浙江标准下的城镇污水处理厂提标改造工艺研究*

周爱军 王晓敏 梅荣武，

(1.浙江省生态环境科学设计研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江环科环境研究院有限公司，浙江 杭州310007)

浙江省水环境治理历经了“清三河”“剿灭劣Ⅴ类水”“美丽河湖”“五水共治”“污水零直排”等综合治理行动，现阶段已进入全面水生态修复的攻坚时期。截至2019年底，浙江省已累计建成城镇污水处理厂321座，处理规模1 480万t/d[1]。城镇污水处理厂排放的污水量约占浙江省总污水量的60%，是水污染物减排和水环境治理改善的重点[2]111。2018—2019年，浙江省先后发布了《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/ 2169—2018)、《关于推进城镇污水处理厂清洁排放标准技术改造的指导意见》以及《浙江省城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》等标准和文件，提出了城镇污水处理厂提标改造的总体目标和要求。DB 33/ 2169—2018对城镇污水处理厂尾水中化学需氧量、氨氮、总磷、总氮4项主要指标提出了排放限值要求，其中现有城镇污水处理厂要求达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的准Ⅳ类标准。由于浙江省集中式综合污水处理厂进水中工业废水所占比例较高，一般为30%～40%[2]111,[3]，进水水质比较复杂，难降解污染物含量较高，迫切需要加强能满足DB 33/ 2169—2018要求的城镇污水处理厂提标改造工艺研究，开发经济高效和稳定运行的新工艺，加快推进浙江省生态环境治理能力现代化。

1 提标改造需解决的问题

目前浙江省城镇污水处理厂的二级处理工艺以接触氧化法、序列间歇式活性污泥法和氧化沟为主，分别占二级处理工艺的34.09%、26.14%和21.59%[2]111。根据调研可知，在传统生化系统中要同时高效地完成脱氮和除磷两个过程，存在系统难降解有机污染物含量高、碳源竞争、氮磷去除程度不高及冬季总氮稳定达标难等共性问题和技术难点，这些问题在提标改造中需重点解决。

1.1 难降解有机污染物去除率低

据统计，浙江省工业废水排放量中，纺织行业废水约占37.5%，造纸行业废水约占28.4%，化工行业废水约占13.0%。工业废水成分复杂，含有大量难降解有机污染物和有毒有害物质，对生化系统冲击较大，以处理生活污水为主的城镇污水处理厂生化系统对此类污染物的去除率较低。

1.2 进水碳源不足

碳源作为微生物生长必须的营养元素，是生物脱氮除磷工艺的必要条件，主要消耗于除磷、反硝化和异氧菌代谢过程[4]。浙江省城镇污水处理厂进水呈现出生化需氧量偏低、氮磷含量总体偏高的现象，总体碳氮比偏低、进水碳源不足，投加碳源的城镇污水处理厂比例达66.3%。

1.3 氮磷去除程度不高

常规二级生化处理主要是去除含碳有机污染物，降低出水中化学需氧量和生化需氧量，而不能有效去除氨氮和总氮，一般城镇污水处理厂二级出水总氮为15～25 mg/L，达不到DB 33/ 2169—2018的要求。采用生物除磷方法，总磷可控制在0.5 mg/L以下，但要达到0.3 mg/L仍有难度，需进一步采用化学除磷的方法。

1.4 冬季低温给出水总氮稳定达标带来难度

冬季低温环境下，好氧池、厌氧池、缺氧池的微生物活性降低，生长速度慢，导致出水水质不稳定。水温低于15 ℃，硝化速率降低；低于5 ℃，微生物休眠，硝化作用停止。因此，冬季城镇污水处理厂总氮稳定达标难度大。

2 提标改造工艺研究

2.1 改造思路

城镇污水处理厂因接纳工业废水性质和比例不同，所需选择的提标工艺也不尽相同；另外，城镇污水处理厂现行工艺有一定差异，导致提标改造工艺的选择上也有一些局限性。本研究针对进水以生活污水为主、出水已达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的城镇污水处理厂，分析其提标改造技术路线，针对DB 33/ 2169—2018提出的4项污染物指标和目前存在的问题，提标改造基本思路见表1。

表1 提标改造思路分析Table 1 Analysis of ideas for technology upgrading

2.2 提标改造工艺路线选择与分析

提标改造遵循“先功能定位，后单元改造；先优化运行，后工程措施；先内部碳源，后外加碳源；先生物除磷，后化学除磷”的技术原则[5]22，在改进优化城镇污水处理厂现有工艺、加强运行管理、挖掘潜能的同时，通过增设污水处理设施，进一步提升污水处理效果。根据各厂不同情况，因地制宜采取不同措施，采用生物、化学等处理技术，确保出水稳定达标。

