某污水处理厂扩建及提标改造工程设计与运行

白王军，祝建中

(1. 河海大学，江苏南京 210098；2. 河海大学环境学院，江苏南京 210098)

1 项目概况

1.1 工程背景

高邮市某污水处理厂一期工程规模为2.5万m3/d，主要工艺采用百乐克(BIOLAK)工艺，尾水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准，尾水就近排入北澄子河。随着提升区域环境质量、可持续发展和南水北调东线水质的要求，高邮市某污水处理厂出水需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，但目前一期工程缺少提标处理单元，因此，在常规生化处理工艺之后，必须增加深度处理工艺。

1.2 一期工艺及实际运行情况

高邮市某污水处理厂一期工程采用的主体工艺为百乐克(BIOLAK)与二沉池合建池。其优点是可以集成化，有一定节省用地优势，缺点是缺氧区和好氧区未严格分离且距离较近，仅靠曝气链的交替曝气/不曝气而形成缺氧区和好氧区，所以造成好氧区中的氧气易带入缺氧区，较难形成一个溶解氧浓度极低或缺氧的环境，极易造成出水水质TN超标的风险。

根据实测，目前高邮市海潮污水处理厂一期工程生活污水处理规模为1.61万m3/d，工业废水为0.56万m3/d，基本接近设计规模。但由于进水中有相当数量的工业废水，所需的碳源不足导致反硝化脱氮效果不佳，出水指标无法稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准。

1.3 一期工程实际运行存在问题

对一期工程的实际运行进行调研后，发现存在如下几个方面问题。

(1)随着高邮市东北工业园区和东南工业园区污水的接入，总污水量中的工业污水量在逐渐增加。原有的工艺没有考虑预处理，造成难溶解COD对生化处理的冲击，出水的COD和脱氮所需的碳源品质都受到很大影响，使整体出水指标难以得到保障。

(2)百乐克(BIOLAK)工艺的缺氧区和好氧区未严格分离且距离较近，仅靠曝气链的交替曝气/不曝气而形成缺氧区和好氧区。由于水的流动、缺氧区和好氧区距离较近及曝气链的摆动，好氧区中的氧气易带入缺氧区，较难形成一个溶解氧浓度极低或缺氧的环境。因此，百乐克(BIOLAK)工艺虽然有一定的脱氮效果，但要达到稳定的脱氮效果尚有一定难度。

(3)扩建及提标改造过程中主要面临的是由于污水处理厂已处在周边居民较多的地块，新增用地已无可能，如何充分挖掘原水池能力和用好预留用地，是成为扩建和提标改造必须考虑的重要方面[1-5]。

2 处理工艺及流程

2.1 设计水量水质

高邮市某污水处理厂根据扩建管网的收集范围，扩建工程新增污水量为3.5万m3/d，其中工业废水量为1.0万m3/d。其对进水COD的品质产生很大影响，需考虑增加预处理，减轻后续生化过程的污染物负荷。通过本次扩建工程，总设计水量将达到6.0万m3/d。

扩建工程是在一期工程的基础上扩建，为了合理确定进水水质，既需要考虑污水处理厂进水水质可能的变化，又不因取值过高而造成构筑物和设备的配置过大造成浪费。对污水处理厂一期工程在2017年6月—9月的进水水质进行分析，具体数据如表1所示。

表1 高邮市某污水处理厂进水水质分析表Tab.1 Analysis of Influent Quality of a WWTP in Gaoyou City

根据国内外大量实际运行工程经验，设计进水水质指标保证率多取为80%～90%。从保障污水处理厂的安全运行角度考虑，按90%保证率取值，即：CODCr≤330 mg/L；BOD5≤130 mg/L；SS≤200 mg/L；NH3-N≤25 mg/L；TP≤5.0 mg/L；TN≤35 mg/L。根据环评要求，尾水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。

表2 扩建及提标改造工程设计进出水水质Tab.2 Design Influent and Effluent Quality of Extention and Upgrading Project

