污水处理提标工程实例与技术性能分析

沈晓贤，胡帼范，贡瑞金

（1.苏州市吴中区水务局，江苏 苏州 215000；2.苏州中晟环境修复有限公司，江苏 苏州 215000）

2018年9 月，苏州市市委市政府下发《关于高质量推荐城乡生活污水治理三年行动计划的实施意见的通知》，要求“设施全覆盖、污水全收集、尾水全提标、监管全方位”，加快污水处理厂提标改造，苏州市城镇生活污水处理厂执行《苏州特别排放限值标准》（尾水排放达到准Ⅳ类，详见表1），并自2021年1月1日起按此标准进行考核。

表1 苏州特别排放限值标准 单位：mg/L

为构建“低碳、节能、环保”新格局，减少污水处理厂污染物的排放，保障区域河湖水质，改善太湖地区生态环境，保证社会和经济可持续发展。金庭镇污水处理厂按尾水排放达到准IV 类要求建设提标工程，主要设计思路为“一厂一湿地”，内容包括污水处理厂反硝化强化提升和人工湿地建设，将原有污水处理厂改造升级与后续湿地处理合二为一，即通过提升厂内污水预处理，增设人工湿地，从而达到《苏州特别排放限值标准》进一步消减污水处理厂出水污染物，减少金庭镇污水处理厂污染物的排放。

1 污水处理厂概况

苏州市金庭镇污水处理厂位于金庭镇东南部，林屋路南侧。服务范围为金庭镇区及周边有条件接管的农村地区（包括6个行政村，27个自然村）。

1.1 处理能力

污水处理厂一期工程处理能力为1.0万m3/d，处理工艺为“曝气沉砂池+倒置A2/O 工艺+二沉池+混凝沉淀+滤布滤池”，污泥处理采用“重力浓缩池+离心脱水”处理工艺，消毒处理采用二氧化氯接触消毒工艺，出水达到GB 18918—2002一级A标准。

1.2 设计进水水质

污水处理厂设计污水进水水质CODCr为380 mg/L，BOD5为180 mg/L，详见表2。

表2 污水处理厂设计进水水质 单位：mg/L

1.3 设计出水水质

污水处理厂一期工程尾水水质达到国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》，其主要出水水质如表3。

表3 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）单位：mg/L

1.4 污水处理厂改造前工艺流程

污水处理厂一期工程各处理环节采用的主要方案有：预处理采用细格栅＋曝气沉砂池；二级生物处理倒置A2/O工艺；二沉池采用中进周出辐流式沉淀池；深度处理采用混凝沉淀+滤布滤池；消毒工艺采用二氧化氯消毒；污泥处理工艺采用重力浓缩池＋离心脱水机+污泥外运；除臭工艺采用生物除臭。

2 污水处理提标改造工程

2.1 工艺流程

金庭镇污水处理厂出水从GB 18918—2002 一级A标准提升到《苏州特别排放限值标准》，即尾水排放达到准Ⅳ类。本次提标改造工程采用“提升池1+反硝化滤池+调节布水+垂直流湿地+提升池2+表面流湿地”组合工艺［1］。具体工艺流程如图1所示。

图1 苏州市金庭镇污水处理厂提标工程工艺流程

2.2 技术特点

提标工程的主要技术主要包括建立新的生物反硝化过滤、人工湿地和附加消毒过程。

2.2.1 生物深度反硝化滤池

利用附着在填料上的生物膜反硝化作用，有效去除二级污水中的硝酸盐氮。生物滤池的深度脱硝过程具有生物量高、细菌种群结构合理、低温效应、抗冲击性强、污泥停留时间长等优点。新型生物脱氮滤池工艺通过改进滤料、反洗模式及布水方式等关键技术，使传统反硝化滤池脱氮性能得到增强。采用碳源精确投加控制系统，既保证生物脱氮滤池的脱氮效果，又避免碳源的浪费。其结构简单，在一个处理单元中集合了多种功能，对悬浮物SS、TN 和TP 的去除效果明显，对TN 的去除效率特别高，出水质量浓度可以降低到低于5 mg/L［2］。

