水解酸化-BBR-高效沉淀在污水廠提質(zhì)增效中的應(yīng)用

趙旭雍，徐 欣，吳永明，鄧 覓

（1.南昌鑫淼源環(huán)保有限公司，江西南昌 330038；2.江西省科學(xué)院微生物研究所，江西南昌 330096）

隨著區(qū)域企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈增加和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，出現(xiàn)污水排放量大幅增加以及進(jìn)水各主要水質(zhì)指標(biāo)提升的問題，進(jìn)而導(dǎo)致部分現(xiàn)有污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行并已無(wú)法滿足當(dāng)前污水處理要求，因此，亟待采用高效工藝改擴(kuò)建原有污水處理廠來(lái)進(jìn)一步提高污水處理效率。在我國(guó)土地資源緊張、污水負(fù)荷日益加大且環(huán)境要求不斷提高的背景下，污水處理工藝也面臨新的選擇〔1〕。目前常用的污水處理工藝主要包括A2/O 工藝〔2〕、氧化溝工藝〔3〕、SBR 工藝〔4-5〕和MBR工藝〔6-7〕等。其中，A2/O 工藝存在出水NH4+-N 和TP較高且占地面積較大等問題；氧化溝工藝除氮效果有限；SBR 工藝出水不連續(xù)，設(shè)備利用率不高；MBR雖然處理效率好且占地面積小，但耗材更換頻繁，費(fèi)用高，不利于后期的運(yùn)行。由此可見以上工藝均存在一定的局限性，不太適用于污水處理廠的原址改擴(kuò)建。在當(dāng)前“綠色發(fā)展”理念的影響下，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，對(duì)污水處理設(shè)施的高效化、低能耗化、生態(tài)化改擴(kuò)建將成為未來(lái)主要方向〔8-9〕。

植物生態(tài)生物膜（Botany bio-reactor，BBR）工藝是一種基于FCR（Food chain reactor）技術(shù)的生物膜處理工藝〔9-10〕，其從生物接觸氧化法衍化而來(lái)，通過植物根系和仿生填料構(gòu)建水生態(tài)與生物處理，利用附著在植物根系和載體表面的微生物、原生動(dòng)物以及微型動(dòng)物去除污水中污染物，并利用工藝自身特色同步實(shí)現(xiàn)除臭和景觀改造，實(shí)現(xiàn)花園式現(xiàn)代化污水處理廠的建設(shè)。該技術(shù)利用自然和人工根須作為生物膜載體，比表面積巨大，可達(dá)到12 000 m2/m3，并可培養(yǎng)和維持3～4 倍于活性污泥法的“等效生物濃度”〔10-12〕；同時(shí)植物與填料交織生長(zhǎng)，可改善根系泌氧，促進(jìn)DO 在水中的運(yùn)輸〔13〕；此外獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)可大量聚集各類微生物和小型動(dòng)植物，通過食物鏈捕食與被捕食的關(guān)系，穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)生物膜結(jié)構(gòu)并降低污泥產(chǎn)生量〔14〕。

本工程針對(duì)污水處理廠原有處理設(shè)施處理能力有限，出水標(biāo)準(zhǔn)提高的問題，經(jīng)分析研究及結(jié)合公司以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，選用“水解酸化-BBR-高效沉淀”為主體的耦合工藝對(duì)南昌某污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，取得良好的處理效果。項(xiàng)目案例可為國(guó)內(nèi)同類污水處理廠提標(biāo)改造提供參考。

