不同排放标准下污水厂提标改造工艺设计对比

吴斯文， 高雪， 黄志华， 贺珊珊

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司， 武汉 430000）

当前， 全国各地区对污水污染物排放总量控制严格， 各地纷纷提高污水厂排放标准， 严重缺水地区和敏感性地区的污水厂主要出水指标已开始执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》， 还有一些地区已经形成较为严格的地方标准， 高标准排污已然成为未来污水厂发展方向。

以徐州市某污水厂提标改造为例， 分别采用GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准（以下简称“一级A”）、 主要指标采用GB 3838—2002 中Ⅳ类标准（TN 除外）（以下简称“准Ⅳ类”）、 主要指标采用GB 3838—2002 中Ⅲ类（TN 除外）（以下简称“准Ⅲ类”）标准为要求， 进行工艺选择与设计， 并对工程占地、 费用及成本等方面进行对比总结。

1 污水厂基本情况

1.1 工程概况

徐州市某污水厂规划总规模为4 万m3／d， 一期规模为2 万m3／d， 出水水质标准执行“一级A”标准。 现状工艺流程如下： 进水→粗格栅及进水泵房→细格栅及旋流沉砂池→A2O 生物池→配水配泥井→二沉池→滤布滤池→消毒渠→出水。

污水厂进水为合流制污水， 已满负荷运行， 且雨污分流管网建设日趋完善， 水质水量呈上升趋势， 污水厂的扩建迫在眉睫。 同时， 该厂出水采用何种排放标准提标成为重要研究课题。

1.2 设计进出水水质

根据2016 年8 月至2017 年7 月进水水质数据分析， 同时与徐州市雨污分流改造较为完善的污水厂对比， 考虑本项目纳污范围内雨污分流改造后，进水水质将有一定增高， 综合确定本项目设计进水水质。 本项目设计3 种排放标准， 分别为“一级A”、 “准Ⅳ类”、 “准Ⅲ类”。 设计进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

1.3 存在问题分析

该厂存在问题主要有： ①生物除磷效果不佳，进水浓度很低情况下， 化学除磷PAC 投加量常达到20 mg／L； ②过滤原设计为砂滤池， 但因水力条件设计问题， 导致运行不畅， 已利用土建改为滤布滤池， 除磷药剂常造成滤布堵塞， 药剂投加点临时调整在生物池出水口处， 又出现剩余污泥活性较差的问题； ③消毒工艺， 一期设计紫外消毒渠， 现状改为次氯酸钠接触消毒， 接触时间不足； ④厂区已按照总规模进行预留用地， 厂区周边建设用地短缺， 补充征地困难。

在本项目提标改造工作中， 应重点对存在问题提出解决措施， 并在此基础上， 以出水指标作为目标要求， 做好工艺的选择与设计， 优选集约、 高效、 稳定、 节能的处理工艺， 尽量节约成本、 节省占地， 避免二次征地。

2 不同排放标准要求下的提标改造工艺选择

污水厂的提标改造， 针对不同的排放标准所要求的污染物去除指标不同， 所采取的技术路线也有所不同， 一般针对悬浮态有机物和SS 主要采用生化处理、 混凝沉淀、 过滤、 膜处理工艺； 溶解态有机物主要采用生化处理、 活性炭吸附、 臭氧氧化、芬顿工艺； TN、 氨氮类污染物常采用吹脱、 折点氯化、 生物脱氮工艺； 除磷主要采用生物除磷、 化学除磷； 溶解性无机物、 无机盐类去除主要采用反渗透、 电渗析、 离子交换等工艺； 细菌、 病毒等微生物主要采用臭氧氧化、 消毒工艺。

针对本项目进水水质特性及现状分析， 出水水质采用“一级A”标准的设计要点为二级处理的强化脱氮除磷、 深度处理去除SS 和TP； “准Ⅳ类”需更加强化二级处理的硝化与反硝化， 同时深度处理也需增强对BOD5、 SS 和TN 的去除； “准Ⅲ类”标准则既要在二级处理深度挖掘和强化各指标去除效果，更需配置强化反硝化、 硝化和去除有机物的深度处理单元， 以保证出水氨氮、 TN、 COD 能够达标。

