朱大成， 柴春省， 閆廣強(qiáng)， 王宇健， 秦承剛

（1.山東省棗莊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 山東 棗莊 277800； 2.棗莊市工程質(zhì)量安全服務(wù)中心， 山東 棗莊 277800；3.滕州生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心， 山東 滕州 277500； 4.山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 山東 煙臺(tái) 264000）

BIOLAK－L 工藝是基于多級(jí)A／O 理論和非穩(wěn)定理論的污水處理工藝［1］， 自20 世紀(jì)70 年代在德國首次投入工程應(yīng)用以來， 因其集厭氧、 曝氣、 沉淀、 穩(wěn)定于一體， 具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊， 建設(shè)費(fèi)用低， 獨(dú)特的浮鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)維護(hù)方便簡單， 生化系統(tǒng)污泥濃度高、 污泥負(fù)荷低、 泥齡長、 產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)［2］， 曾經(jīng)在我國城鎮(zhèn)污水處理廠得到推廣應(yīng)用。 隨著國家對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，原BIOLAK－L 工藝設(shè)計(jì)已不能滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)的要求， 尤其是工藝運(yùn)行不穩(wěn)定， 脫氮除磷效率低等問題亟需解決， 很多污水處理廠面臨提標(biāo)改造的壓力。

本文對(duì)BIOLAK－L 存在的工藝缺陷進(jìn)行了分析論證， 提出了充分利用現(xiàn)有構(gòu)筑物進(jìn)行提標(biāo)改造的工藝技術(shù)路線， 改造后出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于新排放標(biāo)準(zhǔn)要求， 且減少了工程占地及改造工程量， 降低了投資費(fèi)用及運(yùn)行成本， 對(duì)類似城鎮(zhèn)污水處理廠的提標(biāo)改造具有一定的借鑒性。

1 工程概況

山東某城鎮(zhèn)污水處理廠接納城區(qū)居民生活污水和園區(qū)企業(yè)廢水， 其中約70%為生活污水， 30%為工業(yè)廢水， 設(shè)計(jì)規(guī)模為4 萬m3／d， 采用BIOLAK－L工藝及配備WOX 系統(tǒng)的浮鏈?zhǔn)狡貧庠O(shè)備， 于2008年投產(chǎn)運(yùn)行， 設(shè)計(jì)尾水排放執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。

該廠位于南水北調(diào)東線重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域， 為了滿足調(diào)水水質(zhì)需要， DB37／ 3416.1—2018《流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)第1 部分： 南四湖東平湖流域》要求其沿線污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002 一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。 多年來， 該廠原處理工藝對(duì)BOD5、 NH3－N的去除效果能滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 而對(duì)TN、 TP 去除效率低， 難以達(dá)到新的排放要求， 因此實(shí)施脫氮除磷提標(biāo)改造迫在眉睫。

2 原工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行存在問題

2.1 原工藝流程

污水處理廠原工藝流程見圖1， 污水先經(jīng)粗細(xì)格柵、 進(jìn)水泵房、 旋流沉沙池預(yù)處理后， 與外回流污泥一同進(jìn)入BIOLAK－L 工藝單元， 依次經(jīng)過厭氧、 好氧處理， 實(shí)現(xiàn)對(duì)COD、 氮、 磷的去除［3］， 再經(jīng)二沉池進(jìn)行泥水分離， 部分污泥經(jīng)吸泥機(jī)、 回流渠排到厭氧區(qū)首端， 沉淀池出水流經(jīng)穩(wěn)定池、 紫外線消毒池后排放， 剩余污泥通過污泥脫水機(jī)房脫水成餅后外運(yùn)處置。

圖1 污水處理廠原工藝流程Fig.1 Original process flow of sewage treatment plant

2.2 進(jìn)出水水質(zhì)

污水廠原設(shè)計(jì)進(jìn)出水及2018 年度實(shí)際平均進(jìn)出水水質(zhì)見表1， 可以看出該廠進(jìn)水COD、 BOD5、TP、 SS 濃度低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， NH3－N、 TN 濃度略高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)； 與GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比， 出水NH3-N 濃度能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)， 而COD 濃度不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)， TN、 TP、 SS 濃度完全不能達(dá)標(biāo)。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水及實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)（2018 年度）Tab.1 Design and actual influent and effluent water quality in 2018

