城镇污水处理厂强化生物脱氮除磷的工艺优化探索与应用

袁 飞，马一行，卫鸣志

(1. 上海环保<集团>有限公司，上海 200433；2. 上海奉锦环境建设管理有限公司，上海 201422)

自2008年1月1日开始，《太湖流域城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》在江苏省太湖流域正式实施[1]，我国各地污水处理厂建设陆续迈进“一级A”时代，近年更是部分地方标准提出了“(准)IV类水”标准甚至“双五”标准。据住建部最新统计数据，截至2019年底，全国城市和县城污水处理厂共4 140座，日处理能力为21 450万m3，年处理量为620.86亿m3。其中，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的占53.2%[2]。

近年来，城镇污水处理厂处理水量逐年呈上升趋势，但进水各指标浓度整体呈下降趋势[3]，其中，BOD5的下降尤为明显也尤为关键，面对不断提高的排放标准，碳源不足的问题日益突出。统计数据显示，城镇污水处理厂进水BOD/COD的平均值为0.4，进水可生化性在中等水平；碳氮比偏低，生物脱氮存在碳源不足的问题；BOD/TP维持在28左右，理论上可以满足生物除磷的需求，但由于生物脱氮利用了进水中的大量碳源，可能导致生物除磷所需的碳源缺乏[3]。很多污水处理厂呈现出生物处理段去除效率不足的窘况，混凝剂、碳源等药剂大量、过量投加的现象较为普遍，化学品药剂所带入水体的潜在环境风险巨大。

对于大多数城镇污水处理厂而言，一级A排放标准的各项指标中，经二级生化处理后大部分指标没有太大困难，但总磷(TP)稳定达标可能需要依靠化学除磷，而总氮(TN)指标往往是城镇污水处理厂提标后稳定达标的关键指标，其中，硝态氮和溶解性不可氨化有机氮则是达标难点。

1 项目背景

该项目为《上海市2015年—2017年环境保护和建设三年行动计划》中的一个典型中等规模城镇污水处理厂，设计日处理量为12万t，其中，一期为5万t，二期为7万t，于2017年底完成提标工程。排放标准由原《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级标准提至一级A标准。原工艺为“预处理+AO”的二级生物处理，提标后采用“预处理+AAO+高效混凝沉淀+V型滤池”的工艺流程(图1)，增加了部分生化池和深度处理段，服务区域和进水水质不变，仍以生活污水为主，混合部分工业污水(约占30%)，与南方大多数城镇污水处理厂水质相近、特点相同(表2)。

图1 工艺流程简图Fig.1 Process Flow Chart

提标过程中，该污水处理厂生化池AAO各部分都进行了重新设计、加建及改造，高效反应沉淀池+V型滤池的深度处理段为新建。依据设计文件，AAO各区水力停留时间分别为1.0、4.8、11.0 h，内回流比为250%，厌氧区进水处设置碳源投加点，高效反应沉淀池前端设置加药区用于除磷药剂投加。自提标工程通水试运行后，进水BOD/COD约为0.3，碳氮比时常低于2.5，如不加碳源，该厂TN指标始终略超排放限值且上下波动(表1)。为使正式运行期间出水稳定达标，单月碳源投加费用最高达到60余万元(表2)；同时，深度处理段的除磷药剂投加费用最高也达到30万元/月。企业经营不堪重负，因此，进行工艺优化的探索和技术改造势在必行。

表1 2017年未加碳源水质数据 (单位：mg/L)Tab.1 Water Quality Data without Carbon Source Dosing in 2017 (Unit: mg/L)

表2 2018年加碳源后水质数据 (单位：mg/L)Tab.2 Water Quality Data with Carbon Source Dosing in 2018 (Unit: mg/L)

2 工艺优化思路

(1)需最大可能地发挥生物脱氮和生物除磷效能，以减少对化学药剂的依赖，因此，有必要进行AAO生反池的改造，关键是为聚磷菌、硝化菌、反硝化菌创造最适宜的生长环境。

(2)确定TN为达标难点和首要目标，依据出水TN的构成分析(表3)，发现硝氮超过90%，因此强化反硝化段是关键。

表3 TN构成分析Tab.3 Composition of TN

(3)对于进水有限、外加昂贵的碳源，做到最佳地有效利用。

(4)因为后反馈数据滞后，深度处理段的化学除磷易造成过量投加除磷药剂，可增设在线仪表，提供前反馈数据，实现及时合理地调整药剂量。

(5)污水厂生化系统一旦被破坏，恢复过程十分困难而缓慢，因此，保持生化系统的平稳运行特别重要。

3 技术改造措施

3.1 强化反硝化过程

足够的停留时间对于保证反硝化进程的完全非常必要，在改造前，测得缺氧区末端硝氮值较高，平均值为6 mg/L左右，说明未实现充分反硝化。同时，根据运行水量，通过计算，发现后续好氧区停留时间远远超过8 h，且好氧末端的氨氮值很低，基本在0.5 mg/L以内。因此，将有富余的好氧池第一廊道前半段改造成可切换缺氧区，将缺氧段停留时间从4.8 h增加到5.7 h。

