唐山市某污水處理廠水質(zhì)高標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造設(shè)計(jì)案例

朱 潔，胡維杰，周娟娟

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

2021年1月11日，國家發(fā)展改革委等10部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》(以下簡(jiǎn)稱《意見》)，明確發(fā)展目標(biāo)：到2025年，全國污水收集效能顯著提升，水環(huán)境敏感地區(qū)污水處理基本實(shí)現(xiàn)提標(biāo)升級(jí)；全國地級(jí)及以上缺水城市再生水利用率達(dá)到25%以上，京津冀地區(qū)達(dá)到35%以上。

目前，我國大部分城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步改善水環(huán)境質(zhì)量，滿足污水資源化利用的發(fā)展需求，近年來北京、天津、安徽、江蘇等地陸續(xù)出臺(tái)了較《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)更加嚴(yán)格的流域或區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)。唐山市屬于嚴(yán)重缺水城市，2018年11月，唐山市人民政府辦公廳發(fā)布《唐山市2019年全城治水清水潤城工程工作方案》，提出通過實(shí)施河道綜合治理、河湖水系連通、污水處理廠改造提升、水源涵養(yǎng)及供水、水庫除險(xiǎn)加固、沿河村莊環(huán)境綜合治理6大類工程措施，實(shí)現(xiàn)全城水質(zhì)達(dá)標(biāo)，要求唐山市現(xiàn)狀的污水處理廠均需完成類IV類水提標(biāo)改造。

1 項(xiàng)目概況

本污水處理廠位于唐山市區(qū)以北，始建于1990年，經(jīng)過一期新建、二期擴(kuò)建、三期提標(biāo)改造和中水回用工程建設(shè)，總處理規(guī)模達(dá)到12萬m3/d，出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)唐山市實(shí)施“全域治水，清水潤城”戰(zhàn)略的需要，本污水處理廠的改造目標(biāo)為將出水標(biāo)準(zhǔn)由一級(jí)A提高到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)中的B標(biāo)準(zhǔn)(京B標(biāo)準(zhǔn))，同時(shí)解決臭氣達(dá)標(biāo)排放問題。本工程進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

由表1可知，從一級(jí)A提升到京B標(biāo)準(zhǔn)，除了總氮不變，CODCr、BOD5、SS、氨氮和總磷的出水濃度都要求降低?，F(xiàn)狀出水SS和總磷已經(jīng)能達(dá)到京B標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過優(yōu)化現(xiàn)狀高效沉淀池的藥劑投加量和運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)。因此，本次提標(biāo)改造的主要目標(biāo)是強(qiáng)化CODCr、BOD5和氨氮的去除。本污水處理廠2017年1月—2019年3月的污水廠實(shí)際出水水質(zhì)如圖1～圖3所示。

圖1 2017年1月—2019年3月污水處理廠出水CODCr月均值統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistical Chart of Monthly Mean CODCr of Effluent during 2017.1 to 2019.3

圖2 2017年1月—2019年3月污水處理廠出水BOD5濃度月均值統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistical Chart of Monthly Mean BOD5 of Effluent during 2017.1 to 2019.3

圖3 2017年1月—2019年3月污水處理廠出水氨氮濃度月均值統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical Chart of Monthly Mean Ammonia Nitrogen of Effluent during 2017.1 to 2019.3

由圖3可知，2017年1月—2019年3月出水基本滿足設(shè)計(jì)的一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)，其中出水CODCr含量基本維持在25～40 mg/L，出水BOD5含量基本維持為7～9.5 mg/L，出水氨氮含量基本維持在4.0 mg/L以下，均超過京B標(biāo)準(zhǔn)，亟待提標(biāo)改造。

2 提標(biāo)改造重點(diǎn)

我國城市污水處理廠的升級(jí)改造則多以主體工藝改造為主，主要思路包括對(duì)原工藝進(jìn)行改造，即強(qiáng)化生物處理和增加深度處理兩個(gè)方面。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、新的出水水質(zhì)要求，對(duì)現(xiàn)狀生物處理池的處理能力進(jìn)行評(píng)估，本次提標(biāo)改造的重點(diǎn)如下。

1)污水處理廠進(jìn)廠水污染物的C/N較高，污水的可生化性較好，選擇在二級(jí)生物處理階段作為脫氮除磷的主要場(chǎng)所是經(jīng)濟(jì)合理的?，F(xiàn)狀污水處理廠共5組生反池，總處理規(guī)模為12萬m3/d。根據(jù)核算，厭氧段、缺氧段和好氧段停留時(shí)間為1.0、6.6 h和9.7 h，總水力停留時(shí)間為17.3 h。現(xiàn)狀厭氧池和缺氧池的停留時(shí)間基本滿足新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)狀好氧區(qū)停留時(shí)間不足，不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需求。由于本污水處理廠提標(biāo)改造工程在原用地范圍內(nèi)進(jìn)行，無新征用地，需要在不增加池容的情況下，增加生反池的污染物去除能力[1]。

