城鎮污水處理廠達國家一級排放升級改造實例
摘要：近年來，國家和各地方對污水處理廠的排放標準要求越來越嚴格，選擇能夠穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級標準的工藝是新建污水處理廠和老污水處理廠升級改造所面臨的關鍵問題。本文選取了近年來國內較大規模的市政污水處理工程，介紹了這些工程的概況、采用的工藝及運行效果。希望這些有代表性的實例能夠為今后市政污水處理工程的工藝選擇提供有價值的參考。
關鍵詞：城鎮污水處理廠 脫氮除磷 工藝選擇 工程實例
近年來，我國不斷出現由于水體富營養化引起的爆發性環境事件，全社會對于水環境問題的關注度大幅提高。國家和各地方對污水處理廠的排放標準要求日趨嚴格，越來越多的污水處理廠二級出水還被用作再生水廠的水源或是景觀河道補充水。大部分已經建成的污水處理廠的工藝已經不能滿足新的排放要求，需要進行升級改造。
對于城鎮污水處理廠來說，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級排放標準，主要難度在于出水氮、磷指標穩定達到排放標準。而市政污水處理廠一般處理規模較大，化學脫氮除磷的成本太高，通常只作為輔助手段。在這種形式下，選擇能夠穩定達到一級標準的生物脫氮除磷工藝是新建污水處理廠和老污水處理廠升級改造所面臨的關鍵問題。
一、天津市四個大型污水處理廠升級改造工程工藝選擇
1、工程背景
2008年2月開始實施的《天津市污水綜合排放標準》（DB12/356-2008）中提出已建成的城市、城鎮和工業園區污水處理廠排水應在2010年12月31日前達到GB18918中一級B標準。天津市內四個大型市政污水處理廠紀莊子污水處理廠（現有規模54萬m3/d）、咸陽路污水處理廠（現有規模45萬m3/d）、東郊污水處理廠（現有規模40萬m3/d）和北辰污水處理廠（現有規模10萬m3/d）由于設計建造的時間較早，現有的工藝已經不能滿足新標準的排放要求，需要進行升級改造。
2、進出水水質
進水水質的確定是根據對污水廠上游管網多年監測值的概率分析，并調查了收水范圍內的工業污染源。污水處理廠一部分出水供給再生水廠作為水源，這部分出水指標執行一級A標準，其余部分出水執行一級B標準。
3、生物處理工藝的確定
四個污水處理廠分屬不同的城市排水系統，進水水質差別很大，C/N、C/P、可生化性等指標各不相同，不可能使用同一種工藝。經過長時間的實驗對比和專家反復論證，最終確定了兩種工藝作為四個污水處理廠升級改造的主要生物處理工藝，一種是“強化生物脫氮”，另一種是“分段進水生物除磷脫氮”。
強化生物脫氮工藝的核心設計理念是短程硝化反硝化。影響需氧量的關鍵因素是設計中采用的DO值，強化生物脫氮設計使得需氧量大大降低，氧傳遞效率大大提高。另外，通過預反硝化、“短程”硝化反硝化和同時硝化-反硝化，有助于提高反硝化能力。當BOD:N≤4:1時，這種工藝的優勢就體現出來了，可以不投加碳源或少投加碳源。此工藝的反應器由兩部分組成，前半部分采用機械曝氣的氧化溝，后半部分采用微孔曝氣。這種混合曝氣的方式能夠最大程度的提高曝氣效率，從而節能。其原因在于：利用污水中表面活性劑組分對微孔曝氣和機械曝氣氧傳輸效率的影響不同。表面活性劑在活性污泥工藝中被分解，它們的影響也隨之減小。因此，微孔曝氣之前設置機械曝氣的氧化溝，在節能方面也具有相當大的優勢。
分段進水生物除磷脫氮工藝通常由2-5段缺氧/好氧順序排列組成。原水分別在首端的厭氧區和各缺氧區進人反應器，回流污泥回流到系統的首端，通常不設內回流設施。四段進水多級A/O工藝示意圖見圖1。
該工藝同傳統的A/A/O工藝相比具有以下的優點：
（1）無需混合液內回流，節省能源，降低運行成本；（2）回流污泥的稀釋作用被推遲，反應器內污泥濃度大大增加，提高了處理效率，節省了池容；（3）缺氧段分別進水，可充分的將進水中的碳源用于硝酸鹽氮的反硝化，提高脫氮效率及碳源的利用率；在碳源充足的條件下，理論上脫氮率可高于90%。
