張占梅，石瑞琦，任筱雨，潘云霞，李 銳

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；3.國(guó)電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)水務(wù)有限公司，重慶 400064)

0 引 言

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，人們對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)提出了更高的要求[1，2]。按照遼寧省政府環(huán)保工作目標(biāo)及生態(tài)環(huán)境部《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施情況考核規(guī)定(試行)》要求，遼寧省城鎮(zhèn)污水處理廠出水在“十三五”期間要全部達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。昌圖污水處理廠原設(shè)計(jì)出水為一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，且處理工藝單一、工藝流程不完善，再加上項(xiàng)目地處嚴(yán)寒地區(qū)，低溫條件對(duì)生化反應(yīng)影響較大，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定[3-5]，尤其冬季出水水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，亟需進(jìn)行升級(jí)改造。

1 工程背景

昌圖污水處理廠位于遼寧省鐵嶺市昌圖縣昌圖鎮(zhèn)，主要收集處理昌圖縣城區(qū)域生活污水及少量工業(yè)廢水，設(shè)計(jì)總規(guī)模為5×104m3/d，分兩期建設(shè)。其中一期為2×104m3/d、二期為3×104m3/d，目前均為滿負(fù)荷運(yùn)行。原工藝為“預(yù)處理+A/O+二沉池”，出水水質(zhì)執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。提標(biāo)改造工程實(shí)施后，該廠出水水質(zhì)需達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 原設(shè)計(jì)工況及存在問(wèn)題

2.1 處理規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

昌圖污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5×104m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)要求CODcr≤350 mg/L、BOD5≤180 mg/L、SS≤200 mg/L、NH3-N≤30 mg/L、TN≤40 mg/L、TP≤4 mg/L；設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求滿足GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，即要求CODcr≤60 mg/L、BOD5≤20 mg/L、SS≤20 mg/L、NH3-N≤8 mg/L、TN≤20 mg/L、TP≤1 mg/L。

為掌握目前污水處理廠實(shí)際進(jìn)出水情況，2018年7月—2019年5月分別對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果如表1。

表1 污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)

由表1可以看出，在進(jìn)水基本滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，出水水質(zhì)雖滿足一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，但BOD5、SS、TN、TP等參數(shù)，無(wú)法滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，技術(shù)升級(jí)改造的重點(diǎn)是提升BOD、SS、TN和TP的去除效果。

2.2 設(shè)計(jì)工藝流程

昌圖污水處理廠一期、二期工程工藝一致，具體工藝流程如圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)工藝流程

2.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

由粗格柵、細(xì)格柵和沉砂池組成。污水經(jīng)粗格柵去除柵渣后由泵提升，經(jīng)細(xì)格柵及平流式沉砂池進(jìn)一步處理去除懸浮物、漂浮物及少量的有機(jī)物等。

2.2.2 A/O生化反應(yīng)池

污水生化處理核心構(gòu)筑物，設(shè)2組，設(shè)計(jì)處理水量分別為2×104、3×104m3/d，K=1.1，設(shè)計(jì)流量為0.255、0.382 m3/s，總池容分別為5 072、10 432.8 m3。

2.2.3 二沉池

A/O反應(yīng)池出水進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，共2座。經(jīng)二沉池處理后的水直接外排。

2.2.4 污泥處理

剩余污泥直接排入污泥儲(chǔ)池，然后由泵排至帶式污泥脫水機(jī)，脫水后外運(yùn)填埋，污泥含水率為約80%～85%。

2.3 主要問(wèn)題

2.3.1 無(wú)法滿足脫氮除磷需要

從表1可以看出，進(jìn)水中有機(jī)物及N、P的含量不均衡，實(shí)際運(yùn)行中如果污泥濃度、回流比、污泥齡、溶解氧能工藝參數(shù)調(diào)控不合理，將無(wú)法達(dá)到預(yù)期處理效果，再加上硝化菌是自養(yǎng)菌，為使硝化段內(nèi)硝化菌占優(yōu)勢(shì)，理論上，BOD/TN需大于2.86才能滿足反硝化要求[6,7]，而污水處理廠實(shí)際進(jìn)水BOD5平均值為40 mg/L，不利于硝化反應(yīng)；且過(guò)程中污泥齡和停留時(shí)間短，不僅導(dǎo)致硝化菌繁殖較慢，而且廢水中的氮得不到充分硝化，影響反硝化效果導(dǎo)致脫氮率較低[8,9]。要強(qiáng)化脫氮除磷效果滿足更高環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)生化處理工藝進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

2.3.2 無(wú)法滿足出水SS及消毒殺菌指標(biāo)

原二沉池采用中心進(jìn)水、周邊出水的輻流式二沉池，直徑較小但設(shè)計(jì)負(fù)荷高，沉淀效果不理想，出水水質(zhì)中SS偏高。此外，原工藝未設(shè)置消毒系統(tǒng)，不能確保水質(zhì)中細(xì)菌和病原菌穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，給受納水體帶來(lái)潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 氣溫條件導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定

