曝气生物滤池与高效澄清组合工艺在溢流污水项目中的应用

王 莉

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)

随着开发区工业企业的日益壮大，生活污水排放量逐步增多，城市管网多数以合流制为主，现有污水处理厂规模有限，无法消纳全部水量，出现雨天初期雨水溢流，旱天生活污水少量溢流现象，造成受纳水体严重污染。为了更好地治理河道点源污染现象，保护河道水环境，修复河道水生态，进行水资源开发与利用，水利及环保相关部门提出对溢流污水进行应急净化处理，以降低溢流污染。通常对于溢流污染控制措施包括源头治理、过程控制和末端治理[1]。由于源头雨污分流改造困难，过程不可控因素众多，末端治理溢流污染是最为有效的手段[2]。另外，由于现有土地资源紧张，临时占地受限，传统常用污水净化工艺AAO和MBR等停留时间长，占地面积大，有待寻求一种处理效率高，占地面积小，投资成本低的新工艺，用于解决溢流污染问题[3]。因此，本文以宿迁经开区某溢流污水项目为例，采用曝气生物滤池与高效澄清组合工艺，控制点源溢流污染物排放，探索该工艺的可行性。

1 工程概况

1.1 基本情况

近年来，宿迁经开区持续招商引资，随着入驻企业增加污水量也激增，现有河西污水处理厂日处理规模9.22万m3/d，接近满负荷运行，考虑到龙恒、天合等重大项目产能持续增加，区内商业地产陆续开发，污水水量还将不断增加，随时有外泄风险。因此，宿迁环保部门提出在宿迁经开区设置一套应急净化设施，收集管网溢流污水，解决旱天溢流污染问题，待河西污水处理厂扩建完成后，将旱天污水及雨天初期雨水纳入水厂一并处理。

目前旱天溢流污水存在10000m3/d的缺口，急需采用临时污水应急处理设施净化后排入受纳水体，防止造成附近河道污染现象。由于土地资源有限，临时应急污水处理设施经批准选择在经开区通湖大道与东吴路北侧的绿化带上，批复总占地面积为100m×16m。该项目采用一体化曝气生物滤池和高效澄清组合工艺，处理规模为10000m3/d，总占地面积为96m×14m，包括1套预处理模块、8套一体化曝气生物滤池和2套高效组合澄清系统和辅助监测控制系统，出水达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)准Ⅳ类水后就近排入河中。

1.2 设计进出水水质要求

该项目管网溢流污水进水原水COD为146～215mg/L、SS为42～60mg/L、NH3-N为11～16mg/L、TN为18～28mg/L、TP为0.31～0.59mg/L，出水水质目标为达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) 准Ⅳ类水，其中总氮出水水质要求为不大于15mg/L。 溢流污水进出水浓度见表1。

表1 溢流污水进出水浓度 单位：mg/L

1.3 方案比选

溢流污染控制常见技术包括AO+MBR膜工艺、AO+高效沉淀池和曝气生物滤池+高效组合澄清系统等工艺。本文就几种工艺的优缺点、占地面积、运行成本等方面进行综合比较，选取经济可行的工艺方案。工艺方案比选见表2。

续表

经比较，考虑该项目出水水质要求高，占地面积小等因素，选取占地面积小、投资成本低、运行维护简便的曝气生物滤池+高效组合澄清系统工艺。

1.4 工艺流程

首先收集合流制管网溢流污水，通过集水井提升泵进入设有粗细格栅及沉砂池功能的预处理模块，去除进水垃圾和漂浮物，保证后续工艺所需水头。随后污水通过重力流进入曝气生物滤池，曝气生物滤池反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生物膜生长的载体，污水由下向上流过滤料层，在滤料层下部鼓风曝气，空气与污水同向接触，使污水中的有机物与填料表面生物膜通过生化反应得到降解，填料同时起到物理过滤作用。经过曝气生物滤池净化后的污水进入清水池，其作用是为曝气生物滤池中的生物填料提供清洗水源，同时其出水通过提升泵进入高效组合澄清系统，采用后置高效澄清系统不仅可以保证进水碳源充足，使曝气生物滤池实现同步硝化反硝化反应，去除有机物、氨氮和总氮，后续高效澄清系统采用加载沉淀和化学絮凝原理可以进一步降解未去除的有机物、氨氮、总氮等指标，最后出水就近排入河道。工艺流程见图1[5-6]。

