熊 超，胡練偉，龍 波，王 偉

(中建環(huán)能科技股份有限公司，成都 610045)

引 言

由于城市排水體制和管網(wǎng)設(shè)施不完善，污水溢流導(dǎo)致的水污染問(wèn)題在城市區(qū)域仍普遍存在[1]。作為傳統(tǒng)污水處理廠建設(shè)期內(nèi)不可替代的過(guò)渡措施，應(yīng)急污水處理工程在控源截污方面發(fā)揮了巨大作用。城市應(yīng)急污水處理項(xiàng)目往往建設(shè)周期短、占地面積小、運(yùn)行年限短，需采用可快速啟動(dòng)、經(jīng)濟(jì)可靠的處理工藝和設(shè)施，并達(dá)到較高的出水標(biāo)準(zhǔn)[2]。

隨著國(guó)家對(duì)于水環(huán)境的要求日益嚴(yán)格，污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，現(xiàn)階段的新(改、擴(kuò))建污水處理廠需達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)需要達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。為解決高標(biāo)準(zhǔn)排放的問(wèn)題，選擇高效的脫氮除磷工藝是關(guān)鍵。多級(jí)A/O工藝可以更加合理地分配有機(jī)物負(fù)荷，充分利用碳源，提供良好的脫氮環(huán)境，因而具有高效的處理效率，近年來(lái)在傳統(tǒng)污水廠的提標(biāo)改造中已經(jīng)逐漸被推廣和應(yīng)用[4]。已有研究主要對(duì)多級(jí)A/O脫碳及脫氮除磷的效果進(jìn)行分析，而具體的設(shè)計(jì)案例及其在應(yīng)急污水處理工程中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。

資陽(yáng)市一直在穩(wěn)步推進(jìn)河道整治、雨污分流、新建污水處理廠等綜合治理工作，但短期內(nèi)難以迅速完成并發(fā)揮作用。本項(xiàng)目為解決資陽(yáng)市市政污水溢流問(wèn)題，生化處理采用多級(jí)A/O工藝，并進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，以期為國(guó)內(nèi)應(yīng)急污水處理廠的建設(shè)提供案例參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)水量和水質(zhì)

本應(yīng)急污水處理項(xiàng)目占地面積為4928 m2(約7.4畝)，用于處理市政管網(wǎng)溢流的生活污水。項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5000 m3/d(變化系數(shù)1.2，即最大處理能力6000 m3/d)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為2年。經(jīng)歷史數(shù)據(jù)調(diào)研和水樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)確定設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，出水水質(zhì)執(zhí)行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51∕2311-2016)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率Tab.1 Design influent quality，effluent quality and removal rate

1.2 主體工藝選擇

該項(xiàng)目的進(jìn)水含有部分工業(yè)廢水，其CODCr和TN的含量相較于常規(guī)生活污水偏高。在進(jìn)行工藝選擇時(shí)，充分了考慮本項(xiàng)目的占地面積、污染物去除率、投資成本及建設(shè)周期等因素。多級(jí)A/O工藝作為高效脫氮除磷工藝，與傳統(tǒng)A2O工藝相比，其系統(tǒng)簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)去除CODCr和TN有更好的效果。在深度除磷方面采用磁混凝沉淀工藝，其占地面積比傳統(tǒng)高密沉淀池更小，而且對(duì)于TP和SS的去除具有高效性[5]。

考慮本次工程為臨時(shí)應(yīng)急污水處理工程，選擇了建造速度快、建設(shè)成本較低的裝配式技術(shù)進(jìn)行主體構(gòu)筑物的快速搭建。裝配式技術(shù)不僅可滿足應(yīng)急項(xiàng)目對(duì)于工期和質(zhì)量的要求，在項(xiàng)目服務(wù)期滿后有利于設(shè)備拆除和材料回收利用[6]。

1.3 設(shè)計(jì)工藝流程(圖1)

圖1 本項(xiàng)目工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of emergency sewage treatment project