2)本提標(biāo)改造項(xiàng)目對(duì)出水CODCr和BOD5含量有較高的要求，要求分別從50 mg/L降到30 mg/L，從10 mg/L降到6 mg/L。污水處理廠實(shí)際進(jìn)水中混有工業(yè)廢水，水中含有難降解有機(jī)物。前端生化工藝對(duì)可生物降解有機(jī)污染物的降解比較充分，進(jìn)一步削減CODCr需要去除難生物降解有機(jī)物。因此，需要增加深度處理進(jìn)一步去除難降解有機(jī)物。高級(jí)催化氧化技術(shù)是去除難降解有機(jī)物的有效方法。高級(jí)催化氧化技術(shù)中，臭氧氧化應(yīng)用較為廣泛。臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，能與許多有機(jī)物或官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，有效地改善水質(zhì)。綜合考慮，本項(xiàng)目深度處理采用了臭氧催化氧化工藝。

3)現(xiàn)狀曝氣系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，由于多組生反池之間存在壓力不平衡、配水動(dòng)態(tài)變化等問題，手動(dòng)調(diào)節(jié)無法準(zhǔn)確控制生反池內(nèi)的溶解氧濃度?，F(xiàn)狀生反池運(yùn)行過程中DO含量在2.5～8.5 mg/L，離散度達(dá)到了3.42，生反池好氧環(huán)境處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 手動(dòng)控制風(fēng)量時(shí)的生反池溶解氧變化Fig.4 Change of DO with the Blast Volume in Manual Control

在這種狀態(tài)下，不僅硝化菌的活性會(huì)受到影響，自身氧化速度加快，而且有機(jī)污染物分解過快，從而使微生物缺乏營養(yǎng)，加速污泥老化[2]。同時(shí)高DO的污水回流到缺氧池中會(huì)破壞反硝化所需的缺氧環(huán)境，有機(jī)物的過快分解又使反硝化反應(yīng)缺少碳源，如不及時(shí)補(bǔ)充碳源，會(huì)影響出水總氮指標(biāo)。在實(shí)際工程中，若進(jìn)入反硝化段的污水BOD5/TN<4時(shí)，應(yīng)考慮外加碳源；若BOD5/TN≥4，可認(rèn)為反硝化完全。當(dāng)碳源不足時(shí)，系統(tǒng)需投加的外部碳源量可根據(jù)生物法去除總氮所需的BOD5與進(jìn)水實(shí)際BOD5的差值除以外部碳源的BOD5當(dāng)量得到。本項(xiàng)目改造前進(jìn)入反硝化段的污水BOD5/TN為3.2，所需乙酸鈉投加量約為80 mg/L。因此，運(yùn)行時(shí)在第二段AO池的缺氧段進(jìn)水端投加乙酸鈉(含量為58%，以C2H3NaO2計(jì))，投加量為15～16 t/d。

4)一方面，溶解氧濃度直接影響污水生物處理效果；另一方面，污水處理過程中，二級(jí)生物處理能耗最高，占全流程污水處理工藝能耗的50%～70%，而鼓風(fēng)機(jī)的能耗占到二級(jí)生物處理過程的60%左右，是生化處理過程的關(guān)鍵能耗設(shè)備。因此，需要對(duì)曝氣過程采用合適的控制系統(tǒng)以精確控制溶解氧濃度，同時(shí)降低能耗。

5)現(xiàn)狀污水處理廠的污泥濃縮池已設(shè)加蓋除臭設(shè)施，廠界指標(biāo)基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)廠界二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。如何更加經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行除臭優(yōu)化設(shè)計(jì)，使臭氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也是本項(xiàng)目要解決的問題。

6)本次提標(biāo)改造無新征用地，所有改造均需在廠區(qū)現(xiàn)狀場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行。新建的臭氧接觸池需要先拆除一期廢棄的生反池、二沉池和污泥濃縮池后原址新建。根據(jù)現(xiàn)狀平面布置，現(xiàn)狀尾水排放管距離新建深度處理池較遠(yuǎn)，且廠區(qū)圍墻內(nèi)無空間新建工藝管將尾水接入現(xiàn)狀尾水排放管，同時(shí)，新建深度處理池距離排放水體較近，綜合考慮，設(shè)計(jì)新建1根排放管，就近排入受納水體。一方面，由于受納水體上游有水庫攔蓄，受納水體在非汛期主要以本污水處理廠尾水為主，水體常水位常年較低，現(xiàn)有污水處理廠尾水水位與受納水體有較大的落差，造成水力勢(shì)能浪費(fèi)。另一方面，河道斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)狀尾水排放口下游斷面水質(zhì)好于上游，即污水處理廠的尾水對(duì)受納水體水質(zhì)有一定改善作用，本次提標(biāo)改造工程完成后尾水水質(zhì)將進(jìn)一步提高?？紤]到本污水處理廠的尾水水質(zhì)好，水量穩(wěn)定且基本不受季節(jié)影響，是可穩(wěn)定利用的再生水資源，如何進(jìn)行尾水資源化利用也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)。