2.2.1 重视源头污染物的控制

由于城镇污水处理厂进水普遍存在碳源不足的问题，在提标改造过程中应严格控制豆制品加工废水、垃圾渗滤液等高含氮废水的接入，适当放宽含优质有机碳源、碳氮比高的有机废水进入城镇污水处理厂的浓度[5]20。

2.2.2 优化原有处理系统

浙江省现有城镇污水处理厂提标改造基本存在可用地面积有限、投资运行成本明显增加等问题。为了提高技术经济可行性，在提标改造过程中应尽可能缩短工艺流程，减少新增构筑物。当现有污水处理系统设备、构筑物、运行控制参数存在一定的可调控空间时, 提标改造工程应优先考虑优化原有处理系统, 提高系统除磷脱氮能力[5]21,[6]。

2.2.3 生化后端增设反硝化/硝化滤池单元

为提高氨氮和总氮的去除效率，在优化原有二级生化系统、增强原生化段硝化效率的前提下，可考虑在生化后端增设反硝化/硝化滤池，将硝态氮进一步反硝化处理，以去除水中剩余的总氮、氨氮。通常此时需投加必要的碳源[5]21，以确保出水稳定达到DB 33/ 2169—2018的要求。

2.2.4 生化段后增设混凝沉淀/过滤单元

二级生化处理后，出水总磷以磷酸盐、聚磷酸盐、有机磷为主，后两者在水解或生物降解作用下会转化成正磷酸盐。提标改造需要将总磷排放标准从0.5 mg/L提高到0.3 mg/L，除了要优化原有生化段提高除磷效率外，还需要在二级生化段后增设混凝沉淀/过滤段，去除废水中总磷、悬浮类难降解有机污染物等污染物。目前常用于提标改造的混凝沉淀/过滤工艺有高密度澄清池、磁混凝沉淀池、连续砂滤池、滤布滤池、精密过滤器等，处理效果和经济成本比较见表2。磁混凝沉淀池通过投加磁粉以强化絮凝和净化效果，并加速絮体的沉淀，具有除磷效果好、运行效果稳定、占地面积小的明显优势，是提标改造首选的混凝沉淀工艺。

表2 混凝沉淀/过滤工艺比较Table 2 Comparison of coagulating sedimentation/filtration process

2.2.5 增设难降解有机污染物去除单元

二级生化处理出水中，溶解态有机污染物占78.0%～86.0%，悬浮态有机污染物占10.0%～17.0%，胶体态有机污染物占4.8%左右。溶解态有机污染物主要包括基质中间产物、最终产物、聚合作用产生的复杂化合物，其中环状难降解化合物占58.0%。出水生化需氧量/化学需氧量(质量比)为0.10～0.16，可生化性差。提标改造需要将化学需氧量排放标准从50 mg/L提高到40 mg/L，除了优化现有生化段提高除碳效率外，必要时增加高级氧化、物理化学吸附工艺，以去除难以生化降解的有机污染物，达到排放标准要求。

(1) 臭氧氧化+生物滤池工艺

对于含难降解长链有机污染物含量较高的废水，提标改造可增设臭氧氧化+生物滤池的处理工艺，先通过臭氧氧化将长链打开，提高废水可生化性，进而采用生物滤池进一步去除小分子有机污染物。臭氧氧化+生物滤池工艺处理效果见表3。

表3 臭氧氧化+生物滤池工艺处理效果Table 3 Ozone oxidation+biological filter process treatment effect

(2) 磁粉+粉末活性炭投加工艺

磁粉+粉末活性炭投加工艺与磁混凝沉淀工艺相比，在混凝池前增加了一个粉末活性炭接触吸附池。与臭氧+活性炭滤池工艺相比，投加的粉末活性炭可节省50%～70%，化学需氧量、色度等去除率为50%～90%，操作运维较为简单。

2.2.6 加强工艺运行管理

针对冬季低温环境下总氮稳定达标难度大的问题，应加强污水处理工艺运行管理，运用大数据分析系统适时调整运行工况。当低温来临前特别是当污水水温低于15 ℃时, 采用冬季运行模式。可以通过提高混合液回流比,增加活性污泥和微生物的总量；通过提高溶解氧浓度,维持较高的硝化速率；或者采用较长的泥龄，降低硝酸盐负荷，延长水力停留时间，投加必要的碳源，在好氧区投加悬浮填料，以提升生物硝化和反硝化效果[5]22，[7]。

