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改造為例
隨著經濟和技術的發展，MBR工藝在污水處理廠的新建和提標改造中得到了一定范圍的應用。傳統MBR工藝常耦合活性污泥法、AO、AAO等，實際運行中存在TN、TP去除率受限的情況。根據研究，UCT工藝在實際應用中能最大程度地挖掘生物除磷的潛力，實現低磷排放[1]。同時，MBR可取代傳統生物工藝中的二沉池，出水水質穩定。UCT-MBR的組合工藝適用于占地面積受限且高排放標準的污水處理廠。本文以北京市某污水處理廠提標擴容改造為例，在用地面積受限、冬季低水溫、出水水質標準高的條件下，應用UCT-MBR工藝，提出相應的工藝方案，并對其運行效果進行分析。
1 工程概況
北京市某污水處理廠一期設計規模為8×104m3/d，占地66 900 m2，服務面積約50 km2，采用Carrousel氧化溝工藝，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級B標準。該廠于2007年正式運行，出水水質穩定。現狀污水處理廠工藝流程如圖1所示。
2 現狀問題
隨著城鎮經濟的發展和排水管網的完善，污水處理廠處理能力不足，需進行擴容。根據2012年北京市政策要求，污水處理廠出水標準執行《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB 11/890—2012）中的B標準，需進行提標改造。污水處理廠各類設備腐蝕損壞嚴重，池內溶解氧不足，有沉泥現象。運行中冬季進出水水質的CODCr、BOD5、氨氮及TN波動較大，進水水溫約15 ℃，硝化、反硝化反應均受到抑制，生物除磷效果不佳，加藥量較大造成污泥增多，外運費用增加。
3 提標改造工程設計
3.1 主要設計思路
基于有限的場地，根據要求的出水水質，確定各階段污染物去除率，選用占地面積適宜、運行可靠的工藝，確定工程設計方案。針對現有的運行情況，分析出水指標的達標情況，確定主要關注的指標為CODCr、氨氮、TN及TP。
3.2 設計水量、水質
污水處理廠根據規劃數據、人口指標法及占地用水量指標法測算，確定提標改造設計規模為18×104m3/d，遠期為30×104m3/d。2013年—2014年該廠進水水量大于設計水量，日均值達到9.5×104m3/d，其中5月—8月日均進水量約10.8×104m3/d，處于超負荷運行狀態。進水水質總體波動較大，其中CODCr（384~986 mg/L）、BOD5（124~520 mg/L）、SS（150~572 mg/L）及TP（6~14 mg/L）指標波動最為明顯，氮素指標則相對平穩。改造前后的設計進出水水質及現狀實際進出水水質如表1所示。
3.3 工藝選擇
國內污水處理廠的提標改造工藝繁多，主流思路為3類：（1）在二級生物處理段原位改造，增加污泥濃度，提高微生物活性，加強脫氮除磷效果，主要有MBBR工藝、MABR工藝等；（2）增加后續深度處理環節，強化去除污染物，比如各類高效沉淀池、反硝化濾池、高級氧化及其變形組合工藝；（3）應用MBR工藝，實現HRT和SRT的分離，提高污泥濃度并加強脫氮除磷,效果。
3種改造思路均有提標改造的實際案例，但單一應用某種方式，一般能穩定達到國標一級A排放標準，針對本項目的準IV類水排放標準，多應用多種方式串聯的形式。浙江省某污水處理廠應用Bardenpho+MBBR+高效沉淀池+反硝化濾池工藝改造后達到準IV類水排放標準，而北京市、天津市地區污水處理廠的提標改造多以MBR+臭氧氧化為主。3種類型的改造思路各有側重，具體選擇中工藝的主要限制因素為排放標準、占地面積和地區技術推廣程度，導向因素則包括投資、運行費用、管理難度等。排放標準執行京標B類，規定為日均值達標即可，但實際監測執行過程中多以瞬時樣為依據，對工藝的抗沖擊性、穩定性提出了更嚴苛的要求。另外，占地面積也是選擇工藝的決定性因素之一。廠區現占地約53 395 m2, 用地面積遠小于建設標準，且明確近期無可擴展用地，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含量能達到30 mg/L左右。針對進水組分有一定比例的工業廢水，進水CODCr波動較大的情況，設置紫外、臭氧催化聯合氧化保證出水CODCr含量穩定低于30 mg/L，同時降低出水色度，提高再生水回用感官效果。
如圖2所示，廠區右上為辦公區，該區域不能利用，廠區實際工藝用地約45 000 m2。處理規模擴大至18×104m3/d，增容2.25倍，預處理需要按遠期30×104m3/d水量考慮，同時兼顧改造期間不停水，對工藝的集約化和模塊化有更高要求。主體工藝選擇應用比較廣泛的MBR工藝和MBBR工藝進行比較分析。
原氧化溝污泥質量濃度在3~4 g/L，總停留時間約16.5 h，通常MBR工藝運行良好時污泥質量濃度為8 g/L以上，按該數值核算，原氧化溝改造為MBR生物池需補充容積和停留時間。將南側二沉池、紫外消毒拆除，建設好氧池、膜池和膜車間、深度處理等，組成UCT-MBR工藝。MBBR工藝為復合泥膜，污泥質量濃度按6 g/L計算，需補充建設二段缺氧、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行成本上差別不大，占地面積及工藝集約化方面MBR均占優勢。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處理+UCT-MBR+臭氧紫外聯合氧化消毒。工藝流程如圖4所示。
3.5 工藝設計
