污水处理厂提标改造工程深度处理方案

曾木海，谢小龙，杨 涛

(1.昆明市规划设计研究院，云南昆明 650041；2. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023)

截至2018年，全国范围内已建成运营的污水处理厂有4 000余座。目前，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准是我国污水处理行业执行最广泛的排放标准。截至2019年底，执行该标准的污水处理厂数量占全国污水处理厂总数的53.2%[1]。但是，随着环保要求的日益严格，各地针对污水排放要求制定了相应的地方标准，如北京市地方标准《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)、四川省《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)和安徽省《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)均规定执行TN≤10 mg/L的排放限值，新一轮的提标改造工作正在悄然发生。在更高标准下，污水处理厂提标改造的难点和瓶颈问题是COD、TN、NH3-N和TP的去除，需依靠深度处理技术。工艺方面，虽然目前出水水质优于一级A标准的工程案例及相关介绍已经很多，但由于各工程实施条件不同，相同工艺的设计边界条件也不相同，不便与其对比分析。武汉某污水处理厂现状出水水质执行一级A标准，本次提标改造工程将使出水水质达到准地表Ⅲ类水水质标准，结合其深度处理方案的设计，对几种深度处理构筑物进行平行设计和技术经济比选，可为此类工程的实施提供参考。

1 工程概况

污水处理厂进水以市政生活污水为主，现状生物处理单元采用改良氧化沟工艺，具有独立的厌氧区、缺氧区和好氧区，可实现同步脱氮除磷；现状二级强化处理单元采用“高效沉淀池+精密过滤器”，工艺流程如图1所示。提标改造工程设计规模为8×104m3/d，出水水质执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类水水质标准(TN≤10 mg/L)。设计及实际进、出水水质如表1所示，其中，进水水质设计值取原设计值和90%保证率下进水实测值之间的较大值[2]。由表1可知，该厂现状进水水质尚未达到原设计值，现状出水水质可稳定达到原设计一级A标准。此外，该厂进水BOD5/CODCr约为0.4，BOD5/TN约为4.5，BOD5/TP约为54，适合采用生物法除碳和脱氮除磷。

图1 现状处理工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Current Treatment Process

表1 设计和实测进、出水水质Tab.1 Designed and Actual Water Quality of Influent and Effluent

2 深度处理技术路线

2.1 重难点分析

现状改良氧化沟总水力停留时间为12 h，其中，厌氧区为1.5 h、缺氧区为2.5 h、好氧区为8.0 h；生物池污泥浓度为3.5 g/L，污泥龄为15 d；气水比为5∶1，备用鼓风机富裕曝气能力144 m3/min。根据提标改造工程对BOD5和NH3-N的要求，按照德国ATV城市污水设计规范和我国室外排水设计规范核算，生物池好氧池水力停留时间宜为8 h、污泥龄宜为9 d。现状改良氧化沟的好氧区水力停留时间和污泥龄均满足要求，能够实现BOD5充分碳化和NH3-N充分硝化[3-4]。

TN的去除与生物池的硝化液回流直接相关，回流量越大去除率越高，但是较大的回流量会改变缺氧池的缺氧环境，不利于反硝化过程的进行。常规AAO类型的生物反应池，其硝化液回流比宜为200%～300%[4]。因此，现状改良氧化沟的生物脱氮功能存在极限，无法确保出水TN稳定达到设计水质(TN≤10 mg/L)要求，提标改造工程中污水深度处理的难点是TN。

污水处理厂尾水中的残余有机物以分子量较大和较小的有机物为主，可生化性较差、继续生物降解难度大[5-6]。事实上，易生物降解的有机物在前端生物处理过程中，基本均已得到有效去除，残余有机物多为腐植酸、富里酸以及微生物代谢产物等难降解的有机物。而本工程对出水COD要求较高(CODCr≤20 mg/L)，单纯依靠现状处理设施难以确保出水COD稳定达标，提标改造工程中污水深度处理的重点是COD。

2.2 案例分析和工艺筛选

根据前述分析，深度处理方案的总体思路为：在保证设计出水水质目标的前提下，充分挖掘现状处理设施的潜力，根据去除对象针对性地选择处理工艺，避免资源浪费。其中，NH3-N、BOD的去除拟通过强化现状改良氧化沟的硝化和碳化过程；TN、COD的去除拟通过新增深度处理单元；TP的去除拟以强化现状处理设施除磷效果为主、新增深度处理工艺为辅，从而保证出厂水达到准地表Ⅲ类水(TN≤10 mg/L)要求。

