污水处理厂原位扩容提标设计实例

陈黎明， 周林凡， 林文辉， 肖学贵

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司福州分院， 福州 350001）

AAO－MBR 工艺是在传统AAO 工艺基础上取消二沉池， 同时增设MBR 池。 与传统AAO 工艺相比，AAO－MBR 工艺污泥浓度更高， 普遍达到8 000 ～10000mg／L， 有利于缩短工艺流程， 减少水力停留时间（HRT）， 增强抗水质水量冲击负荷能力［1］。 AAOMBR 工艺在GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 出水要求下能够节约占地［2］， 在现有设施提标改造应用中具有明显优势， 可满足原位扩容及提标的要求［3］。

福建省某生活污水处理厂现状规模为2×104m3／d， 采用氧化沟工艺， 出水标准为GB 18918—2002中的一级B 标准。 为保护城市水环境， 污水处理厂进行扩容提标改造工程， 扩容提标后处理规模从目前的2×104m3／d 提高到4×104m3／d， 出水标准由原一级B 标准提升到一级A 标准。 本文针对本次扩容提标工程的设计思路、 设计参数和改造后的运行效果进行了介绍。

1 污水处理厂现状

福建省某污水处理厂总用地面积为16 700 m2。污水处理厂一期工程规模为1.0×104m3／d， 采用卡式氧化沟工艺， 于2007 年5 月正式投产； 二期工程规模为1.0×104m3／d， 采用改良型卡式氧化沟工艺， 于2011 年7 月正式投产。

现状污水处理厂主体采用氧化沟＋紫外线消毒工艺， 污水处理厂出水达到一级B 标准， 尾水外排。 厂区污泥采用带式压滤机脱水至80% 以下后运至污泥处理厂统一处置。

现状污水处理厂主要污水处理构筑物有： 粗格栅间及进水泵房、 细格栅间及旋流沉砂池、 卡式氧化沟（一期）、 二沉池（一期）、 改良型卡式氧化沟（二期）、 二沉池（二期）、 紫外线消毒池、 污泥泵房、污泥浓缩池、 储泥池、 污泥脱水间、 加药间等。

由于本工程已无预留用地且无法新征用地， 同时污水处理厂内可利用空地较少， 经综合考虑后，采用AAO－MBR 工艺进行扩容提标改造。 从节省用地和投资等方面出发， 考虑拆除现状综合楼， 原址设置MBR 膜系统。

2 扩容及提标改造要求

本次工程扩容规模为2.0×104m3／d， 本工程实施后污水处理厂总规模为4.0×104m3／d， 出水水质执行GB 18918—2002 一级A 标准。

污水处理厂进水主要是城区生活污水， 通过对一期、 二期设计进水水质和实际进水水质分析确定改造工程的进水水质。 设计进出水水质如表1 所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Design influent and effluent water quality

3 扩容及提标改造工艺设计

3.1 工艺流程选择

采用传统生化提标工艺时， 反应池后面的沉淀池不能完全截留活性污泥， 反应池内活性污泥随水流失， 不能保证反应池内的污泥浓度， 因此生化反应不完全， 很难满足高品质出水水质要求。 MBR工艺把活性污泥法和超滤膜系统相结合， 该工艺利用中空纤维膜（微／超滤膜）替代了传统活性污泥法的二沉池， 大大提高了固液分离效率， 并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌（特别是优势菌群）的出现， 提高了生化反应速率， 同时，还可以通过降低F／M 值减少剩余污泥量。

相对于传统的活性污泥法， MBR 工艺用膜分离取代了沉淀池的固液分离， 可去除悬浮颗粒获得高质量的出水水质， 与脱氮除磷工艺相结合， 达到提标的目的， 且节省了占地［1］。

MBR 工艺对现有污水处理厂的升级改造具有突出的优势， 具体表现为能够在不新增土地、 不停水的条件下， 对现有污水处理厂进行扩容提标改造， 该工艺在诸多项目上已经成功应用［4-8］。 2015年， 成都兴蓉集团2 个处理规摸分别为10 × 104m3／d 的市政污水处理厂采用MBR 工艺成功进行了提标改造［9-10］。

3.2 扩容改造后工艺流程

根据MBR 工艺的技术特点， 结合其他类似已建污水处理厂提标改造实践经验［4-5］， 考虑到本次扩容要求处理能力翻倍， 为保证稳定的出水效果，采用一期和二期氧化沟后均增设MBR 膜系统的方案进行扩容提标。 本次扩容及提标改造后工艺流程如图1 所示。