2.2.2 人工湿地

系统模仿自然湿地的结构和功能，通过物理、化学和生物三位一体，清除水体中的污染物。湿地系统的污染物去除手段具体包括物理（沉淀、过滤、紫外线照射）、化学（沉淀、吸附、挥发）和生物（微生物降解、微生物营养转化、植物通过根茎吸收等），人工湿地采用“垂直潜流人工湿地+表面流人工湿地”方案，为硝化细菌和反硝化细菌的生长提供了一个好氧和厌氧环境，各项指标的去除率进一步提高，出水水质明显趋于稳定，具有投资少、能耗低、处理效果可靠等特点［3-4］。

2.2.3 过滤消毒

生活污水中含有各种细菌、病菌、原生动物和其他微生物。根据城市污水再处理的水质要求，接触30 min 后的余氯质量浓度应不低于1.0 mg/L，管网末端不低于0.2 mg/L，加氯水平一般高于标准水平，以达到消毒效果，这也导致城镇污水处理厂的出水含有一定量余氯。当污水处理厂处理的水进入湿地后，氯化物被湿地中生长的植物吸收，会导致植物叶子组织内渗透压力升高，造成叶子枯萎植物死亡。因此，将污水处理厂出水加氯消毒工艺后置，混凝沉淀池先经泵房提升进入新型生物脱氮滤池预处理后，自流进入湿地前端布水池，通过布水装置后自流进入垂直潜流生态湿地，垂直潜流生态湿地出水提升到表面流湿地，表面流湿地出水回流至纤维转盘滤池，经过滤消毒后经污水处理厂现状排水口流至战备江［5］。

2.3 平面布置

项目综合水池及新型生物脱氮滤池位于厂内东侧空地上，方便与原污水处理厂构筑物衔接，综合水池占地面积150 m2，新型生物脱氮滤池占地面积330 m2。

根据平面布置原则及建设地点地形、地貌、道路等自然条件，考虑进、出水方向、风向等因素，对湿地各组成部分进行合理布置。湿地建设用地总面积约为12 028 m2，其中垂直潜流人工湿地有效面积8 100 m2。布水池位于湿地中心，有14 个配水系统，连接14 个湿地单元的配水主管，向垂直潜流人工湿地辐射状配水。以布水池为圆心设置4个圆弧状垂直流湿地。

将污水处理厂内360 m2的景观水池改造为表面流人工湿地。垂直潜流湿地出水回流至污水处理厂现状水池改造的表面流湿地，再流入污水处理厂现状纤维转盘滤池。

2.4 工艺设计

工艺设计包括6个主要单元，见表4。

表4 工业设计及主要功能

新型生物反硝化滤池在一个处理单元中集多种污染物去除功能于一身，包括去除悬浮物SS、TN 和TP。运行结果表明，在BOD 小于5 mg/L、SS小于5 mg/L 和TN 小于3 mg/L 的情况下，无需化学加药就可以达到TP的出水要求。当TP大于0.3 mg/L时，可以通过化学除磷来实现。

本工程新建新型生物脱氮滤池一座4 组，污水经均质石英砂滤料层过滤，滤除进水中的悬浮物，并通过附着生长在滤料表面的微生物反硝化作用将硝态氮转化为氮气，降低出水的TN 质量浓度。主要设计参数：设计流量为1.0 万m3/d，Kz=1.61，最大流量为1.61万m3/d，土建及设备安装规模按1.0万m3/d完成。

3 人工湿地

3.1 设计参数

（1）布水池设计参数。布水池的高效率和高稳定性是人工湿地长期运行的重要条件。布水池的作用除依据污水来水量均匀投配到垂直流湿地内，通过预充氧还能提高垂直流人工湿地的硝化效率。设计流量为1.0 万m3/d，Kz 为1.61；最大流量为1.61万m3/d，Qmax为672.3 m3/h；

