污水处理厂改造工程设计及运行效果分析_李丰波.pdf

2023年3月收稿日期：20221025作者简介：李丰波（1981），男，工程师，主要从事水处理研究及应用工作。摘要：克拉玛依市某污水厂一期工程设计水量5万m3/d，随着人口的增长和城市的快速发展，该污水厂不能满足现有水量处理要求，需进行升级改造。此次扩容改造设计采用多段多级AO生物池+反硝化深床滤池工艺，污水深度处理采用投加一硫酸氢钾经接触池消毒后回用。介绍了此次扩容工程的设计特点以及运行效果。关键词：多段多级AO生态池；反硝化深床滤池；水量中图分类号：TV213.4；X52文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0032-04DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.009污水处理厂改造工程设计及运行效果分析李丰波1，周远涛2，李向辉2，季洋3（1.克拉玛依天创水务有限公司，新疆克拉玛依834000；2.西安创业水务有限公司，陕西西安710000；3.西安建筑科技大学，陕西西安710000）克拉玛依市某污水厂的既有处理规模为 5.0104m3/d，设计出水水质满足 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级A标准。随着城市发展、人口增长，该污水厂的处理规模已不满足实际需求，需对该污水厂进行扩容改建，实现日均处理能力和出水水质的双重提升。本文对扩容改建的工艺和改造后运行效果进行介绍和分析。1原污水厂运行概况1.1原处理工艺、进出水水质及水量根据 2015、2016 年进水水质统计数据，进水COD 的数值基本稳定在 250500 mg/L，每年 48月偏低，经统计得 COD550 mg/L的概率为 94.4%。进水BOD5波动范围大，高值可达430 mg/L，低值为94 mg/L；同COD一致，每年48月偏低，BOD5250mg/L 的概率为 84.2%。而进水 TN、氨氮值差异较大，TN 高值达到 62.2 mg/L，低值 12.3 mg/L，两者相差 49.9 mg/L；氨氮43 mg/L的概率为 88.8%。进水TP值常年基本稳定在5 mg/L以下。进水具有春、冬两季污染物浓度略高，夏、秋两季污染物浓度略低的特点。该污水厂一期工程出水中的TP存在长期不达标的情况，氨氮的不达标率为 11.1%，TN的不达标率为27.8%，BOD5的不达标率高达50%。从时间分布上可看出，TN、BOD5、氨氮不达标集中出现在 12月次年4月，气温偏低的冬季。这说明一期工程的一二级曝气生物滤池和反硝化生物滤池在实际运行中的处理效果不稳定且温度较低时处理效果较差。该污水厂一期工程设计规模为 5 万 m3/d，据2016年进水水量数据分析得，污水高峰期集中在69月夏季阶段，其进水量高达5.8万m3/d。污水量较大，超过一期工程设计规模，污水厂处于超负荷运行状态，有着出水水质超标风险。1.2原污水处理系统的主要问题原污水厂采用曝气生物滤池的运行方案，该方案的水力停留时间短、水力负荷大。该方案基本达到脱氮除磷的效果，但缺陷是脱氮效率低。分析其原因，主要有以下3点。（1）一期工程设计规模为5万m3/d，69月平均进水量5.8万m3/d，水量超过设计规模，曝气生物滤池的水力负荷超过原有设计水力负荷，处于超负荷运行状态。在冬季最冷月的平均温度为-16.7，而曝气生物滤池在温度偏高时处理效果好，因此此时对出水水质具有重大影响。（2）曝气生物滤池工艺对预处理要求较为严格，在实际运行中，滤头容易受堵、滤板容易受损，且受堵受损后不容易进行更换，导致配水不均匀，影响反冲洗效果，也不利于微生物生长，影响出水水质效果1。（3）由于曝气生物滤池的特性，不需要设置二沉池等，导致缺乏后期化学除磷设置，整个工艺流程对磷的处理效率不高，易使出水总磷超标。海河水利322023.No.32基于原污水厂运行状态的扩建2.1预选扩建方案目前流行的活性污泥法工艺较多，如A2O工艺、多段多级AO工艺、SBR工艺和氧化沟工艺。该类型处理工艺在实际工程案例较多，并且适用于大中型污水处理厂，每个工艺各有优缺点。（1）A2O（厌氧-缺氧-好氧）工艺是20世纪70年代开发的，其代表性工艺有倒置A2O工艺和A2O氧化沟工艺等2，是能够同时去除氮和磷的污水处理工艺3。20世纪80年代在中国就成功应用于污水处理厂。