基于小城镇污水特征的两级生物膜法处理工艺设计研究

文／魏鹏 合肥市市政设计研究总院有限公司 安徽合肥 230001

引言：

随着城镇化进程加快，小城镇在城镇总数中所占的比例不断增大，经济快速发展的同时环境污染问题随之出现，城镇污水排放量不断增加，然而小城镇基础设施建设滞后于城镇建设的发展，主要表现在小城镇污水收集系统和处理设施不健全，污水处理率较低等[1]。与大中城市相比，小城镇污水处理设施建设还受到资金来源缺乏和管理技术水平等条件制约。因此，选择一套适合小城镇污水特性、高效低耗、管理简单的污水处理工艺，有助于更加全面提高污水处理水平，促进社会经济可持续发展和建设环境友好型社会。

某建制镇位于江苏省宿迁市城郊，属于骆马湖流域保护范围。按照国家《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》提出的基本无生活污水直排口、基本消除城中村、老旧城区和城乡接合部生活污水收集处理设施空白区，基本消除黑臭水体，城市生活污水集中收集效能显著提高目标，加快补齐镇区污水收集和处理设施短板，实现污水管网全覆盖、全收集。该镇于2020年初开展中心镇区污水处理提质增效工程，在该镇区东南部新建污水处理厂1 座，污水处理厂设计规模为2500m3/d，主要处理镇区居民生活污水和部分工业企业生产废水。

1.设计进出水水质

工程设计初期，为更准确地确定其设计进水水质，在全面分析该镇社会经济发展现状、产业结构布局以及规划发展的基础上，参考本地区同类型污水处理厂的进水监测数据，并考虑一定的设计余量，确定污水处理厂设计水水质；根据《江苏省城镇污水处理厂污染物排放标准》要求，设计出水水质指标达到二级标准，具体详见下表1。

表1 污水厂设计进出水水质

2.工艺比选与流程设计

2.1 处理工艺比选

常规的城市污水二级生化处理工艺有氧化沟、A/O 法、A2/O 工艺等，若小城镇污水处理采用这些常规工艺，会造成建设成本过高、技术支持难度大等问题，导致小城镇污水处理厂无法有效建成或难以正常运行。小城镇污水处理工艺的选择，应充分考虑污水来源、收集和运行管理等具体情况，选择建设成本低、运维管理简便、运行成本低且具有稳定处理效果的工艺。根据工程实践经验，对以下常见的6 种小城镇污水处理工艺进行比较分析，见下表2。

表2 小城镇污水处理适用工艺比选分析

人工湿地和CRI工艺属于人工强化自然水处理，基建、运行成本低。管理难度低，占地面积大，处理效果相对较差，人工湿地主要的缺点是受气候影响大，使其应用受到严重限制。活性污泥法是城市污水处理的常规处理方式，其中IBR 和CASS 工艺均较为适合我国小城镇污水处理，在这6 种工艺中，基建、运行费用、管理难度均偏高[2]。也会相对产生大量的污泥，但是出水水质稳定，效果好；高负荷生物滤池和生物接触氧化工艺均属于生物膜法，尽管处理效果不及上述2 种活性污泥法，但其运行成本低、管理难度低和污泥量较少等优点，使其受到广泛应用[3]。

2.2 工艺流程设计

由于该镇区企业生产季节性较强、居民生活污水排放的规律导致镇区污水的水质、水量变化大。针对该镇的污水排放特点，兼顾考虑降低后期运维费用和管理难易程度，污水处理厂采用预处理+两级生物膜法工艺+深度处理组合工艺，生化段工艺采用高负荷生物滴滤池+生物接触氧化池两级生物膜法，具体处理工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程

3.污水处理单元工艺设计

3.1 污水处理系统设计

3.1.1 粗格栅及进水泵房

污水由主干管输送至污水提升泵房，经由粗格栅栏拦除污水中较大污染物，确保水泵安全运行。污水经水泵提升至细格栅及平流沉砂池。粗格栅渠和进水泵房合建，平面尺寸为L×B=10.8×8.0，地下部分深度6.5m，地上部分高度0.3m。采用回转式机械格栅，栅宽1m，栅条间隙15mm，栅条厚度10mm，安装倾角75°。格栅清渣采用机械清渣方式，定期进行清渣，同时配备1 套人工格栅作为备用。泵房内配备潜污泵（Q=100m3/h、H=13m、N=7.5kw）3 台，2 用1 备。

