浅谈城镇污水处理厂一级A（类四类水）提标改造思路

陈自达

0 引言

在我国城镇化高速发展的背景下，污水排放量也在不断增加，水污染形势严峻。随着人们环保意识的加强及国家对环保行业的支持，污水处理行业快速发展，并且越来越多的污水处理厂响应国家节能减排号召，在现有排放标准的基础上，通过工程改扩建、工艺改造等手段，将排放标准提升至一级A 标准或更高。基于此，本文以福建省莆田市四座污水处理厂中的闽中污水厂提标改造为例，对污水处理厂一级A 提标改造的思路与工艺进行探讨。

1 提标改造思路

根据污水厂的建设、运营管理现状，在细致分析污水厂多年水质水量运行数据的基础上，紧密结合提标改造目标，合理选取稳妥可靠、经济合理的提标工艺。

1.1 闽中污水厂简介

莆田闽中污水处理厂地处莆田市涵江区白塘镇显应村，服务范围达100km，目前该污水厂分三期建设，每期建设规模为80 000m/d，合计总规模为240 000m/d。

一、二、三期工程污水处理主体工艺均采用A2/0。主要处理构筑物有细格栅及曝气沉砂池、A2/O 生物池、二沉池、鼓风机房、污泥脱水机房、排水泵房及附属生产性建筑物，目前进厂污水总量稳定在180 000～230 000m/d，污水厂处理效果较好，完全达到原设计城市污水处理厂污水排放标准一级B 标准。

1.2 优先考虑原厂改造深挖潜能

现阶段我国污水处理厂提标改造工艺设计的一般原则仍然是优先生物脱氮，强化生物除磷、辅助化学除磷，同时宜考虑碳源补充措施。首先需要对污水处理厂主要处理构筑物进行挖潜。但由于本污水厂运维权属、改造后各方权益及水质管控界面的问题，短时间内难以取得共识，而且对现状构筑物进行改造需要停水作业，将给现状污水厂的运行带来较大困难，甚至可能导致上游管网污水外溢，造成环境污染。综合考虑上述各种因素后，提标改造方案放弃老厂改造的方案。

1.3 出水末端添加深化工艺

由于老厂技改挖潜的方案在实际操作中存在诸多问题，在末端增加深度处理工艺成了必然选择。

现有污水处理厂已按照远期总规模32 万吨/日一次性完成征地，目前污水厂内还有四期的预留用地。结合莆田市总体规划和人口现状，闽中污水厂服务范围内的人口较难再有实质性的增长，未来污水厂的实际进水量也较难突破240 000 吨/日，近些年污水厂实际进水量总体也在180 000～230 000m/d 且趋于平稳。因此，利用四期预留地来实施本次提标工程，是综合各种因素考量后较为合理可行的方案。

1.4 原厂改造与末端加工艺成本及影响对比

通过对污水厂现状进出水水质的分析，目前污水厂出水某些指标基本能达到甚至优于一级A，采取老厂改造进一步提升出水水质空间较为有限，老厂改造方案从性价比角度已存在明显的边际效应；而且老厂改造仅能有限提升部分出水指标，其余部分的水质指标依然需要通过末端的深度处理来解决。

因此，采取在末端设置高效的深度处理工艺，在实施便捷性、技术可靠性、运行稳定性等方面都具有较为明显的优势。

2 工艺考虑

2.1 重要污染因子与工艺选择

本工程各主要污染因子去除率如表1 所示。

表1 各主要污染物去除率

结合表1 及目前污水厂的出水水质，本次提标改造重点需要去除的污染因子主要为有机物、NH3-N、TN、TP 和SS。

2.2 提标难点分析和对策

本次提标改造需要解决的污染因子主要包括有机物、NH3-N、TN、TP 和SS，以下对各污染因子进行逐一分析。

2.2.1 悬浮物

污水处理厂出水中SS 含量的高低，对其它指标都有决定性影响，特别是BOD5、COD 和TP 等。污水生化处理出水中残留的SS 几乎都是有机类，45%～50%的BOD5、30%以上的COD 基本来源于这些颗粒，进一步提高SS 去除率可以同步降低污水中的有机物和TP 浓度。

国内城市生活污水处理厂多数采用以生物脱氮为主的工艺，由于硝化过程污泥BOD 负荷较低，污泥龄较长，活性污泥的SVI 值低，沉降性能好，二沉池出水一般能达到20mg/L 以下，但要进一步提标至一级A 的10mg/L 则需要有过滤工艺把关。本次提标需要将SS 从20mg/L 降低到5mg/L，常规的重力沉淀和过滤较难稳定达到，必须设置稳妥高效的沉淀过滤组合工艺。

结合目前国内污水厂提标工程实践，采用高效沉淀+深床滤池工艺，在细化设计并合理选取设计参数的情况下，是可以稳定实现出水SS 小于5mg/L 的指标要求。为此，本次提标拟采用高效沉淀+深床滤池工艺解决SS 问题，并协助解决有机物和TP 问题。