1 工程概況

該污水處理廠原設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10 000 m3/d，其原工藝以“格柵-沉砂池-氧化溝-二沉池”為主，由于日均進(jìn)水量及各主要水質(zhì)指標(biāo)均超設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，使得其出水水質(zhì)勉強(qiáng)能達(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)B 標(biāo)準(zhǔn)〔15〕，但并不能滿足當(dāng)前環(huán)保排放要求。據(jù)此，決定采用“水解酸化-BBR-高效沉淀”為主體的耦合工藝對(duì)其進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)規(guī)模為20 000 m3/d，并考慮遠(yuǎn)期增加10 000 m3/d污水處理規(guī)模的可能性，部分工藝處理規(guī)模按30 000 m3/d規(guī)劃建設(shè)。根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，提標(biāo)改造后，污水處理廠出水COD、BOD5、NH4+-N、TP 等污染物指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（TN 除外），且SS 滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步降低了出水對(duì)水環(huán)境的影響。

2 原有工程問題分析及改造方案

（1）地區(qū)發(fā)展帶動(dòng)水質(zhì)、水量的提升，導(dǎo)致該污水處理廠原有“格柵-沉砂池-氧化溝-二沉池”處理工藝長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，出水僅能達(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)B 標(biāo)準(zhǔn)，而尾水排入的水系下游為一省控?cái)嗝妫瑸闈M足新環(huán)保要求，采取“水解酸化-BBR-高效沉淀”為主體的耦合工藝對(duì)污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，使之出水優(yōu)于一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)甚至達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（TN 除外）。

（2）該污水處理廠地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，可供擴(kuò)建的土地資源緊缺，而BBR 技術(shù)因其特殊的設(shè)計(jì)方式，可在原有氧化溝池體基礎(chǔ)上進(jìn)行直接改造形成BBR 池，這樣既能增加污水處理廠景觀，又可有效解決城市污水處理廠新建和改擴(kuò)建中新增土地的問題。

（3）針對(duì)污水處理廠來(lái)水中工業(yè)廢水含量增多和偶爾出現(xiàn)黃泥較多影響生化系統(tǒng)正常運(yùn)行的問題，采取新建應(yīng)急池、pH 調(diào)節(jié)及初沉池和水解酸化池等處理措施。在調(diào)節(jié)pH 并投加PAC 等混凝劑后將上清液排至水解酸化池，在有效降解部分COD、BOD 等的同時(shí)提高廢水可生化性，以利于后續(xù)高效的生化處理過程。

3 工藝流程

本項(xiàng)目采用“粗格柵+細(xì)格柵曝氣沉砂池+反應(yīng)初沉池+水解酸化池+BBR 池+二沉池+高效沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池+紫外消毒”工藝，具體工藝流程見圖1。

污水經(jīng)粗格柵攔截大顆粒物后進(jìn)入泵池，經(jīng)提升泵提升進(jìn)入細(xì)格柵及后續(xù)曝氣沉砂池。沉砂池出水自流進(jìn)入反應(yīng)池。反應(yīng)池設(shè)NaOH、PAC、PAM 加藥點(diǎn)，在調(diào)節(jié)pH、加藥后經(jīng)混凝絮凝反應(yīng)，出水自流進(jìn)入平流式初沉池。污水在平流式初沉池泥水分離后出水自流進(jìn)入水解酸化池，提高可生化性后出水再經(jīng)配水渠進(jìn)入BBR 反應(yīng)池。由于初沉階段投加PAC 可能導(dǎo)致水體pH下降，再經(jīng)水解階段pH會(huì)進(jìn)一步下降，故在BBR池進(jìn)水端預(yù)留加藥口，方便投加Na2CO3以提高水體pH和堿度，確保系統(tǒng)的去除效率。

污水在BBR 池內(nèi)經(jīng)微生物和植物協(xié)同作用逐級(jí)去除大部分COD、BOD5、NH4+-N、TN、TP、SS 等各類污染物后，出水自流進(jìn)入二沉池泥水分離。二沉池出水自流進(jìn)入高密沉淀池，經(jīng)加藥除磷并進(jìn)一步處理去除其他各類污染物后，出水自流進(jìn)入纖維轉(zhuǎn)盤濾池，再經(jīng)過濾后自流進(jìn)入紫外線消毒渠，經(jīng)消毒后即可達(dá)標(biāo)計(jì)量排放。

