沙 超

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

截至2019年底，全國城鎮(zhèn)累計建成污水處理廠5 476座，污水處理能力約2.1億m3/d[1]。其中，大部分城鎮(zhèn)污水廠均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，但對于水環(huán)境敏感的地區(qū)，出水標準仍無法滿足水環(huán)境質量的整體要求[2]，我國部分省市如北京、天津等已經(jīng)要求污水廠執(zhí)行更高的設計標準。深圳市作為典型的丘陵地形，當?shù)睾拥蓝鄶?shù)起源于深圳本地，長度較短，為雨源型河道，河道坡度大，如無河道蓄水設施，河道旱天水位低、斷面小，水環(huán)境容量較小。深圳市降雨多為暴雨，河流水位突升，流量大，退水快，難以“留住水”。2015年深圳市發(fā)布了《深圳市治水提質工作計劃》(2015—2020年)， 計劃指出，2020年河道指標全面達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類水標準。由于深圳市的河道水環(huán)境容量的現(xiàn)狀，為達到河道Ⅳ類水目標，對應的污水處理廠亟需進行提標改造工程，確保主要指標達到Ⅳ類水標準，本文簡稱為“準Ⅳ類標準”(主要指標COD、BOD、NH3-N和TP指標達到地表水Ⅳ類標準，其中CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、NH3-N≤1.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L)。當前，國內大中型中心城市污水處理廠的提標改造工程面臨一些共性問題：現(xiàn)狀設施需充分利用、出水標準要求特別高、允許工期短、用地緊張或無合適用地等[3]，導致提標改造工程需充分對現(xiàn)狀二級生物處理設施進行復核，選擇的提標工藝流程應盡量減少新建構建筑物的數(shù)量，三級處理盡量選用節(jié)地高效工藝，整體工藝方案具有良好的耐水量和水質沖擊的能力。

本項目是在上述背景下開展的工程實踐，現(xiàn)狀二級處理設施處理能力有限，提標改造工程出水標準要求較高，廠區(qū)現(xiàn)狀用地緊張，經(jīng)過深入的分析和研究，本項目選用MBBR改造+新增磁混凝沉淀+超濾膜的組合提標改造工藝，取得了良好的處理效果，項目案例可為國內同類污水廠提標改造提供參考。

1 污水廠現(xiàn)狀及改造要求

1.1 運行現(xiàn)狀

本項目污水設計規(guī)模為20萬m3/d，于2006年9月投產(chǎn)運行，出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。主要處理工藝為“粗格柵及進水泵房+細格柵及渦流沉砂+UCT生化池+二沉池+紫外消毒”工藝。對污水處理廠近幾年的運行報表進行分析統(tǒng)計，2014年7月—2016年1月污水處理廠日均污水處理量除2014年12月和2015年1月外均高于20萬m3/d，年平均處理量為22萬m3/d，污水處理廠出水水質基本可滿足原設計出水標準—《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，但總氮(TN)偶爾超標，主要出現(xiàn)在冬季與春季。污水廠原設計進出水水質如表1所示。

表1 污水廠原設計進出水水質Tab.1 Design Influent Water Quality of WWTP

表2為2014年—2016年污水處理廠進水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP濃度的累計頻率統(tǒng)計分析結果。在90%累積頻率統(tǒng)計下，除CODCr、NH3-N和TN進水濃度與原設計值比較接近外，其他指標中BOD5低于設計進水指標的濃度，SS和TP進水濃度高于原設計值，BOD5/CODCr約為0.3，低于城市生活污水廠典型值，可生化性一般。BOD5/TN約為2.2，BOD5/TP約為12.4，實際水質碳源相對不足，廠區(qū)運行部分時段為確保TN達標，需要外加碳源。此外，污水廠進水含砂量高，進水泵房、生反池停水清砂情況較多。進水水質主要受進水管網(wǎng)系統(tǒng)及收集污水來源影響，本項目服務范圍大部分區(qū)域存在較多城中村和老舊小區(qū)，現(xiàn)狀為合流制管道，排水管渠縱橫交錯，最終形成排入水體的通道，入河前通過沿河的截流箱涵截流污水入廠，系統(tǒng)收水范圍最遠點距離污水廠約20 km，部分有機物可能沿途發(fā)生沉積和降解，導致整體進水BOD5濃度偏低。地區(qū)較多的工業(yè)污水同樣影響污水廠進水可生化性，部分管網(wǎng)不完善區(qū)域，在支流河道設置了“總口”截流設施，直接截流清潔基流、入河污水等進入沿河截流管道，稀釋進水水質并引入了較多的砂粒、垃圾等等。上述原因共同作用，導致污水廠進水水質有一定的波動。

表2 2014年—2016年污水廠實際進水水質累計頻率統(tǒng)計分析Tab.2 Cumulative Frequency Analysis of 2014—2016 Actual Influent Water Quality