注：括号内为低于12 ℃时，氨氮的排放标准

表2中设计值与原一期设计值基本一致，则原有对应的一期处理构筑物进水处理量仍然按水量2.5万m3/d进行运行，而生化扩建工程按3.5万m3/d规模进行设计，水解酸化池和深度处理的扩建工程按6.0万m3/d规模进行设计。

2.2 扩建工程处理工艺流程

针对一期工程实际运行存在的问题，以及提标改造工程的出水水质要求，主要有以下针对性的扩建改造。

(1)水解酸化池

由水质数据分析可知，设计的B/C在0.39左右，该数据表明进水的水质可生化性一般。增加水解酸化池可以将大分子物质降解为小分子物质，将难生化降解物质降解为易生化降解的物质，从而使B/C比例有所增加。不仅可以降解COD污染物，而且转换成的小分子BOD5可以作为生化过程中脱氮除磷的碳源，从而减少外加碳源量，降低运行费用。同时，采用的水解酸化工艺对污水中的COD、BOD5、SS进行预处理降解和去除，减少对生化过程的污染物冲击负荷。

(2)改良AAO生化池

改良AAO工艺由于将前置反硝化、厌氧、缺氧、好氧各工艺单元分隔清晰，有利于除磷菌、硝化菌、反硝化菌在各自有利的环境中生长，更好地发挥生物脱氮除磷的功能。特别是改良AAO的厌氧段，不仅可以有效地为除磷提供生物环境，而且因为前置反硝化和后置缺氧的协同作用，对高浓度的COD有一定的预处理作用，可以有效地缓解开发区工业废水的冲击，从而避免对后段生化的影响，以保证生化指标的有效降解。

(3)高效沉淀池+深床反硝化滤池

高效沉淀池不仅可以满足除磷要求，而且可以进一步降低污水中的悬浮物浓度，减少对深床反硝化滤池的堵塞，降低反冲洗的次数，提高处理效率。而深床反硝化滤池作为集生物脱氮及过滤功能合二为一的处理单元，在提标改造中应用很广，不仅是因为它脱氮效果好，而且占地小，非常适合城区污水处理厂的提标改造需要。

(4)粗格栅间及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、鼓风机房、污泥脱水房的设备进行优化改造，进一步提高进水污染物的去除效率。

最终通过扩建工程单元的选择和改造工程单元的设备优化，结合出水水质目标要求，确定扩建及提标改造工程处理工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Process

3 扩建及提标改造设计

3.1 主要扩建构筑物设计

3.1.1 水解酸化池

设计流量为6.0万m3/d，1座2组，中间设置管廊，钢砼结构，平面尺寸为45.0 m×41.0 m，有效水深为6.80 m。主要设计参数：停留时间为4.5 h，上升流速为1.5 m/h。

配置向下流脉冲布水器72套，每组36套，流量Q=35 m3/(h·个)。

3.1.2 配水井

设计流量为6.0万m3/d，1座，钢砼结构，平面尺寸为10.0 m×5.0 m，有效水深为6.0 m。主要设计参数：停留时间为7.2 min。

3.1.3 改良AAO生化池

设计流量为3.5万m3/d，1座2组，钢砼结构，平面尺寸为74.8 m×55.0 m，有效水深为5.50 m。主要设计参数：停留时间为15.5 h，其中前置反硝化段0.6 h、厌氧段1.5 h、缺氧段4.0 h、好氧段9.4 h；污泥浓度为3 500 mg/L，污泥龄为16 d，污泥负荷为0.065 kg(BOD5)/(kg MLSS·d)，内回流比为250%～300%，外回流比为50%～100%；气水比为7∶1。

前置反硝化段配置低速潜水推流器4台，N=1.5 kW；厌氧段配置低速潜水推流器4台，N=3.0 kW；缺氧段配置低速潜水推流器8台，N=4.0 kW；好氧池底部安装橡胶膜片式微孔曝气器直径为215 mm，数量为4 084只，通气量为2.5 m3/(h·个)；内回流泵6台，4用2备，Q=1 100 m3/h、H=1.5 m、N=7.5 kW。

