鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活和工業(yè)融合污水處理站改造設(shè)計及運行

魏愛書，巴德鵬，周 勇，牛曉君，王瑞霖

（1.北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，北京 100144；2.首創(chuàng)愛華（天津）市政環(huán)境工程有限公司北京分公司，北京 100144；3.北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司北方分公司，山西 太原 030032；4.宿遷首創(chuàng)污水處理有限公司，江蘇 宿遷 223851；5.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

江蘇地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)聚集，在發(fā)展過程中形成了廠鎮(zhèn)融合的特點，其污水處理設(shè)施同時接納生活污水和工業(yè)廢水的情況較為普遍〔1-2〕。而已建成的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理廠往往存在對工業(yè)廢水進(jìn)水比例考慮不足、工藝不完善、運行維護(hù)困難以及出水不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題〔1，3〕，對融合性污水處理設(shè)施的升級改造受到越來越多的關(guān)注〔1-3〕。本研究介紹了江蘇某地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理站點接收工業(yè)廢水的項目改造情況，以期為類似項目的工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

該區(qū)域建有6座鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理站點，設(shè)計規(guī)模均為1 000 m3/d，主要工藝流程為格柵/提升泵房+細(xì)格柵/調(diào)節(jié)池+配水池+一體化ANO設(shè)備+濾布濾池+紫外消毒，設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。每座站點的一體化ANO設(shè)備由6組單座處理量為200 m3/d的罐體并聯(lián)組成。

1.1 改造前運行水量

6座鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站點改造前進(jìn)水量為設(shè)計規(guī)模的48.50%～65.00%，平均進(jìn)水量為580.80 m3/d，平均處理能力余量為419.20 m3/d。經(jīng)調(diào)研處理站點需接納的平均工業(yè)廢水量為164.08 m3/d，最大為378 m3/d。設(shè)施處理規(guī)模余量較大，有充足的空間接納工業(yè)廢水。

1.2 改造前進(jìn)出水水質(zhì)

表1為各站點改造前進(jìn)出水水質(zhì)情況。

表1 改造前進(jìn)出水水質(zhì)情況Table 1 Influent and effluent quality before reconstruction

由表1可知，NH3-N和TN沖擊負(fù)荷較高，6座站點最高進(jìn)水NH3-N為32.22～60.55 mg/L，最高進(jìn)水TN為46.85～67.80 mg/L，超過了原為處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水而設(shè)計的進(jìn)水指標(biāo)（NH3-N設(shè)計進(jìn)水指標(biāo)為35 mg/L，TN為45 mg/L）；NH3-N平均出水達(dá)標(biāo)率為80.83%，TN平均出水達(dá)標(biāo)率為83.33%，改造前處理設(shè)施對含氮負(fù)荷高的沖擊性進(jìn)水處理能力不足。同時，部分站點TP的出水達(dá)標(biāo)率為85%，說明改造前處理設(shè)施同樣對含磷負(fù)荷高的沖擊性進(jìn)水處理能力不足。此外，部分站點最高進(jìn)水COD達(dá)到782.24 mg/L，說明存在企業(yè)違規(guī)排放工業(yè)廢水進(jìn)入市政管網(wǎng)的現(xiàn)象。

經(jīng)過對各站點改造前進(jìn)出水水質(zhì)分析可知，平時各站點進(jìn)水污染物濃度較低，運行較穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況較好。但是由于偶然的工業(yè)廢水進(jìn)入市政管網(wǎng)，進(jìn)水水質(zhì)異常偏高，原處理設(shè)施抗污染物沖擊負(fù)荷能力不足，最終導(dǎo)致關(guān)鍵污染物出水達(dá)標(biāo)率下降。

1.3 改造前運行情況及存在問題

原鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站點設(shè)計進(jìn)水僅為生活污水，但實際運行中有未達(dá)標(biāo)排放的工業(yè)廢水無序混入市政管網(wǎng)，工業(yè)廢水成分復(fù)雜、可生化性差、氨氮高，導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)，穩(wěn)定運行和出水達(dá)標(biāo)壓力大。