图1 扩容及提标改造后工艺流程Fig.1 Process flow of the project after expansion and upgrading reconstruction

污水进入进水泵房（现状）经污水泵提升至旋流沉砂池， 旋流沉砂池（现状）出水进入精细膜格栅间（新建）， 通过膜格栅拦截作用去除水中细小漂浮物后， 出水进入改造后的AAO 池及好氧池， 再进入MBR 膜池。 MBR 膜池混合液回流至好氧池， 以确保好氧池内活性污泥浓度在5 000～10 000 mg／L 之间。 同时为提高生物脱氮除磷效率， 本工程设计结合了AAO和MBR 工艺的优势， 将膜池混合液回流至好氧池， 好氧池混合液回流至AAO 池的缺氧区，反硝化后的混合液再回流至厌氧区。 为改善C／N比， 本工程考虑在缺氧区投加乙酸钠。 为确保出水TP 达标， 考虑在MBR 膜池进水端适当投加PAC。

MBR 膜池替代了传统工艺的沉淀池、 污泥泵池。 采用超滤膜系统时， 因活性污泥完全被超滤膜截留， 因此可保证反应池内活性污泥浓度一般可达5 000～10 000 mg／L， 通过混合液回流使污水中的有机物大量被去除。 MBR 膜池内也存在好氧生化反应过程， 在膜池吹扫鼓风系统的作用下， 污水中硝化菌可以继续去除氨氮， 好氧微生物也可继续分解水中剩余的有机污染物， 达到去除有机物的目的。 结合大量实际运行情况， 除磷药剂对膜影响较小， 且污染是可通过常规化学清洗去除的， 不会形成不可逆污染。 为了消除可逆膜污染， 快速恢复部分膜通量， 需定期对膜进行清洗。

3.3 水头校核

本设计方案需要针对现状一、 二期构筑物进行改造， 根据实测资料， 旋流沉砂池出水水头为5.95 m， 氧化沟进水水位为5.10 m， 水头差约0.85 m；根据厂家提供资料， 精细格栅间内部水头损失在0.40 m 左右， 在旋流沉砂池出水与生化池进水管之间增设精细格栅间后， 考虑增大前后连接管道管径， 连接管道水头损失为0.30 m 左右， 前后堰跌落水头约0.30 m 左右， 以上合计1.00 m， 大于0.85 m 的预留水头， 为此将进水泵房出水井及细格栅旋流沉砂池的水位标高提高0.20 m， 以满足工艺流程要求。

4 主要构筑物及其工艺运行参数

4.1 粗格栅间、 进水泵房（利旧）

改造前粗格栅间及进水泵房的土建设计规模为3.0×104m3／d， 设备按2.0×104m3／d 规模安装。 原有粗格栅2 台， 单台栅宽为1.0 m， 栅条间隙为20 mm。 处理规模增加至4.0×104m3／d 时， 原有的粗格栅过栅流速为0.70 m／s， 符合GB 50014—2006《室外排水设计规范（2016 年版）》要求。 此次提标扩建， 更换2 台粗格栅， 单台栅宽为1.0 m， 栅条间隙为20 mm， 栅条宽度为10 mm。

进水泵房原有5 台泵（一期2 台450 m3／h 水泵和1 台200 m3／h 水泵， 二期2 台350 m3／h 水泵）。本次拆除原有潜水泵， 更换5 台潜污泵， 单台Q ＝530 m3／h， H ＝10 m， N ＝30 kW， 4 用1 备， 其中1 台变频。

4.2 细格栅间、 旋流沉砂池（利旧）

改造前细格栅与旋流沉砂池的土建设计规模为3.0×104m3／d， 设备按2.0×104m3／d 规模安装。 原有细格栅2 台， 单台栅宽为1.0 m， 栅条间隙为10 mm， 可满足4.0×104m3／d 处理规模。 原有旋流沉砂池2 座， 单座直径为3.05 m， 砂斗直径为1.0 m，池深1.5 m， 停留时间为35 s， 水力表面负荷为160 m3／（m2·h）， 可满足4.0 万m3／d 处理规模要求。

4.3 精细格栅间（新建）

新建1 座精细格栅间， 平面尺寸为11.8 m ×3.8 m。 精细格栅采用转鼓式细格栅， 栅条间隙为1 mm， 共2 台， N ＝0.55 kW， 渠宽1 200 mm， 栅前水深1.8 m。 配套1 套螺旋压榨机（功率为3 kW），2 套高压冲洗泵。

