低温城市污水厂改型百乐克工艺脱氮除磷改造应用

刘晓静，吴 迪，金 涛，杨 航

(中建水务环保有限公司，北京 100037)

百乐克(BIOLAK)工艺于20世纪70年代起源于德国，自1999年开始引入我国[1]。目前，全球已有约500家BIOLAK污水处理厂投入运行，中国投入运行的有近百座[2]。近年来，随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的普遍执行，越来越多的污水厂执行一级A标准，而大多数BIOLAK工艺由于反硝化功能受限，都面临着提标改造的需求[3]。

国内针对BIOLAK的改造方法不一而同：或通过在现有构筑物的基础上采用不锈钢板改变部分区域容积[4]；或采用保留BIOLAK生化池，将原BIOLAK沉淀池改造为好氧池，并新建缺氧池[3]；或通过拆除1组BIOLAK生物池新建多级AO生物池[5]；或全部拆除原BIOLAK土池新建钢筋混凝土池体等[6]。由于BIOLAK工艺有很多特有的问题，提标改造时应对原有设计图纸及现场实际情况深入调研，根据具体情况针对性解决，尽量选择性价比较高、运行维护方便的改造措施。

河北某污水处理厂主体处理工艺采用改型BIOLAK工艺，由于冬季时水温过低(6 ℃左右)，造成出水TN、TP指标难以稳定达到一级A排放标准，急需对污水厂进行技术改造。本研究针对污水厂冬季运行过程中的TN、TP波动问题和现场实际情况，提出了缺氧池增加MBBR填料及后续增加高效沉淀池的改造思路，确定了合理的参数，并通过近两年的实际运行数据进行了验证。

1 工程概况

1.1 原厂概况

本工程设计处理规模为3.5万m3/d，原设计处理流程为“改型百乐克工艺 (BIOLAK)+浅层砂滤池”，其中，BIOLAK结构形式为“土坝+防渗膜+素混凝土层”，处理流程如图1所示。

图1 处理流程图Fig.1 Flow Chart Process

1.2 原厂运行水质分析

根据近两年的监测记录，进水、出水主要污染物指标数据结果如表1所示。

表1 设计水质与实际水质对比Tab.1 Comparison of Design Quality and Actual Quality

如图2所示，进水CODCr在85%保证率时，浓度为290 mg/L左右；出水CODCr在85%保证率时，浓度为35.7 mg/L左右，COD平均去除率为84.0%，说明系统对COD的去除效果较稳定。

图2 实际CODCr浓度及去除率Fig.2 Actual CODCr Concentration and Removal Rate

如图3所示，进水TN在85%保证率时，浓度为46.1 mg/L左右；出水TN在85%保证率时，浓度为16.9 mg/L左右，TN平均去除率为63.1%。说明系统对TN的去除效果波动较大，系统稳定性较差，有待优化改进。

图3 实际TN浓度及去除率Fig.3 Actual TN Concentration and Removal Rate

如图4所示，进水TP在85%保证率时，浓度为4.54 mg/L左右；出水TP在85%保证率时，浓度为0.52 mg/L左右，TP平均去除率为88.1%。说明系统对TP的去除效果波动较大，系统稳定性较差，有待优化改进。

图4 实际TP浓度及去除率Fig.4 Actual TP Concentration and Removal Rate

综上，实际进水污染物指标与设计值部分指标差别较大，TN、NH3-N、TP等进水指标比原设计水质高出不少，而COD、BOD等指标又明显低于原设计水质，造成污水厂进水C/N略有不足(BOD5/TN为2.9)，实际运行时需根据出水结果及时补充必要的碳源。污水厂大部分指标能稳定达到排放标准，但出水TN、TP波动较大，其中，TN波动较为明显。