圖1 廢水處理工藝流程Fig.1 Flow diagram of wastewater treatment process

初沉池污泥排至污泥池；水解池末端污泥部分回流至水解池進(jìn)水端，部分排至污泥池；二沉池污泥排至污泥池；高密度沉淀池污泥根據(jù)工藝需要部分回流至高密度沉淀系統(tǒng)前端反應(yīng)池，剩余污泥排至污泥池。纖維轉(zhuǎn)盤濾池反洗水排至粗格柵。污泥池污泥經(jīng)螺桿泵提升至疊螺脫水機(jī)后自流進(jìn)入污泥調(diào)理罐，經(jīng)投加氯化鐵、PAM、石灰調(diào)理后再經(jīng)泵輸送進(jìn)入高壓板框壓濾機(jī)脫水，泥餅輸送至污泥堆放區(qū)后外運(yùn)至政府指定地點(diǎn)統(tǒng)一處理。污泥壓濾液和重力濃縮池上清液自流進(jìn)入粗格柵渠再回至處理系統(tǒng)。

4 主要工藝單元及設(shè)備

4.1 粗格柵及提升泵房

原有粗格柵分2 組建設(shè)，設(shè)計(jì)規(guī)模30 000 m3/d，用于對(duì)進(jìn)水大顆粒懸浮物攔截去除，防止堵塞水泵機(jī)組及管道閥門。泵池設(shè)4 個(gè)潛水泵位，單臺(tái)設(shè)計(jì)流量為630 m3/h。本次新增1 臺(tái)水泵，冷備1 臺(tái)，并配套變頻。

4.2 細(xì)格柵和曝氣沉砂池

原有細(xì)格柵及沉砂池土建和設(shè)備按10 000 m3/d建設(shè)。本工程需要提高沉砂池出水水位，同時(shí)因平面布置調(diào)整，需拆除原有細(xì)格柵及沉砂池后重新建設(shè)。重建細(xì)格柵和曝氣沉砂池設(shè)計(jì)規(guī)模30 000 m3/d，分2 組，每組按15 000 m3/d 規(guī)模建設(shè)。

設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=30 000 m3/d=1 250 m3/h，總變化系數(shù)Kz=1.45，最大流量Qmax=1 812.5 m3/h。

（1）細(xì)格柵。共計(jì)2 座，單座尺寸為9.3 m×1.5 m×1.5 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地上式。

（2）曝氣沉砂池。共計(jì)2 座，單座尺寸為3.2 m×15.0 m×4.8 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地上式。

4.3 應(yīng)急處理工序

由于處理廠部分時(shí)段進(jìn)水pH 偏低且含有較多黃泥，故新增pH 調(diào)節(jié)及反應(yīng)沉淀單元，將污水pH 調(diào)整至合理值后沉淀去除黃泥等。同時(shí)，因處理廠進(jìn)水中含有大量預(yù)處理后的醫(yī)藥廢水，COD 較高且可生化性較差，為保障污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，故在初沉工序后增設(shè)水解酸化系統(tǒng)，使之在兼性微生物的吸附和水解酸化作用下將大分子難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子易降解有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和色度的良好去除，從而有利于后續(xù)處理工序的高效運(yùn)行〔16〕。

（1）反應(yīng)池。1 座，分2 組獨(dú)立運(yùn)行，每組4 格，單組總尺寸為17 m×8.3 m×7.3 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼半地上式。

（2）初沉池。類型為平流式沉淀池，1 座，分2 組，每組2 格，表面水力負(fù)荷q=3.2 m3/（m2·h），結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地上式。

（3）水解酸化池。1 座，設(shè)計(jì)規(guī)模30 000 m3/d，HRT=5.8 h，尺寸為42.4 m×25.8 m×7.3 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼半地埋式。當(dāng)進(jìn)水COD 較高并含有較多難降解物質(zhì)時(shí)，水解酸化工序可去除部分COD 并提高污水的可生化性。本項(xiàng)目水解酸化池采用完全混合式活性污泥法，水解段通過機(jī)械攪拌使泥水充分混合，加強(qiáng)微生物作用；水解酸化池池頂適量配種植物，改善池頂綠化效果，并提高水解段的污染物去除效率。