2.1 “一级A”标准的工艺选择

针对该厂现状存在问题， 深度处理的滤池和消毒渠均需重新改造设计， 因此本项目“一级A”标准工艺， 基本等同于常规污水厂“一级B”进行“一级A”标准的提标改造工艺选择。

根据二级出水水质指标及“一级A”标准的处理目标分析， 一级A 提标改造的处理目标主要为TN、 氨氮、 TP、 SS 和少量COD 的去除， 而TN、氨氮和COD 是可以在二级处理单元强化去除， SS和TP 则需要通过深度处理单元处理［1］。

一期A2O 工艺进水COD 浓度低， 反硝化段碳源不足影响脱氮效果， 生物除磷效果欠佳的原因主要是回流系统的硝态氮和溶解氧不利于厌氧释磷，好氧吸磷效果差。 在二级处理的扩建和改造中， 一方面可补充碳源提高脱氮效果， 另一方面， 应挖掘生物除磷能力， 减轻化学除磷压力， 节约成本。

关于二级处理工艺选择， 对比常用生物技术发现， UCT 与A2O 的原理和占地形式相近， 但回流污泥不直接进入厌氧池， 而是通过缺氧池回流到厌氧池， 能够较好地解决溶解氧不利于厌氧释磷的问题， 除磷效果更佳［2］。 而且， UCT 工艺具有氧气需求量少， 污泥产量小， 能够节省外加碳源的特点，更适用于我国普遍存在的低碳氮比的城市污水处理［3］。 因此， 针对本项目脱氮除磷要求较高、 进水碳源不足的特点， 结合二期用地情况， 推荐将UCT 工艺作为二级处理主体工艺。

本项目经过强化生物处理后， 二级出水仍无法稳定达标的污染物主要为SS 和TP， 针对以上2 种污染物， 目前较为成熟的工艺有混凝沉淀过滤工艺和膜工艺。 对于生活污水而言， “一级A”标准下，膜工艺的设备费用高， 运行成本偏高， 出于经济性考虑， 暂不作推荐； 同时结合该厂现状滤布滤池运行良好， 但存在絮体堵塞滤布问题， 本项目“一级A”深度处理推荐采用高密度澄清池和滤布滤池联用， 既能够解决滤布堵塞问题， 又能够有效去除SS、 TP 等污染物， 实现出水达标。 因此， “一级A”标准下污水处理工艺方案如图1 所示。

图1 “一级A”标准下的提标改造工艺方案Fig. 1 Upgrading and reconstruction process plan under"level A" standard

2.2 “准Ⅳ类”标准的工艺选择

“准Ⅳ类”标准相比“一级A”标准， 对BOD5、COD、 氨氮、 TN、 TP 的要求有大幅提高， 其中，氨氮限值为1.5 mg／L， TN 限值为10 mg／L， TP 限值为0.3 mg／L， 脱氮除磷要求高。

二级处理效果是污水处理厂提标改造工程能否实现高标准出水的根本和基础， 而污水二级处理过程中的提标挖潜更是改造重点［4］。

由于本项目在提标同时兼有扩建工程， 可对现状和扩建二级工艺充分挖潜， 提高二级处理效率和处理程度， 减轻后续深度处理构筑物的处理负荷。经初步测算并结合工程经验， 通过对二级处理构筑物的扩建和改造， 基本可保证BOD5、 COD、 氨氮等指标达到“准Ⅳ类”标准， 而深度处理应着重解决TN、 TP 和SS 的去除。

根据2.1 节对二级处理技术分析， 本项目“准Ⅳ类”标准下的生物处理同样推荐采用UCT 工艺，经参数计算， UCT 池所需总设计停留时间约为18.9 h。 由于现状A2O 生物池， 停留时间为16 h，在改造为UCT 池后， 需减量至1.7 万m3／d 运行，同时再新建1 座2.3 万m3／d 的UCT 池。 而二沉池方面， 沿用与一期相同参数， 水力负荷为1 m3／（m2·h）， 能够满足处理需求。