綜合考慮，本項(xiàng)目主要改造內(nèi)容為：生反池采用精確曝氣和MBBR改造，新增臭氧催化氧化池，除臭采用全過程除臭，新建12萬m3/d規(guī)模尾水管及排放口。提標(biāo)改造工藝流程如圖5所示。

圖5 該項(xiàng)目工藝改造流程圖Fig.5 Flow Chart of the Upgrading and Reconstruction Project

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

3.1 生反池同時(shí)進(jìn)行精確曝氣和MBBR改造

生反池需同時(shí)進(jìn)行MBBR改造和精確曝氣改造，曝氣控制需同時(shí)兼顧MBBR填料掛膜和流化、好氧池DO質(zhì)量濃度穩(wěn)定在2.0 mg/L以及節(jié)能降耗的要求[3-4]。為了兼顧MBBR和精確曝氣的需求，本項(xiàng)目精確曝氣對(duì)MBBR穿孔曝氣采用給定風(fēng)量控制策略，對(duì)好氧區(qū)微孔曝氣采用溶解氧控制策略，從而有效協(xié)調(diào)和分配多段AO+MBR工藝的曝氣量，實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

本改造獲得的效益包括以下情況。

1)通過精確曝氣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少了操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的工作量。

2)實(shí)現(xiàn)了DO濃度的精準(zhǔn)控制。改造后，生反池DO含量穩(wěn)定維持在設(shè)定值2.0 mg/L附近，離散度只有0.15，與設(shè)定值偏差在±0.3 mg/L以內(nèi)(圖6)。在這種穩(wěn)定的狀態(tài)下，硝化反應(yīng)效率較高，同時(shí)2.0 mg/L DO的回流也不會(huì)對(duì)缺氧環(huán)境造成影響，反硝化反應(yīng)得到保障，出水總氮濃度降低且更加穩(wěn)定。

圖6 自動(dòng)控制風(fēng)量時(shí)的DO效果圖Fig.6 Change of DO with the Blast Volume in Automatic Control

3)本項(xiàng)目將第二段AO的好氧段進(jìn)行改造，形成環(huán)形通道，同時(shí)在出水口安裝攔截穿孔罩和穿孔曝氣管，成功解決了MBBR改造后普遍存在的填料聚集到生反池出水口，堵塞出水口造成生反池水位升高、污水從生反池上部溢出的問題。

4)顯著節(jié)約運(yùn)行成本。改造后，曝氣系統(tǒng)的電耗由0.2 kW·h/m3降至0.1 kW·h/m3，降幅達(dá)到49.8%，每年節(jié)約電費(fèi)約為120萬元。適度的溶解氧也不會(huì)造成碳源的過度消耗，進(jìn)水正常情況下，本項(xiàng)目改造后進(jìn)入反硝化段的污水BOD5/TN為4.0，系統(tǒng)無需外加碳源，則可節(jié)約外加碳源15～16 t/d，按外加碳源單價(jià)約1 500～1 800元/t，則節(jié)省碳源投加成本約1 100萬元/a。

3.2 同步采用溶氣式與填料式尾水臭氧催化氧化工藝

根據(jù)招標(biāo)文件要求，本項(xiàng)目臭氧催化氧化接觸池分為兩組，每組為6萬m3/d，分別采用溶氣式和填料式臭氧催化氧化工藝，臭氧投加量為12 mg/L。臭氧接觸池設(shè)計(jì)停留時(shí)間為45 min，池體尺寸為51.2 m×15.7 m×8.3 m，同時(shí)兼顧兩種工藝。溶氣式臭氧催化氧化是通過均相催化反應(yīng)器向水中投加具有催化作用的離子，利用電磁的作用改變污水分子的微觀物質(zhì)形態(tài)，通過高效臭氧溶氣裝置投加臭氧，提高臭氧氣體的溶解效率，并有效減少臭氧投加量。填料式臭氧催化氧化是以高效催化劑作為濾料，催化劑投加量為416 m3，利用催化劑較大的比表面積和孔隙率提供活性吸附位，生成高活性、低活化能的中間絡(luò)合物，然后產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的·OH，提高臭氧氧化效能[5-6]。兩種催化氧化工藝對(duì)池型要求不同，且填料式臭氧催化氧化工藝的水頭損失比溶氣式臭氧催化氧化高1.0 m，一座池子采用兩種處理工藝，設(shè)計(jì)難度極大。

