污水处理厂提标改造工艺研究和运行效果分析

张友德 戴曹培 杨超 何建军

(安徽新宇环保科技股份有限公司 合肥 230041)

0 引言

巢湖是全国五大淡水湖之一，同时也是污染较为严重的“三河三湖”之一，合肥污水处理厂提标改造标准的确定也是基于巢湖氮磷富氧化控制。2016年，安徽省出台了《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)，合肥城区污水处理厂执行Ⅰ类标准。根据相关要求，对合肥市某污水处理厂一期工程进行提标改造，出水水质由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准提高到《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)中城镇污水处理厂Ⅰ类标准[1]。

1 工程概况

1.1 处理工艺

该污水处理厂处理规模为1 000 m3/d，一期工程采用A2/O工艺，工艺流程为：格栅→调节池→A2/O组合生化池→二沉池→紫外消毒池→达标排放。A2/O组合生化池设计水力停留时间9.6 h，其中厌氧池1.18 h，缺氧池1.92 h，好氧池6.5 h。一期工程设计水质及实际水质如表1所示。

表1 一期工程设计水质及实际水质 mg/L

在实际运行过程中，出水指标未达到预期效果，出水TN质量浓度基本维持在18.5 mg/L左右，出水TP平均质量浓度0.9 mg/L，接近出水设计值，偶尔甚至会超出设计标准，合格率不高，出水水质难以保证。

1.2 原因分析

一期工程A2/O生化处理系统出水水质难以保证，对TN和TP的去除效率较低，分析有以下几种原因:

(1)雨污分流不完全，部分雨水管道和污水管道混接，导致实际进水浓度远低于设计值，低浓度污水增大了生化处理难度。

(2)实际进水COD和BOD5浓度偏低，BOD5/ TN = 3.2，低于常规脱氮C/N值不低于4的要求，生物脱氮效果差。

(3)内回流带入溶解氧使缺氧段的缺氧环境被破坏，兼性异养菌优先利用氧气代谢，导致硝态氮无法脱除，使TN升高[2]。

(4)仅依靠生物除磷和二沉池泥水分离，无化学除磷工艺，TP达标率无法保证。

2 提标改造工程

2.1 一期工程优化

(1)对一期工程现有构筑物不进行改造，仅更换生化池组合填料、进水泵、硝化液回流泵、污泥回流泵、推流器等设备，并对原有管道进行疏通，对A2/O组合生化池重新投加0.5 t含水率80%的污泥。

(2)在原鼓风曝气机上增加变频器，通过变频控制曝气量，风量为5 m3/min，气水比为7.2∶1，使缺氧池和好氧池内的溶解氧维持在常规范围内。

(3)为了提高一期生化反应脱氮效果，争取出水TN达标，增加外部碳源投加装置，投加点位于一期缺氧池和二期反硝化深床滤池，两处投加点共用一套碳源自动加药装置，碳源为乙酸钠，缺氧池的投加量为40 mg/L，反硝化深床滤池的投加量为40 mg/L。

(4)根据实际进、出水TN浓度，优化内回流比，将内回流比调整为150%[3]，计算公式为：

式中，R为内回流比；A为进水TN质量浓度，mg/L；B为出水TN质量浓度，mg/L。

2.2 新建二期工程

(1)一期工程为地下式混凝土结构，新建二期深度处理工程为地上式一体化设备，因此新建一座一体化提升泵池，将一期二沉池出水提升至高密度沉淀池。

(2)针对生物除磷系统TP无法达到设计要求的情况，新建一座高密度沉淀池，通过投加PAC和PAM实现化学除磷，保证出水TP达标，同时具有较好的去除SS的效果。

(3)新建一座曝气生物滤池，通过硝化菌的氧化作用和滤料的截留，实现NH3-N及部分COD的去除，保证出水NH3-N达标。

(4)为确保TN出水达标，新建一座反硝化深床滤池，实现生物反硝化脱氮，同时去除部分SS。

(5)因曝气生物滤池和反硝化深床滤池需要进行反冲洗，新建一座清水池用于蓄水。

(6)为确保出水粪大肠杆菌数达标，新建一座紫外线消毒设备，通过紫外消毒实现出水微生物指标达标。

2.3 工艺流程

提标改造工程采用高密度沉淀池→曝气生物滤池→反硝化深床滤池深度处理工艺，一、二期工艺流程如图1所示。

图1 提标改造工艺流程

2.4 工艺设计

提标改造工程设计规模1 000 m3/d，二期进水水质为一期现状出水水质，二期出水水质为《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)中城镇污水处理厂Ⅰ类标准，进出水水质如表2所示。

