設計案例 | 城市污水廠一級A提標改造如何進行工藝選擇和設計
隨著城市水環(huán)境綜合治理的需求，污水廠一級A標準全面推行，而提標改造工程的工藝的合理選擇將直接關系到工程投資和運行成本，并影響污水廠高效低耗、安全穩(wěn)定運行。
那么如何合理地進行工藝選擇？設備工藝如何設計改造？
南京城北污水處理廠提標改造工程
本文從實際工程出發(fā)，總結(jié)國內(nèi)污水廠一級A排放標準提標改造的工藝設計特點，討論了污水廠出水提標至一級A標準的技術手段，分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點，并對污水廠未來發(fā)展方向提出了建議。
城市污水處理廠發(fā)展
城市污水處理廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。
第一階段：以去除懸浮物、較大顆粒物為主的一級污水廠，處理工藝一般為沉砂池、初沉池，該類污水廠主要建于20世紀初期，對污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%與50%，目前一級污水廠僅在特殊情況下采用或作為更高級污水廠分期建設的第一階段。
第二階段：以生物處理為主體二級污水廠，即一般在預處理的基礎上新增曝氣反應池和二沉池，該類污水廠在20世紀50年代以后得到快速發(fā)展，可去除水中可生物降解的有機物、懸浮固體以及部分營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷）等，尤其是對污水中COD、BOD的去除率分別可達到80%與90%。
二級生物處理主要包括活性污泥法（AO工藝、AAO工藝、氧化溝OD工藝以及SBR工藝等）和生物膜法（生物濾池等），目前兩者共同覆蓋了我國城鎮(zhèn)污水處理設施主體工藝的90%以上。
第三階段：以“混凝-沉淀-過濾”深度處理工藝為代表的三級污水廠，該類污水廠在20世紀60年代末開始建設，至90年代逐漸得到重視，主要用來進一步去除污水中剩余的懸浮固體，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及其它微量有機物，三級污水廠出水大大降低了污染負荷，對于控制水體富營養(yǎng)化，改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。城市污水處理廠工藝流程如圖所示。
污水處理廠的提標改造
統(tǒng)計資料顯示，截至2016年底，我國已累計建成污水處理廠共3 552座，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準比例約為27%。隨著水污染的防治力度的加大，部分地區(qū)制定了嚴格的地方標準，將排入地表水體N、P等污染物的排放限值規(guī)定進一步接近或達到地表Ⅳ類水體水質(zhì)。但結(jié)合我國實際發(fā)展情況，大部分地區(qū)還應以一級A標準為污水處理的主要目標，因地制宜地實施污水處理廠的升級改造。
通常污水廠水質(zhì)提標時，可能存在已建生物反應池脫氮除磷能力可能不足，二級生物處理本身較難保證出水SS、TP及TN同時達到一級A標準等問題。需采取強化二級生物處理工藝或增加深度處理工藝的方法進行提標改造，確保污水廠出水水質(zhì)達到一級A標準。例如TN，需要進行生物反應池改造強化生物脫氮，同時增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補充措施等。在實際工程應用中，應結(jié)合不同地區(qū)污水處理廠運行的實際情況、污水廠實際進出水水質(zhì)分析等，因地制宜，合理地進行工藝選擇。
淮安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)污水處理廠擴建及提標改造工程
一級A提標改造工藝選擇
在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除通過有機物氧化、氨化、硝化和反硝化過程實現(xiàn)，認為硝化與反硝化兩個過程相對獨立。但是，在實際工程應用中，同一反應池中生物脫氮與生物除磷過程易受各種因素影響（包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥回流比等），并相互制約，很難同時獲得較高的生物脫氮、生物除磷效率。因此，在污水廠提標改造時，對現(xiàn)有二級生物處理工藝脫氮除磷效率進行分析，深入挖掘傳統(tǒng)工藝脫氮除磷能力，減少后續(xù)工藝流程長度，是十分必要的。
不同工藝脫氮除磷效果
在實際工程應用中，若要進行生物脫氮或生物除磷，一般要求進水BOD5/TKN＞4或BOD5/TP＞17， 保證碳源充足；若要同步脫氮除磷，由于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競爭，所需C/N、C/P值更高。因此，碳源不足可能成為限制生物脫氮除磷效率提高的關鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝研究的應用，污水處理過程中的碳源、能源消耗可大大減少，但上述工藝在國內(nèi)實際工程應用的還較少。因此，現(xiàn)階段我國污水處理廠提標改造工藝設計的一般原則仍然是優(yōu)先生物脫氮，強化生物除磷、輔助化學除磷，同時宜考慮碳源補充措施。
