基于高氨氮浓度的机场配套污水处理厂设计与运行分析

王永泉 周超 蒋涛 何适亚

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210098）

1 引言

机场配套污水处理厂污水的来源主要包括生活污水、生产废水。生活污水包括航站楼、办公区、生活区等区域，是污水处理厂的主要污水来源；生产废水包括航空食品公司、机修废水、地面冲洗水等。某机场配套污水处理厂处理工艺为A2O 工艺，处理规模为3 000 m3/d，2020 年其面临提标改造，要求出水满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。受航班飞行量影响，污水处理厂面临进水水量不稳定、进水氨氮浓度高等问题，污水处理厂改造更是面临现场占地受限、无法停车改造等问题。因此，充分利用原生化池处理能力是提标改造的关键。本文对原有参数进行复核，通过提高缺氧段停留时间、优化风机选型、提高运行阶段污泥沉降比3 种方式进行改造，改造后运行效果显著，可为同类型污水处理厂提标改造提供借鉴和参考。

2 项目概况

2.1 项目背景

某机场配套污水处理厂设计规模为3 000 m3/d，进水有航站楼、办公区等生活污水和机修废水及地面冲洗水等，原核心工艺采用A2O 工艺，出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B 标准。本次提标改造工程仍维持原有规模3 000 m3/d，设计出水水质提升至GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。设计进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质

2.2 改造难点

（1）进水水量不稳定

受航班飞行量影响，进水水量不稳定。白天航班客流量大，工作人员多，产生的污水也多。夜间航班客流量少，工作人员少，相对产生的污水也少。根据数据统计，23：00—07：00 时段进水量很少，07:00 后进水量逐渐增多。

（2）进水氨氮浓度高

由于污水处理厂来水多为如厕水，氨氮浓度很高，通常为常规生活污水处理厂的2～3 倍，BOD，COD 等指标与常规生活污水厂进水相差无几。广东某机场污水处理厂进水氨氮浓度为60 mg/L，四川某机场污水厂进水氨氮浓度为50 mg/L，本项目进水氨氮浓度为70～90 mg/L。

（3）占地面积小，不停车改造

该项目占地面积有限，周边无新增用地，无法通过新增构筑物方式进行改造，且污水厂改造不能影响航班飞行，因此本次改造为不停车改造，即边改造边运行。

3 工程设计

3.1 主要参数校核

原处理工艺为：格栅＋调节池＋生化池＋二沉池＋消毒＋出水。

（1）调节池

构筑物尺寸：20.0 m×15.0 m×6.0 m；停留时间：14.4 h。

通常调节池池容需综合考虑最高日高时以及平均日用水量的变化，采用逐时排水量计算法经计算后适当放大10%～20%池容［1］。韩温堂等［2］认为，当处理水量低于5 000 m3/d 时，调节池的停留时间应为6～8 h。根据经验，调节池的停留时间多为4～12 h，本项目调节池的停留时间为14.4 h，能够满足使用要求。

（2）生化池

构筑物尺寸：20.8 m×40.7 m×5.5 m；有效水深：4.5～4.9 m；总有效容积3 289 m3；厌氧段∶缺氧段∶好氧段池容＝1 ∶1 ∶3；停留时间：厌氧段4.8 h，缺氧段4.8 h，好氧段14.4 h；

朱星等［3］研究表明，通过延长缺氧区水力停留时间，可以提高A2O/MBR 工艺脱氮效果，针对城市污水处理厂，缺氧区水力停留时间从1.5 h 增加到3.7 h，组合工艺出水TN 浓度可降低至9.25±2.13 mg/L。鲁文娟等［4］研究表明，对于生活污水，当缺氧区与好氧区的水力停留时间之比由1 ∶3 增加到1 ∶2时，系统的脱氮率由50%提高到80%，且对抑制污泥膨胀发生有好处。