1.3 现状问题分析

结合原有设计图纸及查阅BIOLAK工艺相关工程实践资料[4-6]，分析现状问题主要如下。

(1)水质问题：污水厂进水C/N略有不足(BOD5/TN为2.9)，且厂区缺少连续碳源投加装置，造成出水TN不能稳定达标。

(2)主体工艺为改型BIOLAK工艺，生物池各池设计停留时间(HRT)较短(各区HRT：厌氧为1.0 h，缺氧为2.9 h，好氧为10.2 h，二沉池为3.9 h)。常温时可满足污水厂出水标准要求，但冬季水温较低时(6 ℃左右)，生物反应速率下降，反硝化所需HRT需延长至6～8 h，现有BIOLAK池体的HRT不足，且“土坝+防渗膜”结构形式改造困难。

(3)二沉池与BIOLAK池联建，造成沉淀池长宽比、最大水平流速、弗劳德数远低于常规平流式沉淀池，稳定性也不及常规平流式沉淀池，且表面负荷较高[表面负荷为1.35 m3/(m2·h)]，冬季水温较低时，沉淀效果不佳，出水堰处易出现松散污泥上浮现象。

(4)二沉池后虽设置了絮凝反应池，但未有沉淀措施，絮体直接进入砂滤池，致使砂滤池堵塞严重，造成出水TP波动较大及过滤效果较差。

2 改造工程方案

2.1 改造思路

通过现场调研改型BIOLAK池体结构特点，针对冬季水温较低时(6 ℃左右)，污水厂出水TN、TP时有波动的情况，拟改造如下。

(1)针对出水TN波动较大的情况，经调研，发现污水厂近几年夏季水温较高时出水TN均可达标，且未观察到明显的亚硝酸盐氮积累。运行过程中，污水厂厌氧池内DO低于0.2 mg/L，缺氧池内DO低于0.5 mg/L，好氧池内DO在2.0～4.1 mg/L，均符合工艺设计要求。说明本项目改型BIOLAK池内菌群数量及结构组成均满足水厂运行需求，影响出水TN波动的原因可能为碳源不足和低温时缺氧池HRT不足。可采取的改造措施有：①将现有二沉池改造为缺氧区，新建周进周出式矩形沉淀池；②在现有缺氧池内投加MBBR填料，通过增加生物量浓度实现脱氮性能。

(2)针对目前出水TP时有波动、现有砂滤池堵塞严重的情况，可在砂滤池前新建高效沉淀池1座。

2.2 改造前试验

本项目出水TN波动的主要原因可能为碳源不足和低温时缺氧池HRT不足。

目前，水厂好氧段HRT为10.2 h，可满足好氧需要。通过现场多次调整或关闭曝气管路阀门，并同步监测曝气管路调整区域的NH3-N、硝酸盐氮和DO数据，发现该区域内硝酸盐氮含量与其他好氧区域无出现明显差异，且DO依然在3～4 mg/L，说明无法通过运行手段实现好氧区切换为缺氧区。由于池体结构形式特殊，无法通过增加隔墙将池容分割给缺氧段。

为了确定缺氧池HRT的合理范围及适合本项目的改造措施，特进行小试试验。试验采用SBR工艺模拟污水厂缺氧池实际运行的HRT，拟通过验证延长现有改型BIOLAK生物池 (BIOLAK)缺氧区的HRT及投放不同比例的生物填料，找出影响污水厂冬季运行时TN波动的关键因素，确定合理的工艺参数，为后续工艺改造提供参考。

SBR反应器调试正常运行后，按照1个运行周期内的5个阶段依次运行：进水1 h，曝气14 h，搅拌4～8 h，沉淀4 h，排水1 h，闲置4 h。在曝气阶段和沉淀阶段增加搅拌阶段，进一步模拟污水厂的缺氧池。通过调整缺氧池水力HRT、填料投加量等参数，检测各种指标，根据检测值对SBR反应器适时调整，进一步判断导致TN波动的关键因素和参数，进而为后续工艺改造提供参考。

SBR试验在污水厂冬季生物池水温为6～8 ℃时进行，试验水温、污泥浓度与污水厂实际水温、实际浓度保持一致，约3 500～4 000 mg/L。用SBR模拟不同的缺氧池HRT及不同的填料填充比，每组数据稳定运行3 d后分别测定进水、出水TN。