2.3 存在問題及原因分析

（1） 生化處理的脫氮除磷效率低。 BIOLAK－L工藝?yán)碚撋鲜且揽繎腋∈狡貧怄溠厮鞣较虻那昂髷[動(dòng)及其配備的WOX 系統(tǒng)對(duì)曝氣鏈的交替曝氣控制， 使得曝氣區(qū)形成多個(gè)A／O 區(qū)域［4］， 實(shí)現(xiàn)生物硝化反硝化脫氮過程， 但實(shí)際運(yùn)行中脫氮效果并不理想， 主要有以下幾方面原因： 一是與常規(guī)AAO 工藝相比， 該工藝的缺氧區(qū)和好氧區(qū)未嚴(yán)格分離且距離較近［5］， 由于水的流動(dòng)， 好氧區(qū)中的氧氣易帶入缺氧區(qū)， 使其較難形成一個(gè)溶解氧濃度極低的缺氧脫氮環(huán)境， 因此該工藝雖然有一定的脫氮效果［6］， 但出水TN 無法達(dá)到的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。二是從流態(tài)分布上來看， BIOLAK－L 曝氣區(qū)的水流方式為推進(jìn)式， 水中的有機(jī)物、 NH3-N 隨水流方向成漸減式分布， 即使其獨(dú)特曝氣方式在水流方向上能形成多個(gè)A／O 區(qū)域， 在進(jìn)水首端好氧區(qū)域， 混合液中的有機(jī)物相對(duì)來說是最高的， 不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行， 導(dǎo)致緊鄰的缺氧區(qū)域缺少硝態(tài)氮， 因此， 首端A／O 區(qū)段脫氮作用并不大， 中后端隨著有機(jī)物的降低硝化反應(yīng)非常顯著， 然而又因缺少反硝化碳源， 造成中后端的A／O 區(qū)段反硝化脫氮效率仍然不高。

BIOLAK－L 工藝雖然設(shè)置厭氧釋磷區(qū)， 但其配備的WOX 系統(tǒng)對(duì)曝氣鏈交替曝氣的控制使得好氧區(qū)曝氣不充分， 無法有效實(shí)現(xiàn)聚磷菌對(duì)磷的貪婪吸收［3］， 生化除磷效率低， 去除率僅在40%左右。

（2） 工藝設(shè)計(jì)的缺陷致使好氧區(qū)存在大面積短流， 是運(yùn)行不穩(wěn)、 曝氣能耗高的主要因素。 污水從厭氧區(qū)一端進(jìn)入好氧區(qū)， 而好氧區(qū)混合液是沿好氧區(qū)和二沉池之間的整個(gè)隔墻均布進(jìn)入沉淀池的， 好氧區(qū)勢必會(huì)形成如圖2 所示的短流區(qū)域，運(yùn)行中好氧區(qū)能實(shí)際利用的有效容積遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值， 進(jìn)而造成污水流經(jīng)區(qū)域的負(fù)荷偏高， 溶解氧不足， 造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、 曝氣能耗高。

圖2 改造前BIOLAK-L 工藝平面布置Fig.2 Layout of BIOLAK-L process before reconstruction

（3） 工藝設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致沒有合適的位點(diǎn)投加反硝化碳源， 無法解決因生化脫氮碳源不足導(dǎo)致的出水TN 超標(biāo)［7-8］等問題。

（4） 二沉池運(yùn)行不穩(wěn)定導(dǎo)致出水SS、 TP 濃度偏高。 BIOLAK－L 藝采用的是長邊進(jìn)水， 長邊淹沒式出水的平流式二沉池， 與相同規(guī)模尺寸的常規(guī)平流式二沉池相比， 設(shè)計(jì)參數(shù)除表面負(fù)荷一致外，其長寬比、 長深比均低于常規(guī)平流式二沉池， 特別是弗羅德數(shù)遠(yuǎn)低于常規(guī)平流式沉淀池［2］， 說明其長邊進(jìn)水的水流穩(wěn)定性較差， 造成二沉池的效率不高和泥水分離效果不佳。