与其他传统工艺相比，其优点是工艺流程简单，总水力停留时间短，一个工艺中具有好氧、厌氧和缺氧环境，微生物可以提供不同的功能分区；同时，污泥不易膨胀，具有良好的沉淀性，有利于后续工艺二沉池进行泥水分离。该工艺二次沉淀池中的剩余污泥磷含量较高，可用于磷肥的循环利用。但是，该工艺也有缺点，除磷效果难以再行提高，由于内循环量控制在2倍进水以内，导致反硝化脱氮效果也难于进一步提高，污泥浓度增长有限，进水二次沉淀池的处理水需要保持一定的溶解氧，减少二沉池的停留时间，防止产生厌氧状态让污泥释放磷使出水总磷超标，但溶解氧浓度不宜过高，以防循环混合液对缺氧反应器的干扰。（2）多段多级AO工艺由多个AO反应池串联而成。在多段多级AO工艺中，整个工艺被划分成厌氧、好氧、厌氧/好氧交替环境，利用自动化控制进水分流进入相应的反应池，使污水中的碳源有选择地提供给不同功能区，优先用于厌氧释磷和反硝化脱氮等，可以有效节省碳源。与其他传统工艺相比，其优点是该工艺不需要硝化液内回流和有效利用污水中的碳源，能节省电耗和碳源费用，降低运行成本；混合液悬浮固体浓度高于一般的工艺，单位池容积处理负荷大，能有效减少工艺构筑物面积，节约占地；被划分出来的厌氧、好氧、厌氧/好氧环境的交替能很好地提高脱氮除磷效率；能有效应对污水处理厂的进水水质变化和水量变化。但是，其缺点是工艺的管路系统复杂，需要多个自动控制仪表，对于运行管理水平要求较高4。（3）SBR工艺是序批式活性污泥法的简称。该工艺是利用间歇式曝气、间歇式闲置和间歇式进水排水的方式处理污废水5，由进水、曝气、沉淀、排水和待机5个基本工序组成6。该工艺同时具有调节池、反应池、二沉池的功能，不需要内回流和污泥回流系统。与其他传统生物脱氮工艺相比，其优点是其中的污泥活性较高，在面对水质水量变化较大的污水水源时能及时应对冲击，利用污泥浓度的优势快速降解代谢污水中有毒有害的物质，工程投资和运行成本合理7。但是，其缺点是所有的生化反应都在同一反应池中进行，使得硝化细菌和反硝化细菌的反应相互矛盾，同时占地面积需求大、自动化控制要求高等，这导致SBR工艺在实际工程中的应用不多。（4）氧化沟工艺是在20世纪5060年代出现的活性污泥法技术，也被称为连续循环曝气池。氧化沟工艺所设计的分区包括池体、进水区、出水区、所用设备曝气设备和自动化控制设备8。曝气设备为氧化沟提供充足的氧气，是氧化沟必不可少的设备，同时具备搅拌作用，防止活性污泥沉淀，有利于活性污泥充分分解有机物，还能提升水流流动，常用的曝气设备有表面曝气机、射流曝气和管式曝气9。我国目前使用该工艺的污水处理厂有上百座，是一种成熟的工艺。与其他传统生物脱氮工艺相比，其优点是氧气随水流方向逐步递减，使沟内溶解氧浓度梯度明显，缺氧和厌氧交替出现，有利于微生物脱氮除磷；同时，其推动水体流动的特性在氧化沟形成更好的混合液生物絮凝物，提高了污泥沉降速度和二沉池的澄清效果。但是，其缺点是对曝气设备要求高，设备损坏后不易维修，缺乏厌氧的环境，面对含磷较高的污水去除效果不佳。2.2原系统的改造内容对曝气生物滤池受堵的滤头及受损的滤板进行更换，更换比表面积更大的生物填料和更好的承载微生物；针对一期工艺在冬季运行时存在水温偏低的情况，在一二级曝气生物滤池开敞的池体上方增加保温棚，类似于温室大棚，能有效解决冬季水温低、脱氮除磷效果差的问题；改造反硝化深床滤池和新建反硝化滤床，提高出水水质，滤池前投加药剂由甲醇改为醋酸钠，节约运行成本。2.3扩建方案确定2.3.1设计进出水水质、水量依据一期工程进水水质数据，可判断进水是典型的城市生活污废水且水质基本稳定。在此基础上，设计二期工程进水水质为：BOD5250 mg/L，COD550 mg/L，SS320 mg/L，NH3-N43 mg/L，TP5.0mg/L，TN52 mg/L。出水水质按 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级 A 标准执行。一期工程的设计规模为5万m3/d，依据克拉玛依市人口增长速度和城市远期规划，二期工程设计李丰波，周远涛，李向辉，等：污水处理厂改造工程设计及运行效果分析332023年3月规模为10万m3/d，两者合计即为15 m3/d污水处理规模。2.3.2扩建工艺方案需要考虑扩建的质量、施工效率、运行管理以及投资成本。结合现有生物脱氮工艺实践案例，参考其他生物脱氮工艺的运行特点，本次二期工程的工艺以多段多级AO生物池为核心生物处理单元，后期工艺采用高效沉淀池和反硝化深床滤池相结合的方式运行10。