某城区污水处理厂二级生物处理系统提标改造工艺设计

孙 巍，赵红兵，张卫东

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014)

近年来，随着国家对环保的要求日趋严格，城市生活污水处理厂作为水环境保护的重要基础工程设施，作用愈加重要。与此同时，我国对污水处理厂的处理效果要求也不断提升。目前，我国污水处理厂出水执行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)将基本控制项目的常规污染物标准值分为一级标准、二级标准及三级标准，其中一级标准又分为 A 标准和 B 标准。随着水污染防治力度的加大，城市污水处理厂出水标准要求提升为一级A标准或者更高的标准。对比《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的相关规定可知，污水处理厂出水水质由一级 B 标准提升至一级 A 标准，除了需要进一步降低水中SS、BOD5、COD等物质的含量外，提标重点在于脱氮除磷[1-2]。针对TN去除的技术措施主要有：生化段用于强化生物脱氮、外加碳源，后端设置反硝化滤池。针对TP去除的主要技术措施为：生化段用来强化生物除磷，后端增加化学辅助除磷。这种生物、化学处理互为补充的组合方式无疑是最为稳妥的，但因为生物处理方式更为环保节能，二次污染少，所以强化生物处理的脱氮除磷效果，降低所需辅助的化学除磷药剂及碳源投加已成为行业共识。后端设置反硝化滤池需要增加工艺流程、运行费用及建设成本，如果仅通过挖潜、强化二级生物处理能力而实现脱氮除磷需求，对于污水处理厂提标改造工艺而言，无疑更为简单、高效。本工程设计方案正是秉承这一理念，应运而生。

孝感市城区污水处理厂地处孝感市孝南区，随着城市的发展已经由建厂之初的远城区变成了今天的繁华之地，周边无新增用地可能，而厂区内原有预留用地面积小且利用难度大。此外，鉴于环保要求，设计方案还需考虑在施工期间现有厂区能够正常运行、不停产。基于用地、工艺流程、外部要求等现实边界条件，对现有二级生物处理系统的生物池进行扩容、调整功能分区、多点进水改造；更换内回流泵，调整回流比，优化回流点；强化生物脱氮除磷效果达到提标需求。这种充分挖潜、利用、提高生物处理系统脱氮除磷能力的提标策略，不仅可以有效降低后续处理设施的建设成本及运维费用，还有利于污水处理厂节能减排，绿色环保。

1 项目概况

孝感市城区污水处理厂位于湖北省孝感市孝南区，是一座城市生活污水处理厂，总处理规模为14万m3/d，分两期实施。一期(7万m3/d)于2008年竣工通水，二期(7万m3/d)于2014年竣工通水，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，出水排入槐荫河。本工程是对现有污水处理厂进行提标改造，将出水水质由一级B标准提高至一级A标准，设计规模为14万m3/d。

1.1 现状处理工艺

污水处理工艺：市政管网污水→粗格栅及进水泵房→细格栅及曝气沉砂池→改良百乐卡AAO生物池→二沉池→消毒池→出水排放(枯水期自排，丰水期泵房提升)至槐荫河。

污泥处理工艺：剩余污泥→预浓缩池→机械浓缩脱水池→高压板框脱水至污泥含水率为60%→外运填埋。

1.2 运行现状及分析

提标前污水处理厂出水水质稳定达到一级B标准，处理水量接近设计水量，运行状况稳定、良好，2016年污水处理厂运行工况如图1所示。对现状处理情况进行分析得出：污水处理厂现有工艺对于CODCr、BOD5、氨氮这3项指标的去除效果已满足一级A标准要求，说明现有改良百乐卡AAO生物池的好氧区容积及曝气系统可以满足提标需求；而对于SS、TP、TN 这3项指标的去除效果无法满足提标需求，是提标改造设计亟需解决的重点。

图1 提标前污水处理厂进、出水水质

1.3 用地现状

厂区周边土地均已开发利用，不具备新增用地的条件，提标改造工程须在厂区现状用地红线范围内完成。厂区现有预留用地主要位于西南及东南侧，具体位置如图2所示。其中西南侧预留用地①地块面积稍大，但位于现有处理系统上游，东南侧预留用地②地块面积较小，位于现有处理系统下游。