1.2 提標改造要求

本次提標改造要求污水出水主要指標：CODCr、BOD5、NH3-N、TP執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類水標準，TN、糞大腸菌群數(shù)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，SS≤5 mg/L。結合實際出水水質情況以及現(xiàn)狀構建筑物設置現(xiàn)狀，本次提標改造工程需將重點關注氮類污染物、SS和TP等污染指標。

另外，本項目作為已經(jīng)運行的污水廠的改造工程，需要遵循以下基本原則[4-5]：(1)充分利用已建處理設施，力求少改動，最大限度減少對污水廠正常運行的影響；(2)盡量采用節(jié)地特點的工藝或建設形式，最大化土地價值；(3)在改造中盡量維持全廠平面布局的合理統(tǒng)一。

2 改造重點難點及應對措施

2.1 改造重點難點分析

本次提標改造工程存在如下3方面的難點。

(1)出水標準高。出水NH3-N要由8 mg/L降低至1.5 mg/L，TN由20 mg/L降低至15 mg/L，現(xiàn)狀生物處理系統(tǒng)池容有限，需充分復核池容、內回流、鼓風機等設施能力，并在此基礎上，考慮新增池體或設備。項目實際運行時進水TP和SS超標較嚴重，本次提標出水SS≤5 mg/L，TP≤0.3 mg/L，現(xiàn)狀廠內缺少保障設施。

(2)污水廠進水含砂量大，對生物反應池穩(wěn)定運行的威脅較大，需考慮可靠的應對措施。

(3)現(xiàn)場用地非常緊張，提標改造工程需要充分利用現(xiàn)狀零星地塊，提標改造工藝選擇限制較多，設計難度和施工難度均比較大。

2.2 設計方案應對措施

2.2.1 UCT生反池復核及改造措施

現(xiàn)UCT生反池按一級B出水標準設計，共設置4座水池，單池處理規(guī)模為5萬m3/d，設計HRT：厭氧1.8 h，缺氧1.8 h，好氧6.0 h(總HRT=9.6 h)，污泥齡12 d。提標改造工程按照“準Ⅳ類標準”出水BOD5≤6 mg/L、TN≤15 mg/L、NH3-N≤1.5 mg/L對系統(tǒng)進行復核，復核結果如表3所示。如系統(tǒng)污泥濃度按照3.5 g/L運行，復核好氧池容積不足，適當提高至4 g/L后，則計算可滿足處理需求，因此，提標改造工程要求生反池按照4 g/L的污泥濃度運行。同時，該系統(tǒng)安全系數(shù)不高，當系統(tǒng)污泥濃度低于4.0 g/L時，進水指標波動較大并超過設計進水值，或MLVSS/MLSS較低時，UCT池氮類污染物達標較為困難，為確保項目的達標穩(wěn)定性和可靠性，需要對現(xiàn)有的生反池系統(tǒng)進行必要的改進。

常規(guī)可行的技術方案是進一步提高系統(tǒng)污泥濃度或對生反池進行擴建，具體包括：(1)對回流污泥進行預濃縮，提升生物系統(tǒng)污泥濃度；(2)現(xiàn)有生物處理系統(tǒng)投加懸浮填料(MBBR)，提升系統(tǒng)污泥濃度；(3)采用MBR替代二沉池；(4)新建一組生物反應池。

考慮項目用地緊張，缺乏擴建用地的現(xiàn)實，本著充分利用現(xiàn)有設施進行挖潛改造的原則，提標改造工程擬采用“非工程”提標MBBR技術對UCT生反池進行改造[6]，適當提高生反池缺氧段停留時間，好氧段投加MBBR填料，確保氮類污染物穩(wěn)定達標。

2.2.2 SS、TP的達標

本次提標改造工程對出水SS和TP的控制比較嚴格，常規(guī)的二級生物處理不能保障穩(wěn)定達標，必須新建深度處理構筑物，增加化學強化處理。針對TP≤0.3 mg/L的要求，可采用MBR工藝或者混凝沉淀+過濾等手段。本項目為現(xiàn)狀改造工程，不具有MBR改造的條件，同時，本項目要求SS穩(wěn)定達到5 mg/L以下，常規(guī)的過濾手段難以滿足達標要求，

