污水處理廠如何最大挖掘生物除磷效果——以北京市某污水處理廠提標(biāo)改造為例
隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，MBR工藝在污水處理廠的新建和提標(biāo)改造中得到了一定范圍的應(yīng)用。傳統(tǒng)MBR工藝常耦合活性污泥法、AO、AAO等，實(shí)際運(yùn)行中存在TN、TP去除率受限的情況。根據(jù)研究，UCT工藝在實(shí)際應(yīng)用中能最大程度地挖掘生物除磷的潛力，實(shí)現(xiàn)低磷排放[1]。同時(shí)，MBR可取代傳統(tǒng)生物工藝中的二沉池，出水水質(zhì)穩(wěn)定。UCT-MBR的組合工藝適用于占地面積受限且高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠。本文以北京市某污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)容改造為例，在用地面積受限、冬季低水溫、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)高的條件下，應(yīng)用UCT-MBR工藝，提出相應(yīng)的工藝方案，并對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行分析。1工程概況
北京市某污水處理廠一期設(shè)計(jì)規(guī)模為8×104m3/d，占地66 900 m2，服務(wù)面積約50 km2，采用Carrousel氧化溝工藝，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。該廠于2007年正式運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定?，F(xiàn)狀污水處理廠工藝流程如圖1所示。
2 現(xiàn)狀問(wèn)題
隨著城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和排水管網(wǎng)的完善，污水處理廠處理能力不足，需進(jìn)行擴(kuò)容。根據(jù)2012年北京市政策要求，污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890—2012）中的B標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行提標(biāo)改造。污水處理廠各類設(shè)備腐蝕損壞嚴(yán)重，池內(nèi)溶解氧不足，有沉泥現(xiàn)象。運(yùn)行中冬季進(jìn)出水水質(zhì)的CODCr、BOD5、氨氮及TN波動(dòng)較大，進(jìn)水水溫約15 ℃，硝化、反硝化反應(yīng)均受到抑制，生物除磷效果不佳，加藥量較大造成污泥增多，外運(yùn)費(fèi)用增加。
3 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)
3.1 主要設(shè)計(jì)思路
基于有限的場(chǎng)地，根據(jù)要求的出水水質(zhì)，確定各階段污染物去除率，選用占地面積適宜、運(yùn)行可靠的工藝，確定工程設(shè)計(jì)方案。針對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行情況，分析出水指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況，確定主要關(guān)注的指標(biāo)為CODCr、氨氮、TN及TP。
3.2 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)