（5） 穩(wěn)定池未設(shè)計(jì)排泥設(shè)備， 無法及時(shí)排除沉積在此處的污泥， 會(huì)導(dǎo)致污泥厭氧腐化上浮，造成一定時(shí)段內(nèi)出水COD、 SS、 TP 濃度超標(biāo)。

3 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)

3.1 改造工藝技術(shù)路線

提標(biāo)改造主要解決該廠排放標(biāo)準(zhǔn)提升到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的工藝技術(shù)問題， 出水TN、 TP 的提標(biāo)是本次改造工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)， 主要工藝技術(shù)路線如下：

（1） 改造現(xiàn)有生化系統(tǒng)， 將BIOLAK－L 改造成AAO 工藝， 強(qiáng)化脫氮除磷效果， 主要包括以下幾個(gè)方面： ①保持厭氧區(qū)現(xiàn)狀繼續(xù)使用； ②從好氧區(qū)中隔出功能獨(dú)立的缺氧區(qū)， 以解決原工藝多級(jí)A／O 分隔不明確， 工藝脫氮效率不高的問題； ③通過增設(shè)導(dǎo)流墻將剩余好氧區(qū)改造成廊道型推進(jìn)式好氧區(qū)， 解決原工藝好氧區(qū)短流嚴(yán)重、 負(fù)荷分布不均勻、 運(yùn)行不穩(wěn)定、 曝氣能耗高等問題； ④維持現(xiàn)狀鼓風(fēng)機(jī)及浮鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)不變， 利用浮鏈?zhǔn)狡貧庋鯕鈧鬟f效率高［9］、 能耗低、 曝氣頭維修更換簡單等優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)可以降低工程投資； ⑤通過增設(shè)隔墻將二沉池分割出緩沖池， 增設(shè)內(nèi)回流系統(tǒng)， 一是對(duì)混合液從好氧區(qū)通向二沉池起到緩沖穩(wěn)流的作用， 二是作為內(nèi)回流設(shè)備安裝池， 三是作為混合液回流至缺氧區(qū)前的消氧池； ⑥將二沉池改造為常規(guī)平流式二沉池， 解決原二沉池運(yùn)行不穩(wěn)定， 出水SS、 TP濃度偏高問題； ⑦廢棄穩(wěn)定池， 保持原有污泥回流及排放系統(tǒng)不變。

（2） 新建高效混凝沉淀池、 纖維轉(zhuǎn)盤濾池等深度處理單元， 進(jìn)一步降低出水TN、 TP、 SS 濃度。

3.2 工藝改造設(shè)計(jì)參數(shù)

提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表2， 提標(biāo)改造后工藝流程見圖3。

表2 改造工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Design influent and effluent water quality of reconstruction project mg·L-1

改造工程設(shè)計(jì)規(guī)模為4 萬m3／d（平行2 組），Q平均＝1 667 m3／h， 設(shè)計(jì)水溫為12 ～25 ℃， MLSS為4 000 ～5 000 mg／L， 污泥齡為20 d， 有機(jī)負(fù)荷為0.053 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 硝酸鹽負(fù)荷為0.035 kg［］／（kg［MLSS］·d）， 生化池有效水深為4.5 m， 厭氧區(qū)、 缺氧區(qū)、 好氧區(qū)有效容積及水力停留時(shí)間分別為5 400 m3（3.2 h）、 9 000 m3（5.4 h）、 23 360 m3（14 h）， 外回流比為50% ～100%，內(nèi)回流比為300%。

3.3 現(xiàn)狀構(gòu)筑物改造情況

該廠BIOLAK－L 生化池為半地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 單組總長100 m、 寬60 m， 施工改造須在現(xiàn)有池內(nèi)增加隔墻、 開洞等涉及池體結(jié)構(gòu)改造， 對(duì)生化池原結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行核算， 結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足增加鋼筋混凝土隔墻需要， 只需在施工的過程中做植筋澆筑處理。 改造后AAO 工藝平面布置如圖4 所示。

圖4 改造后AAO 工藝平面布置Fig.4 Layout of AAO process after reconstruction

（1） 厭氧區(qū)。 單組池長60.0 m、 寬10.0 m，HRT ＝3.2 h， 能滿足聚磷菌厭氧釋磷［10］需要， 利舊原有3 臺(tái)水下推流器。 主要工藝控制參數(shù)ρ（DO）≤0.2 mg／L， ORP=－160 ～－200 mV。