一級A提標改造工藝設計與改造
已建處理單元改造
（1）初沉池改造
污水廠中初沉池主要用來降低懸浮固體的含量，保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運行，但另一方面，初沉池對碳源也有一定比例的去除（BOD的去除率為25%~40%），造成污水廠生物反應池進水碳源不足問題更加突出，影響生物脫氮除磷效率。目前，針對污水廠已建初沉池，結(jié)合具體工程條件，若需要進行改造，一是將初沉池改為厭氧區(qū)或（預）缺氧區(qū)，增加生物反應池水力停留時間；二是利用初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生VFA（揮發(fā)性脂肪酸），充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)脫氮除磷效果。研究表明，初沉發(fā)酵池宜在進水BOD5 /TN偏低（BOD5/TN＜4 ）、SS/BOD5偏高（SS/BOD5＞1.2）時設置，可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性，減少外部碳源投加量。
（2）生物反應池改造
在提標改造工藝設計時，應結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析，按設計進出水水質(zhì)對已建生物反應池池容進行復核。通過技術改造，充分發(fā)揮二級生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，已建生物反應池改造常用的方法有：①調(diào)整功能分區(qū)，若已建生物反應池容積基本滿足要求，可通過新增土建隔墻或結(jié)合初沉池改造的方式，將原池內(nèi)各段分區(qū)進行調(diào)整，或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等；②MBBR工藝改造：即一般在優(yōu)先保證厭、缺氧區(qū)容積的條件下，通過好氧區(qū)投加懸浮填料富集微生物，實現(xiàn)活性污泥法與生物膜法聯(lián)用，保證二級生物處理效果，該方法比較適用于用地限制、不增加反應池容積的老廠改造；③擴容減量改造，通過核減已建生物反應池處理規(guī)模，減小負荷、延長水力停留時間，同時另外新建生物反應池滿足污水處理水量要求。
增加深度處理工藝
在二級生物處理出水之后增加深度處理工藝，是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準的重要一步。根據(jù)工程設計進出水水質(zhì)分析及主要污染物控制目標，深度處理工藝設計一般可分為4類，如圖所示。
（1）如二級處理出水水質(zhì)指標接近或可達到一級A標準，且達標率較高、污水廠進水水質(zhì)也趨于穩(wěn)定，可采用直接過濾（混凝-絮凝-過濾）或接觸過濾（混凝-過濾）工藝。
（2）如二級處理出水中NH3-N、TN較低，TP和SS指標相對較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝，出水經(jīng)消毒處理后，確保達到一級A標準；
（3）如二級處理出水水質(zhì)相對一級A標準差距較大，NH3-N和TN也 較高，可采用曝氣生物濾池強化脫氮，后續(xù)增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標；
（4）如二級處理出水仍需進行脫氮除磷，污水廠用地又十分緊張，出水標準也較高（或高于一級A標準），則可采用MBR工藝，出水經(jīng)消毒處理后達標排放。
污水廠提標改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等，由于污水廠實際情況各不相同，出水標準要求也不同，最終設計方案需通過技術經(jīng)濟綜合比選后確定。但工藝設計時，宜優(yōu)先考慮強化二級生物處理脫氮除磷效率，減少后續(xù)工藝流程長度，否則可能會造成工程投資增大、運行成本增加，也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。
污泥處理工藝改造
污水廠提標改造由于設計規(guī)模和進水水質(zhì)基本不變，新增污泥主要為化學除磷過程中產(chǎn)生的化學污泥，其產(chǎn)量相對剩余污泥較小，可沿用污水廠已建污泥處理設施。但由于近年來國內(nèi)環(huán)保要求愈加嚴格，污泥處置方式也已發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，污水廠水質(zhì)提標的同時還應注重老廠現(xiàn)狀污泥處理設施的改造，并配套除臭裝置等，以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置出路的要求。剩余污泥填埋等方式越來越受到限制，污泥脫水、干化后直接焚燒的處置方式具有較明顯的優(yōu)勢，對工程實踐具有重要參考意義。