图2 污水处理厂用地现状示意图

2 现状存在问题及总体解决方案

通过前述对厂区现状运行工况分析得出，现有工艺对于CODCr、BOD5、氨氮指标的去除效果已满足提标要求，现有超标污染物指标主要为SS、TP、TN。具体的设计进、出水水质及处理程度要求如表1所示，其中对于SS、TP、TN的去除率要求分别为96.2%、90.0%、62.5%。根据《室外排水设计标准》中污水厂的处理效率规定可知，二级处理(活性污泥法)对于SS的去除率为70.0%～90.0%，对TP的去除率为75.0%～85.0%，对TN的去除率为60.0%～85.0%。对比二级处理效率与本厂提标要求的处理效率得出，SS及TP的去除必须依赖深度处理单元的辅助，而TN的去除完全可以强化二级处理的生物脱氮效果而实现。因此，提标改造设计以确保出水SS、TP、TN达标为主旨，并结合用地条件、现有工艺流程综合考虑，确定为通过改造现有二级生物处理系统、增加池容、降低负荷、优化回流方式等多途径提高生物脱氮除磷效果[2-4]。需要说明的是，二级生物处理以确保TN出水达标为首要任务，TP的去除以生物处理为主、化学除磷为辅。

表1 设计进、出水水质及处理程度

在位于现有工艺流程上游的预留用地①增设厌氧/缺氧生物反应池，用来强化厂区二级生物系统的脱氮除磷效果；在位于现有工艺流程下游的预留用地②增设深度处理构筑物，以去除SS为主要目标、化学除磷为辅，并进一步降低其他污染物指标，提升出水水质。因深度处理用地非常有限，采用了高负荷的加砂高速沉淀池及精密过滤设备，提标后的工艺流程如图3所示。

图3 污水处理厂提标改造工艺流程示意图

3 二级生物处理系统提标改造工艺设计

对于已建的二级生物反应池，强化其生物脱氮除磷效果的常用改造方法有3种。①优化功能分区。若生物池池容基本满足要求，可通过新增隔墙或结合初沉池综合利用等方式，将原池内各反应段分区进行调整或改为倒置AAO工艺、五段Bardenpho工艺、UCT工艺等。②改造为移动床生物膜反应器(MBBR)工艺。MBBR工艺是向池中投加填料，填料在池内混合液回流翻转的作用下自由移动，对于好氧池，通过曝气使填料移动；对于厌氧及缺氧反应池，依靠机械搅拌作用移动。MBBR工艺吸收了传统流化床与生物接触氧化法两种工艺的优点，因悬浮填料内外表面形成具有生物量高、泥龄长特点的生物膜，可以获得较好的脱氮除磷效果。该工艺比较适用于用地限制、无法增加反应池池容的老厂改造。③扩容降负荷改造。通过降低已建生物反应池处理规模，减小负荷、延长水力停留时间，同时另外增设生物反应池，满足污水处理水量要求[5]。

3.1 强化生物脱氮除磷技术路径

本工程现有二级生物处理构筑物为改良百乐卡AAO生物池，通过优化设计，将影响生物脱氮除磷效果的各影响因素向有利于脱氮除磷方向推进，强化生物脱氮除磷效果。另外，以优先生物脱氮、同步生物除磷、辅以化学除磷，同时考虑碳源补充为基本原则，具体技术路径如下。

(1)碳氮比。充足的有机物是保障脱氮及厌氧释磷效果的重要因素之一，本工程提标改造前进水BOD5/TN为2.6，BOD5/TP为18.7，可通过多点进水提高有机物利用率，并补充碳源，多途径满足脱氮除磷的碳源需求。

(2)污泥负荷与污泥龄。为了获得较好的脱氮效果，需要较低的污泥负荷及较长的污泥龄，但与之相反，缩短泥龄可以提高生物除磷效果。本工程生物池设置的目的是以生物脱氮为主，可以通过增加池容、降低污泥负荷、提高污泥龄获得较好的生物脱氮条件。

(3)污泥及混合液回流比。当硝化与反硝化条件都较好时，系统最大脱氮率是总回流比r(污泥与混合液回流比之和)的函数，最大脱氮率为r/(1+r)。增加总回流比可以提高脱氮效果，但总回流比为4时，再增加回流比对脱氮效果的提高不大，反而会降低系统运行效果。

