在广东省环境保护厅《南粤水更清行动计划(2017-2020年)》的背景下,南方某城镇污水处理厂亟需扩建及提标改造。该污水厂现状预留用地有限,因此,需考虑节省占地的污水处理工艺,如多段AO、曝气生物滤池、移动床生物膜反应器(MBBR)及膜生物反应器(MBR)工艺。本工程经过技术经济比选,采用MBBR及MBR组合工艺,在有限的用地中同时实现污水处理厂的扩建及提标改造。

       01 污水处理厂现状及设计难点

       1.1 污水处理厂现状

       污水厂现状规模为1.5万m3/d,二级处理采用AAO生物池+二沉池,深度处理为砂滤池,消毒采用紫外线,出水排放标准执行广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB 44/26-2001)第二时段一级标准和*标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准中的较严值。具体设计进出水水质如表1所示。
       1.2 设计难点分析

       污水厂总规模为4.5万m3/d,一期已建设1.5万m3/d,因此,本次工程需扩建3万m3/d的污水处理设施。同时,设计出水水质需执行《地表水环境质量标准》中V类水标准(TN除外)。原规划中该污水厂的总规模为3万m3/d,厂内预留用地仅按1.5万m3/d的污水规模预留。因此,本工程的主要设计难点为需在有限的用地中同时完成扩建以及提标。02污水处理厂设计进出水水质通过对该厂一期实际进出水水质进行数理统计分析综合确定本次扩建及提标改造设计进水水质。二期设计进水水质与一期相比,降低了BOD5、CODCr,提高了SS、TN、氨氮,TP维持不变。设计出水水质则根据排水水体水质目标确定,具体如表2所示。
       03 污水处理厂扩建及提标改造设计思路

       本次工程进出水水质较一期工程有较大变化,且需要在有限的用地内同时完成污水厂扩建及提标。因此,设计思路为：

       (1)对一期工程处理能力进行校核,推测其在满负荷且进水水质达到设计值时是否能达到设计出水标准,充分挖潜现状处理能力并利用现状构筑物进行改造升级;

       (2)二期新建工程采用占地规模节约的高效处理工艺,新增构筑物尽可能采用组合体的形式布置。

       3.1 一期工程提标改造方案

       通过对污水处理厂生物池、二沉池、深度处理段处理能力进行理论计算得出如下校核结果。

       污水处理厂一期工程在满负荷及设计进出水水质的条件下,污泥负荷、供氧量及生物池的厌氧区、缺氧区容积均满足要求。生物池的好氧区容积偏小,约为理论计算值的70%。SS及TP均能达到设计出水水质标准。因此,一期工程在改造上应重点考虑对生物池好氧区的加强,加强对CODCr及BOD5的去除效果。

       在进水可生化性较好的情况下,对CODCr和BOD5的去除一般采用活性污泥法或生物膜法。活性污泥法有氧化沟、AAO等工艺,生物膜法则有曝气生物滤池、接触氧化池、MBR等工艺。其中应用于深度处理的主要是生物膜法。基于充分利用现状构筑物的原则,可对一期砂滤池或生物池进行改造。提出如下两种方案：

       (1)通过将砂滤池改造为曝气生物滤池,进一步降低水中的BOD5及CODCr。但一期砂滤池池体总高度仅为4.40 m(排水槽顶端距离滤板高度仅1.75 m),不具备改造的条件,因此,只能对其拆除重建。

       (2)将一期生物池改造为MBBR工艺,即通过在一期好氧区内投加生物填料以提高池内生物量,从而增强处理效率。该方案*大的优势是无需新增用地,在不停产减产的情况下实现污水厂的提标。对两种方案进行技术经济比较,结果如表3所示。

       根据上述比较,方案二在占地、工程投资及运行费用上均低于方案一,且方案一在建设期需拆除现状砂滤池,对污水厂运行会产生影响。综上,采用MBBR工艺对现状生物池进行原位升级改造,将生物池改为生物膜-活性污泥复合工艺。该方案具有无需新建反应池、节约占地、易于实施改造、工期短、活性污泥浓度高、处理效率高、节省曝气量、增强污泥稳定性、降低运行费用和基建投资等优点,目前,已在国内多个污水厂的改造和新建项目上采用并取得了较好的效果。