3 案例分析

3.1 污水处理厂概况

浙江省某城市污水处理厂现状设计规模为8万t/d，处理污水主要为生活污水与工业废水，工业废水约占 30%，纳管工业企业废水主要为电镀企业、印染服装企业和机械加工企业废水等，出水中化学需氧量、氨氮、总磷、总氮最高日均质量浓度分别为31.60、3.48、0.41、13.04 mg/L，主要超标因子为总磷，一年中有19次日均值超标。本次提标改造主要目标为削减氨氮、总磷和总氮，以及设计处理规模扩容为10万t/d。设计进出水水质见表4。

表4 设计进出水水质1) Table 4 Designed water quality of influent and effluent mg/L

3.2 提标改造工艺设计

提标改造工艺流程见图1。提标改造主要针对氨氮、总磷、总氮等指标，因此，提标改造首先考虑优化现有生化段，以提高生化段脱氮除磷效率，再在生化段后端增设高效沉淀池以去除总磷和悬浮型污染物，增设反硝化深床滤池以去除废水中的总氮，增设次氯酸钠消毒池以确保出水粪大肠菌群数达到标准。

注：虚线框中内容为本次提标改造新增。 图1 提标改造工艺流程Fig.1 Processing chart of technology upgrading

(1) 优化扩容二级生化系统

现状设计处理规模为8万t/d，总停留时间为23.00 h，改造后设计处理规模为10万t/d，总有效停留时间为19.45 h，其中厌氧区2.05 h，缺氧区6.22 h，好氧区11.18 h。污泥质量浓度为3～6 g/L，生化区污泥负荷为 0.052 kg/(kg·d)，污泥龄为21.66 d。硝化液回流比为300%，污泥回流比为20%～200%。

(2) 改造机械搅拌沉淀池

现状设计处理规模为8万t/d，分离区上升流速为 1.29 mm/s。本次改造降低处理规模，提高停留时间，处理规模降低为5万t/d(剩余5万t/d废水通过新建高效沉淀池进行处理)，分离区上升流速为1.00 mm/s，同步增加聚合氯化铝、聚丙烯酰胺加药系统。

(3) 新建高效沉淀池

设计处理规模为5万t/d，与机械搅拌沉淀池并联运行，变化系数为1.3，高效沉淀池设置混凝池、絮凝池和沉淀区。混凝池停留时间为 1.12 min，絮凝池停留时间为 18.14 min，沉淀区直径为 13.0 m，斜管区表面负荷为10.21 m/(m2·h)。

(4) 新建反硝化深床滤池

设计处理规模为10万t/d，变化系数为1.3，平均滤速为5.4 m/h，高峰滤速为7.0 m/h。

(5) 新建次氯酸钠消毒接触池

设计处理规模为10万t/d，平均停留时间为 31.00 min，确保出水粪大肠菌群数≤1 000 个/L。

3.3 改造效果分析

该污水处理厂提标改造前后各月份出水中污染物最大日均值见图2。由图2可见，提标改造前出水中各污染物浓度波动较大，改造后能稳定达到DB 33/ 2169—2018的要求。改造前后出水中氨氮最大日均值分别为3.48、1.22 mg/L，改造后降幅为64.94%；改造前后出水中总磷最大日均值分别为0.41、0.25 mg/L，改造后降幅为39.02%；改造前后出水中总氮最大日均值分别为13.04、10.87 mg/L，改造后降幅为16.64%。

图2 提标改造前后出水中污染物质量浓度Fig.2 Concentration of pollutants in the effluent before and after technology upgrading

4 结 论

(1) 为达到DB 33/ 2169—2018排放要求，城镇污水处理厂需进行提标改造，提标改造中需解决现状城镇污水处理厂难降解有机污染物去除率低、进水碳源不足、冬季总氮稳定达标难等问题。

(2) 提标改造应根据DB 33/ 2169—2018提出的4项主要污染物指标进行有针对性、高效地改造。通常改造思路为：优化现有二级生化系统以提高脱氮除磷效率，增设硝化/反硝化滤池以进一步脱氮，增设混凝沉淀/过滤单元以进一步除磷。如果剩余化学需氧量中以难降解有机污染物为主，增设深度氧化处理单元以降低出水中化学需氧量。

(3) 案例分析中的提标改造工艺可为城镇污水处理厂提标改造项目提供参考，但改造时需具体分析各污水处理厂实际运行情况，因地制宜地采取措施。