主要構(gòu)筑物設計
（1）高效沉淀池
高效沉淀池一般包括快混區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)三部分，通過投加化學藥劑，可有效去除COD、SS和TP，去除率分別可達60%、80%與90%。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設計規(guī)范》（GB 50335—2016），高效沉淀池主要設計參數(shù)為：混合時間宜為0.5~1.0 min，絮凝時間宜為8~15 min，沉淀池表面負荷宜為 10~20 m 3 · （ m 2 ·h ） -1 ，污泥回流比宜為3%~6%。近年來，出現(xiàn)了磁粉或微砂等介質(zhì)強化高效沉淀池，通過投加磁粉或微砂，可提高絮體密實度，縮短沉降時間，減少化學藥劑的投加量，但工程應用時還需重點關注流失磁粉或微砂對后續(xù)污泥處理處置的影響。
（2）過濾工藝
目前，工程上過濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池、V型濾池、微過濾器、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等，其中前三者一般僅有過濾功能，以去除SS為主；而反硝化深床濾池、曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮功能，尤其是曝氣生物濾池，通過設計不同的池型，可對BOD5、SS、NH3-N、TN等具有較好的去除效果，工藝設計時宜將曝氣生物濾池置于化學除磷之前，保證進水磷酸鹽等營養(yǎng)充足；此外，硝化濾池還要特別注意控制進水氨氮濃度，保證冬季硝化細菌的正常生長。
曝氣生物濾池
城市污水廠未來將更加注重污水的深度處理以及再生回用，污水廠提標改造需結(jié)合不同地區(qū)的現(xiàn)狀差異，充分研究、因地制宜，確定合理的出水標準與技術方案，最大發(fā)揮污水廠的工程效益。
為方便微信閱讀，對原文有所修改，原文發(fā)表在《凈水技術》2020年第4期“城鎮(zhèn)給排水工程設計案例專欄”
設計案例 | 城市污水廠一級A提標改造如何進行工藝選擇和設計
隨著城市水環(huán)境綜合治理的需求，污水廠一級A標準全面推行，而提標改造工程的工藝的合理選擇將直接關系到工程投資和運行成本，并影響污水廠高效低耗、安全穩(wěn)定運行。
那么如何合理地進行工藝選擇？設備工藝如何設計改造？
南京城北污水處理廠提標改造工程
本文從實際工程出發(fā)，總結(jié)國內(nèi)污水廠一級A排放標準提標改造的工藝設計特點，討論了污水廠出水提標至一級A標準的技術手段，分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點，并對污水廠未來發(fā)展方向提出了建議。
城市污水處理廠發(fā)展
城市污水處理廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。
第一階段：以去除懸浮物、較大顆粒物為主的一級污水廠，處理工藝一般為沉砂池、初沉池，該類污水廠主要建于20世紀初期，對污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%與50%，目前一級污水廠僅在特殊情況下采用或作為更高級污水廠分期建設的第一階段。
第二階段：以生物處理為主體二級污水廠，即一般在預處理的基礎上新增曝氣反應池和二沉池，該類污水廠在20世紀50年代以后得到快速發(fā)展，可去除水中可生物降解的有機物、懸浮固體以及部分營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷）等，尤其是對污水中COD、BOD的去除率分別可達到80%與90%。
二級生物處理主要包括活性污泥法（AO工藝、AAO工藝、氧化溝OD工藝以及SBR工藝等）和生物膜法（生物濾池等），目前兩者共同覆蓋了我國城鎮(zhèn)污水處理設施主體工藝的90%以上。
第三階段：以“混凝-沉淀-過濾”深度處理工藝為代表的三級污水廠，該類污水廠在20世紀60年代末開始建設，至90年代逐漸得到重視，主要用來進一步去除污水中剩余的懸浮固體，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及其它微量有機物，三級污水廠出水大大降低了污染負荷，對于控制水體富營養(yǎng)化，改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。城市污水處理廠工藝流程如圖所示。
污水處理廠的提標改造