3.1.4 二沉池

设计流量为3.5万m3/d，2座，钢砼结构，圆形，每座直径为35 m，有效水深为3.0 m。采用中心进水周边出水的幅流式沉淀池。主要设计参数：表面负荷为0.76 m3/(m2·h)，停留时间为4.0 h。

配置双周边驱动、全桥双臂式刮吸泥机2台，N=1.1 kW。

3.1.5 污泥回流泵房

设计流量为3.5万m3/d，1座，钢砼结构，圆形，直径为8 m。主要设计参数：外回流比为50%～100%。

配置外回流污泥泵3台，2用1备，Q=730 m3/h、H=6 m、N=18.5 kW；配置剩余污泥泵2台，1用1备，Q=50 m3/h、H=10 m、N=3 kW；配置高速潜水搅拌器1台，N=2.2 kW。

3.1.6 中间提升泵房

设计流量为6.0万m3/d，1座，钢砼结构，平面尺寸为12.0 m×6.0 m，有效水深为4.5 m。

配置二次提升泵3台，2用1备，Q=1 250 m3/h、H=8 m、N=37 kW。

3.1.7 高效沉淀池

设计流量为6.0万m3/d，1座2组，钢砼结构，平面尺寸为28.0 m×20.6 m，每组沉淀池直径为10 m，有效水深为6.5 m。主要设计参数：机械混合时间为3.0 min，絮凝反应时间为15.0 min，沉淀区表面负荷为16.0 m3/(m2·h)，PAC药剂量为15 mg/L，PAM药剂量为3 mg/L。

配置机械混合搅拌机2台，N=15.5 kW；配置絮凝搅拌机2台，N=3.0 kW；配置中心传动浓缩机2台，N=0.75 kW；配置污泥泵3台，2用1备，Q=100 m3/h、H=20 m、N=22 kW。

3.1.8 深床反硝化滤池

设计流量为6.0万m3/d，1座2组，每组4格，钢砼结构，平面尺寸为36.0 m×25.0 m，池体高为6.0 m。主要设计参数：平均滤速为6.0 m/h，单格过滤为70 m2，滤床深度为2.5 m。反冲洗过程：气洗2～3 min；气水联合冲洗10～15 min；水洗5～10 min；气洗反冲洗强度为46.8 m3/(m2·h)，水洗反冲洗强度为12 m3/(m2·h)；碳源为醋酸钠，投加量为5 mg/L。

配套反冲洗泵房及鼓风机房1座，建筑面积为300 m2，砖混结构，平面尺寸为30.0 m×8.0 m，房内配置水泵3台，2用1备，Q=840 m3/h，H=10 m，N=37 kW；设置罗茨鼓风机2台，1用1备，Q=54.6 Nm3/min，P=58.8 kPa，N=75 kW。

3.1.9 接触消毒池

原有紫外消毒池改为反冲洗废水池，新建接触消毒池，设计流量为6.0万m3/d，1座，钢砼结构，平面尺寸为20.0 m×18.5 m，有效水深为4.0 m。主要设计参数：次氯酸钠药剂用量为10 mg/L，接触消毒时间为35 min。

3.1.10 污泥浓缩池

设计流量为6.0万m3/d，2座，钢砼结构，圆形，每组直径为12 m，有效水深为4.5 m。主要设计参数：进水为含水率为99.2%，浓缩至97%以下；污泥固体负荷为45 kg/(m2·d)。

配置中心传动浓缩机2台，每台直径为12 m，N=0.75 kW。

3.1.11 加药间

设计流量为6.0万m3/d，1座，建筑面积为300 m2，砖混结构，平面尺寸为24.0 m×8.0 m。

配套PAC自动投加系统，加药量为15 mg/L，2套，1用1备；配套PAM自动投加系统，加药量为3 mg/L，2套，1用1备；配套次氯酸钠自动投加系统，加药量为10 mg/L，2套，1用1备；配套醋酸钠自动投加系统，加药量为5 mg/L，2套，1用1备。