污水处理技术路线不仅关系着污水厂的出水质量，还关系着工程的投资和运营，意义重大、影响深远，国内部分高标准污水处理工程案例研究结果如表2所示。通过对国内部分高标准污水处理工程实施案例总结和分析，得出以下结论：深度脱氮单元可采用反硝化深床滤池工艺和MBR工艺，深度降解COD单元可采用臭氧接触氧化工艺和活性炭吸附工艺[11]。

表2 部分高标准污水处理工程案例Tab.2 Some Municipal WWTPs with High Effluent Quality Requirements

反硝化深床滤池兼具生物脱氮和表面过滤功能，可同步去除TN、SS、TP。现有运行经验表明：反硝化深床滤池可以满足出水水质TN<5 mg/L、SS<10 mg/L、TP<0.3 mg/L(化学辅助除磷)[12]。

MBR工艺由生物池和膜池组成，通过使用膜分离技术代替传统二沉池，使水力停留时间和污泥龄分离，生物处理系统容积负荷大大提高。此外，MBR膜也能通过自身的过滤作用和膜表面沉积层(滤饼层)的过滤/吸附作用，去除部分污染物。在MBR工艺中，膜的无选择分离作用为世代时间较长的菌种(如反硝化菌等)在系统中的生存和富集创造了条件，增强了系统的硝化、反硝化能力，提高了含氮污染物的去除率。

臭氧接触氧化工艺主要通过彻底的化学氧化，把水中的难降解有机物氧化成CO2和H2O，实现水质净化，有直接反应和间接反应2种途径。直接反应利用O3分子(ORP=2.07 eV)氧化有机物；间接反应利用O3在催化作用下产生的·OH(ORP=2.8 eV)氧化有机物。理论上，在O3供应充足的情况下，能去除水中大部分有机污染物，且一般不会引发二次污染。

污水中的有机污染物含有大量的羟基、羧基、氨基官能团，污染物在流经活性炭表面时，在范德华力、库仑力和表面张力等作用下发生迁移并被吸附。因此，当活性炭与难降解有机污染物充分接触时，污染物从液相转移至固相、污水得到净化，同时去除部分SS和TP[13]。吸附饱和的活性炭再生后可重复利用，以减少新炭的补充量。

3 深度处理工程方案设计

3.1 方案设计

根据深度处理要求和污水厂自身特点，并结合国内案例调研结果，拟选“反硝化深床滤池工艺+臭氧接触氧化工艺”、“反硝化深床滤池工艺+活性炭吸附工艺”、“MBR工艺+臭氧接触氧化工艺”、“MBR工艺+活性炭吸附工艺”4种方案，工艺流程如图2所示。鉴于O3在降解水中有机物的同时，可对出水进行消毒，方案一和方案四中仅在巴氏计量槽前进行管式加氯，以补充必要的余氯、形成持久的灭菌能力。另外，为了充分利用进水中残存的BOD、减少外加碳源的补充量，并延长活性炭的再生周期、降低活性炭的再生频率，方案二将反硝化深床滤池置于活性炭吸附池之前。

图2 深度处理工艺流程图 (a)方案一；(b)方案二；(c)方案三；(d)方案四Fig.2 Flow Charts of Advanced Treatment Process (a)scheme 1; (b) scheme 2;(c) scheme 3; (d) scheme 4

(1)反硝化深床滤池工艺

反硝化深床滤池设计流量为3 333.3 m3/h，共1座，分6格并联运行，并配有废水池、清水池和设备间，总平面尺寸为45.2 m×26.5 m，池深6.8 m。滤料采用2～3 mm的均质石英砂，滤床厚2.44 m。过滤周期为24 h，设计滤速为6 m/h，强制滤速为8 m/h。冲洗方式为气水联合反冲洗，单独气洗2 min+气水联合冲洗8 min+单独水洗5 min，水洗强度为5 L/(m2·s)，气洗强度为25 L/(m2·s)，重复2次。反硝化过程产生的氮气大量集聚，会使污水在滤料之间绕窜，妨碍其与滤膜充分接触，为保障脱氮效果，每4 h驱氮一次，每次持续2 min。

