城镇污水处理厂达国家一级排放升级改造实例
摘要：近年来，国家和各地方对污水处理厂的排放标准要求越来越严格，选择能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级标准的工艺是新建污水处理厂和老污水处理厂升级改造所面临的关键问题。本文选取了近年来国内较大规模的市政污水处理工程，介绍了这些工程的概况、采用的工艺及运行效果。希望这些有代表性的实例能够为今后市政污水处理工程的工艺选择提供有价值的参考。
关键词：城镇污水处理厂 脱氮除磷 工艺选择 工程实例
近年来，我国不断出现由于水体富营养化引起的爆发性环境事件，全社会对于水环境问题的关注度大幅提高。国家和各地方对污水处理厂的排放标准要求日趋严格，越来越多的污水处理厂二级出水还被用作再生水厂的水源或是景观河道补充水。大部分已经建成的污水处理厂的工艺已经不能满足新的排放要求，需要进行升级改造。
对于城镇污水处理厂来说，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级排放标准，主要难度在于出水氮、磷指标稳定达到排放标准。而市政污水处理厂一般处理规模较大，化学脱氮除磷的成本太高，通常只作为辅助手段。在这种形式下，选择能够稳定达到一级标准的生物脱氮除磷工艺是新建污水处理厂和老污水处理厂升级改造所面临的关键问题。
一、天津市四个大型污水处理厂升级改造工程工艺选择
1、工程背景
2008年2月开始实施的《天津市污水综合排放标准》（DB12/356-2008）中提出已建成的城市、城镇和工业园区污水处理厂排水应在2010年12月31日前达到GB18918中一级B标准。天津市内四个大型市政污水处理厂纪庄子污水处理厂（现有规模54万m3/d）、咸阳路污水处理厂（现有规模45万m3/d）、东郊污水处理厂（现有规模40万m3/d）和北辰污水处理厂（现有规模10万m3/d）由于设计建造的时间较早，现有的工艺已经不能满足新标准的排放要求，需要进行升级改造。
2、进出水水质
进水水质的确定是根据对污水厂上游管网多年监测值的概率分析，并调查了收水范围内的工业污染源。污水处理厂一部分出水供给再生水厂作为水源，这部分出水指标执行一级A标准，其余部分出水执行一级B标准。
3、生物处理工艺的确定
四个污水处理厂分属不同的城市排水系统，进水水质差别很大，C/N、C/P、可生化性等指标各不相同，不可能使用同一种工艺。经过长时间的实验对比和专家反复论证，最终确定了两种工艺作为四个污水处理厂升级改造的主要生物处理工艺，一种是“强化生物脱氮”，另一种是“分段进水生物除磷脱氮”。
强化生物脱氮工艺的核心设计理念是短程硝化反硝化。影响需氧量的关键因素是设计中采用的DO值，强化生物脱氮设计使得需氧量大大降低，氧传递效率大大提高。另外，通过预反硝化、“短程”硝化反硝化和同时硝化-反硝化，有助于提高反硝化能力。当BOD:N≤4:1时，这种工艺的优势就体现出来了，可以不投加碳源或少投加碳源。此工艺的反应器由两部分组成，前半部分采用机械曝气的氧化沟，后半部分采用微孔曝气。这种混合曝气的方式能够最大程度的提高曝气效率，从而节能。其原因在于：利用污水中表面活性剂组分对微孔曝气和机械曝气氧传输效率的影响不同。表面活性剂在活性污泥工艺中被分解，它们的影响也随之减小。因此，微孔曝气之前设置机械曝气的氧化沟，在节能方面也具有相当大的优势。
分段进水生物除磷脱氮工艺通常由2-5段缺氧/好氧顺序排列组成。原水分别在首端的厌氧区和各缺氧区进人反应器，回流污泥回流到系统的首端，通常不设内回流设施。四段进水多级A/O工艺示意图见图1。
该工艺同传统的A/A/O工艺相比具有以下的优点：
（1）无需混合液内回流，节省能源，降低运行成本；（2）回流污泥的稀释作用被推迟，反应器内污泥浓度大大增加，提高了处理效率，节省了池容；（3）缺氧段分别进水，可充分的将进水中的碳源用于硝酸盐氮的反硝化，提高脱氮效率及碳源的利用率；在碳源充足的条件下，理论上脱氮率可高于90%。