統(tǒng)計資料顯示，截至2016年底，我國已累計建成污水處理廠共3 552座，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準比例約為27%。隨著水污染的防治力度的加大，部分地區(qū)制定了嚴格的地方標準，將排入地表水體N、P等污染物的排放限值規(guī)定進一步接近或達到地表Ⅳ類水體水質(zhì)。但結(jié)合我國實際發(fā)展情況，大部分地區(qū)還應以一級A標準為污水處理的主要目標，因地制宜地實施污水處理廠的升級改造。
通常污水廠水質(zhì)提標時，可能存在已建生物反應池脫氮除磷能力可能不足，二級生物處理本身較難保證出水SS、TP及TN同時達到一級A標準等問題。需采取強化二級生物處理工藝或增加深度處理工藝的方法進行提標改造，確保污水廠出水水質(zhì)達到一級A標準。例如TN，需要進行生物反應池改造強化生物脫氮，同時增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補充措施等。在實際工程應用中，應結(jié)合不同地區(qū)污水處理廠運行的實際情況、污水廠實際進出水水質(zhì)分析等，因地制宜，合理地進行工藝選擇。
淮安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)污水處理廠擴建及提標改造工程
一級A提標改造工藝選擇
在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除通過有機物氧化、氨化、硝化和反硝化過程實現(xiàn)，認為硝化與反硝化兩個過程相對獨立。但是，在實際工程應用中，同一反應池中生物脫氮與生物除磷過程易受各種因素影響（包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥回流比等），并相互制約，很難同時獲得較高的生物脫氮、生物除磷效率。因此，在污水廠提標改造時，對現(xiàn)有二級生物處理工藝脫氮除磷效率進行分析，深入挖掘傳統(tǒng)工藝脫氮除磷能力，減少后續(xù)工藝流程長度，是十分必要的。
不同工藝脫氮除磷效果
在實際工程應用中，若要進行生物脫氮或生物除磷，一般要求進水BOD5/TKN＞4或BOD5/TP＞17， 保證碳源充足；若要同步脫氮除磷，由于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競爭，所需C/N、C/P值更高。因此，碳源不足可能成為限制生物脫氮除磷效率提高的關鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝研究的應用，污水處理過程中的碳源、能源消耗可大大減少，但上述工藝在國內(nèi)實際工程應用的還較少。因此，現(xiàn)階段我國污水處理廠提標改造工藝設計的一般原則仍然是優(yōu)先生物脫氮，強化生物除磷、輔助化學除磷，同時宜考慮碳源補充措施。
一級A提標改造工藝設計與改造
已建處理單元改造
（1）初沉池改造
污水廠中初沉池主要用來降低懸浮固體的含量，保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運行，但另一方面，初沉池對碳源也有一定比例的去除（BOD的去除率為25%~40%），造成污水廠生物反應池進水碳源不足問題更加突出，影響生物脫氮除磷效率。目前，針對污水廠已建初沉池，結(jié)合具體工程條件，若需要進行改造，一是將初沉池改為厭氧區(qū)或（預）缺氧區(qū)，增加生物反應池水力停留時間；二是利用初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生VFA（揮發(fā)性脂肪酸），充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)脫氮除磷效果。研究表明，初沉發(fā)酵池宜在進水BOD5 /TN偏低（BOD5/TN＜4 ）、SS/BOD5偏高（SS/BOD5＞1.2）時設置，可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性，減少外部碳源投加量。
（2）生物反應池改造
在提標改造工藝設計時，應結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析，按設計進出水水質(zhì)對已建生物反應池池容進行復核。通過技術改造，充分發(fā)揮二級生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，已建生物反應池改造常用的方法有：①調(diào)整功能分區(qū)，若已建生物反應池容積基本滿足要求，可通過新增土建隔墻或結(jié)合初沉池改造的方式，將原池內(nèi)各段分區(qū)進行調(diào)整，或改為倒置AAO工藝、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等；②MBBR工藝改造：即一般在優(yōu)先保證厭、缺氧區(qū)容積的條件下，通過好氧區(qū)投加懸浮填料富集微生物，實現(xiàn)活性污泥法與生物膜法聯(lián)用，保證二級生物處理效果，該方法比較適用于用地限制、不增加反應池容積的老廠改造；③擴容減量改造，通過核減已建生物反應池處理規(guī)模，減小負荷、延長水力停留時間，同時另外新建生物反應池滿足污水處理水量要求。
