AOAO工艺耦合MCCE技术在老旧污水处理站提标改造中的应用

2022-05-12杨虎林刘桂文马永强方剑兴

净水技术 2022年5期

杨虎林，刘桂文，马永强，方建，方剑兴，李磊

(1.浙江省环保集团有限公司，浙江杭州 310000；2.南京高新工大生物技术研究院有限公司，江苏南京 210044；3.浙江富春紫光环保股份有限公司，浙江杭州 310000；4.浙江省环保集团象山有限公司，浙江杭州 315700)

目前，我国的水资源现状存在总量紧缺、人均占有量低、地区分布不均、水体污染日益加重、城市缺水情况凸显等问题[1-2]。为了改善和提升水环境质量，提高城镇污水处理排放标准成为必然。截至2020年，全国城市污水处理能力总量为19 267 m3/d，污水处理率为95.05%，其中浙江省污水处理率达到97.43%。2018年，浙江省地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》 (DB 33/2169—2018)针对新建或者改扩建污水处理厂提出了更为严格的出水排放要求，包括化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、氨氮和总磷(TP)这4项指标。在新形势、新标准之下，污水处理厂(站)的提标改造工作也变得更为迫切。而污水厂(站)的提标改造工作是在原有工程现状的基础上，秉持经济节能效益原则，优化工艺、技术、设备以及运行参数等条件，增强污水处理厂(站)处理能力，以满足更高的出水排放标准[3-4]。

基于介质的细胞集群效应(medium-based cell cluster effect，MCCE)的高效生物处理技术，是在污水处理构筑物内投加载体，在充氧的环境中，填料表面聚集附着大量微生物从而形成生物膜，生物膜中的微生物吸收分解水中的有机物。当生物膜增长到一定厚度时，生物膜内部/外部会形成好氧/厌氧环境，为短程硝化-厌氧氨氧化工艺创造了适宜的环境。

本文以宁波市象山县级高塘污水处理站提标改造方案为例，介绍了该污水处理站提标改造的主体工艺，并对比分析了该项目的运行效果，为同类污水处理站相关工程建设提供参考。

1 工程介绍

1.1 项目概况

该污水处理站原设计规模为800 m3/d，采用AO(anoxic/aerobic)工艺，主要处理周边农村污水，另含有少量海鲜加工废水和垃圾渗滤液，其中海鲜加工废水比重较大。原有AO工艺设备老化，且进水水质与水量波动较大，现有的污水处理能力只能勉强达到浙江省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 33/973—2015)一级标准，无法满足规定的更高出水标准。而处理后的水直接排入附近河道，对周边的生态环境造成一定的影响，因此，从经济、效率角度出发，对原有污水处理站工艺进行提标改造，改造后应达到浙江省对省内污水厂出水水质要求，出水执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)限值标准。

1.2 设计进、出水水质

提标改造后，项目出水排放水质执行浙江省地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)。项目设计进、出水水质如表1所示。

表1 设计进、出水水质Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

1.3 提标改造工艺流程

根据设计进、出水水质和原有工艺情况，本次项目改造应用MCCE技术耦合AOAO(缺氧+好氧+兼氧+好氧)工艺，将原好氧池改造为好氧池1、兼氧池和好氧池2以提高系统去碳脱氮能力。即原生化系统改造为缺氧+好氧+兼氧+好氧，其中新增提升池至兼氧池的进水管路，同时将二沉池改造成高效沉淀池，在生化除磷基础上耦合化学除磷手段。提标改造后工艺流程如图1所示。

图1 改造前后污水处理工艺对比Fig.1 Comparison of Wastewater Treatment Process before and after Reconstruction

传统上，AAO(厌氧+缺氧+好氧)工艺用于同时去除废水中的氮和磷。AOAO工艺则是将工艺流程顺序调整为缺氧、好氧、兼氧和好氧反应池。在缺氧池中，磷从生物质中被释放，并消耗其中的碳源。氨氧化物在好氧池中被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，继而在缺氧池中被还原为氮气[5]。微生物在交替缺氧/好氧环境下生长，能够利于生物自身活性的增强，可实现短程硝化，强化系统脱氮除磷效果，大大提高工艺的处理效率[6]。

同时，在运用AOAO工艺基础上耦合MCCE技术，以生物膜替代活性污泥，可大幅提高生物量及生物活性，增强系统抗冲击力，获得更高的脱氮效率，保证工艺稳定运行。

总体上，MCCE技术主要有以下优势。

(1)特有的载体填料[7]。载体由南京高新工大生物技术研究院有限公司自主研发，圆柱形，直径为25 mm，高度为10 mm，密度为0.96 g/cm3，孔隙率为85%，填充量为40%。该填料可促使微生物快速形成生物膜，挂膜牢固。