根據(jù)本項(xiàng)目的水質(zhì)特點(diǎn)，采用“預(yù)處理+兩級(jí)A/O+磁混凝沉淀+紫外線消毒”工藝，對(duì)各類污染物進(jìn)行去除。預(yù)處理采用粗、細(xì)格柵，去除污水中的漂浮物和部分懸浮物；二級(jí)處理采用兩級(jí)A/O工藝，對(duì)CODCr、氨氮和TN等污染物進(jìn)行去除；深度處理采用磁混凝沉淀，進(jìn)一步降低出水的TP和SS。深度除磷后的出水進(jìn)入紫外線消毒系統(tǒng)，使糞大腸桿菌指標(biāo)滿足排放要求。

2 多級(jí)A/O工藝設(shè)計(jì)

2.1 多級(jí)A/O原理及特點(diǎn)

多級(jí)A/O工藝由多個(gè)串聯(lián)A/O組成，污水按一定比例從各個(gè)缺氧池進(jìn)入。二沉池的污泥回流至第一級(jí)缺氧池，污泥可在各級(jí)A/O之間形成一定的濃度梯度[7]。典型的分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝流程如圖2所示。

A：缺氧，O：好氧圖2 多級(jí)A/O工藝原理圖Fig.2 Schematic diagram of multistage A/O process

多級(jí)A/O工藝從缺氧段進(jìn)水，為上一段好氧區(qū)的硝化液提供反硝化碳源，理論上無(wú)需硝化液回流系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)脫氮功能[8]。多級(jí)A/O工藝提供了更適合聚磷菌、硝化菌及反硝化菌生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境，具有污染物處理效果好、建造及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 反應(yīng)器的級(jí)數(shù)

多級(jí)A/O工藝的反應(yīng)器級(jí)數(shù)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和脫氮效率。反應(yīng)器級(jí)數(shù)越多，脫氮效率越高，但工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)也越復(fù)雜。反應(yīng)器級(jí)數(shù)可參考式(1)或式(2)進(jìn)行計(jì)算[9-10]。

n=log(1-En)/log(1-E)

(1)

式中，En為BOD5總?cè)コ剩籈為每個(gè)A/O反應(yīng)器對(duì)BOD5的去除效率；n為A/O反應(yīng)器的級(jí)數(shù)。

n=1/[(1-η)/(1+R)]

(2)

式中，η為總氮的去除率；R為第一級(jí)缺氧區(qū)污泥回流比；

根據(jù)式(1)，BOD5去除效率En為96.7%，E可取85%，計(jì)算出反應(yīng)級(jí)數(shù)為n=1.8；根據(jù)式(2)，總TN目標(biāo)去除率η為80%，R可取100%，計(jì)算出反應(yīng)級(jí)數(shù)為n=2.5。在工程實(shí)際應(yīng)用中多級(jí)A/O多采用2～4級(jí)[9]。由于本項(xiàng)目為臨時(shí)應(yīng)急項(xiàng)目，宜考慮節(jié)省占地和工藝簡(jiǎn)化。因此，確定本項(xiàng)目多級(jí)A/O反應(yīng)器級(jí)數(shù)為2級(jí)。

2.3 反應(yīng)器池容和停留時(shí)間

多級(jí)A/O的池容可通過(guò)分別計(jì)算各級(jí)A/O反應(yīng)器的容積確定[10-11]，也可通過(guò)計(jì)算總池容后進(jìn)行容積分配[9，11]。該項(xiàng)目總池容的計(jì)算參考式(3)，各池容的分配比例取T(A1)∶T(O1)∶T(A2)∶T(O2)=1∶1.5∶1.5∶2.3。

(3)

式中，T為總水力停留時(shí)間，h；K為反應(yīng)速率常數(shù)，mg/(g·h)；C0為進(jìn)水有機(jī)物濃度，mg/L；Cn為出水有機(jī)物濃度，mg/L；

根據(jù)式(3)，反應(yīng)器級(jí)數(shù)n=2，反應(yīng)速率常數(shù)K一般取0.27 mg/(g·h)，進(jìn)水有機(jī)物濃度為500 mg/L，出水有機(jī)物濃度為30 mg/L，計(jì)算得總停留時(shí)間為T=22.83h。進(jìn)一步計(jì)算出各池停留時(shí)間分別為3.65h、5.48h、5.48h和8.22h，各池有效池容分別為761m3、1142m3、1142m3和1712m3。