3.2 主要一期工程改造设计

该项目原有总设计规模为6.0万m3/d，粗格栅间及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、鼓风机房、污泥脱水房的土建工程均按总规模一次建成，设备分期安装的原则，所以土建工程和水力负荷满足扩建要求。

3.2.1 粗格栅间及进水泵房

设计流量为6.0万m3/d，1座，钢砼结构，平面尺寸为15.9 m×18.5 m，地下部分深约为6.90 m，地上部分净高5.0 m。土建工程已建，本次工程增加粗格栅1台，栅隙为20 mm，N=1.5 kW；增加污水提升泵2台，1用1备，Q=1 460 m3/h、H=12 m、N=55 kW，与一期组成2台大泵3台小泵，共5台，3用2备。

3.2.2 细格栅及旋流沉砂池

设计流量为6.0万m3/d，1座，钢砼结构，平面尺寸为18.5 m×21.0 m；旋流沉砂池设两组，每组处理水量3.0万m3/d，沉砂池直径为4.0 m。土建工程已建，本次工程采用转鼓细格栅替换一期的阶梯式细格栅，共设置2台，栅隙为1 mm，格栅倾角为35°，N=1.5 kW；旋流沉砂池设备一期已安装。

3.2.3 鼓风机房

设计流量为6.0万m3/d，1座，砖混结构，平面尺寸为26.8 m×8.5 m；土建工程已建，本次工程增加鼓风机3台，2用1备，Q=85 Nm3/min、P=58.8 kPa、N=132 kW。

3.2.4 污泥脱水房

设计流量为6.0万m3/d，1座，砖混结构，平面尺寸为22.0 m×10.5 m；土建工程已建，本次工程增加带式浓缩脱水一体机1台，带宽为2 500 mm，配套污泥供料泵1台、PAM加药装置2套。

通过本次扩建及提标改造工程的建设，改造工程的粗格栅间及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、鼓风机房、污泥脱水房进水水量将达到6.0万m3/d，而水质因为更换处理效率高的设备而进一步提高预处理效果，比如转鼓细格栅，极大的优化提升进水水质，特别是SS的去除率进一步降低，利于后续处理单元处理效率的提高。

4 工艺设计特点

(1)对一期进水水质进行数据分析，有针对性地选择合理工艺

以往设计往往根据相似污水处理厂进水水质进行设计，选择水质数据偏小，会造成出水不稳定，甚至不达标；所用数据偏大，则造成建构筑物和设备的极大浪费。本工程在充分调研、实测进水水质基础上，合理确定进水水质，从而为设计提供了可靠的数据保障，有针对性选择合理工艺，使出水水质稳定达标。

(2)针对一期工程存在问题，采用合适处理工艺

一期工程百乐克(BIOLAK)工艺存在耐负荷冲击小和出水水质不稳定等缺点。扩建及提标改造工程则通过比选后采用更为稳定可靠且出水水质稳定的AAO处理工艺，同时为了使TP、SS和TN稳定达标，深度处理采用“高效沉淀池+深床反硝化滤池”处理工艺。

(3)预处理应用水解酸化工艺，为使配水均匀采用脉冲布水器

预处理应用水解酸化工艺将不溶性有机物水解为溶解性物质，将大分子、难于生物降解的物质转化为易于生物降解的物质，可以为改良AAO生化池的微生物提供优质碳源。为了保障布水均匀，防止死角，高效应用水解酸化池，采用了脉冲布水器。脉冲布水器可以将污水在极短时间内均匀布水到水解酸化池各点，瞬时使布水管的流量成倍增加，进而促使污泥与污水混合均匀，避免池内的死角和短流，提高了水解酸化的效率。

(4)升级改造设备，以适用新工艺

采用转鼓式细格栅，不仅对栅渣等物质截留效率高，而且可以对细小纤维进行有效拦截，最大作用就是防止对改良AAO生化池底部橡胶膜片式微孔曝气器的堵塞，有利于设备的运行维护。

