陳自達(dá)

0 引言

在我國(guó)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(shì)嚴(yán)峻。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)及國(guó)家對(duì)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(lái)越多的污水處理廠響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，在現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(jí)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(duì)污水處理廠一級(jí)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(yíng)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(jiǎn)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(jì)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(jì)城市污水處理廠污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)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(guó)污水處理廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)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(shí)宜考慮碳源補(bǔ)充措施。首先需要對(duì)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(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)難以取得共識(shí)，而且對(duì)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(lái)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(wèn)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(wàn)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(zhǎng)，未來(lái)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(lái)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(duì)比

通過(guò)對(duì)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(jí)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(jià)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(guò)末端的深度處理來(lái)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(shì)。

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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(guó)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(guò)程污泥BOD 負(fù)荷較低，污泥齡較長(zhǎng)，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(jí)A 的10mg/L 則需要有過(guò)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(guò)濾較難穩(wěn)定達(dá)到，必須設(shè)置穩(wěn)妥高效的沉淀過(guò)濾組合工藝。

結(jié)合目前國(guó)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(jì)并合理選取設(shè)計(jì)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(wèn)題，并協(xié)助解決有機(jī)物和TP 問(wèn)題。

2.2.2 有機(jī)物

二級(jí)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。可生物降解的溶解性有機(jī)物在污水處理廠生化處理過(guò)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(guò)混凝沉淀過(guò)濾工藝可以部分去除。懸浮性有機(jī)物可以通過(guò)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(dòng)，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(shí)，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(guò)一級(jí)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(duì)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(guó)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(jì)受到一定限制，主要包括缺氧段停留時(shí)間是否充足（完全反硝化需要較長(zhǎng)的停留時(shí)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(guò)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(jì)，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(guò)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(shí)，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(wú)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(lái)，反硝化深床濾池在國(guó)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(lái)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(duì)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(gè)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(jí)A 或更高標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)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(shí)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(shí)，已考慮采用高效沉淀+反硝化深床濾池的工藝，通過(guò)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(gè)指標(biāo)的去除對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，對(duì)于工藝設(shè)計(jì)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(guò)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(jí)氧化的方式來(lái)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(guò)集反硝化和過(guò)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(dòng)。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(shí)，通過(guò)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(gè)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(guò)多方位的比選。

以下簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)已有典型的污水深度處理反硝化中試及評(píng)估情況。

2011 年1 月，結(jié)合國(guó)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(jì)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(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn)，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(chǎng)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(chǎng)試驗(yàn)，在王小郢污水廠對(duì)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(chǎng)試驗(yàn)自 2011 年 3 月中旬啟動(dòng)，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(bào)告》。

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

（2）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)較高等缺點(diǎn)；

② 深床過(guò)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(jī)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(duì)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(guò)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(dòng)連續(xù)反沖洗管理方便，投資和運(yùn)行成本相對(duì)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(shí)的配水問(wèn)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(duì)運(yùn)行管理要求高等問(wèn)題，因此暫不予以考慮。

通過(guò)最終比較分析，兩種濾池各項(xiàng)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(jià)、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(xiàng)目中，反硝化深床濾池有效發(fā)揮了其對(duì)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(dòng)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(guò)觀察各組濾池液位，調(diào)整濾池反洗順序、各工序時(shí)間等即可實(shí)現(xiàn)反硝化濾池的自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)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(duì)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(shí)到污水處理的重要性，國(guó)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(guò)對(duì)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。