該工藝存在的缺點：（1）缺氧、好氧階段交替存在，缺氧區的控制較為重要，如不能形成缺氧區，則不能實現預設的脫氮功能；（2）操作復雜：由于分段進水，進水點較多，較難調控。
所有生產性試驗，都經過了冬季運行，處理效果比較穩定。
二、無錫市城北污水處理廠升級改造工程[1]
1、工程概況
城北污水處理廠為太湖流域地區首批完成升級改造的工程，是無錫市主城區三大污水處理廠之一，位于主城區中北部，現狀規模15萬m3/d，分三期建設，每期工程規模5萬m3/d，采用具有脫氮除磷功能的Orbal氧化溝工藝，尾水排入北興塘河，設計出水指標為GB18918-2002中一級B排放標準。該廠進行升級改造項目已于2008年6月竣工，目前運行情況良好，出水穩定達到GB18918-2002中一級A標準。
2、進出水水質指標的確定
設計單位通過對城北污水處理廠目前的水質監測數據進行分析，按90%的頻率統計值確定升級改造工程的進水水質。依據統計分析數據進行工藝設計計算，更加符合實際、節省投資并提高了運行的安全可靠性。
3、生物處理工藝的確定
在確定改造方案前，先進行了中試研究，結果表明采用外溝進水、回流污泥曝氣再生的工藝可提高活性污泥的MLVSS/MLSS值，即提高污泥中的活性微生物數量，從而增強了系統的處理效果尤其可顯著改善對TN的去除效率。同時還要充分結合廠區現狀條件，生物處理部分力求通過內部改造，利用現有的生物池(氧化溝)內厭氧區改造成回流污泥曝氣再生池，實現生物池降解功能的強化，改造方便并節省工程投資。綜合多方案比選，最終確定采用強化二級生物脫氮除磷處理工藝作為廠區生物處理段改造的主體工藝。該工藝的關鍵為：控制回流污泥曝氣再生。對回流污泥進行曝氣再生的作用有三：(1)在不過度增加進入二沉池的污泥通量負荷的情況下增加生物污泥總量；(2)將回流污泥在再生池內進行曝氣，可使污泥充分進入內源呼吸期的后期，其活性得到比較徹底的恢復，回流到曝氣池后可以加快活性污泥的反應進程，提高反應效果；(3)回流污泥中含有大量處于“饑餓”狀態硝化細菌，與原水混合后可以快速將原水中的NH3-N轉化為硝態氮，并在外溝缺氧條件下通過反硝化反應成為N2，有助于提高系統整體的脫氮效果。
4、改造后的工程運行情況
該工程已于2008年6月底開始投入運行，從運行結果來看，出水水質能滿足設計要求。出水BOD5一般在5mg/L以下，CODCr在45mg/L以下，SS低于10mg/L，NH3-N平均在1mg/L以下，TP平均在0.45mg/L以下，TN平均在15mg/L以下，均滿足設計要求。
三、深圳市羅芳污水處理廠二期工程[2]
1、工程概況
羅芳污水處理廠設計總規模35萬m3/d，分兩期設計、建設。其中一期工程規模10萬m3/d，污水處理采用AB法工藝(B段為A2/O工藝)，于1998年建成并投入運行；二期工程規模25萬m3/d，于2001年建成并投入運行。一期工程污水處理用地4.13hm2，二期工程污水處理用地7hm2，污泥處理用地1.58hm2，廠內自用中水處理用地0.45hm2。
2、進出水水質指標
羅芳污水處理廠一、二期工程的尾水均排至深圳市蓮塘河，出水設計目標滿足國家《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級排放標準。
3、生物處理工藝
針對二期工程用地緊張的實際情況，結合水下攪拌器的使用，在國內首次采用了深池型T型氧化溝工藝，采用4座T型氧化溝，單座氧化溝設計規模為6.25萬m3/d，水深5.8m，克服了傳統氧化溝占地大的缺點，使該工藝在大型污水處理廠得到了應用。在氧化溝工藝前增設了厭氧池，增強了氧化溝生物除磷功能，同時流程中增設了污泥回流措施及回流污泥濃縮池，濃縮后污泥流入厭氧池，上清液直接流至氧化溝，這樣就避免了濃縮污泥中硝酸鹽對厭氧池釋磷的影響，增強了氧化溝的生物除磷功能。
4、運行效果分析
二期工程建成投產以來，運行正常，出水水質優于設計水質，完全達到《城鎮污水污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級B排放標準要求，部分指標還達到一級A排放標準。
四、廈門市筼筜污水處理廠[3]