(5)改良AAO生化池进水分配渠的应用

改良AAO生化池的是在传统AAO工艺的厌氧池之前设置前置反硝化段，所有的污泥回流到前置反硝化段，而水解酸化池的污水进入分配渠实现多点进水。分配渠中设置有插板闸，通过插板闸调节堰宽而对进入前置反硝化段和厌氧段的污水进行不同比例分配，提高同步脱氮除磷的效果。

(6)充分挖掘原水池能力和用好预留用地

充分应用粗格栅及进水泵房和细格栅及旋流沉砂池的预处理能力，即使在水量增加的情况下，也能保障污水对生化处理的冲击；同时，应用占地少、处理效果佳的水解酸化池、高效沉淀池、深床反硝化滤池，以优化预留用地。

(7)针对一二期脱氮差别较大混合水，优化深床反硝化滤池设计和运行

一期生化因工艺原因无严格区分缺氧而反硝化区存在脱氮效果偏差，但改造路线中维持现状运行，脱氮功能由深床反硝化滤池完成；二期生化扩建严格按照缺氧反硝化设计，脱氮效果好。因此深床反硝化滤池的进水为一、二期脱氮后差别较大的混合水，为此深床反硝化滤池在设计方面采用比较保守的滤速，以保障脱氮的出水要求，同时在运行控制方面采用较短的反冲洗周期，以保障出水TN的达标。

(8)优化深床反硝化滤池设计和控制运行，保障碳源不穿透和脱落的生物膜出水SS超标

深床反硝化滤池工艺，常规情况如果不接好氧段或深度过滤段，存在碳源穿透反硝化滤池致COD上升和反硝化滤池脱落的生物膜造成SS上升甚至超标的风险。为了保障出水水质的达标，该项目设计上采用适宜的过滤速度，既能节省占地，又能优化碳源和脱落的生物膜的停留时间；同时在运行上，通过经验确定碳源的投加量和脱落的生物膜超标周期，确定适宜的反冲洗周期，确保在脱落的生物膜超标前，进行气水反冲洗。

5 运行效果及主要技术经济指标

5.1 运行效果

试运行以来，目前实际进水水量达到4.0万m3/d。通过对预处理、生化池处理、深度处理段联动调试，系统处理效果稳定，出水数据优于排放标准，特别是TN和NH3-N能在保证总磷达标的情况下依然满足出水要求。2018年10月测得的进出水水质如表3所示。

表3 扩建及提标改造后实际进出水水质Tab.3 Actual Water Quality of Influent and Effluent after Extention and Upgrading

由表3可知，经过水解酸化、改良AAO生化、高效沉淀池和深床反硝化滤池后，出水不仅指标稳定达标，而且出水NH3-N稳定低于1 mg/L，TN稳定低于7 mg/L，排入河流后对水质具有提升效能。

预处理的水解酸化池对于生化保障非常重要，从运行效果来看，对CODCr的降解可以达到30%～35%，对BOD5的降解可以达到20%～25%。由于污泥层的存在，SS可以降解可以达到50%～60%，但NH3-N、TN和TP的效果欠佳，降解几乎可以忽略。

经过改良AAO生化、高效沉淀池和深床反硝化滤池工艺处理后，不仅CODCr、BOD5和SS去除率达到90%以上，而且难易去除的NH3-N、TN和TP也达到85%以上，大大保障了出水的水质安全。

5.2 主要技术经济指标

扩建及提标改造工程总投资为8 950万元，其中，建筑工程为4 525万元，安装工程为651万元，设备及工器具购置为2 788万元，其他费用为986万元；运行总成本为1.50元/m3，经营成本为1.20元/m3，直接运行成本为1.00元/m3，污水处理厂吨水投资为2 557元。

6 结语

高邮市某污水处理厂扩建及提标改造工程总投资为8 950万元，除扩建改良AAO生化池和二沉池规模为3.5万m3/d外，提标改造的预处理、深度处理，以及升级改造的设备规模均为6.0万m3/d。采用较为先进的工艺设计理念，对一期存在的问题进行了优化整合改进，并选取合理的设计参数，可供同类污水处理厂扩建及提标改造时作为参考。