污水處理廠根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)、人口指標(biāo)法及占地用水量指標(biāo)法測(cè)算，確定提標(biāo)改造設(shè)計(jì)規(guī)模為18×104m3/d，遠(yuǎn)期為30×104m3/d。2013年—2014年該廠進(jìn)水水量大于設(shè)計(jì)水量，日均值達(dá)到9.5×104m3/d，其中5月—8月日均進(jìn)水量約10.8×104m3/d，處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)水水質(zhì)總體波動(dòng)較大，其中CODCr（384~986 mg/L）、BOD5（124~520 mg/L）、SS（150~572 mg/L）及TP（6~14 mg/L）指標(biāo)波動(dòng)最為明顯，氮素指標(biāo)則相對(duì)平穩(wěn)。改造前后的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)及現(xiàn)狀實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。
3.3 工藝選擇
國(guó)內(nèi)污水處理廠的提標(biāo)改造工藝繁多，主流思路為3類：（1）在二級(jí)生物處理段原位改造，增加污泥濃度，提高微生物活性，加強(qiáng)脫氮除磷效果，主要有MBBR工藝、MABR工藝等；（2）增加后續(xù)深度處理環(huán)節(jié)，強(qiáng)化去除污染物，比如各類高效沉淀池、反硝化濾池、高級(jí)氧化及其變形組合工藝；（3）應(yīng)用MBR工藝，實(shí)現(xiàn)HRT和SRT的分離，提高污泥濃度并加強(qiáng)脫氮除磷,效果。
3種改造思路均有提標(biāo)改造的實(shí)際案例，但單一應(yīng)用某種方式，一般能穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)本項(xiàng)目的準(zhǔn)IV類水排放標(biāo)準(zhǔn)，多應(yīng)用多種方式串聯(lián)的形式。浙江省某污水處理廠應(yīng)用Bardenpho+MBBR+高效沉淀池+反硝化濾池工藝改造后達(dá)到準(zhǔn)IV類水排放標(biāo)準(zhǔn)，而北京市、天津市地區(qū)污水處理廠的提標(biāo)改造多以MBR+臭氧氧化為主。3種類型的改造思路各有側(cè)重，具體選擇中工藝的主要限制因素為排放標(biāo)準(zhǔn)、占地面積和地區(qū)技術(shù)推廣程度，導(dǎo)向因素則包括投資、運(yùn)行費(fèi)用、管理難度等。排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行京標(biāo)B類，規(guī)定為日均值達(dá)標(biāo)即可，但實(shí)際監(jiān)測(cè)執(zhí)行過(guò)程中多以瞬時(shí)樣為依據(jù)，對(duì)工藝的抗沖擊性、穩(wěn)定性提出了更嚴(yán)苛的要求。另外，占地面積也是選擇工藝的決定性因素之一。廠區(qū)現(xiàn)占地約53 395 m2, 用地面積遠(yuǎn)小于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，且明確近期無(wú)可擴(kuò)展用地，該因素直接限制了工藝選擇的范圍。一般MBR、MBBR、MABR等工藝處理市政污水，出水CODCr含量能達(dá)到30 mg/L左右。針對(duì)進(jìn)水組分有一定比例的工業(yè)廢水，進(jìn)水CODCr波動(dòng)較大的情況，設(shè)置紫外、臭氧催化聯(lián)合氧化保證出水CODCr含量穩(wěn)定低于30 mg/L，同時(shí)降低出水色度，提高再生水回用感官效果。
如圖2所示，廠區(qū)右上為辦公區(qū)，該區(qū)域不能利用，廠區(qū)實(shí)際工藝用地約45 000 m2。處理規(guī)模擴(kuò)大至18×104m3/d，增容2.25倍，預(yù)處理需要按遠(yuǎn)期30×104m3/d水量考慮，同時(shí)兼顧改造期間不停水，對(duì)工藝的集約化和模塊化有更高要求。主體工藝選擇應(yīng)用比較廣泛的MBR工藝和MBBR工藝進(jìn)行比較分析。
原氧化溝污泥質(zhì)量濃度在3~4 g/L，總停留時(shí)間約16.5 h，通常MBR工藝運(yùn)行良好時(shí)污泥質(zhì)量濃度為8 g/L以上，按該數(shù)值核算，原氧化溝改造為MBR生物池需補(bǔ)充容積和停留時(shí)間。將南側(cè)二沉池、紫外消毒拆除，建設(shè)好氧池、膜池和膜車間、深度處理等，組成UCT-MBR工藝。MBBR工藝為復(fù)合泥膜，污泥質(zhì)量濃度按6 g/L計(jì)算，需補(bǔ)充建設(shè)二段缺氧、好氧生物池，組成五段Bardenpho+MBBR+雙層矩形沉淀池+加砂混凝沉淀池。除原氧化溝外，其余可利用占地面積約12500m2。具體工藝比較如表2所示。