2.4 流量分配比

在實(shí)際工程應(yīng)用中，有等比例進(jìn)水和自由比例進(jìn)水兩種形式。進(jìn)水有機(jī)物主要用于反硝化上一段產(chǎn)生的硝態(tài)氮，王舜和等[8]研究指出每段的進(jìn)水量存在如下比例關(guān)系：

(4)

式中，a1為第一段進(jìn)水比例；a2為第二段進(jìn)水比例；k為反硝化單位硝態(tài)氮所需的有機(jī)物量，理論計(jì)算值為2.86；CTKN為進(jìn)水凱氏氮濃度，可取CTKN≈CTN，mg/L；CCOD為進(jìn)水COD濃度，mg/L；

根據(jù)式(4)，計(jì)算出a2/a1=0.29。因a1+a2=100%，可得a1=77.8%，a2=22.2%。H.Y.C等[12]對(duì)兩級(jí)A/O的工況流量分配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流量分配比從9∶1變?yōu)?∶3時(shí)，系統(tǒng)對(duì)凱氏氮的去除率提高了12.15%。劉長(zhǎng)榮等[10]指出，在計(jì)算流量比例時(shí)，可設(shè)定末段流量比例為30%。因此，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際采用的流量分配比為a1∶a2=7∶3。

2.5 污泥回流比

對(duì)于兩級(jí)A/O工藝，常規(guī)設(shè)計(jì)將二沉池中回流污泥回流至系統(tǒng)首端，即第一級(jí)缺氧段前端。全系統(tǒng)污泥量守恒，則污泥濃度和回流比存在如下關(guān)系：

R×Q×Xr=(1+R)×Q×X

(5)

式中，Xr為回流污泥濃度，mg/L；R為污泥回流比；X為混合液污泥濃度，mg/L；Q為設(shè)計(jì)進(jìn)水流量，m3/d。

根據(jù)式(5)，混合液污泥濃度X取4000 mg/L，回流污泥濃度Xr取8000 mg/L，計(jì)算出污泥回流比為R=100%。王偉等[13]研究表明，分段進(jìn)水A/O工藝脫氮回流比宜為75%～100%。因此，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)污泥回流比為100%。

2.6 參數(shù)校核及物料衡算

2.6.1 脫氮效率

假設(shè)硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮在隨后的缺氧段完全反硝化，則工藝最后出水硝態(tài)氮的含量?jī)H與末端進(jìn)水比例有關(guān)。則理論脫氮效率[8]可表示為：

(6)

式中：η為最大理論脫氮效率，mg/L；a2為第二段進(jìn)水比例；r為污泥回流比。通過(guò)式(6)計(jì)算出最大理論脫氮效率為85%，大于該工藝段的目標(biāo)脫氮效率80%，校核通過(guò)。

b、退出保護(hù)裝置中控制回路斷線告警H92保護(hù)定值。需出新定值單，將 H92 控制回路斷線告警由ON改為OFF。此時(shí)控制回路斷線由位置接點(diǎn)的硬接點(diǎn)信號(hào)W135上送后臺(tái)，保護(hù)裝置邏輯不再判控制回路斷線。

2.6.2 BOD5污泥負(fù)荷及脫氮負(fù)荷

BOD5污泥負(fù)荷及脫氮負(fù)荷參考式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中：Ls為負(fù)荷指數(shù)；Q為進(jìn)水流量，m3/d；S0為污染物進(jìn)水濃度，m3/d；V為反應(yīng)池容積，m3。

表2 BOD5污泥負(fù)荷及脫氮負(fù)荷校核表Tab.2 Sludge load and nitrogen removal load of BOD5

由表2可見，第一級(jí)A/O的BOD5污泥負(fù)荷、脫氮負(fù)荷以及第二級(jí)A/O的脫氮負(fù)荷滿足規(guī)范要求。第二級(jí)A/O的BOD5污泥負(fù)荷偏低，可通過(guò)調(diào)整流量分配或投加碳源進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.6.3 理論物料衡算

