BioDopp工艺应用于污水厂提标改造工程实例探讨

刘平波，张 俊，王家乐，汪 辉，赵 耀

（1.中国城市建设研究院有限公司湖北分院，湖北武汉 430040；2.中建三局工程设计有限公司，湖北武汉 430064；3.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430081；4.河南省城乡规划设计研究总院股份有限公司，河南郑州 450044）

雄安新区某污水处理厂处理规模为5.0×104m3∕d，该厂主要生活污水和部分处理达标工业废水出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 排放标准〔1〕。因雄安新区建设要求辖区内所有污水处理厂出水指标需达到准Ⅳ类水质标准后排放，因此需要在原有处理工艺基础上进行提标改造，满足新标准要求。本工程将雄安新区某污水厂的A2∕O 生化处理池内部改造，将其转变成BioDopp 工艺，提升污水处理效果，达到削减COD、氨氮、TN 和TP 总排放量的目的。

1 方案设计

1.1 改造难点

该污水厂在提标改造前使用悬链式曝气+A2∕O作为生化处理工艺，该套工艺使得A2∕O 池内曝气效率提高，增氧能力和搅拌效果提高。该污水厂提标改造前后设计进出水水质见表1。

表1 提标改造前后设计进出水水质Table 1 Design water quality before and after upgrading

由表1 可知，现有悬链式曝气+A2∕O 工艺出水稳定，COD 和TP 指标均能满足准Ⅳ类水体标准，但氨氮和TN 高于新标准限制，其中TN 需从12.23 mg∕L降低至10 mg∕L 以下，难以在现有工艺下调试达标，需要在原基础上进行深度处理达到新出水要求。

同时，该水厂进水C∕N 低（C∕N=4.0），使得生化系统进行反硝化时，碳源不足导致电子受体较少，无法正常完成硝酸盐转化为氮气这一过程，造成硝酸盐积累，进而使得出水总氮浓度提升〔2〕。而且该水厂位于北方地区，冬季气温易低于0 ℃，不利于保持生物池微生物活性。

1.2 工艺比选

根据该污水厂的进出水水质要求，结合地域和场地特征，筛选出增设MBR和改造A2∕O池为BioDopp池2种深度处理工艺进行比选，以期选出最适合该污水处理厂实际情况的提标改造方案。方案比选见表2。

表2 方案比选Table 2 Comparison scheme

由表2可知，改造A2∕O池为BioDopp池的优势是充分利用已有构筑物进行设备内部改造，节省用地，改造后运行费用较低，调试成功后可自动化运行，因此最终选择将A2∕O 池改造为BioDopp 池作为该污水厂提标改造方案，以期出水达到准Ⅳ类水质标准。

1.3 工艺改造流程

工艺改造流程见图1。

图1 提标改造工艺Fig.1 Upgrading and transformation process

本方案在A2∕O 池基础上，内部改造成BioDopp池。通过改变溶解氧浓度与内部土建隔板将A2∕O 池原有的厌氧区、缺氧区、好氧区和二沉池改造成BioDopp 池的除磷区、曝气区、快速澄清区与空气推流区。BioDopp 生化池的空气推流区、曝气区和澄清区采用钢板隔离。总水力停留时间8 h。曝气区采用原有的悬链曝气方式，曝气区溶解氧控制在1.2 mg∕L左右，溶解氧监控探头设置在曝气区前段。BioDopp池设计总尺寸50 m×30 m，有效水深5.2 m，其中空气推流区3.0 m×3.0 m，曝气区29.4 m×3.0 m，快速澄清区4.0 m×3.0 m。调节池出水首先进入BioDopp 气提区，该区把水推至曝气区进行脱氮处理；之后水流进入除磷区进行化学除磷，除磷剂采用质量分数为40%的氯化铁溶液，投加量为0.4 m3∕d；之后水流进入澄清区，澄清区采用斜板斜管填料进行泥水分离。

该构筑物地处冬季气温较低的华北地区，一方面鼓风曝气吸入外部冷空气打入池内，降低了池内温度；另一方面BioDopp 池表面也会散发热量，池内温度降低，冬季水处理效果降低。因此需要对生化池进行保温处理，该工程采用拱棚式结构，并在外部覆盖高质塑料膜。拱棚式结构骨架采用DN15 镀锌钢管，壁厚＞1.5 mm；每根骨架间距为1.2 m，高度为1.8 m。且为保证冬季出水达标，在BioDopp 池曝气区投加丛毛单胞菌250 mg∕L，共计12 500 kg。丛毛单胞菌购买自武汉水之国科技环保有限公司。该类细菌为直杆或略弯曲的杆菌，属于好氧或兼性厌氧非发酵革兰氏阴性杆菌。