1、工程概況
廈門市筼筜污水廠目前是亞洲最大的采用DN/CN曝氣生物濾池工藝的污水處理廠，將前置反硝化技術應用在BIOFOR工藝中，在國內屬于首次運用。筼筜污水廠一期工程于1996年建成投產，規模為10萬m3/d，污水經一級處理后通過排海管深海排放。二期工程二級處理部分規模為30萬m3/d，工程總投資為3.78億元，廠內主要工藝設備和自控檢測系統由法國得利滿公司提供。工程于2005年動工，2006年6月建成運行，目前工藝運行狀況良好，工藝設備、儀表及自控系統穩定，出水的各項指標均達到或優于設計排放標準。
2、進出水水質指標的確定
廈門島西南片區的污水濃度較低，此外還具有地下水滲入量較大和合流污水的特征。多年平均進水BOD5為100mg/L，COD為200mg/L，SS為150mg/L，TN為30mg/L，TP為2.5mg/L。考慮到廈門島將逐步把污水合流制系統改造成分流制，同時將地下水滲入量大的污水管進行整修，其平均污水水質濃度會有所提高，因此設計中將現狀水質指標進行了調整。污水廠出水排入西海域，因西海域的水質將直接影響到鼓浪嶼的環境質量，故被劃為“二類海域”，污水廠出水必須滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級B排放標準。
3、生物處理工藝
本工程污水處理工藝在國外的常規BIOFOR工藝的基礎上進行了改進優化，即用DN+CN池組合代替了CN+DN池的組合。進水先入DN池，保證了反硝化所需碳源，使得TN去除率明顯提高，且生物除磷的效果也有所改善。與CN+DN池的后置反硝化工藝比較，前置反硝化克服了碳源不足而需投加大量甲醇的缺點，且前置反硝化增設回流系統，使濾池的濾速增加，從而減少了CN池的數量，也節省了投資。另外前置反硝化生物濾池出水水質不受CN池的控制，所以能有效去除污水中的各種有機物，出水水質穩定。而后置反硝化則需要投加甲醇，且出水水質受DN池的影響。
4、運行效果分析
該廠工藝處理效果良好，除TN外，其他各項指標均達到了設計標準。這是因為污水廠進水大部分為舊市區合流制污水，BOD5值很低，因此池中碳源不足，從而影響了反硝化的進行，為此暫時需要投加甲醇補充碳源，補充碳源后出水TN≤18.5mg/L，能夠達到了設計標準。
五、深圳市橫嶺污水處理廠二期工程[4]
1、工程概況
橫嶺污水處理廠二期工程是龍崗河流域水質改善工程的重要組成部分，設計規模為40萬m3/d，與一期工程合計總規模為60萬m3/d。
2、進出水水質指標的確定
由于橫嶺污水廠配套截污干管系統近期是對沿龍崗河各支流進行總口截流，遠期逐步完善為市政截污干管，因此將由合流制逐漸過渡到分流制，也就是污水廠進水濃度有一個由低變高的過程。根據《龍崗河流域水環境綜合整治工程規劃》，2010年的污水處理廠建設目標是使出水滿足景觀用水的要求，因此確定污水處理廠近期執行一級A排放標準。
3、生物處理工藝的確定
根據本工程規模大、可用地小、進水水質濃度變化大的特點，確定采用以DN/CN的BAF曝氣生物濾池為主體的污水處理工藝。該工藝耐水質波動能力強，適應低、中、高濃度污水，且耐水力沖擊負荷能力好，生物膜附著能力強，不易隨流速增大而流失。而且，工藝占地面積小，不需新征地，可以大大縮短建設周期。強化預處理采用曝氣沉砂池、氣浮池、斜管沉淀池合建，將生化反應與物理重力分離作用相結合，對有機物及懸浮物的去除作用明顯。
六、結語
天津市幾個大型污水處理廠的運行經驗表明，工藝選擇和設計是否合理，直接影響著污水廠長期運行的穩定性和成本。所以，在污水處理廠升級改造的準備過程中，創業環保集團股份有限公司非常慎重地篩選了數家國內外知名公司和設計單位的多個已經較為成熟的工藝，并先后對這些工藝進行了生產性試驗，嚴格模擬升級改造后的水質水量。全部試驗對比工作歷時一年多，每種工藝的試驗至少進行半年。所有備選工藝都要經歷冬季水溫最低的時期，以考察工藝脫氮除磷的穩定性，確保污水廠升級改造后能夠穩定達標運行。
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