增加深度處理工藝
在二級生物處理出水之后增加深度處理工藝，是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準的重要一步。根據(jù)工程設計進出水水質(zhì)分析及主要污染物控制目標，深度處理工藝設計一般可分為4類，如圖所示。
（1）如二級處理出水水質(zhì)指標接近或可達到一級A標準，且達標率較高、污水廠進水水質(zhì)也趨于穩(wěn)定，可采用直接過濾（混凝-絮凝-過濾）或接觸過濾（混凝-過濾）工藝。
（2）如二級處理出水中NH3-N、TN較低，TP和SS指標相對較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝，出水經(jīng)消毒處理后，確保達到一級A標準；
（3）如二級處理出水水質(zhì)相對一級A標準差距較大，NH3-N和TN也 較高，可采用曝氣生物濾池強化脫氮，后續(xù)增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標；
（4）如二級處理出水仍需進行脫氮除磷，污水廠用地又十分緊張，出水標準也較高（或高于一級A標準），則可采用MBR工藝，出水經(jīng)消毒處理后達標排放。
污水廠提標改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等，由于污水廠實際情況各不相同，出水標準要求也不同，最終設計方案需通過技術經(jīng)濟綜合比選后確定。但工藝設計時，宜優(yōu)先考慮強化二級生物處理脫氮除磷效率，減少后續(xù)工藝流程長度，否則可能會造成工程投資增大、運行成本增加，也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。
污泥處理工藝改造
污水廠提標改造由于設計規(guī)模和進水水質(zhì)基本不變，新增污泥主要為化學除磷過程中產(chǎn)生的化學污泥，其產(chǎn)量相對剩余污泥較小，可沿用污水廠已建污泥處理設施。但由于近年來國內(nèi)環(huán)保要求愈加嚴格，污泥處置方式也已發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，污水廠水質(zhì)提標的同時還應注重老廠現(xiàn)狀污泥處理設施的改造，并配套除臭裝置等，以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置出路的要求。剩余污泥填埋等方式越來越受到限制，污泥脫水、干化后直接焚燒的處置方式具有較明顯的優(yōu)勢，對工程實踐具有重要參考意義。
主要構(gòu)筑物設計
（1）高效沉淀池
高效沉淀池一般包括快混區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)三部分，通過投加化學藥劑，可有效去除COD、SS和TP，去除率分別可達60%、80%與90%。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設計規(guī)范》（GB 50335—2016），高效沉淀池主要設計參數(shù)為：混合時間宜為0.5~1.0 min，絮凝時間宜為8~15 min，沉淀池表面負荷宜為 10~20 m 3 · （ m 2 ·h ） -1 ，污泥回流比宜為3%~6%。近年來，出現(xiàn)了磁粉或微砂等介質(zhì)強化高效沉淀池，通過投加磁粉或微砂，可提高絮體密實度，縮短沉降時間，減少化學藥劑的投加量，但工程應用時還需重點關注流失磁粉或微砂對后續(xù)污泥處理處置的影響。
（2）過濾工藝
目前，工程上過濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池、V型濾池、微過濾器、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等，其中前三者一般僅有過濾功能，以去除SS為主；而反硝化深床濾池、曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮功能，尤其是曝氣生物濾池，通過設計不同的池型，可對BOD5、SS、NH3-N、TN等具有較好的去除效果，工藝設計時宜將曝氣生物濾池置于化學除磷之前，保證進水磷酸鹽等營養(yǎng)充足；此外，硝化濾池還要特別注意控制進水氨氮濃度，保證冬季硝化細菌的正常生長。
曝氣生物濾池
城市污水廠未來將更加注重污水的深度處理以及再生回用，污水廠提標改造需結(jié)合不同地區(qū)的現(xiàn)狀差異，充分研究、因地制宜，確定合理的出水標準與技術方案，最大發(fā)揮污水廠的工程效益。
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