淺談城鎮(zhèn)污水處理廠一級A（類四類水）提標(biāo)改造思路

陳自達(dá)

0 引言

在我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的背景下，污水排放量也在不斷增加，水污染形勢嚴(yán)峻。隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)及國家對環(huán)保行業(yè)的支持，污水處理行業(yè)快速發(fā)展，并且越來越多的污水處理廠響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，在現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過工程改擴(kuò)建、工藝改造等手段，將排放標(biāo)準(zhǔn)提升至一級A 標(biāo)準(zhǔn)或更高?；诖?，本文以福建省莆田市四座污水處理廠中的閩中污水廠提標(biāo)改造為例，對污水處理廠一級A 提標(biāo)改造的思路與工藝進(jìn)行探討。

1 提標(biāo)改造思路

根據(jù)污水廠的建設(shè)、運(yùn)營管理現(xiàn)狀，在細(xì)致分析污水廠多年水質(zhì)水量運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合提標(biāo)改造目標(biāo)，合理選取穩(wěn)妥可靠、經(jīng)濟(jì)合理的提標(biāo)工藝。

1.1 閩中污水廠簡介

莆田閩中污水處理廠地處莆田市涵江區(qū)白塘鎮(zhèn)顯應(yīng)村，服務(wù)范圍達(dá)100km，目前該污水廠分三期建設(shè)，每期建設(shè)規(guī)模為80 000m/d，合計總規(guī)模為240 000m/d。

一、二、三期工程污水處理主體工藝均采用A2/0。主要處理構(gòu)筑物有細(xì)格柵及曝氣沉砂池、A2/O 生物池、二沉池、鼓風(fēng)機(jī)房、污泥脫水機(jī)房、排水泵房及附屬生產(chǎn)性建筑物，目前進(jìn)廠污水總量穩(wěn)定在180 000～230 000m/d，污水廠處理效果較好，完全達(dá)到原設(shè)計城市污水處理廠污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級B 標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 優(yōu)先考慮原廠改造深挖潛能

現(xiàn)階段我國污水處理廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計的一般原則仍然是優(yōu)先生物脫氮，強(qiáng)化生物除磷、輔助化學(xué)除磷，同時宜考慮碳源補(bǔ)充措施。首先需要對污水處理廠主要處理構(gòu)筑物進(jìn)行挖潛。但由于本污水廠運(yùn)維權(quán)屬、改造后各方權(quán)益及水質(zhì)管控界面的問題，短時間內(nèi)難以取得共識，而且對現(xiàn)狀構(gòu)筑物進(jìn)行改造需要停水作業(yè)，將給現(xiàn)狀污水廠的運(yùn)行帶來較大困難，甚至可能導(dǎo)致上游管網(wǎng)污水外溢，造成環(huán)境污染。綜合考慮上述各種因素后，提標(biāo)改造方案放棄老廠改造的方案。

1.3 出水末端添加深化工藝

由于老廠技改挖潛的方案在實(shí)際操作中存在諸多問題，在末端增加深度處理工藝成了必然選擇。

現(xiàn)有污水處理廠已按照遠(yuǎn)期總規(guī)模32 萬噸/日一次性完成征地，目前污水廠內(nèi)還有四期的預(yù)留用地。結(jié)合莆田市總體規(guī)劃和人口現(xiàn)狀，閩中污水廠服務(wù)范圍內(nèi)的人口較難再有實(shí)質(zhì)性的增長，未來污水廠的實(shí)際進(jìn)水量也較難突破240 000 噸/日，近些年污水廠實(shí)際進(jìn)水量總體也在180 000～230 000m/d 且趨于平穩(wěn)。因此，利用四期預(yù)留地來實(shí)施本次提標(biāo)工程，是綜合各種因素考量后較為合理可行的方案。

1.4 原廠改造與末端加工藝成本及影響對比

通過對污水廠現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)的分析，目前污水廠出水某些指標(biāo)基本能達(dá)到甚至優(yōu)于一級A，采取老廠改造進(jìn)一步提升出水水質(zhì)空間較為有限，老廠改造方案從性價比角度已存在明顯的邊際效應(yīng)；而且老廠改造僅能有限提升部分出水指標(biāo)，其余部分的水質(zhì)指標(biāo)依然需要通過末端的深度處理來解決。

因此，采取在末端設(shè)置高效的深度處理工藝，在實(shí)施便捷性、技術(shù)可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢。

2 工藝考慮

2.1 重要污染因子與工藝選擇

本工程各主要污染因子去除率如表1 所示。

表1 各主要污染物去除率

結(jié)合表1 及目前污水廠的出水水質(zhì)，本次提標(biāo)改造重點(diǎn)需要去除的污染因子主要為有機(jī)物、NH3-N、TN、TP 和SS。

