严格总氮出水标准下的污水厂提标改造——以娄江污水厂为例

叶心彤

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

1 污水厂概况

娄江污水处理厂地处苏州市区东北角，位于苏州洋泾板工业区内(图1)。以扬富路为界分为2个厂区：北侧厂区主要为一期工程、二期工程；南侧厂区主要为升级改造工程。

图1 娄江污水处理厂方位图Fig.1 General Layout of Loujiang WWTP

娄江污水处理厂先后经历一期、二期、升级改造、污泥区改造等工程，形成现设计规模为14万m3/d的污水处理厂。出水除TN外，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)表1一级A标准，TN指标执行《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)中表1的限值标准。娄江污水处理厂尾水排入凤凰泾汇合口下游500 m处的娄江北岸。

苏州市娄江污水处理厂提质增效工程的建设，可有效缓解娄江及阳澄湖水系水体质量，杜绝因水体自然修复能力不足造成的内河水体营养盐超标问题，完善除臭及污泥处理，改善区域大气环境。从总体上推进苏州城市中心区及苏州工业园区的污水处理行业迈上新台阶，本项目建设是十分必要的。

1.1 现状处理水量

苏州市娄江污水处理厂经过前期建设，设计规模为14万m3/d。目前，污水处理量已达到设计规模，多年日平均进水量约为12～14万m3/d，有15%的频率，污水量将超过设计规模。现状进出水水质如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Statistical Analysis of Influent and Effluent Water Quality

图2 现状工艺流程图Fig.2 Existing Process Diagram of Loujiang Wastewater Treatment Plant

1.2 现状工艺流程

一期工程设计规模为6万m3/d，主要采用UNITANK工艺，出水执行《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准(PO4-P除外)，于2003年建成投运。二期扩建于2009年建成投产后，将一期规模核减至设计能力为5.5万m3/d，二期工程主要采用改良UNITANK工艺，规模为8.5万m3/d，全厂设计规模达到14万m3/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准。2011年建成的升级改造工程，设计规模仍维持14万m3/d不变，通过新建高效沉淀池、V型滤池等深度处理单元，出水除TN外，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)表1一级A标准，TN指标执行《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)中表1的限值标准。现状工艺流程如图2所示。

1.3 本工程重点、难点

出水标准提高后，各污染物指标出水要求均提高，各污染物去除效果分析如下。

TN：TN的去除是本工程的重、难点。TN的去除依赖进水有机物浓度、可生化性和C/N比值，同时，还存在与TP的协调去除，是污水处理厂设计、运行中的难点。此外，若进水中存在较多的不可氨化的溶解性有机氨，对TN的去除会带来一定的难度。现状生反池已超负荷运行，不能保证充分的停留时间。若要稳定达标，需扩容生物处理系统。

CODCr：CODCr出水优于一级A标准，若要稳定达到30 mg/L以下，可以考虑加大曝气以及好氧池停留时间。必要时，可以考虑在高效沉淀池混凝段投加粉末活性炭作为应急措施。

BOD5：现状BOD5已稳定在10 mg/L以下，满足提标要求。

SS：现状SS已稳定在10 mg/L以下，满足苏州特别排放标准。

NH3-N：NH3-N出水优于一级A标准，但离本次标准仍有差距。NH3-N的去除主要靠硝化过程来完成，NH3-N的硝化过程将成为控制生化处理好氧单元设计的主要因素。要满足设计出水要求，必须按强化硝化来考虑。由于NH3-N的硝化过程远比碳的氧化过程缓慢，硝化将成为生化处理好氧单元设计的控制因素。在保证曝气供氧的条件下，NH3-N的去除可以满足要求。同时，由于现状生反池曝气系统年久失修，曝气量不均匀，目前，厂内正在实施更换二期反应池的曝气系统。

TP：一般市政污水处理厂采用生物除磷工艺去除TP，可以将出水TP控制在0.5～1 mg/L，已达到生物除磷能力的极限。要满足出水TP低于0.3 mg/L的要求，必须在充分利用生物除磷的前提下，增加化学除磷，设计考虑在二级处理末端及深度处理阶段强化化学除磷。

综上，CODCr、TN、NH3-N、TP是本工程的重点。

2 污水处理工艺设计

2.1 污水厂设计水量和水质

苏州娄江污水处理厂设计规模：平均流量Q=14万m3/d；总变化系数K总=1.30；高峰流量Qmax=7 583 m3/h。本次新建二级处理规模：平均流量Q=7万m3/d；总变化系数K总=1.50；高峰流量Qmax=4 375 m3/h。设计进出水水质如表2 所示。

