膜生物反应器-大孔树脂脱氮工艺在污水处理厂提标改造工程中的应用

刘鲁建， 董俊， 张岚欣， 宋劲强， 张双峰， 许存根，曹斌强， 王威

（1.湖北君集水处理有限公司， 武汉 430065； 2.湖北省污水资源化工程技术研究中心， 武汉 430065）

汤逊湖位于武汉市东南部， 横跨江夏、 洪山和东湖新区科技开发区3 个行政区， 汤逊湖属于Ⅲ类水体。 汤逊湖污水处理厂10 万m3／d 的处理设施于2016 年正式投入运行， 采用工艺为厌氧-氧化沟-二沉池-高密度沉淀池-过滤-消毒， 执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准， 该工程已稳定运行3 年多， 出水基本能达到一级A 标准要求， 但与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类（湖库）水质标准相比属于劣Ⅴ类。

为进一步提升汤逊湖的水质， 对汤逊湖污水处理厂尾水深度处理系统进行了方案设计， 并开展了工艺的小试及中试， 最终于2017 年7 月启动了汤逊湖污水处理厂深度处理至地表Ⅲ类（湖库）标准1.5 万m3／d 生产性示范工程， 并于2018 年2 月正式投入运行。 本文就该生产性示范工程深度处理的主体工艺选择、 主要构筑物设计参数及设备进行了介绍， 对出水水质及各运行指标、 运营成本进行了分析总结， 为相关污水深度处理工程提供参考。

1 设计规模

汤逊湖污水处理厂尾水深度处理至地表Ⅲ类（湖库）标准1.5 万m3／d 生产性示范工程， 以现有10万m3／d 污水处理系统的尾水为提标系统进水， 处理规模为1.5 万m3／d， 出水达标后直排汤逊湖。

2 设计进出水水质

现有10 万m3／d 污水处理系统的出水水质执行GB 18918—2002 一级A 标准。 提标系统深度处理出水水质执行GB 3838—2002 Ⅲ类（湖库）水质标准和GB 18918—2002 一级A 标准两者中的较严者。设计进出水水质见表1。

表1 提标系统设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality of upgrading system

3 处理工艺选择及流程

现有工艺出水中COD 属于难生化降解有机物，仍需去除10 mg／L 以上； 出水氨氮浓度存在较大波动， 从而影响出水TN 浓度； 出水TP 以正磷酸根存在为主， TN 以硝酸根存在为主。 TN、 TP 去除率需进一步提高至93%、 95%， 才能满足地表Ⅲ类水（湖库）标准。 因此， 本项目尾水深度处理的重难点在于COD、 TN、 TP 以及氨氮的去除。 对于TP 的处理， 通常选择增加混凝单元通过混凝絮凝加以去除［1］； 对于硝酸盐氮的处理， 若采用反硝化法， 不仅去除率较低且影响因素多、 效果不稳定， 可考虑采用离子交换树脂脱氮法来置换水中的硝酸根离子［2］， 脱氮效果稳定且去除率高； 对于降低COD质量浓度至20 mg／L 以下的处理需求， 传统的生化法难以做到， 可考虑采用化学氧化法［3］或吸附法［4］。

高密度沉淀池是一种集混凝、 沉淀和污泥浓缩功能为一体的新型高效沉淀池， 通过投加化学药剂， 可 有 效 去 除 污 水 中 的COD、 SS 和TP 等［5－6］。它以结构紧凑， 沉淀效率高， 占地面积少， 出水水质稳定， 处理条件灵活等特点， 越来越多地被我国各污水处理厂广泛应用［7］。

粉末活性炭膜生物反应器（CUF）是一种新型高效的炭水分离装置， 通过向反应器中投加粉末活性炭， 形成的粉末活性炭－膜生物反应器组合工艺集物理吸附、 生物降解和膜分离于一体， 通过风机向水体供氧， 可强化对有机物和氨氮的去除效果［8－9］。该反应器能有效地去除水中SS、 COD、 氨氮、 胶体以及难降解有机物等， 并具有占地面积小、 抗来水冲击力强、 出水水质优良的优点［10］。

大孔树脂脱氮技术是于树脂罐内填充一定量的硝酸盐选择性强碱性阴离子交换树脂， 可吸附来水中的硝酸根离子、 部分磷酸根离子以及有机物，降低出水TN 浓度。 大孔脱氮树脂性能稳定， 可减少硫酸根离子的竞争吸附， 耐有机物污染， 对硝酸盐选择性较高， 采用离子交换法树脂脱氮技术具有工艺简单、 快速高效、 脱氮效率高、 可再生等特点［11］。 吸附饱和的树脂需使用NaCl 溶液进行再生以恢复其吸附性能， 冲洗后产生含盐高硝酸根的废液， 收集后采用反硝化-一体化MBR 组合工艺进行处理， 投加适量碳源， 可有效去除TN 及COD， 如果出水ρ（TN）≤20 mg／L， 则与树脂出水混排， 反之则回到高密度沉淀池。