图1 工艺流程

1.5 工艺设计

该项目设计总占地面积96m×14m，主要包括预处理模块1套，曝气生物滤池8套，高效组合澄清系统2套。预处理模块主要由提升泵房和粗细格栅组成，主要用于拦截污水中携带的漂浮物、大颗粒悬浮物等。曝气生物滤池和高效组合澄清系统，主要通过生化与物理化学相结合的方法降解溢流污水中的COD、NH3-N、TN、TP和SS等污染物质。其中8套曝气生物滤池和2套高效组合澄清系统均采用一体化碳钢防腐模块，单个模块尺寸为12m×3m×3.2m，布置紧凑，安装方便，大大节约了占地面积。

曝气生物滤池由池体、滤料层、承托层、布水系统、布气系统、反冲洗系统、出水系统和自控系统组成。曝气生物滤池采用下进式，污水通过配水配气系统经承托、滤料层吸附降解后从上部集水槽流出。根据进入的污水浓度调节曝气风量和反洗频率，实现滤料表面微生物增殖，降解污水中COD、NH3-N、TN等污染物质[7]。

高效组合澄清系统由混凝区、絮凝区、浓缩区、斜板清水分离区、加药系统、污泥回流系统、介质分离装置及污泥脱水系统组成。该工艺将生化未降解的COD、TP、SS等进一步去除，通过加砂沉淀快速实现泥水分离，具有高处理量和短停留时间的特点，其占地面积是传统沉淀系统的1/20。

2 系统启动与调试

该项目调试包括曝气生物滤池培菌挂膜启动调试和高效澄清系统加药调试。

曝气生物滤池启动调试主要分为三个阶段：接种挂膜阶段、微生物培养阶段和微生物驯化阶段(见表3)。总调试周期23d，准备阶段进行滤料曝气清洗后，进入第一阶段：污泥接种挂膜阶段，进水量控制在1000m3/d，按照曝气生物滤池活性污泥量4000mg/L接种后，进行72h闷曝，24h换水一次；第二阶段：微生物培养阶段，增加进水流量至2000m3/d，4d进行一次反洗，同时监测各项水质指标，根据硝化反应计算碳源短期情况，补充碳源至预处理模块，增加微生物量；第三阶段：持续增加进水流量，每日在稳定运行基础上流量增加10%，调整反洗时间为3d一次，同时开启污泥回流，控制在50%，直到进水流量提升至设计规模，进入稳定运行状态。

高效澄清系统主要通过投加砂介质和絮凝药剂达到快速絮凝沉淀的效果，加砂量为设计流量的3%，混凝剂投加量平均为100mg/L，絮凝剂投加量平均为0.5mg/L，剩余污泥回流比为15%。

3 调试运行效果

3.1 对污染物去除效果分析

3.1.1 对COD的去除效果分析

COD去除效果见图2。由图2可知，在污泥接种初期，采取低负荷进水闷曝方式挂膜，该阶段以滤料吸附截留为主，有机物有一定下降，随着生物量的增加，COD去除率明显提升至30%左右，为了防止生物膜脱落，控制低溶解氧曝气量，浓度为4～6mg/L，加速微生物增殖，通过更换原水补充新的营养物质，此阶段COD降解速率呈现明显上升趋势，COD出水达到设计值30.00mg/L以下；2022年2月1日起进入运行期，进水COD浓度为146.30～214.94mg/L，出水COD浓度为12.30～28.70mg/L，COD主要在曝气生物滤池中去除，高效澄清系统辅助，该组合工艺对COD的平均去除率为89.11%。