二期工程具体工艺，如图1所示。该工艺能提高生物池内平均污泥浓度，减少生物池容积，可充分利用原水中的碳源，提高脱氮除磷效果11。图1多段多级AO生物滤池工艺由图1可知，污水进入粗格栅，在此处去除不溶解的漂浮物，再由4台大小相配的泵提升至细格栅，去除更细小的漂浮物，随后进入曝气沉砂池，将其中的大颗粒砂石去除，再入多段多级AO反应池。AO反应池进水渠道配置4个进水口，分别位于厌氧池和3个缺氧池处。整个AO反应池采用厌氧池缺氧池好氧池缺氧池好氧池缺氧池好氧池多段多级池体形式。在厌氧池设置导流墙以及高速潜水搅拌器，使厌氧池的污水和回流污泥能够很好的混合，减少池体浮泥，增加除磷效果；在缺氧池设高速潜水搅拌器，减少浮泥现象的发生；好氧池采用底部曝气方式，曝气器选用盘式曝气器。出水经终沉池进行泥水分离。污水自终沉池重力自流进入深度处理的反硝化深床滤池，经过机械搅拌混合以及投加碳源、除磷剂处理，最后入接触池消毒后，流向四周湿地。3扩建后工程运行效果分析二期工程于2017年完工，6月工艺系统进入稳定运行期，可发现各项出水指标实测值均能满足扩建设计指标，其运行效果如图2所示。图220162020年各月份COD、NH3-N、TN及TP去除率变化趋势进水粗格栅及提升泵房细格栅及曝气沉砂池多段多级AO反应池终沉池反硝化深床滤池排泥浓缩脱水污泥缓冲池污泥浓缩池剩余污泥及回流泵房接触池回用水泵房湿地细格栅及曝气沉砂池10510095908580757065605550去除率/%2016-12-012017-01-012017-02-012017-03-012017-05-012017/-06-012017/-07-012017-08-012017-09-012017-10-012017-11-012017-12-012018-01-012018-02-012018-03-012018-04-012018-05-012018-06-012018-07-012018-08-012018-09-012018-10-012018-11-012018-12-012019-01-012019-02-012019-03-012019-04-012019-05-012019-06-012019-07-012019-08-012019-09-012019-10-012019-11-012019-12-012020-01-012020-02/012020-03-012020-04-012020-05-012020-06-012020-07-012020-08-012020-09-012020-10-012020-11-012020-12-01日期CODNH3-NTNTP海河水利342023.No.33.1COD/NH3-N扩建改造前，曝气生物滤池对于进水中难以降解的COD去除效果不佳。2017年，出水COD值低于20 mg/L的概率为20%，氨氮值高于0.5 mg/L的概率为95%。扩建改造后，主体工艺采用多段多级AO工艺，此时COD值更低，低于20 mg/L的概率为60%；出水氨氮值高于0.5 mg/L的概率为79%。由上表明，在扩建工程完成后出水COD和氨氮值进一步降低。3.2TNTN去除率是 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级 A 标准执行中的重要指标。扩建改造前，由于一期工程的设计规模为5万m3/d，进水水量高于设计规模，导致曝气生物滤池的负荷高于设计值，出水TN去除率基本在75%以下；二期工程完成后，出水TN基本维持在10 mg/L以下，且去除率明显上升、基本维持在75%以上。3.3TP扩建改造前，一期工程运行缺乏后置除磷设备，TP去除效果不明显，特别是2015年处于长期不达标状态。二期工程完成后，在高效沉淀池前添加除磷剂，经反硝化深床滤池后，出水TP满足 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A标准。4结论综上所述，可得以下结论。（1）在一期工程基础上进行升级改造，新扩建多段多级AO池+高效沉淀池+反硝化深床滤池工艺，实际运行效果良好，且出水满足 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A标准。说明一期工程的升级与二期工程的扩建方案可行。（2）原有系统进水中TN波动大，且进水碳源总量偏低，严重抑制了工艺的TN去除效果，TN去除率一直难以突破75%，不利于后期工艺反硝化深床滤池的运行。