表2 设计进出水水质Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality

2.2 处理工艺选择

根据现状统计的进水水质、运行状况及出水目标，本次工程重点考虑脱氮，包含NH3-N氧化和反硝化除氮。针对脱氮的目标，可考虑现状二级处理单元减量运行，同时，对现状生反池内设备进行更新改造和调整，调整回流比，改善曝气系统，优化工艺运行；新增1组7万m3/d的预处理+二级处理单元，结合现状已建的深度处理单元，来达到本次执行的排放标准。

经综合比选，本工程二级处理工艺拟采用Bardenpho工艺，强化脱氮。

在第一级AO工艺中，回流混合液中的硝酸盐氮在反硝化菌的作用下，利用原污水中的含碳有机物作为碳源，在第一缺氧池中进行反硝化反应，反硝化后的出水进入第一好氧池后，含碳有机物被氧化，含氮有机物实现氨化和NH3-N的硝化作用，同时，在第一缺氧池反硝化产生的N2在第一好氧池经曝气吹脱释放出去。在第二级AO工艺中，由第一好氧池而来的混合液进入第二缺氧池后，反硝化菌利用混合液中的内源代谢物质进一步进行反硝化，反硝化产生的N2在第二好氧池经曝气吹脱释放出去，改善污泥的沉淀性能，同时，内源代谢产生的NH3-N也可以在第二好氧池得到硝化。Bardenpho具有2次反硝化过程，利用第二段进行内源反硝化来进一步强化脱氮。根据国外文献及实际业绩，Bardenpho工艺可使TN达到10 mg/L以下或更低。四段Berdenpho工艺脱氮率高，但除磷效果差，为了提高除磷率，对Bardenpho工艺进行改良，即在原工艺的基础上，于第一个缺氧池前增加了1个厌氧段。增设的厌氧池，保证了磷的释放，在好氧条件下有更强的吸收磷的能力，提高了除磷效率。最终，好氧段(Ⅱ)为混合液提供短暂的曝气时间，也可降低二沉池出现厌氧状态和释放磷的可能性。

2.3 总体设计方案

现状娄江污水处理厂分一、二期工程及升级改造工程。污水自厂外管网进入粗、细格栅及曝气沉砂池后，进入一、二期一体化反应池，深度处理经高效沉淀池、气水反冲洗滤池及紫外线消毒池处理后泵提升排入娄江。

本次设计考虑对二期改良型交替式反应池进行减量化运行，运行规模由原8.5万m3/d调整为7万m3/d。一期UNITANK反应池日后仅作雨季或污水高峰流量时的应急处理反应池。

本工程拟利用升级改造厂区预留用地新建处理构筑物，由于升级改造厂区与一、二期厂区相距甚远，且由于地铁7号线的实施，可能对已建进水总管造成影响。经过经济技术比选后，拟新建7万m3/d预处理及二级处理综合处理构筑物，包括：粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、生物反应池、二沉池、回流污泥及剩余污泥泵房、化学污泥泵房、加药间、鼓风机房及变配电间等。二级处理出水与二期生反池混合后进入现状深度处理单元。

原紫外线消毒池及出水泵房拆除，新建消毒池及出水泵房于升级改造工程用地内，与现状深度处理出水合理衔接。

原加氯间位于一、二期厂区内，由于扬富路拓宽工程的施工，现状加氯间拟拆除，新建加氯设施于新增的预处理及二级处理综合构筑物中的加药间内。同时，加药间内还有本次新增生反池的碳源投加设施。

同步提升加盖除臭设施，现有加盖封闭单元和异味气体(如浓缩池)收集后进入化学洗涤单元及生物滤池单元后，再纳入现状土壤滤池末端处理排放。未考虑加盖除臭的设施，如二期改良型交替式反应池和新建的预处理及二级处理设施，加盖封闭后气体至臭气处理单元处理后排放。本次除臭工艺采用化学洗涤+生物滤池/土壤滤池无组织排放。

污泥部分考虑预留新建板框脱水车间，厂区全部污泥通过调理及脱水，最终含水率60%～65%的污泥产物外运填埋处理。现状一期污泥脱水车间调整为污泥处理备用，升级改造工程储泥池及污泥脱水机房拆除。其总体改造如图3所示，工艺流程如图4所示。