根據(jù)各工藝段的參考去除率，對(duì)本項(xiàng)目主要污染指標(biāo)進(jìn)行了物料衡算。如表3所示，通過(guò)“預(yù)處理+兩級(jí)A/O+磁混凝沉淀+紫外線消毒”工藝進(jìn)行處理后，可基本滿足出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

表3 本項(xiàng)目物料衡算表Tab.3 Material balance sheet of this project

3 多級(jí)A/O構(gòu)筑物及其布置

3.1 主要構(gòu)筑物及設(shè)備清單

兩級(jí)A/O工藝段的構(gòu)筑物均采用拼裝罐結(jié)構(gòu)，罐體底部做筏板基礎(chǔ)，具體構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)如下：

(1)一級(jí)A/O反應(yīng)池1座，采用同心圓布置，內(nèi)圈(缺氧池)尺寸為φ13.28×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸為φ20.99×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池內(nèi)設(shè)置潛水推流器2臺(tái)，N=3.0kW；好氧池內(nèi)設(shè)置潛水推流器2臺(tái)，N=4.0kW；內(nèi)回流泵采用1臺(tái)管式推流泵，流量Q=416m3/h，揚(yáng)程H=1.0m，N=4.0kW；配套羅茨風(fēng)機(jī)1臺(tái)，Q=21.92m3/min，P=63.7kpa，N=45kW；好氧池內(nèi)布置微孔曝氣器，φ260mm，ABS+EPDM材料，604套。

(2)二級(jí)A/O反應(yīng)池1座，采用同心圓布置，內(nèi)圈(缺氧池)尺寸為φ16.26×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸為φ25.71×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池內(nèi)設(shè)置潛水推流器2臺(tái)，N=3.0kW；好氧池內(nèi)設(shè)置潛水推流器2臺(tái)，N=4.0kW；內(nèi)回流泵采用1臺(tái)管道推流泵，流量Q=416m3/h，揚(yáng)程H=1.0m，N=4.0kW；配套羅茨風(fēng)機(jī)1臺(tái)，Q=28.35m3/min，P=63.7kpa，N=55kW；好氧池內(nèi)布置微孔曝氣器，φ260mm，ABS+EPDM材料，900套。

(3)二沉池1座，尺寸為φ17.42×4.00 m，有效水深3.5m。配半橋式刮泥機(jī)1臺(tái)，線速度v=1.0m/min，N=0.37kW；污泥回流泵2臺(tái)，Q=300m3/h，H=7.0m，N=11kW。

3.2 多級(jí)A/O內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置(圖3)

一級(jí)A/O反應(yīng)器和二級(jí)A/O反應(yīng)器均為拼裝罐形式，通過(guò)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行罐體連接。拼裝罐體具有很好的裝配性能，既有利于本項(xiàng)目構(gòu)筑物的快速搭建，也利于項(xiàng)目結(jié)束后拆卸到其他項(xiàng)目上使用。各級(jí)缺氧池和好氧池為同心圓布置(外圈為好氧池，內(nèi)圈為缺氧池)，以減小系統(tǒng)占地面積。一級(jí)缺氧池和二級(jí)缺氧池的通過(guò)進(jìn)水總管分點(diǎn)進(jìn)水，二級(jí)缺氧池對(duì)應(yīng)的進(jìn)水分管上設(shè)置進(jìn)水閥和電磁流量計(jì)，以靈活調(diào)整進(jìn)水流量分配比。

污水進(jìn)入缺氧池后，通過(guò)潛水推流器實(shí)現(xiàn)污水內(nèi)圈環(huán)流。缺氧池污水再經(jīng)下部過(guò)水孔進(jìn)入好氧池，并在好氧池(外圈)形成環(huán)流。如此依次經(jīng)歷缺氧/好氧、缺氧/好氧的環(huán)境，充分進(jìn)行硝化和反硝化過(guò)程后通過(guò)二沉池進(jìn)行泥水分離。

圖3 多級(jí)A/O工藝平面布置圖(以一級(jí)A/O為例)Fig.3 Layout plan of multistage A/O process (with one-stage A/O process as an example)