（2）垂直潜流设计参数。垂直潜流湿地为整个工程工艺设计的核心部分。CODCr、BOD5和NH3-N等污染物同滤床滤料层中附着的微生物进行好氧反应；含磷污染物将在滤床滤料层中吸附沉淀；含氮污染物主要通过硝化反硝化过程去除。设计流量为1.0 万m3/d，Kz 为1.61；总有效面积8 100 m2，池深1.28～1.43 m；水力负荷为1.23 m3/m2·d。

（3）表面流湿地设计参数。相对富氧的表面流湿地主要针对NH3-N 的去除，通过污水流动，去除废水中NH3-N、有机物和悬浮物SS 等，有利于沉积物沉积。本工程表面流生态湿地利用污水处理厂内现状景观水池改造，有效水深0.3 m，总有效面积360 m2，在原池体内增设布水集水管、填料及湿地植物。

3.2 人工湿地填料选择

由于人工湿地面积较大，对填料需求也多。除了尺寸、形状和特性之外，填料还应该是性价比高的材料，以降低建造人工湿地的成本。

人工湿地的常见填料包括沙子、砾石、高炉矿渣、陶器碎片、沸石、石灰石和钢渣。在试验中，钢渣作为填料呈碱性，且废水中的悬浮物质量浓度会变高，不适合作为湿地的唯一填料；高炉渣对COD 和TP 的净化性能低，不能作为湿地的填料；沙子的粒径较小，容易堵塞，不适合作为湿地的唯一填料；砾石具有良好净化效果，pH 值适宜，不易堵塞。

地表径流主体部分的滤料由10～20 mm 厚的砾石组成，集水区的滤料由20～40 mm厚的砾石组成，利于微生物定居。

3.3 人工湿地植物选择

在人工湿地建设中，植物物种的选择是决定人工湿地能否正常运行和发挥作用的重要环节。目前国际上公认的在湿地中占主导地位的淡水水生植物种类包括阔叶香蒲、芦苇、苦水草、软水草和狐尾藻。

3.4 人工湿地运行

金庭镇污水处理厂配套人工湿地在2019 年底完工，目前已稳定运行2 年有余。垂直潜流人工湿地的水力负荷为1.23 m3/（m2·d），需垂直潜流人工湿地面积8 100 m2，后续接表面流人工湿地用于景观美化和出水水质保障，剩余1 990 m2用于配套及辅助设施用地，出水水质满足要求，CODcr去除率在10%～20%，NH3-N和TN去除率为5%～15%。

3.5 人工湿地管理

日常维护主要包括湿地植物收割、湿地杂物垃圾清理、清理填埋面上的筑坝痕迹、反冲洗湿地进出水管道、测量盆体标高和出水口水位等，日常维护周期每月不少于2次。

检查内容主要包括湿地进出水水质监测，检查设备运行状况，适当调整运行参数，检查进水管道的配水孔和配水坝等是否存在堵塞、污泥分布不规则等问题，与湿地有关的辅助设备何时损坏、渗漏等。检查周期1周1次。

维修包括对日常维护和检查中遇到的问题，主要包括盆体的盖板、辅助井的防坠网、水管（污水）、阀门部件、集水池内设备的维修和更换等。

检查湿地人工植物的生长情况。如果出现问题，应进行补充分析以确定原因，检查地下人工湿地是否有不规则的植物生长，如果出现这些情况，应检查是否存在短流问题。

4 提标改造工程运行性能分析

4.1 设计进水水质

人工湿地的设计进水水质以金庭镇污水处理厂的尾水实测水质为基础，结合污水处理厂服务范围的水质特点合理确定。表5统计了金庭镇污水处理厂2018 年1—6 月的实测出水水质峰值，为人工湿地设计进水水质的确定提供依据。