(2)MBR工艺

MBR工艺通过新建后置缺氧/好氧池，与现状改良氧化沟形成多级AO生物池+MBR膜池运行模式，设计流量为3 333.3 m3/h，膜池至新建好氧池的回流比为500%，新建好氧池至缺氧池的回流比为400%。缺氧/好氧生物池共1座，分2组并联运行，单组平面尺寸为36.6 m×32.6 m，池深8 m，缺氧池HRT为2.5 h，好氧池HRT为2.0 h。生物池内污泥浓度为6 g/L，好氧池气水比为2∶1。MBR膜池共1座，分12个廊道并联运行，总平面尺寸为73.0 m×46.3 m(含设备间)，池深5 m。膜池内共安装108个成品膜组器，单个组器过滤面积为2 100 m2，平均膜通量为14.70 L/(m2·h)，污泥浓度为8 g/L。好氧池曝气风机与膜池吹扫风机集中布置，风机房平面尺寸为20 m×10 m。

(3)臭氧接触氧化工艺

鉴于本工程COD去除负荷不高，臭氧接触氧化工艺采用直接反应，同时，预留出远期升级为臭氧催化氧化工艺的建设条件。臭氧接触氧化工艺由臭氧接触氧化池、臭氧制备系统及残余臭氧破坏系统组成，O3在接触池内氧化水中有机物。接触池设计流量为4 333.3 m3/h，共1座，分2组并联运行，单组平面尺寸为42.0 m×12.0 m，有效水深为5 m。O3投加量为125 kg/h，接触时间为60 min。臭氧制备系统设计流量为3 333.3 m3/h，以液氧为原料现场制备O3，采用5台臭氧发生器，单台制备能力为25 kg O3/h(浓度为10%)。

(4)活性炭吸附工艺

活性炭吸附池设计流量为3 333.3 m3/h，分12组并联运行，每组安装8个吸附器，每个吸附器控制面积为3.0 m×3.0 m；单座吸附池平面尺寸为16.5 m×42.0 m，池深7.8 m。每个吸附器装填32 m3煤质破碎颗粒活性炭，平均粒径为3～4 mm，有效吸附时间为30 min。活性炭饱和周期约为150 d，热再生系统处理能力为12 t/d。此外，为去除不断积累的SS、防止碳粒板结、保证吸附效果，活性炭需定期反洗，反洗周期和强度视进水SS而定。

3.2 方案比选

如表3所示，活性炭吸附工艺比臭氧接触氧化工艺投资多，反硝化深床滤池工艺比MBR工艺投资少；活性炭吸附工艺比臭氧接触氧化工艺经营成本低，反硝化深床滤池工艺比MBR工艺经营成本低。由于现状二沉池和新建MBR膜池均进行固液分离，方案三和方案四功能冗杂，不合理。方案二虽然能够通过对饱和炭实施再生回用以节约成本，但用于大规模废水深度处理时，需同时配套布水、反洗、再生等工程，初期投资高。且研究表明，活性炭吸附工艺对分子量为500～3 000的有机物去除效果好，对大分子和小分子的有机物去除效果较差[14]。而臭氧接触氧化工艺可根据进水污染物负荷灵活调整O3投加量，对水质水量冲击负荷的抵抗能力强于活性炭吸附工艺。此外，臭氧接触氧化工艺具有良好的灭菌消毒效果，当前端处理构筑物出水CODCr达标时，臭氧接触氧化系统不开启，臭氧接触池充当次氯酸钠接触消毒池使用；当前端处理构筑物出水CODCr不达标时，臭氧接触氧化系统开启，降解COD并消毒。综合考虑工程投资、经营成本及运维管理，推荐方案一为提标改造工程深度处理方案。

表3 深度处理方案比选Tab.3 Comparison of Advanced Treatment Schemes

4 结语

为了响应新的排放要求，并配合当地水环境综合整治工作，武汉某污水处理厂拟实施提标改造工程，将尾水水质由现状一级A标准提升至接近地表Ⅲ类水标准(TN≤10 mg/L)。通过对该厂进水水质分析和现状处理设施功能复核，确定了“强化现状设施处理功能+新建深度处理工艺”的总体思路。根据“反硝化深床滤池工艺+臭氧接触氧化工艺”、“反硝化深床滤池工艺+活性炭吸附工艺”、“MBR工艺+臭氧接触氧化工艺”和“MBR工艺+活性炭吸附工艺”4种方案的技术经济分析，提标改造工程深度处理方案推荐采用“反硝化深床滤池工艺+臭氧接触氧化工艺”。另外，为节约污水深度处理成本，其尾水除用于厂区绿化、道路浇洒、溶药配药等，还将作为河道生态补水水源。