。本次改造降低處理規(guī)模，提高停留時(shí)間，處理規(guī)模降低為5萬(wàn)t/d(剩余5萬(wàn)t/d廢水通過(guò)新建高效沉淀池進(jìn)行處理)，分離區(qū)上升流速為1.00 mm/s，同步增加聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺加藥系統(tǒng)。

(3) 新建高效沉淀池

設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5萬(wàn)t/d，與機(jī)械攪拌沉淀池并聯(lián)運(yùn)行，變化系數(shù)為1.3，高效沉淀池設(shè)置混凝池、絮凝池和沉淀區(qū)。混凝池停留時(shí)間為 1.12 min，絮凝池停留時(shí)間為 18.14 min，沉淀區(qū)直徑為 13.0 m，斜管區(qū)表面負(fù)荷為10.21 m/(m2·h)。

(4) 新建反硝化深床濾池

設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10萬(wàn)t/d，變化系數(shù)為1.3，平均濾速為5.4 m/h，高峰濾速為7.0 m/h。

(5) 新建次氯酸鈉消毒接觸池

設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10萬(wàn)t/d，平均停留時(shí)間為 31.00 min，確保出水糞大腸菌群數(shù)≤1 000 個(gè)/L。

3.3 改造效果分析

該污水處理廠提標(biāo)改造前后各月份出水中污染物最大日均值見圖2。由圖2可見，提標(biāo)改造前出水中各污染物濃度波動(dòng)較大，改造后能穩(wěn)定達(dá)到DB 33/ 2169—2018的要求。改造前后出水中氨氮最大日均值分別為3.48、1.22 mg/L，改造后降幅為64.94%；改造前后出水中總磷最大日均值分別為0.41、0.25 mg/L，改造后降幅為39.02%；改造前后出水中總氮最大日均值分別為13.04、10.87 mg/L，改造后降幅為16.64%。

圖2 提標(biāo)改造前后出水中污染物質(zhì)量濃度Fig.2 Concentration of pollutants in the effluent before and after technology upgrading

4 結(jié) 論

(1) 為達(dá)到DB 33/ 2169—2018排放要求，城鎮(zhèn)污水處理廠需進(jìn)行提標(biāo)改造，提標(biāo)改造中需解決現(xiàn)狀城鎮(zhèn)污水處理廠難降解有機(jī)污染物去除率低、進(jìn)水碳源不足、冬季總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)難等問題。

(2) 提標(biāo)改造應(yīng)根據(jù)DB 33/ 2169—2018提出的4項(xiàng)主要污染物指標(biāo)進(jìn)行有針對(duì)性、高效地改造。通常改造思路為：優(yōu)化現(xiàn)有二級(jí)生化系統(tǒng)以提高脫氮除磷效率，增設(shè)硝化/反硝化濾池以進(jìn)一步脫氮，增設(shè)混凝沉淀/過(guò)濾單元以進(jìn)一步除磷。如果剩余化學(xué)需氧量中以難降解有機(jī)污染物為主，增設(shè)深度氧化處理單元以降低出水中化學(xué)需氧量。

(3) 案例分析中的提標(biāo)改造工藝可為城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造項(xiàng)目提供參考，但改造時(shí)需具體分析各污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況，因地制宜地采取措施。