改造前每座站點主體工藝單元為6組并聯(lián)的一體化ANO罐體，每個罐體內(nèi)設(shè)置缺氧+好氧+沉淀3個區(qū)段，缺氧區(qū)總有效容積為17.27 m3，好氧段總有效容積為46.47 m3。按照原設(shè)計規(guī)模1 000 m3/d計算，缺氧區(qū)水力停留時間（HRT）為2.49 h，好氧區(qū)HRT為6.69 h。缺氧區(qū)HRT接近設(shè)計規(guī)范取值范圍（2～10 h）的下限，系統(tǒng)脫氮能力不足，抗沖擊負(fù)荷能力不足，在實際進(jìn)水量僅占設(shè)計進(jìn)水量約58.08%的情況下，仍然出現(xiàn)NH3-N和TN出水達(dá)標(biāo)率不高的情況。

原工藝未設(shè)置厭氧段，缺乏生物除磷能力。雖然在缺氧段設(shè)置了PAC投加點，但實際運行效果較差，一旦接入工業(yè)廢水，系統(tǒng)除磷能力不足。此外，系統(tǒng)實際運行時進(jìn)水COD較低，缺乏碳源補充裝置，影響脫氮效果。

每座站點配置36臺流量為200 L/min的隔膜氣泵，為一體化設(shè)備的曝氣、氣提硝化液回流和氣提剩余污泥回流提供動力。但實際運行中，隔膜氣泵維護(hù)難度大，氣提回流系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，回流量比例調(diào)整余地小。

2 工程設(shè)計

2.1 設(shè)計水量水質(zhì)

6座鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站點改造后平均工業(yè)廢水水量占比為17.66%，主要為食品加工和紡織廢水，接納的工業(yè)廢水應(yīng)達(dá)到《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962—2015）或《紡織染整工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4287—2012）?？紤]到該區(qū)域后續(xù)工業(yè)廢水的增長量以及現(xiàn)有單體規(guī)模，本次改造項目的設(shè)計規(guī)模仍取1 000 m3/d。同時，根據(jù)工業(yè)廢水和生活污水比例、工業(yè)廢水水質(zhì)調(diào)研摸底情況，并結(jié)合改造前實際進(jìn)水水質(zhì)，得出設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)，設(shè)計出水水質(zhì)按GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行（表2）。

表2 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Table 2 Design influent and effluent quality

2.2 改造設(shè)計思路及工藝流程

本次改造設(shè)計的核心是提高系統(tǒng)脫氮除磷能力。

（1）嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)，為排放企業(yè)新建污水管道和監(jiān)測儀表，確保接入污水處理站點的工業(yè)廢水在預(yù)處理達(dá)標(biāo)后有序排放進(jìn)入市政污水管道。

（2）將原一體化ANO設(shè)備改造為倒置A2/O工藝，A2/O工藝將缺氧段前置，解決了平時進(jìn)水碳源不足、反硝化不充分的問題；同時厭氧段和好氧段直接相連，聚磷菌經(jīng)過厭氧釋磷后直接進(jìn)入好氧吸磷，從而提升生物系統(tǒng)脫氮除磷能力。另外，改造實施中充分利用原配水池，將其改造為預(yù)缺氧池，進(jìn)一步充分利用進(jìn)水碳源，減少碳源投加；同時增加缺氧段停留時間，提高抗沖擊負(fù)荷能力。

（3）單獨使用倒置A2/O工藝處理工業(yè)廢水與生活污水時，TN和NH3-N出水達(dá)標(biāo)率保證度較低〔4〕。A2/O工藝配合MBBR池可利用懸浮填料上附著的硝化細(xì)菌，強化生物系統(tǒng)硝化能力，進(jìn)一步提高系統(tǒng)脫氮能力〔5〕。但將原一體化設(shè)備罐體直接改造為MBBR池時，增加攔截網(wǎng)、硝化液回流泵及其他附屬設(shè)備的施工難度較大，同時較難保證懸浮填料的流化效果，因此本次改造在倒置A2/O后新建MBBR池。

（4）增加高效沉淀池強化化學(xué)除磷，提高系統(tǒng)TP出水達(dá)標(biāo)率；針對缺乏碳源投加裝置的問題，增加乙酸鈉投加系統(tǒng)；新建鼓風(fēng)機房和污泥回流泵取代原隔膜氣泵系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和維護(hù)的便捷性。