2.2 提標(biāo)難點(diǎn)分析和對策

本次提標(biāo)改造需要解決的污染因子主要包括有機(jī)物、NH3-N、TN、TP 和SS，以下對各污染因子進(jìn)行逐一分析。

2.2.1 懸浮物

污水處理廠出水中SS 含量的高低，對其它指標(biāo)都有決定性影響，特別是BOD5、COD 和TP 等。污水生化處理出水中殘留的SS 幾乎都是有機(jī)類，45%～50%的BOD5、30%以上的COD 基本來源于這些顆粒，進(jìn)一步提高SS 去除率可以同步降低污水中的有機(jī)物和TP 濃度。

國內(nèi)城市生活污水處理廠多數(shù)采用以生物脫氮為主的工藝，由于硝化過程污泥BOD 負(fù)荷較低，污泥齡較長，活性污泥的SVI 值低，沉降性能好，二沉池出水一般能達(dá)到20mg/L 以下，但要進(jìn)一步提標(biāo)至一級A 的10mg/L 則需要有過濾工藝把關(guān)。本次提標(biāo)需要將SS 從20mg/L 降低到5mg/L，常規(guī)的重力沉淀和過濾較難穩(wěn)定達(dá)到，必須設(shè)置穩(wěn)妥高效的沉淀過濾組合工藝。

結(jié)合目前國內(nèi)污水廠提標(biāo)工程實(shí)踐，采用高效沉淀+深床濾池工藝，在細(xì)化設(shè)計并合理選取設(shè)計參數(shù)的情況下，是可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水SS 小于5mg/L 的指標(biāo)要求。為此，本次提標(biāo)擬采用高效沉淀+深床濾池工藝解決SS 問題，并協(xié)助解決有機(jī)物和TP 問題。

2.2.2 有機(jī)物

二級處理出水中的有機(jī)物主要為溶解性的有機(jī)物和懸浮性的有機(jī)物?？缮锝到獾娜芙庑杂袡C(jī)物在污水處理廠生化處理過程中基本上可以去除，殘存的難降解的溶解性有機(jī)物通過混凝沉淀過濾工藝可以部分去除。懸浮性有機(jī)物可以通過SS 的去除得以去除。但由于閩中污水廠出水BOD 仍存在一定的波動，要保證出水BOD 小于6mg/L 仍有必要進(jìn)行深度處理。

2.2.3 氨氮

污水廠生化系統(tǒng)正常運(yùn)行時，只要充氧量足夠，出水氨氮一般處于較低的水平，但總氮超標(biāo)（超過一級A 標(biāo)準(zhǔn)）現(xiàn)象較為普遍。曝氣生物濾池在污染負(fù)荷較低的情況下，仍然對氨氮具有較高的去除效率，本次提標(biāo)擬采用曝氣生物濾池工藝，利用陶瓷濾料上附著的硝化菌去除污水中的氨氮，確保氨氮達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.4 總氮

國內(nèi)城市生活污水廠主要采取以A2/O 和氧化溝為主體的生化工藝，其內(nèi)部反硝化單元的設(shè)計受到一定限制，主要包括缺氧段停留時間是否充足（完全反硝化需要較長的停留時間）、可供反硝化有效碳源是否充足（進(jìn)水是否設(shè)置初沉、進(jìn)水B/N是否滿足脫氮要求、進(jìn)水中有效碳源能否在反硝化段得以充分利用等）、系統(tǒng)曝氣是否過量（溶解氧的存在將影響反硝化效率）等，因而系統(tǒng)總氮去除效率一般不高。

總氮主要由有機(jī)氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮組成，一般污水處理廠生化處理按完全消化設(shè)計，二沉池出水中有機(jī)氮、氨氮含量較低，總氮主要由硝態(tài)氮組成。因此需在生化處理過程中盡量創(chuàng)造較好的反硝化條件、提高系統(tǒng)反硝化效率的同時，在深度處理段設(shè)后置反硝化工藝，并適當(dāng)投加有效碳源（二沉池出水中有效碳源量已經(jīng)很少，無法支持進(jìn)一步的反硝化），進(jìn)一步去除污水中的TN。

近年來，反硝化深床濾池在國內(nèi)污水廠提標(biāo)改造中已有較為廣泛成熟的應(yīng)用，并可穩(wěn)定去除5～10mg/L 的TN。因此，本工程擬采用反硝化深床濾池來完成TN 的提標(biāo)。

2.2.5 磷

總磷小于0.3mg/L 較為嚴(yán)格，總磷小于0.3mg/L 對于一些敏感水體是非常有意義的，北歐一些污水處理廠排入波羅的海的標(biāo)準(zhǔn)與此類似?？偭仔∮?.3mg/L 即意味著全面的化學(xué)除磷，需要較大量的藥劑投入。在總磷這個指標(biāo)上，0.3 與0.5 的差別非常大。生活污水一般采用生物除磷方式，但除磷與脫氮在泥齡上是一大矛盾，難以較好的兼顧兩者，尤其是在出水要求執(zhí)行一級A 或更高標(biāo)準(zhǔn)的時候。