图3 总体改造示意图Fig.3 General Figure of Reconstruction Project

图4 工艺流程图Fig.4 Process Flow Chart of Second Phase Upgrading and Expansion

2.4 主要水处理构筑物设计

(1)提质增效粗格栅及进水泵房

本工程新增粗格栅及进水泵房1座，规模为7万m3/d。粗格栅井包括格栅除污机、栅渣输送、压榨机及检修闸门。格栅截除进水中的较大杂物，防止污水泵损坏。格栅井共设有2套机械格栅，中间设隔墙，每台格栅宽为1.8 m，栅条净间距为15 mm，倾角为75°。在格栅后设置1台无轴螺旋输送机和压榨机，脱水后的栅渣含水率应小于60%。进水泵房设置6台潜水离心泵，4用2备，3台变频；单台规格：Q=1 094 m3/h，H=12.5 m，N=55 kW。

(2)提质增效细格栅及曝气沉砂池

提质增效工程新建细格栅及曝气沉砂池1座2组，规模总计7万m3/d。细格栅井包括细格栅和栅渣输送机。细格栅拦截进水中的较细杂物，保护后续设备。细格栅设计2套内进流格栅除污机，栅隙为3 mm，安装角为90°，功率为2.2 kW。设计过栅流速为0.6 m/s，栅前水深为1.6 m。同时，设置超越渠道，超越渠道内设置回转式格栅1座，栅隙为6 mm，回转式格栅配套有螺旋输送压榨机1套。

沉砂池采用曝气沉砂池，1座2组。总沉砂量为1.2 m3/d；砂含水率为60%，容重为500 kg/m3。曝气沉砂池流态为旋流推进式，垂直隔板下设栅条，起到稳流和截污的效果。每座曝气沉砂池内设置链板式刮砂机，将沉积于池底的沉积砂提升分离后外运处置。

(3)提质增效生反池

本工程的重点是脱氮，因此，生物反应是设计的重中之重，拟采用多段Bardenpho工艺，强化脱氮。

新建生反池1座2组，总规模为7万m3/d，单组为3.5万m3/d。生反池部分有效水深为7.5 m。整个反应池分为6个区，分别为预缺氧区、厌氧区、缺氧Ⅰ区、好氧Ⅰ区、好氧/缺氧Ⅱ区、好氧Ⅱ区。来自曝气沉砂池的污水与二沉池的回流污泥一并先进入预缺氧段或厌氧段。本工程采用多点进水方式，除直接进入预缺氧段或厌氧区外，一部分污水也直接进入缺氧区和好氧区，补充反硝化所需碳源，污水的分配比例根据出水的水质情况进行调整。好氧段末端回流过来的含有高浓度硝酸盐的污泥也进入缺氧区，厌氧段和缺氧段内均设潜水搅拌器使池内污水搅动，避免污泥沉积。经反硝化的污水进入好氧段，好氧段底部均布置微孔曝气器，采用精确曝气，为微生物生长提供氧气，保证供气精确可控，同时确保池内混合液呈悬浮状态。后续污水经过缺氧和好氧交替进行硝化和反硝化。每池设置出水堰板以控制生物反应池液位。

(4)提质增效二沉池

二沉池部分采用平流式二沉池，2座12组，单格宽为7 m。每座二沉池设置调节堰门，可以对每组的流量进行调节。每组设置1台链板式刮泥机，设备跨度为7.0 m，池长为54.5 m。通过刮板将沉积于池底的污泥刮向泥斗，由套筒阀将泥斗中的污泥排入排泥槽，返程时刮板向上，将液面浮渣刮向端部。

二沉池出水进入深度处理单元高效沉淀池。来自二沉池的回流污泥，将通过潜水轴流泵提升后，进入生物反应池。每座二沉池设置外回流污泥泵6台(4用2备)，回流率为100%～150%，单泵流为1 094 m3/h，扬程为3.5 m。剩余污泥泵3台(2用1备)，单泵流量为100 m3/h，扬程为20 m。剩余污泥通过转子泵提升至一、二期配泥井和污泥浓缩池。

3 工程效益分析

本工程尚未施工，预计本工程实施后，各项污染指标削减量如表3所示。

表3 各污染指标削减量Tab.3 Reduction in Pollution Indicators

本次工程总投资为3.8亿元，其中，工程费用为3.4万元。新增二级处理污水单位处理成本为0.61元/m3。根据测算，税后项目资本金财务内部收益率为5.88%。项目税前投资回收期为12.62年，小于行业基准投资回收期(18年)，税后投资回收期为

13.52年。以生产能力利用率表示该项目的盈亏平衡点，BEP=56.78%，国民经济效益良好。

4 总结

随着环保要求的逐步提高，太湖流域附近污水厂的TN出水标准日益严格；但各厂提标改造应因地制宜。本次提质增效方案，充分结合了现状实际情况，针对水质标准的提高进行了有针对性的措施，同时，节约用地、取长补短、发挥现状设施特点，具有较强的针对性和适应性，保障产能和指标双重达标。本次提质增效方案研究思路可为类似项目提供参考。