改造后的工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后工藝流程Fig.1 Process flow after reconstruction

2.3 主體工藝設(shè)計

2.3.1 一體化ANO設(shè)備改造

將原ANO改造為倒置A2/O工藝，設(shè)計規(guī)模為1 000 m3/d，6臺一體化罐體由并聯(lián)改為串聯(lián)，依次改造為缺氧段、厭氧段和好氧段，布置如圖2所示。污泥BOD5負(fù)荷0.118 kg/（kg·d），總氮負(fù)荷0.015 kg/（kg·d），污泥質(zhì)量濃度4 g/L，污泥齡20 d，氣水比6∶1，污泥回流比100%。設(shè)備方面，預(yù)缺氧段增加雙曲面攪拌器2臺，D=500 mm，N=1.1 kW；拆除原一體化設(shè)備內(nèi)部設(shè)備和管線，缺氧段新增雙曲面攪拌器4臺，D=500 mm，N=1.1 kW；厭氧段新增雙曲面攪拌器2臺，D=500 mm，N=1.1 kW；好氧段拆除原隔膜氣泵系統(tǒng)，更換為變頻羅茨鼓風(fēng)機2臺（互為備用，同時為新建MBBR池供氣），Q=4.3 m3/min，H=4.0 m，N=5.5 kW；拆除原曝氣系統(tǒng)，新建好氧區(qū)微孔曝氣系統(tǒng)。

圖2 一體化設(shè)備改造示意Fig.2 Schematic diagram of integrated equipment reconstruction

2.3.2 新建MBBR池

新建MBBR池1座，鋼混結(jié)構(gòu)，L×W×H=7.6 m×9 m×3.3 m，有效水深2.8 m，水力停留時間4 h，硝化液回流比100%～300%。MBBR填料V=60 m3，填充率31.32%，攔截網(wǎng)及附屬設(shè)施1套。硝化液回流泵3臺，變頻控制，Q=4.3 m3/min，H=9 m，N=2.2 kW。新建曝氣系統(tǒng)，由新建鼓風(fēng)機房供氣。

改造前后生物系統(tǒng)容積和HRT見表3。改造后總?cè)毖醵蜨RT為4.2 h，較改造前增加1.71 h；厭氧段HRT為1.65 h；總好氧段HRT為8.95 h，較改造前增加2.26 h。增加各段HRT可提高系統(tǒng)應(yīng)對沖擊性負(fù)荷的能力。

表3 改造前后生物系統(tǒng)容積及水力停留時間Table 3 Volume and hydraulic retention time of biological system before and after reconstruction

2.3.3 新建二沉池及污泥泵房

新建二沉池1座，D=8.4 m，池邊水深2.1 m，表面負(fù)荷0.75 m3/（m2·h），配置1臺中心傳動單管吸泥機，N=0.75 kW。新建污泥泵房1座，污泥回流泵3臺，2用1備，Q=20 m3/h，H=15 m，N=0.75 kW；剩余污泥 螺 桿 泵2臺，1用1備，Q=2 m3/h，H=60 m，N=1.5 kW。由于新建MBBR池、二沉池和高效沉淀池會造成水頭損失，水流無法重力流入原濾布濾池，因此在二沉池出水段增加1座中間提升泵井，配置潛污泵2臺，1用1備，Q=42 m3/h，H=10 m，N=5.5 kW。

2.3.4 新建高效沉淀池

新建高效沉淀池1座，主要用于化學(xué)除磷。由于改造區(qū)域狹小、作業(yè)面緊張、工期短，采用碳鋼材質(zhì)的一體化設(shè)備，L×W×H=5.2 m×4 m×5.5 m，混合時間1.5 min，絮凝時間15.9 min，沉淀區(qū)表面負(fù)荷8.42 m3/（m2·h）?；旌蠑嚢杵?臺，D=500 mm，N=1.5 kW；絮凝攪拌器1臺，D=700 mm，N=2.0 kW；刮泥機1臺，D=4 m，N=0.37 kW；污泥泵3臺，Q=6.5 m3/h，H=12 m，N=0.55 kW。