(2)高效的去碳脱氮除磷菌剂，辅以特有的锚定剂[8]。锚定剂由南京高新工大生物技术研究院有限公司自主研发，可显著促进挂膜效率。基于细胞集群效应，通过复配各种诱导物形成锚定剂，促进胞外聚合物(EPS)形成，可在3 d左右形成生物膜，7 d左右稳定。

(3)剩余污泥量少。以在生物填料上形成的EPS生物膜替代活性絮状污泥，微生物不易流失，生物量为活性污泥法的5～10倍，无需污泥回流。因此，反应池的污泥量大幅度降低，剩余污泥量显著降低，可综合降低50% 以上，减少后续污泥处理的成本及设备投资。

(4)生物量及生物活性翻倍式增长，可大幅处理污水处理效率，为本次提标改造提供了可行性的技术基础。

2 提标改造工程设计方案

2.1 进水系统

进水系统原有一台进水泵，额定流速为35 m3/h，实际流速为50 m3/h左右，因存在实际进水量(1 200 m3/d)大于设计水量的情况，对进水系统进行改造，在泵站增加一台35 m3/h的新泵，并根据浮球控制新泵和老泵的开关。当液位在低位时，关闭两台进水泵；当液位达到中高位时，开启新泵，维持进水流速恒定；当液位达到高位(危险位)时，即日处理量大于设计处理量时，将会同时开启两台泵，维持水站中的水量不会超过调节池警戒水位，导致溢出，并将进水口一分为二，约1/2进入现有的缺氧池，剩余部分进入兼氧池。

2.2 生化系统

生化系统的改造主要是：①在现有的缺氧池到好氧池溢流口上添加一块格栅网，防止载体流失；②在现有的好氧池中添加两块不锈钢板(4.8 m×5 m×0.01 m)，将好氧池分为3个反应池，分别为好氧池1、兼氧池和好氧池2(图2～图3)，其中每块钢板都有6根工字钢固定在水池中，每块钢板都留有一个格栅孔；③在兼氧池中放置一台潜水搅拌器，利于载体的翻动；④将二沉池改造成高效沉淀池；⑤在好氧池2到高效沉淀池的溢流口上也添加一块格栅，防止载体流失。

图2 改造前池型设计Fig.2 Design of Pool Type before Reconstruction

工程改造完成后在反应池中投加载体、菌剂和锚定剂，同时减缓外回流比例，当载体成功挂膜后，停止外回流，这样能保证在不影响出水水质的情况下完成挂膜驯化工作。

图3 改造后池型设计Fig.3 Design of Pool Type after Reconstruction

2.3 工艺参数对比

如表2所示，污水处理站改造后由原始800 m3/d的处理水量提升至1 200 m3/d，总水力停留时间由初始11.4 h缩短至7.6 h，有效提高了污水处理站的处理效率，降低了时间成本。

表2 改造前后相关工艺参数对比Tab.2 Comparison of Related Process Parameters before and after Reconstruction

3 提标改造工程运行成本分析

3.1 系统污泥总产量

本污水处理站提标改造后运用MCCE技术，无需污泥回流，好氧池2出口SS检测值即为生化污泥产生量，综合高效沉淀池化学除磷产生的污泥增加量和污泥脱水的增加污泥量，即为总污泥产量。

由表3计算可知，改造后生化系统每处理万吨水平均产生0.330 t(绝干)污泥，即1 200 t/d污水量产生化学污泥39.6 kg/d。

根据实际污水处理站进水检测数据，系统平均进水TP含量为3.24 mg/L，项目改造完成后出水水质TP排放标准为0.30 mg/L，依据项目稳定运行月余的生化池出水实测TP数据，生化池平均去除率以65%计，则需化学除磷量为1.03 mg/L。

化学除磷工艺选用药剂聚合氯化铝(PAC)，根据式(1)，理论去除1 g的P需0.87 g的Al，则去除质量浓度为1.03 mg/L的TP需Al量为1.03×0.87≈0.9 mg/L。理论1 mg的Al可产生4.52 mg磷酸盐，根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2021)中第 6.7.5条规定，本提标改造项目采用最大安全系数3，则产生化学污泥量为0.9×4.52×3=12.2 mg/L，即每处理万吨水平均产生0.12 t(绝干)污泥，1 200 t/d污水量产生化学污泥18.6 kg/d。

(1)

由于污泥脱水需添加药剂，该阶段增加的污泥量为处理量的10%左右。即污泥脱水增加污泥量为(0.33+0.12)×10%=0.045 t。

表3 好氧池2出水口剩余污泥量测算值Tab.3 Measured Value of Excess Sludge at the Outlet of Aerobic Tank 2