4.4 BBR 池

1座，分2 組運(yùn)行，總有效容積為14 359 m3，有效水深5.5 m，總停留時(shí)間17.32 h。BBR 池新建設(shè)計(jì)規(guī)模20 000 m3/d，單座尺寸為63.2 m×43.2 m×6.2 m，BBR 組件填充率控制在40%～45%，混合液回流比為150%～300%，供氣量約5 283.6 m3/h，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼半地埋式。池內(nèi)種植適應(yīng)本地生長(zhǎng)和達(dá)到處理要求的植物，依據(jù)不同植物的特性（如喜陰、喜濕等）進(jìn)行合理搭配，在提高植物存活率的同時(shí)提升觀賞價(jià)值。工藝?yán)梅律堤盍虾椭参锔凳沟梦⑸锔菀赘街L(zhǎng)，從而形成較厚的生物膜系統(tǒng)〔10-11〕。

4.5 二沉池

二沉池為1 座輻流式沉淀池，利用原有設(shè)備，尺寸規(guī)格為D 32 m×4 m，表面水力負(fù)荷q=1.04 m3/（m2·h），結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地上式。二沉池的主要作用是對(duì)BBR池出水進(jìn)行泥水分離，便于后續(xù)工藝處理污水。經(jīng)核算原有二沉池可滿足20 000 m3/d 生物膜法工藝后沉淀需求，保留使用。

4.6 高密度沉淀池

1座，新建設(shè)計(jì)規(guī)模20 000 m3/d，反應(yīng)區(qū)HRT=10 min，沉淀區(qū)q=8.3 m3/（m2·h），尺寸為18.7 m×16.9 m×5.5 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地上式。二沉池出水自流進(jìn)入高密度沉淀池經(jīng)高效混凝沉淀去除TP 和SS。高密度沉淀池由3 個(gè)技術(shù)模塊組成，分別是集成式絮凝區(qū)、沉淀區(qū)及污泥濃縮區(qū)〔17〕，集合了混合、絮凝、沉淀和濃縮功能。本工藝段通過混凝、強(qiáng)化絮凝、斜管沉淀等措施增強(qiáng)了高密度沉淀池的絮凝和沉淀效果，使之具有水力負(fù)荷高、耐沖擊負(fù)荷、沉淀效率高、出水水質(zhì)較好、污泥易于濃縮和脫水等特點(diǎn)〔18〕。

4.7 纖維轉(zhuǎn)盤濾池

1座，新建設(shè)計(jì)規(guī)模20 000 m3/d，尺寸為9.2 m×6.1 m×4 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼半地埋式。高密度沉淀池后設(shè)纖維轉(zhuǎn)盤濾池，用于去除水中以懸浮狀態(tài)存在的各種雜質(zhì)，保障出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。纖維轉(zhuǎn)盤濾池為一種新型過濾設(shè)備，主要功能是利用濾片截留水中的懸浮雜質(zhì)，進(jìn)一步去除水中的SS〔19〕。

4.8 污泥處理工藝

（1）污泥池。污水處理廠原有污泥池1 座，有效容積約220 m3，尺寸為7 m×7 m×5 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼地埋式。據(jù)測(cè)算，本工程生化污泥產(chǎn)生量約226 m3/d，物化污泥產(chǎn)生量約270 m3/d，污泥池污泥停留時(shí)間12 h，以污泥含水率99.5%計(jì)，經(jīng)重力濃縮后含水率約為99%，濕污泥量約113 m3/d，上清液量約113 m3/d，表明原有污泥池有效池容可滿足改造后污泥處理需求，故本工程保留原有污泥池。