2 处理效果分析

工程进行提标改造后，在2018 年11 月到12 月期间监测了该污水处理厂出水COD、TP、氨氮、TN等参数的变化。

2.1 COD 去除效果

COD 去除效果见图2。

图2 COD 去除效果Fig.2 COD removal effect

由图2 可知，进水COD 波动较大，平均COD 为（150.67±31.83）mg∕L，出水平均COD 为（11.93±2.23）mg∕L。使用BioDopp 工艺提标改造后，出水COD 稳定，符合准Ⅳ类水体要求。说明即使在冬季温度较低的华北地区，BioDopp 工艺处理低COD 废水时依旧能发挥良好作用。COD 去除率较高，说明在BioDopp 池中异养细菌含量高，这些异养菌通过呼吸作用摄取水中碳源为自身代谢提供能量，进而降低水中COD。

2.2 TP 的去除效果

TP 去除效果见图3。

图3 TP 去除效果Fig.3 TP removal effect

进水平均TP 为（3.68±2.10）mg∕L，出水平均TP为（0.11±0.06）mg∕L，TP 平均去除率为95.9%。在冬季，该地区TP 进水波动较大，最高进水TP 达到9.99 mg∕L，该 日 出水TP 仅为0.04mg∕L；最低进水TP为1.07mg∕L，该日出水TP 为0.09 mg∕L。由于该水厂进水为生活污水和部分工业废水，根据当地水质调查，工业废水中TP 较低且稳定，因此进厂污水中TP 主要来源自生活污水。而生活污水中TP 来源自人类粪便，具有随时间和空间变化明显的特征〔3-4〕。因此，该水厂在冬季进水TP 波动值较大。但由于BioDopp 工艺除磷是通过生物除磷与化学除磷相结合的方式，使得系统TP 出水稳定。

2.3 氨氮和TN 的去除效果

氨氮和TN 去除效果见图4。

图4 氨氮和TN 去除效果Fig.4 Ammonia and TN removal rate

运行BioDopp 工艺后，进水平均氨氮为32.43 mg∕L，出水平均氨氮为1.37mg∕L；进水平均TN为38.96 mg∕L，出水平均TN 为5.31 mg∕L。进水氨氮和TN 波动较大，但出水水质较为稳定，但在2018 年11月13 日至2018 年11 月22 日这段时间内出水氨氮超出限制。分析原因为，该地区当时气温从平均7 ℃降低至-1 ℃。使得池内温度由17 ℃降低至4 ℃，氨氧化菌的活性略有降低，进而导致出水氨氮不达标。但随着氨氧化菌适应能力提升，氨氧化菌活性提升，出水氨氮达标，仅个别天数超出排放限值。

对比分析氨氮和TN 去除效果不难发现，采用BioDopp 工艺后，出水平均氨氮由原工艺的1.93 mg∕L降低至1.37 mg∕L，出水TN 由12.23 mg∕L 降低至5.31 mg∕L，下降幅度明显。现如今生化处理工艺存在一种跷跷板效应，即硝化过程与反硝化过程相互制约。池内溶解氧设定在1.2 mg∕L，在BioDopp 生化系统内好氧池阶段溶解氧被大量消耗，硝化细菌处于缺氧阶段，使得氨氮去除率下降。溶解氧被迅速消耗后，有利于反硝化过程，使得TN 去除效率上升。同时BioDopp 生化池中选取的丛毛单胞菌能在低温条件下仍具备一定的外源代谢能力，确保温度较低时出水氨氮和TN 达标〔5〕。

3 技术经济分析

本工程建设项目总投资3 493.20 万元，其中：工程费2 817.64 万元，工程建设其他费383.43 万元，基本预备费160.05 万元，建设期贷款利息116.70 万元，流动资金15.38 万元。

单位运行成本1.70 元∕m3，其中包括固定资产折旧费0.23元∕m3，资产摊销费0.01元∕m3，电费、药剂费合计1.20元∕m3，人工费0.10元∕m3，污泥外运成本0.16元∕m3。考虑到成本和资金流动，并满足污水厂建设还款需求，理论综合污水处理费用为1.75元∕m3。

在该项目投资建设中，存在收支不平衡风险。对污水厂建设进行盈亏平衡分析，计算盈亏平衡点，可以判断出该污水处理厂达到设计生产能力的60.73%即可盈亏平衡。

4 总结与讨论

该污水厂提标改造工程是在原有悬链曝气+A2∕O工艺基础上将A2∕O池改造成BioDopp生化反应器，有效提升了该水厂对COD、氨氮、TN、TP 的处理效果，达到准Ⅳ类水体排放要求，其中出水TN 稳定小于10 mg∕L，优于国家规定的对提标改造工程TN要求。该工程可为同类型的污水厂提标改造提供技术借鉴。