该工艺存在的缺点：（1）缺氧、好氧阶段交替存在，缺氧区的控制较为重要，如不能形成缺氧区，则不能实现预设的脱氮功能；（2）操作复杂：由于分段进水，进水点较多，较难调控。
所有生产性试验，都经过了冬季运行，处理效果比较稳定。
二、无锡市城北污水处理厂升级改造工程[1]
1、工程概况
城北污水处理厂为太湖流域地区首批完成升级改造的工程，是无锡市主城区三大污水处理厂之一，位于主城区中北部，现状规模15万m3/d，分三期建设，每期工程规模5万m3/d，采用具有脱氮除磷功能的Orbal氧化沟工艺，尾水排入北兴塘河，设计出水指标为GB18918-2002中一级B排放标准。该厂进行升级改造项目已于2008年6月竣工，目前运行情况良好，出水稳定达到GB18918-2002中一级A标准。
2、进出水水质指标的确定
设计单位通过对城北污水处理厂目前的水质监测数据进行分析，按90%的频率统计值确定升级改造工程的进水水质。依据统计分析数据进行工艺设计计算，更加符合实际、节省投资并提高了运行的安全可靠性。
3、生物处理工艺的确定
在确定改造方案前，先进行了中试研究，结果表明采用外沟进水、回流污泥曝气再生的工艺可提高活性污泥的MLVSS/MLSS值，即提高污泥中的活性微生物数量，从而增强了系统的处理效果尤其可显著改善对TN的去除效率。同时还要充分结合厂区现状条件，生物处理部分力求通过内部改造，利用现有的生物池(氧化沟)内厌氧区改造成回流污泥曝气再生池，实现生物池降解功能的强化，改造方便并节省工程投资。综合多方案比选，最终确定采用强化二级生物脱氮除磷处理工艺作为厂区生物处理段改造的主体工艺。该工艺的关键为：控制回流污泥曝气再生。对回流污泥进行曝气再生的作用有三：(1)在不过度增加进入二沉池的污泥通量负荷的情况下增加生物污泥总量；(2)将回流污泥在再生池内进行曝气，可使污泥充分进入内源呼吸期的后期，其活性得到比较彻底的恢复，回流到曝气池后可以加快活性污泥的反应进程，提高反应效果；(3)回流污泥中含有大量处于“饥饿”状态硝化细菌，与原水混合后可以快速将原水中的NH3-N转化为硝态氮，并在外沟缺氧条件下通过反硝化反应成为N2，有助于提高系统整体的脱氮效果。
4、改造后的工程运行情况
该工程已于2008年6月底开始投入运行，从运行结果来看，出水水质能满足设计要求。出水BOD5一般在5mg/L以下，CODCr在45mg/L以下，SS低于10mg/L，NH3-N平均在1mg/L以下，TP平均在0.45mg/L以下，TN平均在15mg/L以下，均满足设计要求。
三、深圳市罗芳污水处理厂二期工程[2]
1、工程概况
罗芳污水处理厂设计总规模35万m3/d，分两期设计、建设。其中一期工程规模10万m3/d，污水处理采用AB法工艺(B段为A2/O工艺)，于1998年建成并投入运行；二期工程规模25万m3/d，于2001年建成并投入运行。一期工程污水处理用地4.13hm2，二期工程污水处理用地7hm2，污泥处理用地1.58hm2，厂内自用中水处理用地0.45hm2。
2、进出水水质指标
罗芳污水处理厂一、二期工程的尾水均排至深圳市莲塘河，出水设计目标满足国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准。
3、生物处理工艺
针对二期工程用地紧张的实际情况，结合水下搅拌器的使用，在国内首次采用了深池型T型氧化沟工艺，采用4座T型氧化沟，单座氧化沟设计规模为6.25万m3/d，水深5.8m，克服了传统氧化沟占地大的缺点，使该工艺在大型污水处理厂得到了应用。在氧化沟工艺前增设了厌氧池，增强了氧化沟生物除磷功能，同时流程中增设了污泥回流措施及回流污泥浓缩池，浓缩后污泥流入厌氧池，上清液直接流至氧化沟，这样就避免了浓缩污泥中硝酸盐对厌氧池释磷的影响，增强了氧化沟的生物除磷功能。
4、运行效果分析
二期工程建成投产以来，运行正常，出水水质优于设计水质，完全达到《城镇污水污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B排放标准要求，部分指标还达到一级A排放标准。
四、厦门市筼筜污水处理厂[3]