3.2 具体工艺设计方案

为充分利用、挖潜二级生物处理系统的脱氮除磷功能，采用多种途径同步优化，创造适宜的脱氮除磷条件，具体工艺设计如下。

(1)优化现有生物池分区，新建生物池增加池容，降低负荷。现状改良AAO生物池停留时间为12.8 h(厌氧区1.8 h，缺氧区3.0 h，好氧区8.0 h)，污泥质量浓度为5 g /L。提标改造后的分区为选择区、厌氧区和缺氧区。

①选择区：新增选择区，停留时间为0.5 h。

②厌氧区：新建厌氧池1和厌氧池2，停留时间分别为1.0 h和0.5 h。

③缺氧区：新增前置缺氧池1，停留时间为0.6 h，并将现状厌氧区改为缺氧池2，停留时间为1.8 h，用来补充缺氧区容积的不足，强化生化脱氮能力。改造后，新的缺氧区由3个部分组成：缺氧池1(新建)+缺氧池2(现状厌氧区改造)+缺氧池3(现状缺氧区)，总停留时间为5.4 h。

(2)生物池各分区之间可进行转换，设计灵活。新建厌氧/缺氧反应池的核心宗旨是确保出水TN达标，因此，分区转换是为了进一步提高脱氮效果。其单组平面布置如图4所示，具体转换方式：通过切换回流渠进水闸门，改变混合液回流出口位置至厌氧池2，可将其转换为缺氧区，根据实际运行需求，进一步增加缺氧区容积，提高脱氮效果。

图4 厌氧/缺氧反应池单组平面示布置示意图

(3)将混合液内回流比由200%提高至300%，提高脱氮效率。

(4)多点进水，通过在进水及回流渠之间的变频穿墙泵实现，可提高有机物利用率，减少碳源投加量。

(5)外加辅助碳源，用于特殊时段进水碳源不足时补充碳源，满足供给反硝化脱氮的碳源需求，提高脱氮效果稳定性。

(6)优化各分区的进、出水条件及回流位置，提高池容利用率、抗冲击负荷能力、脱氮除磷效果。

4 提标改造运行效果

提标工程于2019年底竣工通水，自运行以来，出水水质稳定优于一级A标准。随着近几年孝感城区污水管网的不断完善以及雨污分流改造工程的有序推进，提标改造后的进水指标较改造前有所提高，出水水质也明显优于提标前，提标改造工程效果显著，具体年均进、出水水质情况如表2所示。其中二级生物处理系统在去除氨氮、TN、CODCr、BOD5污染指标方面的表现较为突出，对TP的去除也起到了关键作用。提标前后各项指标去除率对比如图5所示，提标后出水TN平均质量浓度为7.9 mg/L，去除率为63.0%～72.0%；出水TP平均质量浓度为0.2 mg/L，去除率为90.0%～96.0%。将提标改造后的二级生物处理系统处理效果与改造前进行对比分析发现：提标后TN平均去除率由 54.4%提高至68.5%，TP平均去除率由84.6%提高至93.5%。且本次提标改造新增电耗低，全部新增处理单元电耗为0.096 kW·h/m3，提标用地仅用1.3×104m2，吨水投资仅为640元。

表2 提标改造前后平均进、出水水质对比

图5 提标前后各项指标去除率对比

5 结论

孝感市城区生活污水处理厂基于提标需求并结合用地现状，在现有百乐卡生物池前端增设厌氧/缺氧反应池，重新构建高效二级生物处理系统的工艺设计独具匠心，通过精心设计将提标障碍逐一击破，使污水处理厂的提标得以顺利完成。解决方案简单而高效，经过实践检验合理、可行。

(1)强化生物脱氮效果，不仅可以在系统后端设置反硝化生物滤池，也可借鉴本设计，在系统前端生化段增设缺氧反应池强化脱氮效果。

(2)通过调整生物脱氮除磷的运行条件可以获得较好的脱氮除磷效果。出水TN平均质量浓度为7.9 mg/L，去除率为63.0%～72.0%；出水TP平均质量浓度为0.2 mg/L，去除率为90.0%～96.0%。

(3)对于生活污水处理厂，TN、TP以生物处理系统为主的工艺效果稳定、无二次污染、能耗低，提标改造的全部新增处理单元电耗为0.096 kW·h/m3。

(4)提标方案简单、高效，用地节约，建设成本低，提标用地仅为1.3×104m2，吨水投资仅为640元。