溫度是影響污水處理效果的一個(gè)關(guān)鍵因素[10]。低溫引起微生物生長(zhǎng)緩慢和酶促反應(yīng)速度下降，導(dǎo)致污泥活性降低，使得生化反應(yīng)速率下降，影響污水處理效果。在生物脫氮過(guò)程中，硝化反應(yīng)適宜溫度是20～30 ℃，在15 ℃以下硝化速度下降；反硝化反應(yīng)適宜溫度是20～40 ℃，在15 ℃以下反硝化菌的增殖速率降低，代謝速率也降低[11,12]。該廠冬季溫度達(dá)不到硝化菌及反硝化菌的最適溫度，對(duì)氮的去除效率有很大影響。另外，溫度對(duì)二沉池沉淀效率影響也較大，氣溫低時(shí)，顆粒沉速也隨之降低，導(dǎo)致沉淀池處理效率下降、出水中SS超標(biāo)。

3 提標(biāo)改造

3.1 改造思路

基于原工藝流程存在的主要問(wèn)題，提標(biāo)改造重點(diǎn)是提升對(duì)氮、磷及有機(jī)物的去除效果，同時(shí)進(jìn)一步降低出水中SS的含量，在現(xiàn)有處理設(shè)施及構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并增加殺菌消毒工藝單元，確保滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.1 改造生化處理工藝，提升脫氮除磷

為強(qiáng)化脫氮除磷效果，在原A/O池內(nèi)增加缺氧段，將原工藝改造成A2/O工藝，并新增A2/O生化池和二沉池各一座。A2/O工藝在脫氮除磷的同時(shí)可去除污水中CODcr及BOD5，且運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，對(duì)水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷沖擊的適應(yīng)能力強(qiáng)，冬季低溫條件下也有較好的處理效果。

3.1.2 新增混凝沉淀處理單元，強(qiáng)化化學(xué)除磷

經(jīng)A2/O生物處理工藝后CODcr、BOD5、TN和氨氮基本可以達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，但是SS和TP還需經(jīng)過(guò)深度工藝后方可滿足要求。故在二沉池后新增深度處理工藝，增設(shè)高效沉淀池，提升磷及SS的去除效果[13,14]?；炷恋矶卧鲈O(shè)混凝劑(PAC)和助凝劑(PAM)投加設(shè)施。

3.1.3 確保出水懸浮物達(dá)標(biāo)，增設(shè)纖維過(guò)濾設(shè)施

由于是改造工程，新增的深度處理設(shè)施會(huì)增加一部分水頭損失。經(jīng)計(jì)算，經(jīng)過(guò)絮凝沉淀處理單元后，采用常規(guī)的過(guò)濾裝置無(wú)法滿足要求。而纖維過(guò)濾裝置占地面積小，水可由周邊進(jìn)中間出以加大過(guò)濾面，且水頭損失較小[15]。因此，過(guò)濾系統(tǒng)采用纖維轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾，過(guò)濾后出水SS一般小于10 mg/L。

3.1.4 完善工藝流程，增設(shè)消毒工藝

昌圖污水處理廠原系統(tǒng)未設(shè)消毒工藝，改造中增設(shè)紫外線消毒處理工藝單元。紫外線消毒滅菌效率高、作用時(shí)間短、運(yùn)行管理方便不需建造較大的接觸池，建消毒渠即可，占地面積和土建費(fèi)用大大減少。

綜上分析，改造后污水處理廠屬于三級(jí)處理工藝，其中一級(jí)處理為“粗格柵+提升泵+細(xì)格柵+沉砂池”，二級(jí)處理采用“A2/O+二沉池”工藝，深度處理采用“高效沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池+消毒工藝”。具體工藝流程如圖2。

圖2 改造后工藝流程

3.2 改造設(shè)計(jì)

3.2.1 改造生化處理系統(tǒng)(含二沉池)

1)將原有A/O池改造為A2/O生化反應(yīng)池

改造后A2/O生化池：污泥負(fù)荷為0.082 kg BOD5/(kgMLSS·d)，污泥濃度為3 500 mg/L，氣水比分別為7.8∶1(一期)、8.4∶1(二期)，最大供氣量為60 m3/min，污泥齡為12.4 d，最大回流比為100%，總有效容積為6 050 m3(一期)、10 433 m3(二期)。水力停留時(shí)間12.7 h(一期)、12.5 h(二期)。厭氧池容：停留時(shí)間1.5 h，容積為720 m3(一期)、1 250 m3(二期)；缺氧池容：停留時(shí)間4h，容積為1 920 m3(一期)、3 330 m3(二期)；好氧池容：停留時(shí)間7.2 h(一期)、7.0 h(二期)，容積為3 410 m3(一期)、5 853 m3(二期)。