1、工程概况
厦门市筼筜污水厂目前是亚洲最大的采用DN/CN曝气生物滤池工艺的污水处理厂，将前置反硝化技术应用在BIOFOR工艺中，在国内属于首次运用。筼筜污水厂一期工程于1996年建成投产，规模为10万m3/d，污水经一级处理后通过排海管深海排放。二期工程二级处理部分规模为30万m3/d，工程总投资为3.78亿元，厂内主要工艺设备和自控检测系统由法国得利满公司提供。工程于2005年动工，2006年6月建成运行，目前工艺运行状况良好，工艺设备、仪表及自控系统稳定，出水的各项指标均达到或优于设计排放标准。
2、进出水水质指标的确定
厦门岛西南片区的污水浓度较低，此外还具有地下水渗入量较大和合流污水的特征。多年平均进水BOD5为100mg/L，COD为200mg/L，SS为150mg/L，TN为30mg/L，TP为2.5mg/L。考虑到厦门岛将逐步把污水合流制系统改造成分流制，同时将地下水渗入量大的污水管进行整修，其平均污水水质浓度会有所提高，因此设计中将现状水质指标进行了调整。污水厂出水排入西海域，因西海域的水质将直接影响到鼓浪屿的环境质量，故被划为“二类海域”，污水厂出水必须满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B排放标准。
3、生物处理工艺
本工程污水处理工艺在国外的常规BIOFOR工艺的基础上进行了改进优化，即用DN+CN池组合代替了CN+DN池的组合。进水先入DN池，保证了反硝化所需碳源，使得TN去除率明显提高，且生物除磷的效果也有所改善。与CN+DN池的后置反硝化工艺比较，前置反硝化克服了碳源不足而需投加大量甲醇的缺点，且前置反硝化增设回流系统，使滤池的滤速增加，从而减少了CN池的数量，也节省了投资。另外前置反硝化生物滤池出水水质不受CN池的控制，所以能有效去除污水中的各种有机物，出水水质稳定。而后置反硝化则需要投加甲醇，且出水水质受DN池的影响。
4、运行效果分析
该厂工艺处理效果良好，除TN外，其他各项指标均达到了设计标准。这是因为污水厂进水大部分为旧市区合流制污水，BOD5值很低，因此池中碳源不足，从而影响了反硝化的进行，为此暂时需要投加甲醇补充碳源，补充碳源后出水TN≤18.5mg/L，能够达到了设计标准。
五、深圳市横岭污水处理厂二期工程[4]
1、工程概况
横岭污水处理厂二期工程是龙岗河流域水质改善工程的重要组成部分，设计规模为40万m3/d，与一期工程合计总规模为60万m3/d。
2、进出水水质指标的确定
由于横岭污水厂配套截污干管系统近期是对沿龙岗河各支流进行总口截流，远期逐步完善为市政截污干管，因此将由合流制逐渐过渡到分流制，也就是污水厂进水浓度有一个由低变高的过程。根据《龙岗河流域水环境综合整治工程规划》，2010年的污水处理厂建设目标是使出水满足景观用水的要求，因此确定污水处理厂近期执行一级A排放标准。
3、生物处理工艺的确定
根据本工程规模大、可用地小、进水水质浓度变化大的特点，确定采用以DN/CN的BAF曝气生物滤池为主体的污水处理工艺。该工艺耐水质波动能力强，适应低、中、高浓度污水，且耐水力冲击负荷能力好，生物膜附着能力强，不易随流速增大而流失。而且，工艺占地面积小，不需新征地，可以大大缩短建设周期。强化预处理采用曝气沉砂池、气浮池、斜管沉淀池合建，将生化反应与物理重力分离作用相结合，对有机物及悬浮物的去除作用明显。
六、结语
天津市几个大型污水处理厂的运行经验表明，工艺选择和设计是否合理，直接影响着污水厂长期运行的稳定性和成本。所以，在污水处理厂升级改造的准备过程中，创业环保集团股份有限公司非常慎重地筛选了数家国内外知名公司和设计单位的多个已经较为成熟的工艺，并先后对这些工艺进行了生产性试验，严格模拟升级改造后的水质水量。全部试验对比工作历时一年多，每种工艺的试验至少进行半年。所有备选工艺都要经历冬季水温最低的时期，以考察工艺脱氮除磷的稳定性，确保污水厂升级改造后能够稳定达标运行。
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