综上所述， 本次提标工程采用的组合工艺为高密度沉淀池-CUF-大孔树脂脱氮组合工艺， 具体的工艺流程见图1。

污水处理厂尾水首先进入高密度沉淀池， 投加PAC、 PAM 进行混凝反应， 通过斜管沉淀实现固液分离、 去除TP； 出水进入CUF， 通过大量曝气和投加粉末活性炭， 进一步氧化氨氮， 吸附难降解污染物从而降低COD 浓度； 出水最终进入大孔脱氮树脂罐进行离子交换， 降低TN 浓度， 出水达标排放。 树脂吸附饱和后泵入NaCl 溶液对其进行再生， 冲洗产生的废液收集后进入反硝化池， 在耐高盐活性菌群的作用下， 通过生物反硝化作用脱除TN， 并采用一体化MBR 装置进行泥水分离， 净水与树脂罐出水混排或回流至高密度沉淀池。

图1 提标系统工艺流程Fig. 1 Upgrading system process flow

4 主要构筑物及设计参数

4.1 提标系统

（1） 提升泵房。 1 座， 尺寸为3.5 m×3.5 m×2.5 m， 砖混结构； 设潜水泵3 台， 2 用1 备， 单台流量为350 m3／h， 扬程为9 m， 功率为18.5 kW；电磁流量计1 台， 内衬316L 不锈钢。

（2） 高密度沉淀池。 1 座， 钢筋混凝土结构。混凝区尺寸为2.8 m × 2.8 m × 5.5 m， 超高0.5 m，混凝池停留时间为3 min； 絮凝区尺寸为3.6 m ×3.6 m × 6.0 m， 超高0.5 m， 絮凝池停留时间为7 min； 沉淀区尺寸为10.0 m×10.0 m×6.0 m， 超高0.5 m， 表面负荷为6.25 m3／（m2·h）， 污泥回流比为3%~5%； 混凝区设桨叶搅拌机1 台， 功率为5.5 kW； 絮凝区设提升式搅拌机1 台， 功率为11 kW；沉淀区设刮泥机1 台， 功率为0.75 kW； 设污泥回流泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为50 m3／h， 扬程为20 m， 功率为15 kW； 排泥泵1 台， 流量为50 m3／h， 扬程为20 m， 功率为15 kW； 斜管填料容积为70 m3， 材质为聚丙烯； PAC 投加系统、 PAM投加系统各1 套。

（3） CUF。 1 座， 尺寸为25.0 m×14.0 m×5.0 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土结构， 水力停留时间为1 h。 超滤膜组件共32 组， 单组膜面积为800 m2， 材质为聚偏氟乙烯， 结构为浸没式中空纤维膜， 平均产水通量为15 ～25 L／（m2·h）， 运行方式为每连续运行20 min 反洗30 s； 粉末活性炭的投加量为50~100 mg／L。 设炭水回流泵5 台， 4 用1备， 单台流量为180 m3／h， 扬程为6 m， 功率为5.5 kW； 产水泵5 台， 4 用1 备， 单台流量为242 m3／h， 扬程为41.4 m， 功率为55 kW； 风机3 台， 2 用1 备， 单台风量为45 m3／min， 风压为45 kPa， 功率为45 kW； 反洗泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为415 m3／h， 扬程为19.5 m， 功率为37 kW； NaOH 投加系统、 NaClO 投加系统、 HCl 投加系统、 粉末活性炭投加系统各1 套。

（4） 大孔脱氮树脂罐。 6 台， 4 用2 备， 单台尺寸为φ3 050 mm×6 350 mm， 材质为碳钢内衬橡胶， 滤速为20 ～25 m／h， 运行模式为每连续运行30 h 再生置换1 h； 单台填充大孔脱氮树脂容积为20 m3， 树脂层高为2.6 m； 大孔脱氮树脂全交换容量为700 mol／m3， 工作交换容量为400 mol／m3。

（5） 清水池。 1 座， 尺寸为3.5 m×2.0 m×2.5 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土结构； 设回用清水泵1台， 流 量 为10 m3／h， 扬 程 为15 m， 功 率 为2.2 kW； NaClO 投加系统1 套。

（6） 污泥浓缩池。 1 座， 尺寸为φ6.0 m×5.0 m， 设污泥泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为10 m3／h， 扬程为30 m， 功率为3.0 kW。

（7） 在线监测房。 1 间， 尺寸为6.0 m×3.0 m×3.0 m， 设在线监测控制系统1 套。

4.2 再生废液处理系统

（1） 浓盐水储池。 1 座， 地下钢筋混凝土结构， 尺寸为3.8 m×3.1 m×4.0 m； 设饱和盐液泵2台， 1 用1 备， 单台流量为50 m3／h， 扬程为14 m，功率为5.5 kW。

（2） 稀盐池。 1 座， 地下钢筋混凝土结构， 尺寸为7.6 m×2.6 m×4.0 m， 设盐液混合器1 套。

（3） 废液收集池。 1 座， 地下钢筋混凝土结构， 尺寸为15.0 m×6.0 m×4.0 m； 设污水提升泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为50 m3／h， 扬程为11.5 m， 功率为3 kW。