2.2.2 有机物

二级处理出水中的有机物主要为溶解性的有机物和悬浮性的有机物。可生物降解的溶解性有机物在污水处理厂生化处理过程中基本上可以去除，残存的难降解的溶解性有机物通过混凝沉淀过滤工艺可以部分去除。悬浮性有机物可以通过SS 的去除得以去除。但由于闽中污水厂出水BOD 仍存在一定的波动，要保证出水BOD 小于6mg/L 仍有必要进行深度处理。

2.2.3 氨氮

污水厂生化系统正常运行时，只要充氧量足够，出水氨氮一般处于较低的水平，但总氮超标（超过一级A 标准）现象较为普遍。曝气生物滤池在污染负荷较低的情况下，仍然对氨氮具有较高的去除效率，本次提标拟采用曝气生物滤池工艺，利用陶瓷滤料上附着的硝化菌去除污水中的氨氮，确保氨氮达到新标准要求。

2.2.4 总氮

国内城市生活污水厂主要采取以A2/O 和氧化沟为主体的生化工艺，其内部反硝化单元的设计受到一定限制，主要包括缺氧段停留时间是否充足（完全反硝化需要较长的停留时间）、可供反硝化有效碳源是否充足（进水是否设置初沉、进水B/N是否满足脱氮要求、进水中有效碳源能否在反硝化段得以充分利用等）、系统曝气是否过量（溶解氧的存在将影响反硝化效率）等，因而系统总氮去除效率一般不高。

总氮主要由有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮组成，一般污水处理厂生化处理按完全消化设计，二沉池出水中有机氮、氨氮含量较低，总氮主要由硝态氮组成。因此需在生化处理过程中尽量创造较好的反硝化条件、提高系统反硝化效率的同时，在深度处理段设后置反硝化工艺，并适当投加有效碳源（二沉池出水中有效碳源量已经很少，无法支持进一步的反硝化），进一步去除污水中的TN。

近年来，反硝化深床滤池在国内污水厂提标改造中已有较为广泛成熟的应用，并可稳定去除5～10mg/L 的TN。因此，本工程拟采用反硝化深床滤池来完成TN 的提标。

2.2.5 磷

总磷小于0.3mg/L 较为严格，总磷小于0.3mg/L 对于一些敏感水体是非常有意义的，北欧一些污水处理厂排入波罗的海的标准与此类似。总磷小于0.3mg/L 即意味着全面的化学除磷，需要较大量的药剂投入。在总磷这个指标上，0.3 与0.5 的差别非常大。生活污水一般采用生物除磷方式，但除磷与脱氮在泥龄上是一大矛盾，难以较好的兼顾两者，尤其是在出水要求执行一级A 或更高标准的时候。

本工程要满足出水磷浓度低于0.3 mg/L 的要求，必须在采用具有生物除磷功能的污水处理工艺的基础上，在后段深度处理工段设置化学除磷，同时要严格控制出水SS 浓度，确保出水总磷浓度稳定低于0.3 mg/L。前段在考虑去除SS 指标时，已考虑采用高效沉淀+反硝化深床滤池的工艺，通过合理选择除磷药剂、控制加药量、控制高效沉淀表面负荷、合理选用反硝化深床滤池的滤速，可以稳定的实现TP 提标的目标。

2.2.6 协同达标

由于去除有机物和氨氮与去除总磷、总氮是在不同的单元段完成的，而各个指标的去除对于资源或者外界环境的需求均不同，如何采取成熟、稳妥、经济的组合工艺同时实现上述目标，对于工艺设计有着相当严苛的要求。

COD、BOD 和氨氮需要在好氧的情况下进行消化，而总氮必须在缺氧和有效碳源存在的条件下才能有效去除，采用化学药剂法去除总磷较为独立，但需要借助后端过滤单元进行协同去除。上述指标的去除存在资源和环境的矛盾，但又相互依存，必须全局考虑并合理取舍。首先污水厂出水中有效碳源已经较少，本工程想借助进水的碳源进行反硝化的想法在实际中较难实现，本工程规模较大，采用高级氧化的方式来提高进水的B/C 也不现实，较为合理的办法就是首先采用曝气生物滤池去除进水COD（碳化）和氨氮（硝化），而后采用化学除磷工艺，并进行合理的絮凝沉淀，确保出水中的溶解氧可满足后续反硝化的进水条件，最后通过集反硝化和过滤于一身的反硝化深床滤池去除总氮和悬浮物，以达到最佳的协同达标效果。

根据以上分析，由于本工程要求的出水水质很高，闽中污水处理厂现有出水水质与回用水水质要求不同程度上存在一定差距，许多指标也存在较大波动。因此，本工程必须新增深度处理工艺，进一步去除消纳污水厂出水中残余的各类污染物，以满足出水水质要求。主要措施归纳如下：（1）深度处理段新增碳化和硝化单元，确保出水有机物和氨氮达标；（2）设置化学除磷和SS 去除单元，确保出水总磷、SS 和其他污染物达标；（3）有条件时，通过前端原有污水厂运行参数的优化，强化现有生化系统处理能力，减轻深度处理段的运行压力。