       3.2 二期扩建工程方案

       在污水厂实际出水水质保证率为95%的条件下,CODCr质量浓度为38 mg/L,SS质量浓度为18 mg/L,氨氮质量浓度为2.80 mg/L,TN质量浓度为16.32 mg/L,TP质量浓度为0.46 mg/L,对比二期设计出水水质及现状实际出水水质,CODCr、SS、氨氮较易达到出水标准,因此,确定二期提标改造工程的主要目标污染物为TN(质量浓度≤15 mg/L)及TP(质量浓度≤0.4 mg/L)。

       TN的去除通常采用生物处理,TP则可通过生物处理辅以化学处理去除。扩建工程需在1.5万m3/d的污水规模预留用地上建设3万m3/d的污水处理设施,且出水水质需达到《地表水环境质量标准》中V类标准(TN除外),传统生物处理(含二沉池)+深度处理工艺占地较大,难以满足扩建需求,因此,选择高效澄清池+生物滤池(前置反硝化滤池+硝化滤池+后置反硝化滤池)工艺及AAO+MBR工艺进行技术经济比较,结果如表4所示。
       根据上述比较,方案二虽然直接运行费用略高,但占地及工程投资均小于方案一,且MBR工艺对出水SS更有保障。此外,厂内二期预留用地仅为6368 m2,若采用方案一,则无多余用地建设预处理、碳源加药间等生产构筑物,因此,采用方案二(AAO+MBR)作为扩建工程的污水处理工艺。该工艺流程短,处理效率高,节约用地的同时出水水质优于传统深度处理,部分指标达到地表水Ⅳ类,可直接回用。同时,膜池较高的混合液回流比可提高生物池污泥浓度,延长污泥龄,提高处理效率的同时减少剩余污泥排放。

       3.3 工艺流程

       污水经粗格栅及提升泵房提升后,通过配水井分配至一期与二期进行处理,工艺流程如图1所示。
       3.4 平面布置及竖向设计

       污水厂平面布置如图2所示。二期预处理组合池、AAO+MBR组合池及碳源投加间位于厂区北侧预留空地上,污泥浓缩池、贮泥池及脱水车间布置于一期砂滤池及机修间北侧,二期紫外消毒渠位于一期紫外消毒渠北侧预留用地。
       污水厂竖向设计如图3所示。厂坪标高为2.30 m,污水厂进水通过泵房提升至总配水井,水位标高为6.90 m,尾水经紫外消毒后水面标高为2.40 m,在受纳水体为常水位时自流排放,为洪水位的时候通过泵提升排放。

       04 主要构筑物设计参数

       4.1 总配水井

       采用管道配水的方式难以将进厂污水按设计规模均匀分配至一期、二期生产线,因此,新建总配水一座,均匀分配污水处理厂污水。设计流量Q=2550 m3/h,总体尺寸L×B=5.50 m×4.00 m,高度H=5.20 m,分两格,一期、二期各用一格。

       4.2 细格栅、旋流沉砂池及膜格栅

       为充分节约用地,将3座构筑物采用组合池的形式布置,各构筑物具体设计如下。

       (1)细格栅

       污水厂现状一期工程采用回转式细格栅,运行效果良好,因此,为方便运营管理,本期工程延用同类型细格栅,设计流量Q=1700 m3/h,设置2道格栅流槽,渠宽为1.50 m,栅条间隙为3 mm。

       (2)旋流沉砂池

       常用的沉砂池形式有曝气沉砂池和旋流沉砂池,前者可通过调节曝气量控制污水在池内的旋流速度,因而处理效果更加稳定。但曝气会去除部分有机物减少碳源,因此,当进水碳源缺乏且采用生物脱氮除磷工艺时,尽量避免采用曝气沉砂池。旋流沉砂池则具有占地面积小,处理效率高的优点。考虑到污水厂实际进水碳氮比较低且用地紧张,二期工程采用旋流沉砂池,设计流量Q=1700 m3/h,水力停留时间为80.5 s。在水力停留时间的选取方面,规范要求大于30 s即可,而污水厂一期现状沉砂池在高峰流量时,除砂效果较差,反算此时的停留时间为30.3 s。根据现状运行人员反馈,当停留时间大于1 min时,除砂效果较好。