本工程要滿足出水磷濃度低于0.3 mg/L 的要求，必須在采用具有生物除磷功能的污水處理工藝的基礎(chǔ)上，在后段深度處理工段設(shè)置化學(xué)除磷，同時要嚴(yán)格控制出水SS 濃度，確保出水總磷濃度穩(wěn)定低于0.3 mg/L。前段在考慮去除SS 指標(biāo)時，已考慮采用高效沉淀+反硝化深床濾池的工藝，通過合理選擇除磷藥劑、控制加藥量、控制高效沉淀表面負(fù)荷、合理選用反硝化深床濾池的濾速，可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)TP 提標(biāo)的目標(biāo)。

2.2.6 協(xié)同達(dá)標(biāo)

由于去除有機(jī)物和氨氮與去除總磷、總氮是在不同的單元段完成的，而各個指標(biāo)的去除對于資源或者外界環(huán)境的需求均不同，如何采取成熟、穩(wěn)妥、經(jīng)濟(jì)的組合工藝同時實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，對于工藝設(shè)計有著相當(dāng)嚴(yán)苛的要求。

COD、BOD 和氨氮需要在好氧的情況下進(jìn)行消化，而總氮必須在缺氧和有效碳源存在的條件下才能有效去除，采用化學(xué)藥劑法去除總磷較為獨(dú)立，但需要借助后端過濾單元進(jìn)行協(xié)同去除。上述指標(biāo)的去除存在資源和環(huán)境的矛盾，但又相互依存，必須全局考慮并合理取舍。首先污水廠出水中有效碳源已經(jīng)較少，本工程想借助進(jìn)水的碳源進(jìn)行反硝化的想法在實(shí)際中較難實(shí)現(xiàn)，本工程規(guī)模較大，采用高級氧化的方式來提高進(jìn)水的B/C 也不現(xiàn)實(shí)，較為合理的辦法就是首先采用曝氣生物濾池去除進(jìn)水COD（碳化）和氨氮（硝化），而后采用化學(xué)除磷工藝，并進(jìn)行合理的絮凝沉淀，確保出水中的溶解氧可滿足后續(xù)反硝化的進(jìn)水條件，最后通過集反硝化和過濾于一身的反硝化深床濾池去除總氮和懸浮物，以達(dá)到最佳的協(xié)同達(dá)標(biāo)效果。

根據(jù)以上分析，由于本工程要求的出水水質(zhì)很高，閩中污水處理廠現(xiàn)有出水水質(zhì)與回用水水質(zhì)要求不同程度上存在一定差距，許多指標(biāo)也存在較大波動。因此，本工程必須新增深度處理工藝，進(jìn)一步去除消納污水廠出水中殘余的各類污染物，以滿足出水水質(zhì)要求。主要措施歸納如下：（1）深度處理段新增碳化和硝化單元，確保出水有機(jī)物和氨氮達(dá)標(biāo)；（2）設(shè)置化學(xué)除磷和SS 去除單元，確保出水總磷、SS 和其他污染物達(dá)標(biāo)；（3）有條件時，通過前端原有污水廠運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，強(qiáng)化現(xiàn)有生化系統(tǒng)處理能力，減輕深度處理段的運(yùn)行壓力。

2.3 重要工藝

在本工程深度處理工藝中，反硝化濾池的選擇是整個工藝的核心單元。為此，在該工藝的具體池型選擇方面需要更為具體和深入，并經(jīng)過多方位的比選。

以下簡單介紹一下國內(nèi)已有典型的污水深度處理反硝化中試及評估情況。

2011 年1 月，結(jié)合國家巢湖流域水污染防治“十二五”規(guī)劃以及合肥市南淝河環(huán)境綜合整治工程，合肥市提出王小郢污水廠提標(biāo)改造深度處理部分的設(shè)計出水主要指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的地表水環(huán)境質(zhì)量 IV 類標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。

表2 王小郢污水處理廠提標(biāo)改造出水水質(zhì)

鑒于出水指標(biāo)要求較高，國內(nèi)尚不多見，適宜的深度處理工藝是否能夠滿足處理程度的要求也需要現(xiàn)場試驗(yàn)確定，中試組織了目前具有代表性的三種反硝化功能的濾池工藝進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，在王小郢污水廠對三種不同工藝的適應(yīng)性和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究，為工程方案選擇提供參考依據(jù)。