考虑到本项目进水氨氮浓度较高，缺氧区停留时间3.7 h 远远不够，且厌氧段生化除磷效果有限，多依靠后端的混凝沉淀加药方式除磷，因此将厌氧段改造为缺氧段，增大缺氧区停留时间，提高脱氮效果。

（3）竖流式二沉池

构筑物尺寸：10.0 m×10.0 m×6.0 m；设计平均表面负荷：0.62 m3/（m2·h）。

朱贻鸣等［5］认为表面负荷为0.5 m3/（m2·h）时是竖流式二沉池比较理想的设计表面负荷。GB 50014—2021《室外排水设计标准》中二沉池表面负荷的取值为0.6～1.5 m3/（m2·h）。刘恒等［6］对国内多家地下污水处理厂进行调研，根据调研结果，受占地面积影响，竖流二沉池表面负荷在0.82～1.28 m3/（m2·h）。根据经验，实际运行过程中，二沉池表面负荷在0.6～0.8 m3/（m2·h）时效果最为稳定。本项目表面负荷为0.62 m3/（m2·h），因此不考虑对二沉池进行改造。

原调节池停留时间和二沉池表面负荷均满足要求。生化池总停留时间满足要求，但脱氮效果有限，由于无深度处理工艺，总磷去除率有限且存在水质出水不稳定现象。

3.2 工艺路线确定

污水处理的主流工艺包括AO，A2O，MBR，MBBR 以及上述不同工艺之间的组合。

袁志红等［7］研究表明，采用A2O/MBR 工艺对城镇污水处理厂提标至准Ⅳ类具有良好的处理效果。通过优化控制溶解氧，可以降低平均电耗。多种研究表明［8-9］，采用MBR 工艺由于系统内有较高浓度污泥及较长的泥龄，即便在低温条件下仍能保持较高的硝化反应速率。吴迪［10］、韩萍［11］等研究表明，采用MBBR 工艺可以同步强化脱氮除磷，抗冲击负荷能力强、耐受低温，主要指标能稳定达到一级A 标准。“混凝沉淀池＋滤布滤池”组合在越来越多的污水处理厂提标改造中得到了广泛应用。该组合工艺运行方便且效果很好，不仅适用于市政生活污水厂，也适用于化工园区污水处理厂［12］。

若本项目选择MBR 工艺，则需对现有生化池进行改造，改造过程中需要停水，无法满足不停车改造要求，且MBR 工艺运行复杂，对运维管理人员的要求较高。MBBR 则对填料流态化要求较高，且出水端容易堵塞，从而容易出现雍水现象。

综合上述分析，结合本次提标改造排放标准，本项目选择“AO＋混凝沉淀＋转盘滤池”工艺。通过将厌氧池改造为缺氧池，提高缺氧池池容，从而提高停留时间，强化对TN 的去除。考虑到微生物除磷效果甚微，因此采用化学除磷方式，通过新建混凝沉淀池及滤布滤池，确保磷排放达标。

3.3 改造设计

（1）缺氧段设计

构筑物尺寸：20.8 m×8.0 m×5.5 m；停留时间：9.6 h；潜水搅拌机4 台（增设）：叶轮直径615 mm，转速480 r/min，功率4.0 kW。

（2）风机选型

通常风机的选型应结合项目定位、风量风压要求、运行维护等因素综合考虑，曝气风机多选用离心鼓风机（如空气悬浮、磁悬浮、单级高速离心风机等）。同时应结合近远期、实际水质与设计水质的差异情况合理选择同型号风机，工作台数一般不少于2 台。

由于机场污水处理厂存在进水水量不稳定的情况，特别是夜间水量小，若选择同型号风机，夜间运行时不仅存在过度曝气导致微生物死亡，从而运行工况不稳定的情况，也会造成能源浪费。因此，本项选择2 种不同型号风机。