3.5.1 預處理預處理階段設粗、細、超細3級格柵，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，使其規模達到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、占地過大的細格柵和旋流沉砂池，新增細格柵及曝氣沉砂池2座，規模對應提升泵房。曝氣沉砂池最大流量水平流速為0.1 m/s，對應停留時間為2.7 min。新建近期規模為18×104m3/d的膜格柵間，尺寸為31.8 m×21.95 m×8.1 m，使用轉鼓式膜格柵，配套中壓、高壓沖洗泵進行階段性清污，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、缺氧區和部分好氧區，設計規模為18×104m3/d，總停留時間為11.7 h，其中厭氧池、缺氧池、好氧池的停留時間分別為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，整體充氧效果欠佳。拆除原有表曝機及推流器，原有厭氧區不變，原有氧化溝區域增加、拆除或改造隔墻，形成5段缺氧和好氧區。厭氧、缺氧池增設潛水攪拌機，好氧池增設管式微孔曝氣器2 600組，并設置3段回流系統，其中膜池至好氧池回流、好氧池至缺氧池回流均設置在新建生物池，缺氧池至厭氧池回流設置在改造生物池。具體改造分區如圖5所示。
新建擴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。生物池污泥質量濃度為5 000~8 000 mg/L，污泥負荷為0.05 kg BOD5/(kg MLSS·d)。膜池停留時間為2.4 h，平均膜通量為15 L/(m2·h)，污泥質量濃度為8 000~12 000 mg/L，運行方式為過濾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 聯合氧化消毒池MBR出水泵入聯合氧化消毒池（含前臭氧接觸池、封閉式紫外系統、后臭氧接觸池及巴氏計量槽），按遠期規模30×104m3/d設計，尺寸為37.5 m×24.2 m×7.50 m，池型為矩形，分為兩個系列，每系列設1格前臭氧接觸池和2格后臭氧接觸池，設3段布氣區，每段停留時間為10 min，臭氧投加量總計20 mg/L。紫外模塊設置8套，遠期增加4套，每套60只燈管。紫外系統前后兩個臭氧投加量可以調節，臭氧發生器氣源采用氧氣源，臭氧系統設置純鈦金屬曝氣頭440個，外徑為150 mm，通氣量為3 m3/h，氧利用率為18%~28%。配套建設供氧站，內設2套50 m3的液氧儲罐、汽化器、減壓裝置和電加熱裝置。接觸池出水經巴氏計量槽計量后可直接排至小中河，也可加余氯后進入回用水池。回用水池與聯合氧化消毒池及巴氏計量槽合建。污水最終消毒后外排，部分水量補投次氯酸鈉進行回用。
4 改造運行效果
項目于2018年開始穩定運行。2018年1月—2019年11月平均月進水量為382萬t，進水水量較為平穩。進水水質波動較大，各項污染物均值對比2013年—2015年呈下降趨勢，基本穩定在設計進水水質之內。實際出水各項污染物去指標均穩定達到設計出水水質標準（表3）。
改造后出水CODCr質量濃度平均為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質量濃度在30 mg/L左右，使用后出水CODCr質量濃度穩定在30 mg/L以下，說明工藝對有機物有良好的的去除效果。出水TN質量濃度平均為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，通過提高回流比、投加少量碳源的方式亦能穩定在15 mg/L以下。改造后出水TP質量濃度平均為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，存在漂泥現象，需投加大量藥劑增強除磷效果。改造后去除率提高至95%以上，除磷效果顯著好轉。應用中UCT工藝采用多段回流，避免混合液中高溶解氧及硝態氮對厭氧釋磷的影響，為聚磷菌提供了良好的環境。另外根據唐忠德等[8]研究表明，污泥中反硝化除磷菌（DPOs）富集強化了MBR的除磷效果。
運行中出水TP在冬季并未出現顯著波動，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運行中污泥齡延長，適合世代周期較長、增長緩慢的反硝化除磷菌增殖，增強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技術經濟指標
項目總投資為58 464.57萬元，其中直接工程費用為41 063.64萬元。項目直接運行成本主要包括電費、人工費、藥劑費、污泥外運費用、設備維修費等，合計為2.05元/m3（測算值）。
6 結論
（1）采用UCT-MBR工藝對北京某污水處理廠進行提標改造，改造后出水指標CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP質量濃度均值為15.13、3.32、2.42、1.19、11.12、0.25 mg/L，出水水質滿足北京市地標B標準。
（2）改造后系統具有較好的抗沖擊負荷能力，冬季低溫高負荷情況下，采取增大回流比、加強曝氣、適當延長污泥齡等措施，在少量投加碳源的情況下，有效地增強系統脫除氮素的能力。
（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、排放標準高、出水標準嚴格的污水處理廠新建或提標改造中應用。
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