參與試驗(yàn)的三種深度處理工藝分別是：馬鞍山市華騏環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司的“反硝化生物濾池”；水環(huán)純水務(wù)技術(shù)（上海）有限公司的“深床反硝化濾池”；帕克環(huán)保技術(shù)（上海）有限公司的“生物連續(xù)砂濾池”（活性砂濾池）。

現(xiàn)場試驗(yàn)自 2011 年 3 月中旬啟動，至 2011 年 9 月 4 日正式結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，形成《合肥王小郢污水處理廠提標(biāo)改造工程深度脫氮試驗(yàn)研究報告》。

（1）經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，生物濾池（輔以后續(xù)過濾措施）、深床過濾及活性砂工藝均能滿足本項目深度處理出水要求。

（2）經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證及考察，上述三種工藝均有各自的特點(diǎn)：

①生物濾池工藝具有抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，濾速可適當(dāng)提高，占地面積小，構(gòu)筑物分格數(shù)少，不涉及專利等優(yōu)點(diǎn)，但具有甲醇投加量較高，水頭損失較大，需要后接濾布濾池或砂濾池以穩(wěn)定去除 SS、整體方案投資和運(yùn)行成本相對較高等缺點(diǎn)；

② 深床過濾工藝具有脫氮和去除 SS 處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用業(yè)績多，構(gòu)筑物分格數(shù)少，甲醇投加量較少，投資和運(yùn)行成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，但具有占地面積較大，跌水產(chǎn)生噪音和充氧（通過措施可以解決），涉及專利技術(shù)等缺點(diǎn)；

③活性砂工藝具有脫氮和去除 SS 處理效果好，甲醇投加量少，自動連續(xù)反沖洗管理方便，投資和運(yùn)行成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，但具有構(gòu)筑物分格數(shù)多，反洗水量較大，大規(guī)模應(yīng)用存在水量變化時的配水問題。

考慮到本工程規(guī)模較大，若采用活性砂濾池存在水池分格多、對運(yùn)行管理要求高等問題，因此暫不予以考慮。

通過最終比較分析，兩種濾池各項性能指標(biāo)相差不多。深床濾池兼具普通砂率和反硝化濾池的特點(diǎn)，可以滿足不同出水標(biāo)準(zhǔn)的要求。而反硝化陶粒生物濾池出水SS 保證率穩(wěn)定性不高。

綜合考慮，反硝化深床濾池方案的工程造價、運(yùn)行費(fèi)用以及電耗更低，因此本科研推薦采用混凝高效沉淀+反硝化深床濾池做為本工程的反硝化及除SS 工藝。

3 技術(shù)路線圖

根據(jù)上述比選結(jié)果，本工程工藝推薦采用：二沉池出水—曝氣生物濾池—混凝反應(yīng)高效沉淀—反硝化濾池—消毒—提升至廠外回用。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

4 效果與不足

4.1 效果

閩中污水處理廠項目中，反硝化深床濾池有效發(fā)揮了其對總氮的脫除效果，2022 年1～5 月提標(biāo)段TN 脫除率達(dá)到77.7%，出水TN 穩(wěn)定在10mg/L 以內(nèi)。乙酸鈉平均單耗110mg/L，碳源成本0.181 元/t。反硝化深床濾采用獨(dú)立的PLC 控制系統(tǒng)，閥門、水泵、風(fēng)機(jī)均處于自動運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)經(jīng)前期調(diào)試、設(shè)定后，運(yùn)行生產(chǎn)人員只需通過觀察各組濾池液位，調(diào)整濾池反洗順序、各工序時間等即可實(shí)現(xiàn)反硝化濾池的自動運(yùn)行，自動化程度高，有效節(jié)省了人工成本。

4.2 不足

因一二期設(shè)備投產(chǎn)均已十年以上，設(shè)備老舊，細(xì)格柵間隙不均勻，難以有效確保5mm 以上雜質(zhì)的攔截，二沉池浮渣收集系統(tǒng)也難以有效發(fā)揮作用，造成雜質(zhì)流經(jīng)生化池、二沉池后，經(jīng)中間提升泵房水泵破碎后進(jìn)入高效沉淀池，在高效沉淀池絮凝段形成大量浮渣區(qū)，需要人工清撈，對污水廠運(yùn)行造成了一定負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)論

綜上所述，為滿足城鎮(zhèn)污水處理需求，城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造是關(guān)鍵。當(dāng)前，多數(shù)城鎮(zhèn)居民也認(rèn)識到污水處理的重要性，國家也給予了大力的支持，提升污水處理效率成為城鎮(zhèn)發(fā)展的重要工作內(nèi)容。但目前，受諸多因素影響，城鎮(zhèn)污水處理提標(biāo)改造水平仍不高，實(shí)際改造中，還需充分考慮原水水質(zhì)、工程量等諸多因素，通過對多種因素綜合分析，尋找最有效的提標(biāo)改造方案及改造工藝，以實(shí)現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放。