对于常规市政污水处理厂，活性污泥法气水比取值在6 ∶1～15 ∶1。考虑到本项目氨氮进水浓度较高，是常规污水处理厂进水浓度的2～3 倍，去除率也较高，因此提高气水比取值在15 ∶1～20 ∶1。风机选型按照2 种气水比进行，分别按6 ∶1 及15 ∶1 进行选型，白天水量大时运行大风量（15∶1）风机，夜间水量小时运行小风量（6 ∶1）风机。大小风量风机均为2台，交替使用，一方面可以解决单台运行时间长导致过热需要降温问题，另一方面也起到互为备用的作用。

大小风量罗茨风机参数为：大风量Q＝18.8 m3/min，风压H＝6 m，N＝37 kW，2 台；小风量Q＝7.54 m3/min，风压H＝6 m，N＝15 kW，2 台。

（3）混凝沉淀池＋滤布滤池

混合池停留时间：2.4 min；设计平均流量时表面负荷：2.79 m3/（m2·h）；混凝沉淀池构筑物尺寸：8.5 m×9.6 m×3.4 m；滤布滤池构筑物尺寸：5.67 m×2.80 m×3.00 m。

4 运行分析

4.1 氨氮运行分析

常规污水处理厂氨氮进水浓度在40 mg/L 左右，日常运行时污泥沉降比在30%左右。考虑到机场配套污水处理厂进水氨氮浓度比较高，通常在70 mg/L左右，常规的30%污泥沉降比去除效率有限，无法满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准，特别是冬季气温较低，微生物活性剂数量均下降明显，从而去除效率更低。因此建议提高污泥沉降比至50%，不仅能降低氨氮出水浓度，对冬季低温期污水也有较好的去除效果。

控制污泥沉降比在30%，分别在2020 年11 月、12 月分2 次进行试验，2020 年11 月氨氮出水数据见图1。

图1 2020 年11 月氨氮出水数据

从图1 可以看出，自11 月3 日至15 日，共计13 d 的时间内，氨氮的出水数值在0.31～9.21 mg/L之间，且出水数值波动较大，无法稳定达标。自11 月16 日提高污泥沉降比在50%左右时，出水数值稳定在0.20 mg/L 以内，出水稳定达标。

2020 年12 月氨氮出水数据见图2。

图2 2020 年12 月氨氮出水数据

从图2 可以看出，自12 月17 日至28 日，共12 d时间，氨氮出水数值在2.72～9.66 mg/L 之间，出水数值波动较大，12 月28 日数值为2.72 mg/L，满足一级A 排放标准，是由于在12 月27 日提高污泥沉降比至50%，有个数据递减的过程，自12 月28 日后，出水数值稳定在0.50 mg/L 以内。

通过上述数据分析，当污泥沉降比在30%左右、氨氮进水浓度在70 mg/L 时，出水水质不稳定，无法持续满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。当污泥沉降比在50%左右、氨氮进水浓度在70 mg/L 时，出水水质稳定在0.5 mg/L以内，持续达标。

4.2 COD 运行分析

2020 年11—12 月COD 出水数据见图3。

图3 2020 年11—12 月COD 出水数据

从图3 可以看出，自2020 年11 月3 日至2020年12 月31 日，COD 出水数值在8.13～27.75 mg/L 之间，始终低于30 mg/L，运行稳定且优于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。

4.3 TP 运行分析

2020 年11—12 月TP 出水数据见图4

图4 2020 年11—12 月TP 出水数据

从图4 可以看出，自2020 年11 月3 日至2020年12 月31 日，TP 出水数值始终低于0.2 mg/L，运行稳定且优于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。

5 结论

针对机场配套污水处理厂改造，该污水厂采用“AO＋混凝沉淀＋滤布滤池”工艺，通过设计阶段提高缺氧段停留时间、优化风机选型，运行阶段提高污泥沉降比3 种方式进行有机结合，改造后污水厂出水稳定达标。出水氨氮稳定低于0.5 mg/L，COD 稳定低于30 mg/L，TP 稳定低于0.2 mg/L，应用效果良好，为同类型污水处理厂提标改造提供借鉴和参考。