2.3.5 新建加藥間

新建鋼結(jié)構(gòu)加藥間1座，與高效沉淀池合建。考慮到化學(xué)除磷和SS的去除需求，將PAC、PAM投加至高效沉淀池，質(zhì)量濃度分別為40 mg/L和1 mg/L。PAC計量泵2臺，1用1備，Q=50 L/h，H=40 m，N=0.37 kW；PAM計量泵2臺，1用1備，Q=50 L/h，H=40 m，N=0.37 kW。投加乙酸鈉至預(yù)缺氧池，質(zhì)量濃度為35 mg/L，乙酸鈉計量泵2臺，1用1備，Q=50 L/h，H=40 m，N=0.37 kW。

3 運行效果及經(jīng)濟(jì)分析

改造工程于2020年12月施工完畢，2021年1月至3月試運行，2021年4月 正式運行。2021年4月 至9月期間，各站點平均進(jìn)水流量中生活污水為530 m3/d、工業(yè)廢水為200 m3/d，進(jìn)出水水質(zhì)見表4。與改造前相比，NH3-N達(dá)標(biāo)率由80.83%提升至100%，TN達(dá)標(biāo)率由83.33%提升至100%，TP達(dá)標(biāo)率由部分站點的85%提升至100%，改造工程實現(xiàn)了增強系統(tǒng)脫氮除磷能力的目的。

表4 改造后進(jìn)出水水質(zhì)Table 4 Influent and effluent quality after reconstruction

該鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站點改造后關(guān)鍵工藝段的污染 物平均去除率見表5。

表5 改造后關(guān)鍵工藝段污染物平均去除率Table 5 Average removal rate of pollutants in key process sections after reconstruction

對于COD指標(biāo)，倒置A2/O段COD去除率為67.35%；MBBR池COD去除率為54.30%，累積去除率為85.08%。由于COD進(jìn)水指標(biāo)較低，倒置A2/O去除了大部分的COD，MBBR池的主要作用是增加好氧段總HRT，提高生物系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力。

對于NH3-N和TN指標(biāo)，倒置A2/O段NH3-N和TN去除率分別為53.13%、50.11%；MBBR池NH3-N和TN去除率分別為78.64%、44.06%，累積去除率分別為89.99%、72.09%。MBBR工藝通過提高生物系統(tǒng)的硝化反硝化能力，保證了TN和NH3-N出水指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率，特別是對NH3-N去除率貢獻(xiàn)較大。

對于TP指標(biāo)，改造后的生物工藝段（倒置A2/O+MBBR池+二沉池）的TP累積去除率為62.35%；高效沉淀池的TP去除率為82.63%，累積去除率為93.46%?；瘜W(xué)除磷起到了保證TP出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵作用。

改造前主體工藝段一體化ANO設(shè)備（缺氧段+好氧段+沉淀段）主要污染物的平均去除率：COD為77.89%、NH3-N為80.50%、TN為68.43%、TP為82.99%。改造后主體工藝段（倒置A2/O+MBBR池+二沉池+高效沉淀池）主要污染物的平均去除率均有較大幅度提高，其中COD為86.17%、NH3-N為90.51%、TN為73.08%、TP為93.46%。

本次改造，單座站點改造總投資588.82萬元，其中建安費158.48萬元，設(shè)備費430.34萬元，設(shè)備費中一體化設(shè)備拆改費99.76萬元。改造后，單座站點運行費為1.40元/m3，其中電費0.32元/m3，藥劑費0.90元/m3，人工費0.18元/m3。

4 結(jié)論

江蘇某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理站點面臨工業(yè)廢水混入，進(jìn)水沖擊負(fù)荷大，出水NH3-N、TN和TP達(dá)標(biāo)率低，且設(shè)備運行維護(hù)難度大的問題。以利用現(xiàn)有設(shè)施接納工業(yè)廢水為目的，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理站點改造為工業(yè)廢水和生活污水融合性處理站點，從提高系統(tǒng)脫氮除磷能力出發(fā)，將原一體化ANO設(shè)備改造為倒置A2/O工藝，新建MBBR池及高效沉淀池。改造后，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)工業(yè)廢水得到了有序收集和處理，各站點出水NH3-N、TN和TP達(dá)標(biāo)率均為100%，出水水質(zhì)達(dá)到GB18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。