4.4 AAO－MBR 膜处理系统

AAO－MBR 膜处理系统是本工程扩容及提标改造工程的中心构筑物， 主要由AAO 池（一、 二期工程氧化沟改造）， 好氧池（一、 二期二沉池改造），膜池和膜设备间组成， 兼有生物处理和膜过滤的双重作用。 设计规模为4.0×104m3／d， 污水处理构筑物按照原一、 二期工程二级生化系统划分， 以2.0×104m3／d 规模作为1 组， 原一期工程改造单元称为1＃ AAO-MBR 膜处理系统， 原二期工程改造单元称为2＃AAO-MBR 膜处理系统。

4.4.1 AAO 系统

改造前一期氧化沟的总池容为6 486 m3， 平均时总停留时间为15.57 h， 其中厌氧区1.24 h， 缺氧区3.09 h， 好氧区11.24 h； 一期二沉池总池容为2 462 m3， 平均时总停留时间为5.90 h。

改造前二期氧化沟的总池容为7 360 m3， 平均时总停留时间为17.65 h， 其中选择区0.60 h， 厌氧区1.50 h， 缺氧区3.65 h， 好氧区11.90 h； 二期二沉池总池容为2 861 m3， 平均时总停留时间为6.86 h。

改造后AAO 参数如下： 单组设计规模为2.0×104m3／d； 设计最低水温为12 ～25 ℃； 厌氧区污泥浓度为5 000 mg／L； 缺氧区污泥浓度为5 500 mg／L；好氧区污泥浓度为6 000 mg／L； 膜池污泥浓度为8 000 mg／L； 一级回流比（膜池至好氧池）为300%；二级回流比（好氧区至缺氧区）为200%～300%； 三级回流比（缺氧区至厌氧区）为200%。 缺氧区至厌氧区回流泵设置在氧化沟内， 采用穿墙泵； 好氧池至缺氧区回流新建混合液回流泵房； 膜池至好氧池回流泵设置在MBR 膜池内。 缺氧区溶解氧质量浓度控制在0.5 mg／L 以下， 好氧区（池）及膜池溶解氧质量浓度控制在2 mg／L 左右。

改造后1＃AAO 总池容为8 948 m3， 平均时总停留时间为10.73 h， 其中厌氧区1.25 h， 缺氧区3.50 h， 好氧区5.98 h。

改造后2＃AAO 总池容为10 221 m3， 平均时总停留时间为12.22 h， 其中厌氧区1.26 h， 缺氧区3.40 h， 好氧区7.56 h。

1＃AAO 需氧量为255 kg［O2］／h（其中好氧池内120 kg［O2］／h）， 2＃AAO 需氧量为290 kg［O2］／h（其中好氧池内150 kg［O2］／h）； 好氧池供气由MBR 膜设备间内的风机供给， 考虑到1＃、 2＃ 好氧池需氧量及水位存在差别， 采用1＃、 2＃ 好氧池分2 个系统分别供氧的方式进行。

4.4.2 MBR 膜池、 设备间（与管理用房合建）

膜设备间主要用来放置MBR 工艺所需要的产水泵、 反洗水泵、 抽真空泵、 回流泵、 膜吹扫风机、 加药设备、 好氧池供氧鼓风机等， 并在膜设备间上部设置配电和控制间。

MBR膜池、 设备间及配电间按照4.0×104m3／d 规模设计， 膜池间平面尺寸为29.7 m × 20.4 m，组合结构（膜池分8 格）， 有效容积为1 325 m3， 停留时间为0.8 h； 设备间平面尺寸为29.7 m × 12.7 m， 框架结构； 设备间与配电间的建筑面积为539.4 m2。

本工程MBR 膜片设计采用PVDF 材质中空纤维帘式膜， 孔径小于0.1 μm， 设72 个膜组件， 每个膜组件设计膜面积为1 672 m2， 膜通量为16.75 L／（m2·h）。

膜池至好氧池混合液回流泵（变频调速） 3 台，2 用1 备， Q ＝2 500 m3／h， H ＝2.5 m， N ＝55 kW。

4.5 混合液回流泵房（新建）

在现有一、 二期二沉池之间新建1 座规模为4×104m3／d 的混合液回流泵房， 尺寸为11.20 m×8.8 m×6.0 m， 设计回流比为200%～300%。 设置混合液回流泵（变频调速）6 台， Q ＝833 m3／h， H ＝2.0 ～2.5 m， N ＝15 kW； 1＃、 2＃系统各3 台。