小试试验采用污水厂进水，进水TN平均为45 mg/L，进水NH3-N平均为30 mg/L，出水NH3-N为1.2 mg/L，硝态氮为15.6 mg/L，亚硝氮为0.01 mg/L。说明硝化反应进行彻底，经过曝气阶段，NH3-N转化为硝态氮，出水TN波动可能是碳源不足或HRT不足导致，为了排除碳源不足因素影响，在小试试验时投加碳源。

碳源投加量计算如下，采用乙酸钠投加。按去除1 g TN，需投加4.2 g CODCr计算，而1 g乙酸钠相当于0.78 g COD。因此，去除1 g TN，需投加4.2/0.78=5.38 g乙酸钠。SBR小试试验时，假设出水COD均不参与反硝化反应，污水厂出水TN波动值为18 mg/L，需去除TN为3 mg/L，所需碳源均需由外界投加，需投加碳源为3×5.38/1 000=16.1 mg/L。小试试验时按照20 mg/L投加量补充碳源。

2.2.1 不同HRT对TN的影响

碳源充足条件下，小试试验缺氧池HRT取3～8 h进行监测，分别取样测量TN，试验结果如图5所示。缺氧池HRT提高到6 h时，出水TN为14.62 mg/L，达到了出水标准。这说明碳源充足条件下，缺氧池HRT是关键因素，增加缺氧池HRT，反硝化反应才可以充分进行。

现有污水厂实际HRT为2.9 h左右，HRT严重不足，出水TN为15～22 mg/L，必须进行工艺改造才能稳定达标。

图5 不同HRT时TN及去除率Fig.5 TN Concentration and Removal Rate under Different HRT

2.2.2 现有HRT情况下不同的填料投加比对TN的影响

由于污水厂现有缺氧池HRT为2.9 h左右，考虑到污水厂实际情况，拟通过在缺氧区池内增加填料，提高生物量浓度，以此提高处理效率。为了验证投加填料是否有助于提高TN去除率及确定合理的投加量，在碳源充足的情况下，通过投加不同数量的填料，验证现有HRT不能增加的情况下，投加多少填料才能确保TN达标。

小试试验采用污水厂进水，填料投加比分别为15%、20%、25%、30%、35%时进行监测，分别取样测量TN，试验结果如图6所示。

图6 不同填料投加比时 TN及去除率Fig.6 TN Concentration and Removal Rate under Different Proportion of Filler Dosage

试验结果显示，小试试验在投加填料达到有效容积的25%时，出水TN为14.2 mg/L，达到了出水标准，TN去除率为68.2%。说明通过投加填料的方式可以改善污水厂出水TN波动的问题，能实现TN稳定达标。

根据小试试验结果，碳源充足情况下，针对TN不达标问题的解决办法有2种：(1)不投加填料，新增部分缺氧池，延长缺氧池HRT为6 h；(2)不新增池容，在缺氧池内投加填料，且填料投加比≥25%。

经过综合对比，结合污水厂实际情况，选择在缺氧池内投加填料改善TN波动的问题。

3 改造工程设计

3.1 生化处理系统改造

现有改型BIOLAK生物池2 座，一、二期缺氧区池容总计约为4 250 m3。根据小试试验结果，分别在一、二期缺氧区内投加25%的MBBR专用填料，共计投加量为1 060 m3，填料有效比表面积≥450 m2/m3。并在每座池内设置6台(4.0 kW)专用搅拌器，底座处采用“不锈钢板+混凝土基座”固定，防止破坏池底防渗膜及素混凝土层，以保持填料流化状态。为避免填料流失或进入好氧池，在内回流管路上设置拍门及止回阀等防倒流措施，并在缺氧区出水处设置不锈钢拦截筛网及吹扫装置。

改造后，生物池污泥浓度为3 500～4 000 mg/L (不包括填料上的生物膜)，污泥龄为20 d，污泥负荷为0.11 kg BOD5/(kg MLSS·d)，好氧段TN负荷为0.03 kg TN/(kg MLSS·d)，混合液回流比为200%～300%，外回流比为100%，曝气量为156.72 m3/min，气水比为6.44∶1，乙酸钠投加量为500～800 kg/d。