2.3 重要工艺

在本工程深度处理工艺中，反硝化滤池的选择是整个工艺的核心单元。为此，在该工艺的具体池型选择方面需要更为具体和深入，并经过多方位的比选。

以下简单介绍一下国内已有典型的污水深度处理反硝化中试及评估情况。

2011 年1 月，结合国家巢湖流域水污染防治“十二五”规划以及合肥市南淝河环境综合整治工程，合肥市提出王小郢污水厂提标改造深度处理部分的设计出水主要指标满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的地表水环境质量 IV 类标准，如表2 所示。

表2 王小郢污水处理厂提标改造出水水质

鉴于出水指标要求较高，国内尚不多见，适宜的深度处理工艺是否能够满足处理程度的要求也需要现场试验确定，中试组织了目前具有代表性的三种反硝化功能的滤池工艺进行现场试验，在王小郢污水厂对三种不同工艺的适应性和运行参数进行研究，为工程方案选择提供参考依据。

参与试验的三种深度处理工艺分别是：马鞍山市华骐环保科技发展有限公司的“反硝化生物滤池”；水环纯水务技术（上海）有限公司的“深床反硝化滤池”；帕克环保技术（上海）有限公司的“生物连续砂滤池”（活性砂滤池）。

现场试验自 2011 年 3 月中旬启动，至 2011 年 9 月 4 日正式结束。试验结束后，形成《合肥王小郢污水处理厂提标改造工程深度脱氮试验研究报告》。

（1）经过现场试验验证，生物滤池（辅以后续过滤措施）、深床过滤及活性砂工艺均能满足本项目深度处理出水要求。

（2）经过现场试验验证及考察，上述三种工艺均有各自的特点：

①生物滤池工艺具有抗冲击负荷能力较强，滤速可适当提高，占地面积小，构筑物分格数少，不涉及专利等优点，但具有甲醇投加量较高，水头损失较大，需要后接滤布滤池或砂滤池以稳定去除 SS、整体方案投资和运行成本相对较高等缺点；

② 深床过滤工艺具有脱氮和去除 SS 处理效果好，运行稳定可靠，应用业绩多，构筑物分格数少，甲醇投加量较少，投资和运行成本相对较低等优点，但具有占地面积较大，跌水产生噪音和充氧（通过措施可以解决），涉及专利技术等缺点；

③活性砂工艺具有脱氮和去除 SS 处理效果好，甲醇投加量少，自动连续反冲洗管理方便，投资和运行成本相对较低等优点，但具有构筑物分格数多，反洗水量较大，大规模应用存在水量变化时的配水问题。

考虑到本工程规模较大，若采用活性砂滤池存在水池分格多、对运行管理要求高等问题，因此暂不予以考虑。

通过最终比较分析，两种滤池各项性能指标相差不多。深床滤池兼具普通砂率和反硝化滤池的特点，可以满足不同出水标准的要求。而反硝化陶粒生物滤池出水SS 保证率稳定性不高。

综合考虑，反硝化深床滤池方案的工程造价、运行费用以及电耗更低，因此本科研推荐采用混凝高效沉淀+反硝化深床滤池做为本工程的反硝化及除SS 工艺。

3 技术路线图

根据上述比选结果，本工程工艺推荐采用：二沉池出水—曝气生物滤池—混凝反应高效沉淀—反硝化滤池—消毒—提升至厂外回用。具体工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程图

4 效果与不足

4.1 效果

闽中污水处理厂项目中，反硝化深床滤池有效发挥了其对总氮的脱除效果，2022 年1～5 月提标段TN 脱除率达到77.7%，出水TN 稳定在10mg/L 以内。乙酸钠平均单耗110mg/L，碳源成本0.181 元/t。反硝化深床滤采用独立的PLC 控制系统，阀门、水泵、风机均处于自动运行状态，系统经前期调试、设定后，运行生产人员只需通过观察各组滤池液位，调整滤池反洗顺序、各工序时间等即可实现反硝化滤池的自动运行，自动化程度高，有效节省了人工成本。

4.2 不足

因一二期设备投产均已十年以上，设备老旧，细格栅间隙不均匀，难以有效确保5mm 以上杂质的拦截，二沉池浮渣收集系统也难以有效发挥作用，造成杂质流经生化池、二沉池后，经中间提升泵房水泵破碎后进入高效沉淀池，在高效沉淀池絮凝段形成大量浮渣区，需要人工清捞，对污水厂运行造成了一定负担。

5 结论

综上所述，为满足城镇污水处理需求，城镇污水处理厂提标改造是关键。当前，多数城镇居民也认识到污水处理的重要性，国家也给予了大力的支持，提升污水处理效率成为城镇发展的重要工作内容。但目前，受诸多因素影响，城镇污水处理提标改造水平仍不高，实际改造中，还需充分考虑原水水质、工程量等诸多因素，通过对多种因素综合分析，寻找最有效的提标改造方案及改造工艺，以实现污水的达标排放。