兩種工藝在投資和運(yùn)行成本上差別不大，占地面積及工藝集約化方面MBR均占優(yōu)勢(shì)。改造后的平面布置如圖3所示。
3.4 工藝流程
污水處理工藝選用預(yù)處理+UCT-MBR+臭氧紫外聯(lián)合氧化消毒。工藝流程如圖4所示。
3.5 工藝設(shè)計(jì)
3.5.1 預(yù)處理預(yù)處理階段設(shè)粗、細(xì)、超細(xì)3級(jí)格柵，格柵間隙分別為20、5、1 mm。保留原有的粗格柵和提升泵房，更換提升泵，使其規(guī)模達(dá)到10×104m3/d，另新建20×104m3/d的粗格柵和提升泵房。拆除原有效果不佳、占地過(guò)大的細(xì)格柵和旋流沉砂池，新增細(xì)格柵及曝氣沉砂池2座，規(guī)模對(duì)應(yīng)提升泵房。曝氣沉砂池最大流量水平流速為0.1 m/s，對(duì)應(yīng)停留時(shí)間為2.7 min。新建近期規(guī)模為18×104m3/d的膜格柵間，尺寸為31.8 m×21.95 m×8.1 m，使用轉(zhuǎn)鼓式膜格柵，配套中壓、高壓沖洗泵進(jìn)行階段性清污，壓力分別為0.8、15.0 MPa。
3.5.2 UCT生物池、膜池原氧化溝尺寸為120.75 m×113.7 m×5.9 m，改為UCT生物池的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和部分好氧區(qū)，設(shè)計(jì)規(guī)模為18×104m3/d，總停留時(shí)間為11.7 h，其中厭氧池、缺氧池、好氧池的停留時(shí)間分別為1.6、3.2、6.9 h。改造前氧化溝局部池體污泥沉淀形成死區(qū)，整體充氧效果欠佳。拆除原有表曝機(jī)及推流器，原有厭氧區(qū)不變，原有氧化溝區(qū)域增加、拆除或改造隔墻，形成5段缺氧和好氧區(qū)。厭氧、缺氧池增設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)，好氧池增設(shè)管式微孔曝氣器2 600組，并設(shè)置3段回流系統(tǒng)，其中膜池至好氧池回流、好氧池至缺氧池回流均設(shè)置在新建生物池，缺氧池至厭氧池回流設(shè)置在改造生物池。具體改造分區(qū)如圖5所示。
新建擴(kuò)容部分的生物池尺寸為79.9 m×48.6 m×8.0 m，膜池和新建生物池合建，尺寸為67.5 m×48.6 m×5.0 m，膜車間新建于池頂。生物池污泥質(zhì)量濃度為5 000~8 000 mg/L，污泥負(fù)荷為0.05 kg BOD5/(kg MLSS·d)。膜池停留時(shí)間為2.4 h，平均膜通量為15 L/(m2·h)，污泥質(zhì)量濃度為8 000~12 000 mg/L，運(yùn)行方式為過(guò)濾11 min，擦洗1 min。膜池至好氧池前端回流比為300%~600%，好氧池至缺氧池前端回流比為200%~400%，缺氧池末端混合液回流至厭氧池回流比為100%~200%。
3.5.3 聯(lián)合氧化消毒池MBR出水泵入聯(lián)合氧化消毒池（含前臭氧接觸池、封閉式紫外系統(tǒng)、后臭氧接觸池及巴氏計(jì)量槽），按遠(yuǎn)期規(guī)模30×104m3/d設(shè)計(jì)，尺寸為37.5 m×24.2 m×7.50 m，池型為矩形，分為兩個(gè)系列，每系列設(shè)1格前臭氧接觸池和2格后臭氧接觸池，設(shè)3段布?xì)鈪^(qū)，每段停留時(shí)間為10 min，臭氧投加量總計(jì)20 mg/L。紫外模塊設(shè)置8套，遠(yuǎn)期增加4套，每套60只燈管。紫外系統(tǒng)前后兩個(gè)臭氧投加量可以調(diào)節(jié)，臭氧發(fā)生器氣源采用氧氣源，臭氧系統(tǒng)設(shè)置純鈦金屬曝氣頭440個(gè)，外徑為150 mm，通氣量為3 m3/h，氧利用率為18%~28%。配套建設(shè)供氧站，內(nèi)設(shè)2套50 m3的液氧儲(chǔ)罐、汽化器、減壓裝置和電加熱裝置。接觸池出水經(jīng)巴氏計(jì)量槽計(jì)量后可直接排至小中河，也可加余氯后進(jìn)入回用水池。回用水池與聯(lián)合氧化消毒池及巴氏計(jì)量槽合建。污水最終消毒后外排，部分水量補(bǔ)投次氯酸鈉進(jìn)行回用。