3.1.2 细格栅及平流沉砂池

细格栅和平流沉砂池合建，平面尺寸L×B×H=14.5×2.8×2.8m，分细格栅及平流沉砂池两个处理段。其中细格栅宽0.7m，格栅间隙5mm，设计栅前水深0.35m，格栅安装倾角45°，配备规格为GH700、N=0.55kw的格栅除污机一套。平流沉砂池设计水力停留时间30s，水平流速0.25m/s，其中渠宽1m，沉砂区高度0.42m，有效水深为0.5m，设2 个砂斗，斗深1.72m。配备砂水分离器（Q=12L/s、N=0.25kw）1 台；吸砂泵（Q=12m3/h、H=16m、N=2.2kw）2 台。

3.1.3 中间水池

设置中间水池1 座，钢混凝土结构，总外形尺寸为L×B×H=8.6×4.8×3.5m，配备潜水污水泵（Q=150m3/h、H=10m、N=11kw）2 台，1 用1 备。沉砂池出水经自流进入中间水池，然后经由中间水池内的水泵提升进入高负荷生物滤池。

3.1.4 高负荷生物滤池

高负荷生物滤池近期设置1 座，设计规模为2500m3/d。污水经由滤池上部的旋转布水器喷淋下来，经过堆积的滤料层，滤料表面生长的生物膜对污水中的有机物进行降解，滤池供氧由自然通风完成。设计水力负荷为27m3/(m2·d)，有机负荷1.0kgCOD/(m3·d)，运行回流稀释比R=1～2。滤池设计采用圆形构造，直径D=16m，滤池高H=6.5m。其中底部构造层1.75m，滤料层3.55m，超高1.2m。滤池内采用无机固体活性生物填料，其中下层为承托层，填料粒径70～100mm，厚1.05m；上层为滤料层，填料粒径40～100mm，厚2.5m。滤池顶部配备自旋转布水器一套，布水器直径D=15.8m，布水器转速为15r/min。滤池下部设集水池，经滤池处理过的污水通过其底部汇水渠收集后，输送至集水池。集水池尺寸为L×B×H=4.0×1.5×2.5m。

3.1.5 综合反应池（包含接触氧化、混合池等）

生物接触氧化池近期设置1 座，设计规模为2500m3/d，远期按照同等规模增设1 座。池体净尺寸L×B×H=25×5×5m，平均分为5 格，第一格为缺氧区，其余4 格为好氧区。池内安装弹性立体填料，设计填料有机负荷0.8kgCOD/(m3·d)，填料层高2.80m，填料总体积为350m3。池底采用膜片式微孔曝气器，每个曝气头服务面积为0.4m2，曝气强度为12.55m3/min。配备曝气风机（Q=12.55m3/min、H=5m、N=18.5kw）2 台，一用一备。池末端（第5格内）设置内循环泵（Q=150m3/h、H=8m、N=7.5kw）1 台，将好氧区硝化液通过内循环泵回流到缺氧区，设计最大回流比为200%。

混合絮凝沉淀池采用机械混合絮凝+ 平流沉淀工艺。混合絮凝池设计HRT=24min，设计尺寸L×B×H=5×2×5m，均分为3 格，钢混凝土结构，投加聚合氯化铝作为絮凝剂，投加量为30mg/L。平流沉淀池设计表面负荷0.93m3/(m2·h)，水力停留时间2.30h，沉淀池总尺寸L×B×H=23×5×5m。

3.1.6 转盘过滤池

转盘过滤池1 座，设计处理流量为2500m3/d，滤池池体部分采用钢混凝土结构，外形尺寸为L×B×H=6.2×3.2×6.8m。滤池平均滤速为15m3/（h·m2），安装滤盘数量为2 片，滤布有效过滤面积11.4m2。