3.3 多級(jí)A/O與巴顛甫工藝的切換

傳統(tǒng)的兩級(jí)A/O工藝不能充分利用第一段的缺氧池功能，為進(jìn)一步提高脫氮效率，可設(shè)置硝化液回流[10]。本項(xiàng)目在兩級(jí)缺氧池罐壁進(jìn)行開孔，通過(guò)布置管式推流裝置實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流，即實(shí)施形式如圖4所示。

圖4 本項(xiàng)目多級(jí)A/O實(shí)現(xiàn)形式Fig.4 Flow chart of multistage A/O process of this project

即當(dāng)兩級(jí)硝化液回流關(guān)閉時(shí)，該工藝可作為兩級(jí)A/O工藝運(yùn)行；當(dāng)?shù)诙?jí)缺氧池進(jìn)水關(guān)閉，且第二級(jí)缺氧池硝化液回流關(guān)閉時(shí)，改工藝可作為傳統(tǒng)巴顛甫(Bardenpho)工藝運(yùn)行。該項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行期間，采用的分段進(jìn)水(進(jìn)水比例為7∶3)，開啟兩級(jí)硝化液回流的形式。本項(xiàng)目運(yùn)行期間可靈活調(diào)整進(jìn)水分配比例，并且切換工藝的運(yùn)行方式，以較好的適應(yīng)水量和水質(zhì)的變化。

4 運(yùn)行效果及成本分析

4.1 建設(shè)效果

該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工完成全線通水僅80天，實(shí)際建設(shè)效果如圖5所示。兩級(jí)A/O系統(tǒng)、磁混凝系統(tǒng)和污泥濃縮池采用預(yù)制裝配式安裝，風(fēng)機(jī)房、脫泥間、配電房、機(jī)修間及綜合樓采用輕鋼結(jié)構(gòu)。各構(gòu)筑物均進(jìn)行了外噴漆防護(hù)，廠區(qū)內(nèi)的道路布置合理，綠化感官效果較好。

圖5 本項(xiàng)目建設(shè)效果圖Fig.5 Rendering of this project

4.2 水質(zhì)分析

對(duì)2022年9月～2023年3月的水質(zhì)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表5所示，出水指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到了《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51∕2311-2016)，CODCr、TP和TN的去除率分別為96.6%、97.6%和87.2%。其中的TN去除率高于理論脫氮效率(85%)，表明設(shè)置好氧池硝化液回流，使兩級(jí)A/O工藝對(duì)的TN去除能力得到了強(qiáng)化。

表5 項(xiàng)目進(jìn)出水水質(zhì)及去除率Tab.5 Influent quality，effluent quality and removal rate (mg/L)

4.3 成本分析

以2022年9月～2023年3月的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行成本分析，日平均進(jìn)水量為4514 m3/d，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為90%。本項(xiàng)目主要費(fèi)用如表6所示。

表6 項(xiàng)目運(yùn)行成本分析表Tab.6 Project operating cost

5 結(jié) 論

(1)對(duì)本項(xiàng)目多級(jí)A/O進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了參數(shù)校核和物料衡算。計(jì)算結(jié)果表明，本項(xiàng)目反應(yīng)器級(jí)數(shù)宜采用2級(jí)，流量分配比宜為7∶3，污泥回流比宜為100%。

(2)“兩級(jí)A/O+磁混凝沉淀”工藝在本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了較好的運(yùn)行效果，出水指標(biāo)均滿足《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51∕2311-2016)，CODCr、TP和TN的去除率分別為96.6%、97.6%和87.2%。

(3)在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了一定的工藝優(yōu)化。通過(guò)設(shè)置硝化液回流，進(jìn)一步發(fā)揮了前置缺氧池的脫氮能力，使兩級(jí)A/O工藝的去除效率得到了強(qiáng)化。

(4)本項(xiàng)目服務(wù)期限為2年，采用裝配式技術(shù)有利于后期設(shè)備拆除及回收利用。二級(jí)處理所采用的兩級(jí)A/O工藝具有一定的推廣應(yīng)用前景，可為以后類似應(yīng)急項(xiàng)目提供案例支撐。