（2）污泥脫水間。污水處理廠原有污泥脫水間1 座，平面尺寸24.0 m×15.0 m，房高6.5 m，安裝帶式污泥脫水機(jī)2 臺(tái)，因脫水效果較差，泥餅含水率較高，不能滿足要求，故進(jìn)行優(yōu)化改造。

新建污泥脫水間1 座，尺寸為24.0 m×15.0 m×6.5 m，門剛結(jié)構(gòu)形式。本工程污泥脫水后泥餅含水率不超過60%，故脫水前需先對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，以確保脫水后泥餅含水率達(dá)標(biāo)。

本工程工藝的主要設(shè)備見表1。

表1 主要設(shè)備及型號(hào)Table 1 Main equipment and models

5 處理效果及運(yùn)行費(fèi)用

5.1 處理效果

污水處理廠采用“水解酸化-BBR-高效沉淀”為主體的耦合工藝改建完成并投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，長(zhǎng)達(dá)1 a 的持續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，出水COD、BOD5、NH4+-N、TP 分別可達(dá)17.1、5.7、1.3、0.2 mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，而TN 達(dá)9.2 mg/L，不滿足地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)中≤1.5 mg/L（湖泊、水庫(kù)）的要求，這也跟劉平波等關(guān)于TN≤10 mg/L 的研究結(jié)果類似〔20〕。究其原因，很大程度上跟低碳源導(dǎo)致的反硝化脫氮效能不佳密切相關(guān)〔21-22〕，但TN 和SS（6.4 mg/L）均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，可一定程度上降低出水對(duì)受納水體的影響。

對(duì)本工程各主要處理單元的去除效能做匯總，結(jié)果見表2（取平均值，均整化處理）。

表2 各主要功能單元的水質(zhì)處理效能Table 2 Water treatment efficiency of each main functional unit mg/L

由表2可得，該工藝對(duì)COD、BOD5、SS、TN、NH4+-N、TP 的總?cè)コ史謩e為95.1%、96.8%、97.4%、79.6%、96.3%、96.0%。

5.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本污水處理系統(tǒng)（20 000 m3/d）運(yùn)行過程中費(fèi)用主要為電費(fèi)、藥劑費(fèi)。其中，電費(fèi)主要來(lái)源于泵、羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備的使用，每日實(shí)際使用功率約為5 882.35 kW·h，電費(fèi)以0.68 元/（kW·h）計(jì)，折合費(fèi)用0.20 元/m3；藥劑費(fèi)主要來(lái)自于PAC、PAM、氯化鐵和石灰，用于污水處理和污泥處理，其投加質(zhì)量濃度分別為20、0.59、3.82、9.56 mg/L，經(jīng)過測(cè)算，藥劑費(fèi)約為0.1 元/ m3。因此，該套處理工藝的處理費(fèi)用為0.30 元/m3。

6 結(jié)論

采用“水解酸化-BBR-高效沉淀”為主體的耦合工藝對(duì)南昌某污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造。改擴(kuò)建后其處理規(guī)模達(dá)到20 000 m3/d。經(jīng)過調(diào)試及1 a的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)COD、BOD5、SS、TN、NH4+-N、TP 的最終去除率分別達(dá)95.1%、96.8%、97.4%、79.6%、96.3%、96.0%，且對(duì)應(yīng)出水指標(biāo)分別達(dá)17.1、5.7、6.4、9.2、1.3、0.2 mg/L。由此可見，經(jīng)該工藝處理后，主要污染物指標(biāo)能穩(wěn)定滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（TN 除外），且TN、SS 能穩(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）中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)一步降低出水對(duì)受納水體的影響。整套工藝運(yùn)行電費(fèi)、藥劑費(fèi)合計(jì)0.30 元/m3。此外，由于BBR 技術(shù)特殊的設(shè)計(jì)方式，既能增加污水處理廠景觀，又可以有效解決城市污水處理廠新建和改擴(kuò)建中新增土地的問題，因此，本工程可為國(guó)內(nèi)同類污水處理廠的提標(biāo)改造提供參考。