表2 提标改造工程设计进、出水水质 mg/L

2.4.1 高密度沉淀池

本工程高密度沉淀池共有4个功能区，分别是配水区、混合区、絮凝区和斜管沉淀区。

进水在配水区稳定水流后进入混合区，在混合区通过搅拌器的快速搅拌，与投加量为20 mg/L的PAC溶液充分混合，形成小絮凝体，小絮凝体不易沉淀，流入絮凝区；在絮凝区投加1 mg/L的PAM溶液和200 kg微砂，搅拌器慢速搅拌，通过吸附、电中和和粒子间架桥等作用，协同污泥回流的作用，使小絮凝体形成大而密的易于沉淀的矾花[4]，然后絮凝区的污水进入斜管沉淀区进行泥水分离；经过斜管分离作用，上清液经过溢流堰板流入下一处理单元，矾花在沉淀区下部汇集，通过刮泥机的运行，污泥被浓缩，部分浓缩污泥回流至絮凝区，剩余污泥排至储泥池，进行后续处理。

主要设备和设计参数：

(1)配水区：配水区尺寸为2.0 m×1.4 m×3.0 m，水力停留时间12 min，作用是减少流量变化给处理系统带来的冲击。

(2)混凝区：混凝区尺寸为2.0 m×1.7 m×3.0 m，水力停留时间14.7 min，设置1台混合搅拌机，N=2.2 kW，转速为45 r/min，用于污水和PAC混合，PAC投加量为20 mg/L。

(3)絮凝区：絮凝区尺寸为2.4 m×3.1 m×3.0 m，水力停留时间32 min，设置1台絮凝搅拌机，N=2.2 kW，转速为25 r/min，用于污水和回流污泥、PAM混合，污泥回流量运行参数为15 m3/h，PAM投加量为0.8 mg/L；絮凝区和斜管沉淀区之间设置推流段，推流段尺寸为0.3 m×3.1 m×3.0 m，絮凝区底部出水，经推流段挡墙消能后，从上部翻越进入沉淀区，可以缓冲动能，同时使絮凝矾花结成更大的絮凝体。

(4)斜管沉淀区：沉淀区尺寸为2.8 m×3.1 m×3.0 m，表面负荷4.8 m3/(m2· h)，设置1台中心传动刮泥机，N=0.25 kW，Φ=3.0 m；六角蜂窝斜管8.5 m2，Φ=80 mm，长度0.8 m，安装角度60°。

(5)污泥泵2台(1备1用)，Q=25 m3/h，N=5.5 kW，用于污泥回流和剩余污泥排出；泥沙分离器2套(1备1用)，用于泥沙分离；PAC自动加药装置1套，PAC配置浓度3%，加药泵投加流量27.8 L/h；PAM自动加药装置1套，PAM配置浓度0.2%，加药泵投加流量16.9 L/h。

2.4.2 曝气生物滤池

曝气生物滤池采用自动反冲洗，也可进行手动反冲洗，可在自控界面切换，反冲洗步骤为：气洗→气水联合洗→水洗，反洗时间根据运行压力或时间确定，单独气洗时间2 min，气水联合洗时间3 min，水洗时间2 min。

主要设备和设计参数：

(1)滤池分两格，单格尺寸为3.95 m×2.75 m×3.20 m，单格有效过滤面积10.8 m2，平均过滤速度约为1.93 m/h；滤料采用陶粒滤料，粒径3～5 mm，滤料层高度2.0 m。

(2)曝气风机2台，N=2.2 kW，用于滤池中充氧曝气；反洗风机1台，N=25 kW，反洗水泵1台，N=7.5 kW，Q=210 m3/h，用于气/水联合反冲洗，反洗周期为12～24 h，或者达到设定压力0.3 bar。

(3)新建清水池1座，用于曝气生物滤池和反硝化深床滤池反冲洗，尺寸为10.0 m×2.0 m×2.6 m，有效容积52 m3，加上另一格滤池出水，可满足单格滤池反冲洗作用。

2.4.3 反硝化深床滤池

从曝气生物滤池自流过来的污水均匀分配至2格滤池内，然后投加40 mg/L乙酸钠并经配水渠均质均量后，均匀分配至2格滤池内，自上向下经2～4 mm级配滤料物理截留、生物脱氮后排出，出水SS和TN低于10 mg/L，运行一段时间后，因水头损失增大，需要进行反冲洗，反冲洗系统采用气/水联合反冲洗[5]。

滤池采用自动反冲洗，也可进行手动反冲洗，可在自控界面切换，反冲洗步骤为：气洗→气水联合洗→水洗，反洗时间根据滤池液位或时间确定，单独气洗时间2 min，气水联合洗时间3 min，水洗时间2 min。