2)新建生化池

平面尺寸L(長(zhǎng))×B(寬)×H(高)=71.5 m×23.6 m×7.0 m，污泥濃度為3 500 mg/L，污泥負(fù)荷為0.082 kg BOD5/(kgMLSS·d)，氣水比為6∶1，最大供氣量為77 m3/min，污泥齡為12.4 d，污泥外回流比為100%，污泥內(nèi)回流比為200%，總有效容積為9 831 m3。水力停留時(shí)間12.7 h，厭氧池容：停留時(shí)間1.5 h，容積為1 158 m3；缺氧池容：停留時(shí)間4 h，容積為3 096 m3；好氧池容：停留時(shí)間7.2 h，容積為5 577 m3。

3)二沉池

原有二沉池：池邊有效水深為3.5 m，單池外形尺寸為φ24 m×4 m(一期)、φ28 m×4 m(二期)，分2座，平均日平均時(shí)表面負(fù)荷為0.53 m3/(m2·h)(一期)、0.68 m3/(m2·h)(二期)，最大日最大時(shí)表面負(fù)荷為0.73 m3/(m2·h)(一期)、0.934 m3/(m2·h)(二期)。

新建二沉池1座，采用周進(jìn)周出二沉池，直徑32 m，有效水深4.5 m；平均日平均時(shí)表面負(fù)荷為0.96 m3/(m2·h)，最大日最大時(shí)表面負(fù)荷1.32 m3/(m2·h)。

3.2.2 新建混凝沉淀系統(tǒng)

1)混合池

混合池采用機(jī)械混合，分2格，總有效容積170 m3，停留時(shí)間為3.5 min，混合反應(yīng)攪拌速度梯度700 s-1；快速攪拌器2臺(tái)，直徑D=1.85 m，功率N=5.5 kW。

2)反應(yīng)池

反應(yīng)池共設(shè)4個(gè)反應(yīng)單元，總有效容積 702 m3，總停留時(shí)間14.5 min；每個(gè)單元反應(yīng)池內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒，并配有低速攪拌器1臺(tái)，D=2.5 m，N=11 kW。

3)高效沉淀池

高效沉淀池設(shè)1座，分2格，設(shè)計(jì)流量Q=2 875 m3/h，變化系數(shù)1.38；斜管上升區(qū)流速為12.6 m/h，總有效容積2 217 m3，共計(jì) 2 系列；底部沉淀區(qū)設(shè)懸掛中心傳動(dòng)刮泥機(jī)1臺(tái)，D=12 m，N=1.1 kW，底板坡度為0.07。

3.3.3 新建纖維過(guò)濾系統(tǒng)

纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池設(shè)1座，分2格，尺寸L×B×H=10.6 m×10.0 m×4.7 m，每格配反沖洗泵2臺(tái)，單臺(tái)泵流量Q=50 m3/h，揚(yáng)程為7 m(已修改)，N=2.2 kW；每池內(nèi)有濾盤(pán)10片，濾盤(pán)D=3 m，單盤(pán)有效面積12.6 m2；每格旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1臺(tái)，N=0.75 kW；每格裝機(jī)功率N=5.43 kW。

3.3.4 新建消毒系統(tǒng)

紫外消毒系統(tǒng)安裝于2組開(kāi)放式紫外消毒明渠中，每條渠寬1.2 m，尺寸L×B×H=12.6 m×2.4 m×3.8 m，紫外設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)，每條渠道沿水流方向安裝1個(gè)模塊組，每個(gè)模塊組共含8模塊，每個(gè)模塊8根燈管；采用低壓高強(qiáng)燈，系統(tǒng)總裝機(jī)功率N=46.12 kW。

4 運(yùn)行效果分析

改造工程于2019年5月建成運(yùn)行，經(jīng)過(guò)近6個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行后，自2019年12月份，系統(tǒng)運(yùn)行及出水水質(zhì)較穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表2。

表2 改造后實(shí)際出水?dāng)?shù)據(jù)

由表2可知，經(jīng)升級(jí)改造處理后，出水CODcr值為23.20～34.95 mg·L-1、出水BOD5為7.40～8.60 mg·L-1，均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。氨氮(NH3-N)和總氮(TN)的去除率分別為75.64%～86.28%及47.99%～70.22%，說(shuō)明改后對(duì)有機(jī)物及氮均具有很好的處理效果。出水中SS和TP滿足10及1 mg·L-1的排放要求，說(shuō)明新建的深度處理系統(tǒng)高效沉淀池及纖維轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾，對(duì)出水水質(zhì)有了進(jìn)一步保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求及排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠原有工藝流程需要升級(jí)改造，并新增深度處理系統(tǒng)，強(qiáng)化脫氮除磷效效果、提升出水水質(zhì)。

2)在充分利舊基礎(chǔ)上，將原生化段A/O工藝改造為A2/O工藝，并新增絮凝沉淀-過(guò)濾-消毒”深度處理單元，本次提標(biāo)改造通過(guò)采用“A2/O+混凝沉淀+纖維轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾+紫外線消毒”工藝，有效地提升了處理效果，各項(xiàng)出水指標(biāo)達(dá)到了GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)升級(jí)改造后經(jīng)過(guò)五個(gè)月的運(yùn)行，系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期改造目標(biāo)，且具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，為寒冷地區(qū)污水處理廠工藝設(shè)計(jì)提供了有益的參考示例。