4.6 污泥脱水车间（利旧）

改造前污泥脱水车间土建按3.0×104m3／d 规模进行建设， 设备处理规模为2×104m3／d， 此次扩容时更换及增加设备， 以满足扩容提标后污泥处理要求。 设计参数： 剩余污泥干重为6 600 kg／d；需脱水污泥量为220 m3／d， 含水率为97%； 脱水后污泥量含水率≤80%。 污泥脱水PAM 平均投加量为3.0 kg／t［干污泥］。

5 改造后运行效果

本工程2018 年10 月完工， 实际处理水量从2019 年的3.0×104m3／d 增加到2022 年的3.6×104m3／d， 最高日处理量已达到4.0×104m3／d， 满足设计负荷。 2022 年污水处理厂实际进出水水质如表3所示。 由表3 可知， 实际进水除TP 指标高于设计值外， 其余进水指标均低于设计值。 实际出水水质远优于GB 18918—2002 一级A 标准。

表3 2022 年污水处理厂实际进出水水质Tab.3 Actual influent and effluent water quality of the sewage treatment plant in 2022

6 工程设计特点与难点

（1） 该污水处理厂已建成超过10 a， 周边为现状建成区， 无法新增用地， 本次扩容提标只能在污水处理厂现有1.67×104m2（约25 亩）用地范围内扩容， 并实施提标改造， 建设用地紧张。 同时， 该项目建设周期短， 于2018 年5 ～10 月完成了扩容提标改造。

（2） 为满足扩容后处理规模要求， 本次改造将单期氧化沟系统处理规模调整至2×104m3／d： 将原有的厌氧区及部分缺氧区作为改造后的厌氧区；原有部分缺氧区及部分好氧区作为改造后的缺氧区； 保留氧化沟部分好氧区， 并将现状二沉池改为好氧池。 同时， 对现有的推流器、 搅拌器、 表面曝气机进行更换； 考虑现状二沉池为圆形结构， 采用管式曝气器供氧， 为保证池体内污水的流向及溶解氧控制， 增加推流器。

（3） 污水处理厂担负着中心城区繁重的污水处理任务， 在扩容提标建设中要求实现不停产、 不降低原有排放标准， 扩容难度系数高。 具体改造步骤如下： ①新建紫外线消毒池及巴氏计量槽、 精细格栅间， 拆除现状综合楼并在原址建设MBR 膜池、设备间及管理用房， 在此期间， 原有的污水处理厂两期工程保持正常运行。 ②将原有一、 二期工程氧化沟的出水接至新建的MBR 膜池（管道驳接过程中短暂停水）， 管道建设完成后， 运行一、 二期氧化沟及MBR 膜池、 新建的紫外线消毒池及巴氏计量槽等， 污水处理厂的处理规模可达2×104m3／d，处理后出水水质达到GB 18918—2002 一级B 标准及以上。 ③在一、 二期二沉池之间建设污泥回流泵房， 同时改造一、 二期二沉池为1＃、 2＃ 好氧池。④1＃、 2＃ 好氧池改造完成后， 投入使用（管道驳接过程中短暂停水）， 并按先后顺序对1＃、 2＃ 氧化沟进行改造， 改造过程中单独运行1 座氧化沟及MBR膜池， 处理能力可达2×104m3／d， 出水水质达到一级B 标准。 1＃、 2＃ 氧化沟改造完成后， 整个污水处理厂处理工艺为AAO-MBR 工艺， 处理能力达到4.0×104m3／d， 出水水质达到GB 18918—2002一级A 标准。

7 经济效益分析

该工程总投资为9 984.41 万元， 其中工程直接费用为8 103.88 万元， 工程建设其他费为944.52 万元， 基本预备费为723.87 万元， 建设期利息为166.40 万元， 铺底流动资金为45.74 万元。 该工程经营成本为0.94 元／m3。

8 结语

（1） 福建省某污水处理厂原处理规模为2×104m3／d， 需扩容至4×104m3／d， 并提标至GB 18918—2002 一级A 标准。 由于厂区现状用地限制， 经综合考虑后采用AAO-MBR 工艺， 改造工程充分利用现有生化池和二沉池池容， 将二沉池改造为好氧池， 并新建1 座膜设备车间， 在现有构筑物和用地范围基础上实现污水处理规模翻倍和出水水质提标， 实际运行出水效果远优于设计要求。

（2） 本工程改造过程中， 进行分步改造施工，改造过程中， 没有降低现状污水处理负荷， 满足了不停水扩容提标改造要求， 可为类似提标改造工程项目的设计及运行提供借鉴。