图2 COD去除效果

3.1.2 对NH3-N的去除效果分析

NH3-N去除效果见图3。由图3可知，正式投入运行后，进水NH3-N浓度为11.77～15.93mg/L，出水平均浓度为1.10mg/L，达到设计出水指标，平均去除率为92.01%。NH3-N主要在曝气生物滤池中通过硝化细菌将氮化物转为硝态氮和亚硝态氮。污泥接种初期硝化细菌处于内源呼吸适应期，对氨氮的去除率低于10.00%，通过控制曝气溶解氧浓度和反洗频率实现硝化细菌增殖，保证水力停留时间大于细菌繁殖时间，在微生物培养阶段，进水NH3-N浓度存在一定的波动，通过调节溶解氧和碱度来提高硝化速率，当pH值在8.0左右时，硝化速率明显提升，去除率从40.00%左右提升至80.00%，微生物镜相出现钟虫、纤毛虫等指示性原生动物，微生物挂膜进入稳定期，出水去除率达到90.00%左右[8]。

图3 NH3-N去除效果

3.1.3 对TN的去除效果分析

TN去除效果见图4。由图4可知，进水TN浓度在18.00～27.98mg/L之间，TN出水浓度在7.51～14.48mg/L之间，平均去除率为57.93%。由于进水BOD5与TN浓度之比在3～4之间，以硝态氮为电子受体，反硝化速率较慢，调试初期补充红糖增加碳源，间歇性停止曝气，延长水力停留时间，加速反硝化细菌增殖。进入正常运行期溶解氧浓度控制为4.00mg/L，节约能耗，同时实现同步硝化脱氮。从图4可以看出，由于反硝化细菌对溶解氧较敏感，反应存在一定的波动性，反应速率较低，说明在以硝化为主的曝气生物滤池具有一定的反硝化作用。

图4 TN去除效果

3.1.4 对TP的去除效果分析

TP去除效果见图5。由图5可知，进水TP浓度为0.31～0.56mg/L，出水TP最小值达到0.08mg/L，TP的最大去除率为84.91%，最小去除率为56.41%，平均值为70.28%。总磷的去除主要通过高效澄清化学除磷作用，调试启动阶段混凝剂硫酸铝投加量为120.00mg/L，絮凝剂PAM投加量为0.80mg/L，同时控制剩余污泥回流量为30%，随着运行稳定，通过调节计量频率，降低混凝剂量至100.00mg/L，絮凝剂0.50mg/L，间歇性启动污泥回流泵，回流比为15%。

图5 TP去除效果

3.1.5 对SS的去除效果分析

SS去除效果见图6。由图6可知，进水SS浓度在42～60mg/L之间，出水SS浓度在5～7mg/L之间，平均去除率为88.77%。由于进水SS浓度低于60mg/L，相对浓度较低，如高效前置会削减碳源和SS，不利于硝化反硝化反应，故设计采用后置高效去除SS，通过加砂介质及絮凝反应，实现了快速泥水分离，说明高效澄清系统对SS具有较好的去除作用。

图6 SS去除效果

3.2 综合效益分析

该项目建设工期1个月，调试23d稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)准Ⅳ类水目标(其中总氮出水目标不大于15mg/L)，正式投入生产运行，具有建设调试周期短，安装操作方便,运行期成本低的显著优势[9]。

该工艺运行费用主要包括电费、药剂费、人员工资、日常维修保养费用等，平均运行成本为0.51元/m3。

处理规模为10000m3/d，经测算，年可减少污染排放量COD为608.55t、SS为162.53t、NH3-N为162.53t、TN为162.53t、TP为162.53t，大大削减了受纳水体的污染物，保障了水质达标。

4 结 语

a.曝气生物滤池与高效澄清组合工艺，可作为溢流污染有效的控制措施，治理河道点源污染现象，保护河道水环境，修复河道水生态，进行水资源开发与利用。该组合工艺具有安装拆卸方便，水力停留时间短，处理效率高，较传统的水处理工艺占地面积小的优点，实用性强，在溢流污染控制工程中具有较强的推广价值。

b.采用曝气生物滤池和高效澄清组合工艺，水质净化效果明显，可快速达到地表水准Ⅳ类水标准，解决溢流污染问题。

c.通过在调试运行中改变进水流量、控制气水比和反洗频率等参数，得出该项目曝气生物滤池的最佳运行参数水力停留时间为90min，气水比为5 ∶1，高效剩余污泥回流比为15%，在此工况下运行成本为0.51元/m3，在后续运行中，需要进一步研究优化各项控制参数，进一步降低运行成本。