本项目深度处理阶段， 主要目标污染物为TN、TP 和SS， 结合处理目标和现有用地条件， 推荐采用高密度澄清池（外加介质）＋反硝化深床滤池工艺。一方面， 高密度澄清池通过外加介质能够形成大而重的絮体颗粒， 沉淀效率更高， 占地更小； 另外，采用反硝化深床滤池， 能够兼顾反硝化脱氮和过滤， 保证出水TN 和SS 双达标［5］。 因此， 该厂“准Ⅳ类”标准下， 污水处理工艺方案如图2 所示。

图2 “准Ⅳ类”标准下的提标改造工艺方案Fig. 2 Upgrading and reconstruction process plan under "quasi four category" standard

2.3 “准Ⅲ类”标准的工艺选择

“准Ⅲ类”标准相比“准Ⅳ类”标准， 对BOD5、COD、 氨氮、 TP 提出更高要求， 因此除了挖潜二级生物处理能力外， 还需增加脱氮、 去除COD 能力更强的深度处理工艺。

本项目“准Ⅲ类”标准下的二级生物处理工艺选择， 一方面延续“准Ⅳ类”工艺思路， 采用UCT 工艺， 将现状A2O 池改造为UCT 池， 并减量至1.7万m3／d 运行， 再新建1 座2.3 万m3／d 的UCT 池。在此基础上， 在生物池内联用移动床生物膜反应器（MBBR）工艺， 能够在生物池内形成复合生物膜，通过增加填料可以增加污泥量， 提高抗冲击负荷能力， 确保有机物完全氧化［6］， 一定程度上提高脱氮效果。

在深度处理方面， 考虑本项目对BOD5、 COD、氨氮的去除要求很高， 深度处理工艺选定为二沉池应急投加粉末活性炭； 反硝化和硝化（碳化）滤池去除TN、 氨氮， 强化去除BOD5； 在硝化滤池前设混合絮凝池投加除磷药剂， 硝化滤池后叠加滤布滤池单元。 粉末活性炭的投加能够有效控制出水COD浓度， 反硝化和硝化滤池不仅对污水中BOD5、 氨氮、 TN 有较好的去除， 同时通过滤池中微生物同化作用也可去除一定的磷［7］， 有效减少化学除磷投药量， 再通过滤布滤池能够进一步去除SS， 最终能够稳定实现出水达标。 本工程“准Ⅲ类”标准下，污水处理工艺方案如图3 所示。

图3 “准Ⅲ类”标准下的提标改造工艺方案Fig. 3 Upgrading and reconstruction process plan under "quasi three category" standard

2.4 技术经济分析

本项目针对3 种排放标准的处理要求， 共形成了3 种具有针对性的扩建及提标改造工艺方案， 并就3 种方案的主体工艺、 占地面积、 工程投资、 成本等进行了技术经济分析， 比较结果见表2。

由表2 可知， 随着出水标准的提高， 工程构筑物明显增多， 占地面积增大， 工程费用和水处理成本提高。 本项目采用“准Ⅳ类”和“准Ⅲ类”标准相比于“一级A”标准， 工程占地方面分别增加了10%和53%， 工程费用方面分别提高了35% 和73%，水处理成本方面分别提高了54%和118%。

表2 技术经济比较Tab. 2 Technical and economic comparison

3 结语

（1） 提标改造的技术路线应围绕所需去除的污染物指标， 结合用地、 水质和工艺特点分析， 进行针对性的工艺选择与设计， 以取得与处理目标相适应的预期处理效果。

（2） 愈加严格的出水标准， 污水处理程度愈加提高， 工艺流程将越来越长， 对工程用地、 工程投资、 运营成本都将相应提高， 而且工艺的复杂程度和设备的维护检修量都将明显提高， 这是对污水厂经营提出的新的要求与挑战。

（3） 在高排放标准要求下进行污水厂提标改造的建设， 能够大幅提高污水处理程度， 与此同时，也将增加经济投资和成本， 以及运行维护难度。 采取何种排放标准， 应根据污水水质特性、 受纳水体情况、 当地经济情况等多方面考虑； 在提标改造的同时， 应进行充分的技术经济分析， 考虑多种手段相结合来达到节能减排的目的。