反硝化菌在缺氧条件下，通过硝酸盐作为电子受体完成呼吸作用，释放出氮气(N2)，因此，营造出适宜硝化菌生长的缺氧环境尤为重要。为保持缺氧段溶解氧(DO)在0.5 mg/L以下，应减少内回流带入缺氧区的氧。采取将好氧区最后一廊道后半段改为消氧区的措施，即停止曝气并增设搅拌器(图2)，并合理控制末端DO从原来的2～4 mg/L稳定在1.5 mg/L以内。

图2 生物池流程示意图Fig.2 Schematic Diagram of Biological Pool Process

内回流比对生物脱氮效率影响较大，合理控制内回流比非常重要。原回流泵无变频装置且无计量仪表，无法根据水质水量情况实时且准确地进行内回流比的调整，因此，有必要增加内回流泵变频装置并配置流量计。

3.2 充分有效利用碳源

生物脱氮除磷都需要足够的碳源，在进水碳源不足的情况下应减少预处理单元对营养物的消耗和去除，并尽可能将碳源保留到缺氧段，供反硝化菌的生长需要，因此，可以采取增设单体超越管和多点进水的措施。本项目根据进水水质浓度设置可选择性超越初沉池，同时，在厌氧区前的进水管道旁通一根管道，接入缺氧区前段实现多点进水，将有限的进水碳源获得最大的利用效率。

外加碳源价格昂贵，必须充分有效利用。首先明确需强化的目标，针对反硝化或释磷的不同反应区，有针对性地设置投加点才会效果明显。因此，改变原单一的投加点，在厌氧区、缺氧区中、后段分别设立碳源投加点位。

3.3 优化药剂投加

对于深度处理段的除磷单元而言，污水厂出水口的TP在线仪表数据具有滞后性，为保证不出现任何时刻的超标可能，绝大多数污水厂选择定量或过量投加除磷药剂的稳妥方案，必然造成药剂浪费。如果在化学除磷前(如二沉池出水)增设在线TP或正磷仪表(图3)，工艺人员(或PLC控制系统)可以根据该仪表即时TP数据与TP目标值的差值，实时调整深度处理段除磷药剂计量泵的频率，实现投加量的更精准控制，可确保出水稳定达标的同时不过量投加药剂。

图3 TP过程仪表安装位置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Installation Position of TP Instrument

3.4 提高抗冲击能力

对于混合部分工业污水的污水处理厂，进水发生超出设计值的异常情况并不少见，为避免超设计进水对生化系统造成恶性冲击，改造部分池体为可切换的事故池，以应对突发恶劣水质情况，有效缓解生化系统受冲击风险，保持其良好、平稳的状态十分重要。

针对污水厂各种突发情况，特别是存在可能冲击生化系统的风险因素时，应制订可行的应急预案随时应对。

4 应用效果

4.1 生物去除效能及出水水质

该项技改是一系列的改造措施，也是在实践中边摸索边改造、逐步实施和完善的一个过程，自2018年5月起开始实施，历经约一年的时间。通过上述工艺优化的技术改造后，在缺氧区停留时间延长、缺氧区DO及好氧末端DO的有效控制、及时并合理调整内回流比、进水COD过低时初沉池超越及有效减少生化系统冲击的组合作用下，该厂生物脱氮除磷效果明显提升。在进水营养物同样不足的情况下，日常运行中基本已不用投加碳源，二级生物处理段的TN去除率稳定在70%～80%，TP去除率能达到80%～90%，各项出水指标均稳定达标并远远优于排放限值，表4为该厂(一期5万 t/d)2020年某周的《水质分析周报》详细数据。

表4 水质分析周报(一期)Tab.4 Weekly Water Quality Analysis (First-Stage Project)

为更好地了解改造后生物处理段的TN、TP去除效率，统计了2020年全年各月平均水质数据(表5)。

表5 2020年月平均TN、TP数据统计Tab.5 Statistics of Monthly Average TN and TP in 2020

4.2 TN去除率

此次技改措施于2018年5月起实施，6月开始逐步显现效果。如图4所示，TN去除率从技改前的40%～60%(投加碳源)上升到技改后的70%～80%(基本不投加碳源)。

图4 技改前后TN去除率对比Fig.4 Comparison of TN Removal Rate before and after Technical Reconstruction

4.3 药剂费用

由表6可知，碳源及除磷两项药剂的费用从2018年上半年度的335.01万元大幅降至2020年上半年度的52.43万元，药剂单耗则从0.317元/m3下降至0.081元/m3。技改前最高单月药剂费超82万元，技改后最高单月仅14万元，最低仅1.9万元，其中，4月的少量碳源投加是因为进水超过设计值的突发事件所致。全厂的月度药剂消耗从90万元下降到25万元，全年节约药剂费用约780万元，自2018年5月技改实施以来，该厂提质增效效果显著。

表6 技改前后费用对比表 (单位：元) Tab.6 Comparison of Costs before and after Technical Reconstruction (Unit: yuan)

5 结论

(1)城镇污水处理厂可通过技术改造提高生物脱氮、生物除磷的效率，避免或减少外部碳源和化学除磷药剂的投加，提质增效效果显著，且大大减少化学药剂投加所带入水体的潜在环境风险。

(2)TN是污水厂提标的难点，促进反硝化作用是提高生物脱氮的核心，通过水力停留时间、DO、回流比等的合理调控，创建适宜反硝化菌生长的环境尤为重要。

(3)在充分发挥生物除磷的基础上，适当增加过程仪表，为化学除磷单元提供前馈数据，可有效控制除磷药剂投加量。