为了出水满足一级A标准，需要投加大量的甲醇，导致运行成本增大。扩建改造后，工艺的TN去除率得到提升，且在滤池改用醋酸钠作为碳源能降低投加费用。参考文献1 吴晓波，申峥.曝气生物滤池工艺在污水处理厂升级改造中的应用J.工程技术研究，2020，5（24）：247-248.2 张绫纳，许敏，李昀奇.浅谈污水AAO处理工艺J.城市地理，2017（10）：132.3 段付岗，谭宏亮.AAO法和SBR法污水处理工艺对比分析及控制要点J.大氮肥，2018，41（5）：345-358.4 王舜和，郭淑琴，魏新庆.分段进水多级A/O工艺的特点与问题J.山西建筑，2015，41（2）：113-114.5 宋涛，栗振翩，阮彩霞.SBR序批式活性污泥污水处理工艺技术运行优化J.煤化工，2021，49（5）：62-65.6 梁伟，李志东，张洪林，等.SBR法特性分析及其发展趋势J.长春理工大学学报，2006（3）：96-98，112.7 马岑鑫.探究SBR工艺在城市污水处理厂的应用J.环境与发展，2017，29（3）：113-114.8 师晓春.改良氧化沟运行效果J.水处理技术，2016，42（10）：114-116，20.9 刘小卫.浅析城镇污水处理工艺J.中国高新技术企业，2008（20）：74，8.10 孟繁芹.多段多级AO工艺在污水处理厂升级改造工程中的应用J.中国资源综合利用，2018，36（1）：59-61.11 牛珊.多段多级AO工艺在重庆某污水处理厂三期扩建工程中的应用J.智能城市，2019，5（13）：158-159.SL395-2007S.北京：中国水利水电出版社，2013：10-11.18 周绪申，李娜，孙博闻，等.白洋淀浮游生物群落结构的季节变化及其与环境因子的关系J.水利水电技术（中英文），2021，52（8）：110-119.19 朱旭宇，黄伟，曾江宁，等.氮磷比对冬季浮游植物群落结构的影响J.应用与环境生物学报，2013，19（2）：293-299.20 Koerselman W，Meuleman A F.The vegetation N：P ratio：anew tool to detect the nature of nutrient limitationJ.Journalof Applied Ecology，1996，33（6）：1441-1450.21 Guildford S J，Hecky R E.Total nitrogen，total phosphorus，and nutrient limitation in lakes and oceans：Is there a common relationshipJ.Limnol&Oceanogr，2000，45（6）：1213-1223.22 吕虹瑞，吕俊平，刘琪，等.太原汾河蓄水区2014年丰水期叶绿素的时空变化及环境因子相关性分析J.水生生物学报，2016，40（6）：1278-1286.23 Devercelli M，Farrell I O.Factors affecting the structure andmaintenance of phytoplankton functional groups in a nutrient rich lowland river J.Limnologica，2013，43（2）：67-78.24 Reynolds C S.What factors influence the species composition of phytoplankton in lakes of different trophic status J.Hydrobiologia，1998，369（1）：11-26.25 张辉，彭宇琼，邹贤妮，等.新丰江水库浮游植物功能分组特征及其与环境因子的关系J.中国环境科学，2022，42（1）：380-392.26 林楚翘，易雨君，李春晖，等.白洋淀浮游生物群落动态变化与生物量模拟研究J.水利水电技术，2020，51（12）：169-179.27 刘晓英.洱海水生真菌多样性及Minimelanlocus属形态与系统学研究D.大理：大理大学，2016：10-16.28 郑九文，邢鹏，余多慰，等.不同水生植物残体分解过程中真菌群落结构J.生态学，2013，32（2）：368-374.（上接第25页）李丰波，周远涛，李向辉，等：污水处理厂改造工程设计及运行效果分析35