（2） 缺氧區(qū)。 平面尺寸為60.0 m×16.7 m， 采用具有推流和完全混合2 種流態(tài)［10］的跑道式溝型， 安裝水下推流式4 臺(tái)， 轉(zhuǎn)速為29 r／min； 推力為2 200 N， 功率為3.30 kW； 在硝化液回流至缺氧區(qū)處，增設(shè)碳源投加點(diǎn)， 設(shè)計(jì)碳源投加量為每去除1 mg硝態(tài)氮需投加20 mg 乙酸鈉（有效含量為20%）。 主要工藝控制參數(shù)ρ（DO）≤0.5 mg／L， ORP ≈－50 ～－150 mV， 內(nèi)回流比為100%～300%。

（3） 好氧區(qū)。 廊道型推進(jìn)式， 平面尺寸為60.0 m×43.3 m， 相鄰隔墻間距為8.2 m， 繼續(xù)使用原浮鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)。 主要工藝控制參數(shù)ρ（DO） = 0.5 ～3.2 mg／L， ORP ≈180 mV。

（4） 緩沖池。 平面尺寸為16.0 m × 8.0 m，HRT ＝0.7 h， 在緩沖池與好氧池隔墻一端底部緊貼池底增開混合液入口， 洞口尺寸為1.0 m×1.0 m， 每組緩沖池中安裝4 臺(tái)硝化液回流泵， 單臺(tái)泵Q ＝833 m3／h， H ＝1.0 m， P ＝5.5 kW， 最大回流比為300%。

（5） 二沉池。 將緩沖池和二沉池之間隔墻設(shè)計(jì)為穿孔配水花墻， 另一端平行安裝6 組15.0 m ×0.6 m×0.6 m 不銹鋼三角堰型出水槽。 每組池長×寬× 高＝52.0 m×16.0 m×4.5 m， 平均水流速度為3.21 mm／s， 表面負(fù)荷為1.0 m3／（m2·h）， 三角出水堰負(fù)荷為1.9 L／（s·m）。

3.4 新建構(gòu)筑物

（1） 高效沉淀池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 1 座， 平面尺寸為31.5 m×22.6 m， 分2 格。 設(shè)計(jì)參數(shù)： Q平均＝1 667 m3／h， Q最大＝2 420 m3／h， 水力負(fù)荷為17.8 m3／（m2·h）； 混凝池有效容積為36 m3， 反應(yīng)時(shí)間為2.6 min； 絮凝池有效容積為185 m3， 反應(yīng)時(shí)間為13.3 min； 沉淀區(qū)平面尺寸為12.0 m × 10.0 m， 有效水深為6.6 m， FeCl3（有效含量為30%）和PAM投加量分別為30 mg／L 和0.8 mg／L。 主要設(shè)備： 快速攪拌器2 套， D ＝1 270 mm， 軸長2 850 mm， P ＝5.5 kW， 轉(zhuǎn)速80 ～500 r／min； 絮凝攪拌器2 套， D ＝2 270 mm， 軸長4 200 mm， P ＝4.0 kW， 轉(zhuǎn)速40 r／min； 刮泥機(jī)2 套， D ＝10 m， N ＝0.75 kW； 回流污泥泵3 臺(tái)（2 用1 備）， Q ＝10 ～95 m3／h， H ＝25 m，18.5 kW； 剩余污泥泵2 臺(tái)， Q ＝10 ～95 m3／h， H ＝25 m， N=18.5 kW。

（2） 纖維轉(zhuǎn)盤濾池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 1 座， 有效水深為4.5 m， 平面尺寸為14.8 m×8.3 m， 分2 格；設(shè)計(jì)進(jìn)水ρ（SS）≤20 mg／L， 出水ρ（SS）≤10 mg／L，濾速≤15 m3／（m2·h）， 濾盤直徑為3 m， 濾盤數(shù)量16 個(gè)， 有效過濾面積為201.6 m2。 主要設(shè)備： 反洗泵4 臺(tái)， Q ＝50 m3／h， H ＝7 m， N ＝2.2 kW。