3.1.7 紫外消毒池

污水处理厂尾水采用紫外消毒工艺进行消毒灭菌。消毒渠土建规模按照2500m3/d 设计，平面尺寸为L×B=8.4×2.7m，设置紫外消毒渠1 道，渠深1.4m，水深0.62m。一期工程安装一个紫外消毒灯模块组，共2 根灯管。采用低压高强紫外灯管，单根灯管的功率为250W。

3.2 污泥处理系统

处理系统产生的污泥大部分为深度处理化学污泥，沉淀池产污泥量约0.25t/d，污泥含水率99.9%。设计污泥池一座，外形尺寸L×B×H=12.2×10.2×5.5m。用于储存沉淀池排出的污泥，厂区剩余污泥由专用槽罐车运至距其约10km 外的龙河污水处理厂进行板框压滤后填埋处理，排泥间隔时间为15d。

4.工艺设计特色

针对小城镇生活污水处理厂进水的水量和水质波动较大的特点，选择高负荷生物滴滤池与生物接触氧化池串联的两级生物膜法工艺作为生物处理单元，并将高负荷生物滴滤池作为前端处理单元，能够有效地抵抗来水高负荷冲击，利用其无需机械曝气，自然通风供氧的特点，大量去除污水中的有机物，减少了污水处理中的能耗，降低运行费用。同时，本工程在高负荷生物滴滤池底部设有集水池，内置回流泵，可根据水质、水量情况调整回流比，受来水波动冲击小，耐冲击负荷强。即使在夜间污水处理厂无进水情况下，仍然能够通过回流运行维持滤料表面生物膜活性，保证处理单元稳定运行。

污水经过高负荷生物滴滤池处理后，污水中的COD降解能到达50%以上。经由提升泵进入接触氧化池，接触氧化工艺作为一种浸没式生物膜法，也具有抗冲击负荷强，不存在污泥膨胀等优点，将其与高负荷生物滴滤池串联使用，能够最大程度减少处理构筑物的池容，降低污水处理厂的建设投资费用。生物接触氧化池内采用YDT 立式弹性填料，该填料具有挂膜快，生物附着量大，致密不脱落，无堵塞、刚柔适度等特点。填料以尼龙绳为中心，使丝条呈立体均匀排列辐射状态，填料在有效区域内能够立体全方位均匀舒展满布池内。填料丝条拉毛处理，表面粗糙，其特殊构造对水中的气泡作密集性多层次的切割，对微气泡有良好的吸附作用，使微生物、污水和氧气充分接触。接触氧化池分为5 格，在末端设置回流泵一台，根据运行状况以及进水水质灵活的调节回流量，并且利用每格曝气干管控制其曝气量，在接触氧化池内形成缺氧区和好氧区，有利于污水中氨氮的有效去除。

工程中将接触氧化池、机械絮凝池和平流沉淀池合建，形成一体化综合池，既简化了单独建设这些构筑物时配套的管道以及阀门系统，又节省工程占地，可有效降低项目投资，简化运维管理难度。

5.运行效果及主要经济指标分析

5.1 运行效果

污水处理厂于2020年10月份开始运行调试，2021年3月份正式运行，处理负荷保持在2200m3/d 左右，处理系统进出水水质见表3。运行数据表明，出水指标均达到了设计标准。污水处理厂建成后，镇区整体水环境质量明显得到了较大的改善。

表3 污水处理厂运行效果

5.2 主要经济指标分析

本工程总投资1200 万元，其中土建费用840 万元，设备采购及安装费用320 万元，调试费用40 万元。本工程建成投产运行以来，吨水处理成本为0.56 元/m3（其中电费0.32 元，药剂费0.15 元，人工费0.05 元，其他费用0.04 元）。

结语：

经过近两年运行表明，以高负荷生物滴滤池+生物接触氧化为主体的两级生物膜法处理工艺处理效果稳定，污泥产量少，从工艺设计的角度对小城镇污水处理污泥产量进行减量化，减轻了小城镇污水处理厂处理剩余污泥处置的负担，进一步降低了其运行成本。该工艺在小城镇污水处理中成功应用，有效解决当前很多小城镇污水处理设施建得起用不起，建得好用不好的困境，对小城镇污水处理具有较好适用性，可为小城镇污水处理厂设计提供参考和借鉴。