（4） 反硝化池。 1 座， 半地下钢筋混凝土结构， 尺寸为24.6 m×15.0 m×3.8 m， 超高0.5 m； 再生废液处理能力为400 m3／d， 水力停留时间为3 d，耐盐反硝化菌群的污泥浓度（以MLSS 计）为7 000~8 000 mg／L； 设提升泵1 台， 流量为50 m3／h， 扬程为11.5 m， 功率为5.5 kW； 潜水搅拌机5 台，单台功率为2.2 kW。

（5） 一体化MBR 装置。 1 套， 一体化可移动式集装箱结构， 外形尺寸为12.5 m×2.3 m×2.8 m，有效容积为40 m3。 膜面积为3 600 m2， 膜组件材质为聚偏氟乙烯， 结构为浸没式中空纤维超滤膜，膜平均产水通量为15 ～25 L／（m2·h）， 运行方式为每连续运行20 min 反洗30 s； 总功率为25 kW。

5 工艺特点

（1） 高密度沉淀池采用可编程控制器自动调节污泥回流参数和投药量来强化混凝除磷效果， 使加药量根据来水水质实时调整， 始终处于最佳范围并满足出水低TP 浓度的要求。 此法具有自控程度高、 参数可实时调控、 出水TP 浓度低、 节省运行成本等特点。

（2） CUF 集活性炭吸附、 生物活性炭、 微生物生化降解、 曝气增氧、 膜分离等多种功能为一体， 对COD、 氨氮、 色度、 浊度等去除效果显著。膜池内投加粉末活性炭， 可逐步累积到30 000 mg／L 的高浓度炭浆， 有利于快速达到吸附平衡， 增强系统应对水质、 水量冲击的稳定性， 该工艺具有产水通量大、 过滤精度高、 出水水质稳定、 占地面积小、 自动化程度高、 模块化组件维护更换便利等特点。

（3） 大孔树脂脱氮工艺所采用的树脂为专性硝酸根离子交换树脂， 性能稳定， 可减少硫酸根离子的竞争吸附， 耐有机物的污染， 在实际运行中， 大孔硝酸根离子交换树脂对TN 的去除率高于99%，对COD、 SS、 TP 能进一步去除， 对废水中有机物也有5%~30%的去除率， 该工艺具有脱氮效率高、 占地面积小、 出水浓度低、 出水水质稳定， 自控程度高等特点。

（4） 再生废液处理系统通过投加高浓度的耐盐反硝化菌群， 对高浓度的硝酸根离子进行有效去除， 适宜的含盐量还可提高污泥絮凝性， 对生化系统起到稳定作用， 脱氮效率达到90% 以上， 并通过炭浆回流形成生物活性炭， 强化生化作用， 进一步吸附有机物， 末端MBR 膜组件截留炭粉、 污泥， 实现固液分离。 该工艺具有高盐度下高效生化脱氮、 出水浓度低、 抗冲击能力强、 自控程度高、整个系统无污染物外排等特点。

6 运行效果

本工程提标系统实际进水COD 浓度较低， 超过50% 的进水已满足出水要求， 本工程的重难点主要在于TP、 TN、 氨氮的去除。 通过1 个多月的调试， 根据来水情况对工艺参数进行调整及优化，确保了提标系统的稳定运行。

提标系统运行后， 进水量约为15 000 m3／d，再生废液处理系统进水量约为400 m3／d， 提标系统进水COD、 TP、 TN、 氨氮的质量浓度分别为15~35、 0.1 ~ 0.4、 9 ~ 16、 0.5 ~ 4.5 mg／L， 再生废液处理系统进水COD、 TN 的质量浓度分别为800 ~900、 600 ~ 700 mg／L； 提标系统出水COD、 TP、TN、 氨氮质量浓度分别不超过20、 0.05、 1.0、 0.4 mg／L， 再生废液处理系统出水COD、 TN 的质量浓度分别不超过80、 20 mg／L； 提标系统各项指标均符合设计要求， 可直排汤逊湖， 再生废液处理系统出水可与提标系统出水混排。

7 经济指标评价

本工程概算总投资为4 333.90 万元， 吨水直接运行成本为0.85 元， 包括： 电费0.27 元、 药剂费0.39 元、 人工费0.07 元、 污泥处置费0.09 元、 检修费0.03 元。

8 结语

（1） 城市污水处理厂一级A 标尾水提标改造的重难点在于低浓度氮、 磷的去除， 采用高密度沉淀池－CUF－大孔树脂脱氮的组合工艺进行尾水深度处理是可行的， 该工艺运行稳定， 处理效果好， 占地面积小， 自控程度高， 出水水质满足设计要求。

（2） 提标系统选用大孔树脂脱氮工艺能有效吸附并富集尾水中低浓度的TN， 在确保出水TN 去除率达到99%的前提下， 将绝大部分硝态氮转移至再生废液中， 有利于提升工艺的灵活性、 稳定性。

（3） 树脂再生废液处理系统采用反硝化－一体化MBR 组合工艺， 运行稳定， 出水水质好， 管理维护方便， 有效避免了二次污染， 具有良好的环境效益和社会效益。