       (3)膜格栅

       为进一步保护后序膜处理单元,需在旋流沉砂池后设置一道超细格栅以进一步降低污水中SS的含量,降低细小纤维状物质对膜的破坏风险。本工程采用内径流孔板格栅,设计流量Q=1700 m3/h,设置3道格栅流槽,渠宽为1.60 m,栅条间隙为1 mm。

       4.3 AAO+MBR生物池

       该构筑物是污水处理厂的核心处理构筑物,采用组合池的形式布置,主要设计参数结合规范、设计经验及厂家设备性能综合确定,具体如表5所示。
       污水厂进水碳氮比(2.38∶1.00)较低,为了尽量减少碳源的消耗,保证脱氮效果,设计在满足规范要求的情况下适当缩短了厌氧区的停留时间。根据MBR工艺特点,适度增加反应池内污泥浓度,减少好氧区容积,以节约投资和占地。

       4.4 MBBR生物池(一期生物池改建)

       出水水质标准提高后,一期生物池好氧段池容不足,因此,考虑向好氧区投加生物填料,将一期生物池改造为MBBR生物池。填料设计投加量为2.2097×105 m3,规格为Φ25 mm×10 mm,比表面积≥800 m2/m3,材质为高密度聚乙烯(HDPE)。为保证填料在池内正常的流态化,需在好氧区增设辅助穿孔曝气管,辅助曝气量为20 m3/min。同时,为避免填料随水流流失需在好氧区进出口增设进出水拦截筛网。

       4.5 紫外消毒渠

       一期已建1座(1.5万m3/d)紫外消毒池,本期由于出水标准提高,需更换紫外灯组,同时新建一座紫外消毒池(规模为3.0万m3/d)。根据规范提供的参考值,当污水厂尾水为再生水时,紫外线剂量应为24～30 mJ/cm2。通过对一期土建进行复核,可将消毒渠二次浇注部分由720 mm扩宽至1000 mm,消毒模架由之前的8个增加至10个,配置紫外线灯管数量由之前的64只提高到88只,则紫外线剂量由之前的20.2 mJ/cm2提高到26.4 mJ/cm2,满足规范要求。二期新建紫外消毒渠土建尺寸与一期一致,共设21个紫外消毒模块,每个模块含紫外线杀菌灯数8支,紫外线剂量满足规范要求。

       4.6 泥处理设施

       本工程设计绝干泥量为6.28 t/d,其中剩余污泥为5.93 t/d,化学污泥为0.35 t/d,设计万吨水产泥量为1.39 t。污泥处理工艺流程为浓缩池+贮泥池+板框压滤机,设计泥饼含固率为40%。

       设计采用2座池径为10 m的污泥浓缩池,固体负荷为40 kg/(m2·d)。

       本工程在污泥浓缩池及污泥脱水车间之间设置2座贮泥池以平衡污水厂排泥的不均匀性,单座平面尺寸为4 m×4 m,有效水深为3.5 m,总有效容积为112 m3,可存放压滤机1～2个批次的泥量。

       脱水机房面积为282.95 m2,安装两台过滤面积为250 m2的板框式压滤机,总功率N=10.3 kW,单台设备处理能力为每批次0.6～1 t。压滤机1 d运行4个批次,每个批次4 h,单台工作时间为16 h,两台同时使用。污泥调理采用生石灰+三氯化铁组合方式进行调理。生石灰投加量按每吨干污泥100 kg考虑,三氯化铁溶液(有效含量为10%)投加量按每吨干污泥50 kg考虑。