综上，总污泥产量为0.33+0.12+0.045=0.495 t DS/万m3。

3.2 运行成本分析

本次提标改造项目仅新增设备进水提升泵1台、潜水搅拌机1台和刮泥机1台，该污水处理站内主要设备的用电情况如表4所示，合计计算每日总用电量为584.4 kW·h。根据计算，该污水站经营成本为37.07万元/a，污水处理量为43.8万m3/a，合计吨水经营成本为0.819元/m3(表5)。

4 运行结果分析

4.1 提标改造前出水

如表6所示，该污水处理站出水中CODCr、氨氮、TN、TP各指标基本都未达到浙江省清洁排放标准，均需进一步优化废水处理系统。

4.2 提标改造后

4.2.1 提标改造后运行状况

提标改造项目中，载体以40%填充率进行投加，正常运行后，曝气均匀，载体均匀翻滚，局部无死角，具体生化池载体状态如图4所示。

表4 主要设备用电情况Tab.4 Power Consumption of Main Equipments

污水处理站进水的水量水质变化会影响污水处理站的稳定运行以及出水稳定达标排放。因而本次提标改造处理效果将从以下4个方面分别进行讨论分析。

4.2.2 设计进水量、水质

设计进水是指进水指标符合表1设计进水指标，进水水量为1 200 m3/d左右，因有效控制了前段进水水质，出水连续检测时段为2021年8月5日—9月1日，主要分析水质指标有CODCr、氨氮、TN和TP，各项指标均能连续稳定达到《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)排放标准，如图5～图8所示。

如图5和图7所示，污水处理站存在进水CODCr≤80 mg/L的情况，水质C/N失衡现象严重，此时需要额外添加碳源。

表5 运行成本汇总Tab.5 Summary of Operation Costs

表6 提标改造前污水处理站实际进、出水水质Tab.6 Actual Water Quality of Influent and Effluent before Upgrading and Reconstruction

图4 (a)好氧池1、(b)兼氧池和(c)好氧池2载体翻动情况Fig.4 Carrier Turnover of (a) Aerobic Tank 1, (b) Facultative Tank and (c) Aerobic Tank 2

图5 CODCr去除效果Fig.5 Effect of CODCr Removal

图7 TN去除效果Fig.7 Effect of TN Removal

图6 氨氮去除效果Fig.6 Effect of Ammonia Nitrogen Removal

图8 TP去除效果Fig.8 Effect of TP Removal

4.2.3 设计进水量、CODCr超标

在项目运行期间，管网沿线偶尔存在海产品副业加工厂偷排生产污水情况，偶发性会发生进水水质波动较大的情况，首先分析在进水水量正常、进水CODCr较高情况下本项目的运行情况。

如表7所示，在进水水量≤1 200 m3/d、CODCr≥400 mg/L时，对污水站废水处理系统冲击影响不大，随机选取的5 d出水中各指标均能达到排放标准。当进水CODCr最大质量浓度为495 mg/L时，出水CODCr质量浓度为35.1 mg/L，去除率为92.9%；氨氮质量浓度由原水中的77.91 mg/L降至0.22 mg/L，去除率为99.7%；TN质量浓度由80 mg/L降至10.78 mg/L，去除率为86.5%；TP质量浓度由原水中的3.22 mg/L降至0.08 mg/L，去除率为97.5%。

表7 CODCr超标时进、出水水质Tab.7 Water Quality of Influent and Effluent while CODCr Exceeding

4.2.4 水量、氨氮指标超标

表8为进水水量≥1 200 m3/d、氨氮≥40 mg/L情况下，污水处理站出水达标排放率约为83%。项目进水CODCr(358.3 mg/L)和氨氮(104.52 mg/L)指标含量都较高的状况下，对污水处理系统瞬时冲击太大，频繁高浓度进水冲击不利于硝化细菌等自养细菌的驯化，从而导致出水水质氮含量超标，而CODCr、TP可稳定达标。

表8 水量、氨氮超标时进、出水水质Tab.8 Water Quality of Influent and Effluent while Water Quantity and Ammonia Nitrogen Exceeding

4.2.5 水量、水质超标

污水站处于海域范围内，随着春季禁渔期的到来，渔业加工产业进入休整状态，会造成大量的冲洗废水进入污水管网，高浓度进水及高进水量会使得污水站运行负荷远远超过设计负荷，直接导致生化段、沉淀段水力停留时间大大缩短，造成污水处理效率的下降。由表9可知，当进水水量≥1 200 m3/d、CODCr≥400 mg/L、TN≥40 mg/L时，对生化处理系统造成较大冲击，DO迅速下降，硝化速率无法充分满足对进水TN的降解要求。