主要设备和设计参数：

(1)滤池分两格，单格尺寸为4.0 m×2.8 m×4.0 m，单格有效过滤面积11.2 m2，平均过滤速度约为1.86 m/h；滤料层采用石英砂，粒径1～3 mm，滤料层高度1.83 m。

(2)反洗风机1台，N=25 kW；反洗水泵1台，N=7.5 kW，Q=210 m3/h，用于气/水联合反冲洗，反洗风机和反洗水泵与曝气生物滤池共用，反洗周期为 12～24 h，或者达到设定液位。

(3)碳源自动加药装置1套，和一期缺氧池共用，碳源为乙酸钠，浓度为10%，投加量40 mg/L，加药泵投加流量27.8 L/h。

3 运行效果分析

该提标改造工程完工调试后进入试运行期，试运行期6个月，期间经过多次优化和调整，出水各项指标均达到设计标准。

3.1 COD去除效果

经提标改造后进、出水COD实测数据如图2所示。

图2 2—7月COD处理效果

2—7月因天气回暖，居民洗浴等生活用水量增大，且降雨量增多，导致进水浓度逐渐降低，进水COD平均值为177.626 mg/L，最小值为159.198 mg/L；2—7月平均出水COD为10.522 mg/L，平均COD去除率94.1%，出水COD稳定达到设计标准。

3.2 NH3-N去除效果

经提标改造后进、出水NH3-N实测数据如图3所示。

图3 2—7月NH3-N处理效果

2—7月，污水处理厂进水浓度逐渐降低，进水NH3-N平均值为16.444 mg/L，最小值为13.139 mg/L；2—7月平均出水NH3-N为0.258 mg/L，平均NH3-N去除率98.4%，出水NH3-N稳定达到设计标准。

提标改造前，一期工程对NH3-N去除效果不是很理想，水质波动较大，在对风机增加变频器后，通过调节风机频率控制曝气风量，从而达到合适的气水比，使好氧池溶解氧维持在2 mg/L左右，此外，通过更换污泥回流泵，优化内回流比，在保证去除NH3-N的同时，降低能耗。

3.3 TP去除效果

经提标改造后进、出水TP实测数据如图4所示。

图4 2—7月TP处理效果

2—7月，污水处理厂进水TP波动较小，进水TP平均值为2.542 mg/L，最小值为2.337 mg/L；2—7月平均出水TP为0.195 mg/L，平均TP去除率92.3%，出水TP稳定达到设计标准。

提标改造前，一期工程仅依靠生物除磷很难达到设计标准，在增加高密度沉淀池后，通过PAC、PAM的混凝及絮凝作用，可将出水TP控制在0.3 mg/L以下，依靠斜管沉淀，同时可将出水SS降低至10 mg/L。PAC和PAM的投加浓度及投加量在实际运行管理中，根据运行效果做进一步优化调整。

3.4 TN去除效果

经提标改造后进、出水TN实测数据如图5所示。

图5 2—7月TN处理效果

2—7月，污水处理厂进水TN波动较小，进水TN平均值为26.191 mg/L，最小值为24.306 mg/L；2—7月平均出水TN为6.907 mg/L，平均TN去除率73.6%，出水TN稳定达到设计标准。运行数据表明，相较于其他水质指标，该工艺去除TN效果不是很好，分析原因是因为进水浓度降低，反硝化难度较大。

在提标改造工程中，除反硝化深床滤池外，在一期A2O 组合生化池缺氧段也增加了碳源投加点，因2处共用1套碳源自动加药装置，因此2处碳源投加量均为40 mg/L，保证出水TN稳定达标。

4 运行经济指标

在试运行期间，不断优化运行工艺，节能降耗，将运行费用控制在合理范围内，运行费用分析如表3所示。

5 结论

(1)本工程采用“高密度沉淀池+曝气生物滤池+反硝化深床滤池”组合处理工艺实现了去除COD、脱氮除磷、降低SS的目的，出水各项指标均达到甚至优于设计标准，表明该组合深度处理工艺是可行的。

(2)本工程中的高密度沉淀池对除磷和降低SS至关重要，因此确定高密度沉淀池最佳工艺参数尤为重要，应根据工艺设计和工程经验，在调试和试运行过程中不断优化各项运行参数，实现最佳技术经济目的。

(3)曝气生物滤池对进水SS要求较高，应通过高密度沉淀池最大化去除SS，以便减少滤池反冲洗频率。

(4)根据进水COD、NO3-N浓度调整乙酸钠投加量，达到最优脱氮效果；通过不断试验，精确控制反硝化深床滤池恒液位，确定滤池最大有效容积，增加反硝化停留时间，更好的实现反硝化。