       4.7 除臭设施

       除臭设施采用离子除臭工艺,共设3套除臭设备。其中,1号除臭设备对二期细格栅及沉砂池、膜格栅及二期厌氧进行除臭,除臭风量Q=5000 m3/h,功率N=10.2 kW;2号除臭设备对一期细格栅及沉砂池、一期粗格栅及进水泵房、一期厌氧池及二期总配水井进行除臭,除臭风量Q=8000 m3/h,功率N=14.55 kW;3号除臭设备对二期污泥浓缩池、贮泥池、污泥脱水车间进行除臭,除臭风量Q=12000 m3/h,功率N=16.9 kW。处理后的臭气经排放管排放至15 m高空。

       05 效果分析

       5.1 用地指标分析

       污水厂吨水占地面积为0.66 m2,根据*新出版的《城市污水处理工程项目建设标准》(建标 198-2022)中的相关要求,规模在5万m3/d以下的污水处理厂,二级处理+深度处理用地指标不应超过1.55 m2/(m3·d-1),本污水厂用地面积较标准要求节约57.4%,实现了土地利用率的大幅度提高。

       5.2 运行效果分析

       (1)水质分析

       污水厂自2020年运行以来平均处理水量为37221万m3/d,保证率为95%时处理水量为40411万m3/d,水量负荷率为89.8%,实际进出水水质如表6所示。
       污水厂在水量水质基本达到设计值的情况下,出水水质可稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中V类标准(TN除外),部分出水水质指标达《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅳ类标准,当MBR工艺在膜通量为19.84 L/(m2·h)时运行较为稳定。

       为了检验一期生物池改造为MBBR工艺后的运行效果,对其改造前后实际进出水中BOD5及TN进行分析,结果如表7所示。
       一期工程改造完成后,在95%保证率的情况下,BOD5的去除率由71.02%提升至92.24%,TN的去除率由16.60%提升至57.23%。分析认为通过在好氧区投加生物填料一方面提高了活性污泥的浓度,另一方面填料表面附着生长的生物膜具有较长的污泥龄,有利于世代时间较长的硝化菌生长繁殖,因此,BOD5和TN的去除率均有提升。

       (2)电耗、药耗分析

       污水厂电费为0.275元/m3(吨水电耗为0.43 kW·h),药剂费为0.0885元/m3(主要使用药剂聚合硫酸铁、乙酸钠、生石灰、三氯化铁、次氯酸钠及柠檬酸)。

       (3)产泥量分析

       污水厂一期改造后工艺为MBBR生物池+二沉池+砂滤池,万吨水产泥量为1.09 t;二期工程新建工艺为AAO+MBR膜工艺,万吨水产泥量为0.64 t,约为前者的58.7%。因此,MBR膜工艺较MBBR工艺更能有效减少剩余污泥排放量。

       06 结论与建议

       (1)在不改变生物池土建主体结构的前提下,通过在好氧区投加生物填料将AAO生物池改造为MBBR生物池,进一步提高对BOD5的去除,出水水质全面提升至《地表水环境质量标准》中V类标准(TN除外)。目前,工艺运行良好,出水水质稳定达标。

       (2)本工程在预留用地极其有限的条件下,通过技术经济比选后采用MBBR工艺以及MBR工艺对污水处理厂进行提标及扩建,同时新建预处理及生物处理构筑物均采用组合池的形式布置,吨水占地面积为0.66 m2,较*新标准要求用地节约57.4%,大幅提高土地利用率。

       (3)MBR膜工艺较MBBR工艺更能有效减少剩余污泥排放量,前者排放的剩余污泥量约为后者的58.7%。当MBR工艺在膜通量为19.84 L/(m2·h)时,出水水质稳定,可为同类型污水处理厂的设计改造提供参考与借鉴。

       (4)二期设计中将旋流沉砂池水力停留时间延长至80.5 s,实际运行中除砂效果较稳定,建议水量波动较大的污水厂选用该池型时,停留时间至少大于1 min。

       (5)目前进水浓度尚未完全达到设计值,尤其是BOD5及SS,因此,产泥量较低。待后期服务范围内管网完善,进水浓度进一步提高后,需重点关注沉砂池的运行效果,合理优化深度处理的加药量,降低泥处理费用。