表5 出水水质峰值分析 单位：mg/L

从表5可以看出，出水CODCr、NH3-N、TP的峰值分别为39.3 mg/L、4.72 mg/L、0.27 mg/L。金庭镇污水处理厂接入的污水主要是服务范围内的生活污水，考虑到随着污水收集系统不断完善，混接和错接的雨水管道越来越少，进水质量浓度还会有所提高，处理负荷将会提升，这些都会影响未来污水处理厂的出水水质，另外，污水处理厂的出水水质波动较大，设计进水水质有一定的设计余量。综合以上考虑，确定人工湿地设计进水水质，见表6。

表6 设计进水水质 单位：mg/L

4.2 设计出水水质

因本项目占地面积有限，湿地设计负荷高，当出水水质要求高时，混凝沉淀池出水要先进入新型生物脱氮滤池进行预处理，使湿地进水优于一级A，才能保证人工湿地出水稳定达标。生态湿地出水水质与湿地进水水质密切相关，湿地出水水质如下表7所示。

表7 设计出水水质 单位：mg/L

4.3 提标前后进出水指标对比

污水处理厂提标改造工程于2019年12月完成竣工验收。通过对2018年1月至2019年12月改造前和2020年1月至2021年12月改造后污水处理厂进出厂水质指标的日常监测，得到了污水处理厂每月进出水中CODcr、NH3-N、TN 及TP 等指标的变化，见图2～5。

图2 污水处理厂提标改造前后进出水CODcr质量浓度变化

图3 污水处理厂提标改造前后进出水NH+4-N质量浓度变化

图4 污水处理厂提标改造前后进出水TN质量浓度变化

图5 污水处理厂提标改造前后进出水TP质量浓度变化

改造前污水处理厂出水平均CODcr质量浓度为18.04 mg/L，提标工程完成后，出水CODcr质量浓度明显下降，平均质量浓度达到11.42 mg/L。去除率得到提高，出水水质较为平稳。尽管反硝化滤池运行时，需要投加外加碳源以实现反硝化脱氮。但在碳源精确投加控制系统的作用下，没有出现碳源投加过多或过少的情况。既保证了反硝化脱氮滤池的处理效果，又不会造成碳源的浪费，并且不会导致出水中CODcr质量浓度的升高。

改造前污水处理厂出水中平均NH3-N 质量浓度为0.8 mg/L，随着改造完成，出水中NH3-N质量浓度明显下降，平均质量浓度达到0.18 mg/L。去除率得到提高，出水水质较为平稳。

改造前污水处理厂出水平均TN 质量浓度为3.29 mg/L，随着改造完成，出水TN 质量浓度明显下降，平均质量浓度达到1.78 mg/L。去除率得到提高，出水水质较为平稳。

改造前污水处理厂出水平均TP 质量浓度为0.07 mg/L，随着改造完成，出水TP 质量浓度明显下降，平均质量浓度达到0.05 mg/L。去除率得到提高，出水水质较为平稳。

综上所述，污水处理厂改造前出水CODCr、NH3-N、TN、TP 一级A 达标率均为100%，现状工艺流程和设计参数可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。但是，污水处理厂出水CODCr、NH3-N、TN、TP质量浓度变化较大，说明污水处理厂在改造前的运行过程中出水水质存在波动。提标工程运行后，出水水质明显趋于稳定，出水CODCr、NH3-N、TN、TP 平均去除率分别达到93.74%、98.15%、90.30%和97.70%，各项指标的去除率进一步提高。

5 结 语

工程针对苏州市金庭镇污水处理厂进行准IV类提标改造，主要结论如下：

工程在现有污水处理厂的基础上，在污水处理厂处理工艺末端新增新型生物脱氮滤池和人工湿地处理工艺，实现污水处理厂出水水质的进一步提升。

工程中新型生物脱氮滤池工艺通过对滤料、反洗模式及布水方式等关键技术的改进使传统反硝化滤池脱氮性能得到增强。采用碳源精确投加控制系统，既保证生物脱氮滤池的脱氮效果，又避免碳源的浪费，降低运行成本。

工程中人工湿地采用垂直潜流人工湿地+表面流人工湿地的方案。提标工程运行后，污水处理厂出水水质明显趋于稳定，各项指标的去除率进一步提高。