3.2 新建高效沉淀池

新建高效沉淀池1座，建于室内，包括高效沉淀池和加药间2部分。

高效沉淀池设计水量按3.5万m3/d计算，设计为1座2格，分为机械混合区、絮凝区、斜管沉淀区。混合区HRT为2 min，絮凝区HRT为15 min，斜管沉淀区表面负荷为12 m3/(m2·h)。

加药间内包括PAC、PAM 和乙酸钠等3套溶药及加药系统。

4 运行效果及分析

改造工程自2019年投产，经过近两年的稳定运行，缺氧池填料及高效沉淀池运行状态良好。对2019年11月—2020年3月连续5个月进水及出水水质进行监测和分析。

如图8所示，改造后出水CODCr浓度在15～41 mg/L，平均去除率为90.7%，去除率明显提升，且稳定性大幅增加，改造后低温运行时未出现较大的出水水质波动，说明改造措施选择适宜，系统抗冲击能力改善较大。

图8 改造后CODCr浓度及去除率Fig.8 COD Concentration and Removal Rate after Reconstruction

如图9所示，改造后出水TN浓度在8.9～14.9 mg/L，平均去除率为72.8%，实现了出水TN稳定达标。说明增加稳定的碳源投加系统很有必要，在缺氧池增加MBBR填料可以有效缓解低温时缺氧池池容不足的问题。

图9 改造后TN浓度及去除率Fig.9 TN Concentration and Removal Rate after Reconstruction

如图10所示，改造后出水TP浓度在0.1～0.49 mg/L，平均去除率为94.1%，药剂投加量较改造前尚有小幅下降，说明增加高效沉淀池可以有效解决出水TP波动问题，实现TP稳定达标。

图10 改造后TP浓度及去除率Fig.10 TP Concentration and Removal Rate after Reconstruction

5 改造经验总结及经济分析

(1)改型BIOLAK工艺各有差异，改造时应根据具体项目实际运行数据分析，针对性改造。本项目实际运行时，TN、TP波动较大，存在冬季水温较低时缺氧区池容不足的问题，但无法通过运行手段实现好氧区切换为缺氧区，且由于池体结构形式特殊，也无法通过增加隔墙将池容分割给缺氧段，厂区又无空地新建部分缺氧区，需因地制宜，选择合理的改造方式。

(2)缺氧区池容不足时，可通过在缺氧区内投加MBBR填料，利用填料挂膜能增加生物量浓度的特征，弥补池容不足的缺陷。经过小试试验验证，在缺氧区投加填料对TN波动有较好效果，经过两年多的实际运行，出水水质稳定。但应注意同步增加配套措施，如同时增加专用潜水推流器及拦截装置，保证填料流化状态良好且不易流失。

(3)针对本项目出水TP时有波动、加药量较大、经常造成砂滤池堵塞的问题，新增高效沉淀池，加药量稳定，实现了出水TP稳定达标，解决了砂滤池堵塞问题。

(4)本项目改造费用为：缺氧池增加MBBR填料改造部分费用约472万，新增高效沉淀池及加药间部分费用约916万，改造总投资共计约1 388万。

(5)改造前本项目碳源及除磷药剂投加不稳定，药剂费用较高，改造后碳源改为稳定连续投加，高效沉淀池加药量较改造前药剂用量也小幅下降，虽然增加了高效沉淀池动力费用，但直接运行成本仍有小幅下降，约下降了0.06元/(t水)。

6 结语

针对本项目原有改型BIOLAK生物池冬季水温较低时出水TN、TP时有波动的问题，分析了各个处理单元的现状；针对缺氧区池容不足、“土坝+ 防渗膜”结构形式改造困难、砂滤池堵塞严重、厂区缺少稳定的加药装置等问题，提出了“缺氧池增加MBBR填料+新建高效沉淀池”的改造方案；鉴于缺氧区投加MBBR填料时，反硝化面积负荷不易确定，同步进行了现场小试试验，用试验结果为后续设计参数确定提供了可靠参考，对类似项目设计参数选取具有借鉴意义。改造后的污水厂经过近两年的实际运行，出水水质可稳定达到国家要求排放标准的一级A 标准，说明改造工艺流程和工艺参数选取较为合理。