4 運(yùn)行效果

2021年1 月工程改造完畢并正式運(yùn)行， 日均污水處理量約為3.8 萬m3， 出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 主要工藝參數(shù)控制如下： MLSS 為6 500 ～9 000 mg／L（冬季春季）、 4 000 ～6 500 mg／L（夏季秋季）， 高于工藝設(shè)計(jì)濃度； 內(nèi)外回流比分別為200%～300%、 50%～100%； 好氧區(qū)曝氣量的控制， 遵循推進(jìn)式廊道內(nèi)污染物濃度沿水流方向成漸減式分布的特點(diǎn)， 對(duì)各廊道曝氣量采取相應(yīng)漸減式控制， 目標(biāo)是將硝化反應(yīng)過程盡量控制在好氧區(qū)首端， 降低末端溶解氧使其質(zhì)量濃度小于0.5 mg／L。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 曝氣電耗由改造前0.11 kW·h／m3降至0.07 kW·h／m3。 高效沉淀池混凝攪拌強(qiáng)度為80～120 r／min， 絮凝攪拌強(qiáng)度為15～20 r／min［11］；藥劑投加量： 每去除1 mg 硝態(tài)氮約投加14 mg 乙酸鈉（有效含量為20%）， 每去除1 mg 總磷投加24 mg FeCl3（有效含量為30%）和0.7 mg PAM。 2021 年度工程主要運(yùn)行效果見表3。

表3 提標(biāo)改造后污水廠運(yùn)行效果Tab.3 Operation effect of sewage treatment plant after upgrading and reconstruction

改造前后進(jìn)水TN、 TP 濃度變化不大， 改造后，出水TN 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在9.4 ～12.7 mg／L， 去除率由40%～58% 提高到73%～79%， 去除率顯著提高；出水TP 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.12 ～0.35 mg／L， 去除率由45%～65%提高到92%～96%， 其中新建深度處理對(duì)TP 去除率為85%～91%， 化學(xué)除磷效果穩(wěn)定高效， 生化系統(tǒng)除磷率為42%～56%， 效率較低。

二沉池改造后， 出水SS 質(zhì)量濃度由改造前的12 ～26 mg／L 下降到8.6 ～15.6 mg／L， 平均下降了6.3 mg／L， 去除效果顯著提高， 再經(jīng)過深度處理單元進(jìn)一步去除， 完全達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

提標(biāo)改造工程總投資3 268 萬元， 其中對(duì)BIOLAK－L 工藝的改造費(fèi)用為1 039 萬元。 改造后生化曝氣電耗下降了0.04 kW·h／m3， 新增設(shè)備電耗0.08 kW·h／m3， 合計(jì)新增電耗0.04 kW·h／m3，新增電耗費(fèi)用為0.027 元／m3。 新增藥劑費(fèi)用0.14元／m3， 其中反硝化脫氮投加碳源費(fèi)用0.08 元／m3，化學(xué)除磷投加PAM 和FeCl3藥劑費(fèi)用0.06 元／m3。升級(jí)改造后污水處理直接成本增加0.167 元／m3，工程整體運(yùn)行成本為1.06 元／m3。

6 結(jié)語

（1） 將BIOLAK－L 工藝改造成AAO 工藝， 并增建高效沉淀池和纖維轉(zhuǎn)盤濾池深度處理單元， 實(shí)現(xiàn)脫氮除磷運(yùn)行模式， 其工藝運(yùn)行控制更加靈活方便， 生化脫氮更加高效穩(wěn)定， 出水ρ（COD）=21.2 ～34.4 mg／L、 ρ（BOD5）=2.0 ～3.4 mg／L， ρ（NH3－N）=0.8 ～2.1 mg／L， ρ（TN） =9.4 ～12.7 mg／L， ρ（TP）=0.12 ～0.35 mg／L， 各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于一級(jí)A 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 改造后的常規(guī)平流式二沉池對(duì)SS 的去除效果及運(yùn)行的穩(wěn)定性優(yōu)于原長邊進(jìn)出水式沉淀池，出水SS 濃度與改造前相比下降了30%， 有效保障了后續(xù)深度處理單元的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（3） 二級(jí)生化出水TP 質(zhì)量濃度為1.2 ～ 2.6 mg／L， 經(jīng)深度處理單元對(duì)其化學(xué)除磷后穩(wěn)定在為0.35 mg／L 以下， 新建深度處理單元是確保提標(biāo)改造出水TP 穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。