為解決上述難題，本項(xiàng)目進(jìn)行了工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括均勻配水，兩組接觸池設(shè)置不同堰高、液位高和超高，調(diào)整設(shè)備安裝位置，保證兩組工藝運(yùn)行效果(圖7)。

圖7 兩組臭氧接觸池剖面圖Fig.7 Profile of Ozonation Tank

3.3 全過程除臭

本項(xiàng)目除臭采用全過程除臭工藝，包括微生物培養(yǎng)系統(tǒng)和除臭污泥投加系統(tǒng)(圖8)。本除臭工藝需要在污水處理廠生反池內(nèi)安裝一定數(shù)量的除臭微生物培養(yǎng)箱，在污泥回流泵房安裝污泥泵，按2%～6%的回流比將污泥回流至污水處理廠進(jìn)水端，除臭微生物可以貫穿整個(gè)處理工藝，分解水中產(chǎn)生臭氣的污染物，達(dá)到全過程除臭的目的。該方法無需加蓋，無需臭氣收集和輸送系統(tǒng)，無需新建除臭設(shè)施，系統(tǒng)精簡(jiǎn)、占地小、投資運(yùn)行成本大幅降低，運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便，尤其對(duì)于老廠改造，無需停產(chǎn)。

圖8 全過程除臭工藝流程Fig.8 Flow Diagram of Plant-Wide Deodorization

3.4 尾水排放耦合勢(shì)能發(fā)電

本項(xiàng)目新建1根DN1400的尾水排放管，尾水排放水位與河道常水位存在約4.0 m高差，設(shè)跌水井1座。污水處理廠的尾水水質(zhì)、水量穩(wěn)定，且基本不受季節(jié)影響，是可穩(wěn)定利用的再生水資源[7]，因此，本項(xiàng)目后續(xù)考慮將對(duì)跌水井進(jìn)行水力發(fā)電改造，利用尾水水力勢(shì)能發(fā)電(圖9)。水力發(fā)電裝置安裝在排放管上，同時(shí)設(shè)旁通管1根，當(dāng)排放管因發(fā)電設(shè)備故障需停水，或遇河道洪水位排水不暢時(shí)，尾水可從旁通管排出。經(jīng)過計(jì)算，該發(fā)電設(shè)備為水輪機(jī)，功率為60 kW，每天可實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電1 200 kW·h，可用于廠區(qū)內(nèi)照明等用電設(shè)備供電，電費(fèi)按0.68元/(kW·h)計(jì)，則每年節(jié)約電費(fèi)約30萬元。利用污水處理廠尾水發(fā)電是對(duì)我國碳達(dá)峰碳中和政策的積極響應(yīng)，可以有效減少污水處理廠的碳排放。

圖9 尾水管發(fā)電裝置(單位：mm)Fig.9 Generating Set of Draft Tube (Unit:mm)

3.5 污水處理廠尾水資源化利用

唐山市屬于缺水型地區(qū)，為響應(yīng)國家污水資源化利用的號(hào)召，本項(xiàng)目推廣實(shí)施了尾水資源化利用。1路尾水通過再生水泵輸送到再生水清水池，供給周邊工業(yè)企業(yè)，規(guī)模為3萬m3/d，再生水回用在節(jié)約工業(yè)企業(yè)自來水用量和成本的同時(shí)，為豐潤污水處理廠帶來的收益為400萬元/a。同時(shí)，在臭氧接觸池出水渠安裝潛水泵，設(shè)計(jì)了3條資源化利用路線，1路用作臭氧發(fā)生器的冷卻循環(huán)水；1路供給廠內(nèi)水源熱泵[8]；1路供給廠內(nèi)景觀綠化用水。污水處理廠內(nèi)再生水回用規(guī)模為0.5萬m3/d，節(jié)約自來水費(fèi)約1 000萬元/a。

本污水處理廠改造完成通水后出水水質(zhì)月均值如圖10所示，各項(xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到京B標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 2021年1月—8月污水處理廠出水水質(zhì)月均值Fig.10 Monthly Mean Parameters of Effluent during 2021.1 to 2021.8

4 結(jié)論與建議

(1)本污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為12×104m3/d，在不新增用地的情況下，出水標(biāo)準(zhǔn)由原國標(biāo)一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)提升到北京市地標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)的 B 標(biāo)準(zhǔn)。

(2)本工程對(duì)多段 AO生反池進(jìn)行MBBR改造和精確曝氣改造，深度處理采用臭氧催化氧化工藝，除臭采用全過程除臭，新建尾水排放管并安裝水力發(fā)電裝置。

(3)實(shí)際運(yùn)行表明，本工程出水CODCr含量低于30 mg/L，氨氮含量低于1.0 mg/L，TP含量低于0.2 mg/L，TN含量低于12 mg/L，出水水質(zhì)完全滿足京B標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行良好。