4 改造運(yùn)行效果
項(xiàng)目于2018年開始穩(wěn)定運(yùn)行。2018年1月—2019年11月平均月進(jìn)水量為382萬(wàn)t，進(jìn)水水量較為平穩(wěn)。進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，各項(xiàng)污染物均值對(duì)比2013年—2015年呈下降趨勢(shì)，基本穩(wěn)定在設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)之內(nèi)。實(shí)際出水各項(xiàng)污染物去指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。
改造后出水CODCr質(zhì)量濃度平均為15.1 mg/L，改造后平均去除率從93.3%提升至95.4%。未使用臭氧催化氧化的出水CODCr質(zhì)量濃度在30 mg/L左右，使用后出水CODCr質(zhì)量濃度穩(wěn)定在30 mg/L以下，說(shuō)明工藝對(duì)有機(jī)物有良好的的去除效果。出水TN質(zhì)量濃度平均為11.1 mg/L，改造后平均去除率從69.3%提升至77.5%，在夏季均值為8.2 mg/L，在冬季均值較高，通過(guò)提高回流比、投加少量碳源的方式亦能穩(wěn)定在15 mg/L以下。改造后出水TP質(zhì)量濃度平均為0.25 mg/L，平均去除率從92.1%提升至96.6%。改造前采用幅流式沉淀池，存在漂泥現(xiàn)象，需投加大量藥劑增強(qiáng)除磷效果。改造后去除率提高至95%以上，除磷效果顯著好轉(zhuǎn)。應(yīng)用中UCT工藝采用多段回流，避免混合液中高溶解氧及硝態(tài)氮對(duì)厭氧釋磷的影響，為聚磷菌提供了良好的環(huán)境。另外根據(jù)唐忠德等[8]研究表明，污泥中反硝化除磷菌（DPOs）富集強(qiáng)化了MBR的除磷效果。
運(yùn)行中出水TP在冬季并未出現(xiàn)顯著波動(dòng)，去除率均值為96%，除磷加藥量亦未顯著增多。原因可能是冬季系統(tǒng)運(yùn)行中污泥齡延長(zhǎng)，適合世代周期較長(zhǎng)、增長(zhǎng)緩慢的反硝化除磷菌增殖，增強(qiáng)了低溫下反硝化除磷的效果，增加了反硝化除磷的除磷占比。5技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
項(xiàng)目總投資為58 464.57萬(wàn)元，其中直接工程費(fèi)用為41 063.64萬(wàn)元。項(xiàng)目直接運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑費(fèi)、污泥外運(yùn)費(fèi)用、設(shè)備維修費(fèi)等，合計(jì)為2.05元/m3（測(cè)算值）。
6 結(jié)論
（1）采用UCT-MBR工藝對(duì)北京某污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造，改造后出水指標(biāo)CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP質(zhì)量濃度均值為15.13、3.32、2.42、1.19、11.12、0.25 mg/L，出水水質(zhì)滿足北京市地標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)。
（2）改造后系統(tǒng)具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力，冬季低溫高負(fù)荷情況下，采取增大回流比、加強(qiáng)曝氣、適當(dāng)延長(zhǎng)污泥齡等措施，在少量投加碳源的情況下，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)脫除氮素的能力。
（3）UCT-MBR具有良好的脫氮除磷效果，工藝適用于占地受限、冬季低溫、排放標(biāo)準(zhǔn)高、出水標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的污水處理廠新建或提標(biāo)改造中應(yīng)用。