表3 現(xiàn)狀UCT生物反應池復核結果Tab.3 Verification of Current UCT Process

仍然需要膜工藝做后端兜底保障。因此，本次提標結合廠內用地特點，確定選用高效沉淀+超濾膜工藝，高效沉淀工藝配套磁介質投加功能，進一步保障污水達標的可靠性。

2.2.3 進水高含砂處理處理措施

污水廠高含砂量根本解決手段仍然是管網(wǎng)完善，深圳市2015年—2020年全市范圍內均在開展源頭小區(qū)“正本清源”、市政管網(wǎng)雨污分流等工程，污水含砂情況會逐步好轉。但本項目規(guī)模較大，需考慮一些改造和強化，考慮現(xiàn)有的旋流沉砂池HRT較短，本次增設網(wǎng)板細格柵及曝氣沉砂池提高除砂效果，新建系統(tǒng)與現(xiàn)有旋流沉砂系統(tǒng)互為備用，優(yōu)先曝氣沉砂為主。細格柵采用3 mm的格網(wǎng)，結合深圳其他污水廠的運行案例，具有較好的攔截砂粒的作用。

因此，本次提標改造工程工藝流程如圖1所示。

圖1 提標改造后工藝流程Fig.1 Process Flow after Upgrading and Reconstruction

3 提標改造工程設計

3.1 設計進水水質

根據(jù)對污水處理廠工程的實際進水水質分析，污水廠進水主要以綜合生活污水為主，其污水中所含污染物濃度應為典型的城市污水類型。從長遠考慮，隨著深圳市城市快速發(fā)展，一些工業(yè)的遷出，納污片區(qū)排水系統(tǒng)將逐步完善，污水水質濃度將會因為較完善的雨、污分流而有所提高?？紤]到在冬季枯水期(11月—3月)雨量明顯減少，旱季污水水質濃度較高等情況，結合該地區(qū)其他污水處理廠的水質特點，并適當留有余量，確定本次提標改造工程設計進水水質與現(xiàn)狀工程一致，具體如表4所示。

表4 本工程設計進水水質Tab.4 Influent Water Quality Designed for the Project

3.2 提標改造工程主要設計參數(shù)

(1)新建細格柵及曝氣沉砂池

設計規(guī)模20萬m3/d，1座4池，單組處理能力5.0萬m3/d，網(wǎng)板細格柵孔徑3 mm，沉砂池有效水深3 m，高峰HRT為9.9 min。

(2)UCT生物反應池MBBR改造

設計規(guī)模20萬m3/d， 4座，每座設計規(guī)模5.0萬m3/d，厭氧段設置1格，HRT為1.8 h，缺氧段設置一格，HRT為1.8 h，好氧段分為5個廊道，單個廊道HRT為1.2 h，共計6 h。本次提標改造工程，好氧池第1廊道改為兼氧池，增設潛水攪拌器2套，可根據(jù)進水情況停止曝氣，開啟攪拌器，改為第二格缺氧池使用，這樣可將缺氧區(qū)HRT為由1.8 h提升至3 h，強化TN去除效率。好氧池第2廊道改造為MBBR池，填料執(zhí)行《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》(CJ/T 461—2014)標準，采用高密度聚乙烯懸浮填料B類填料，填料尺寸25 mm × 10 mm，有效比表面積800 m2/m3，投加比例25.8%。出水增設20 mm孔徑不銹鋼篩網(wǎng)攔截填料，池中在底部微孔曝氣基礎上，進一步在出水側設置穿孔曝氣，穿孔曝氣量約占整體生反池曝氣量的10%，本項目MBBR池依靠穿孔曝氣和進出水流態(tài)實現(xiàn)池中填料的均勻和分散，不設置推流器或攪拌器。

(3)新建深度處理建(構)筑物

新建磁混凝沉淀池設計規(guī)模20 m3/d，1座4組，設置混凝池、磁粉投加池、絮凝池及沉淀池，沉淀區(qū)域峰值表面負荷Qmax=14.9 m3/(m2·h)。為提高混凝沉淀效果，池體投加磁粉。新建超濾膜車間設計規(guī)模20萬m3/d，設置10套機組，單套機組凈產(chǎn)水量833.3 m3/h。選用內壓式中空纖維超濾膜，孔徑0.02 μm，膜通量為45 L/(m2·h)，膜系統(tǒng)水回收率≥90%。

(4)乙酸鈉投加系統(tǒng)

一般進水BOD5與總凱氏氮(TKN)之比宜大于4，才能保證反硝化反應的高效進行[7]。本項目在設計水質情況下基本滿足上述條件，而現(xiàn)狀實際進水水質復核，BOD5/TKN一般在2.1～2.36，碳源不足，本次提標改造工程考慮擴建碳源投加系統(tǒng)用于近期生物脫氮，遠期作為應急備用手段保留。外加碳源量理論上應該按照BOD5/TKN>4核算，但本項目為提標改造工程，考慮現(xiàn)狀既有的乙酸鈉加藥設施，本次按照新的出水標準相對一級B標準的差異，需新增去除5 mg/L TN考慮碳源的投加量，乙酸鈉設計新增投加量40 mg/L。

3.3 工程投資及運行成本

本工程總投資2.84億元，建安工程費用為2.47億元。本次提標改造完成后，污水處理廠新增單位處理成本0.72元/m3，新增單位經(jīng)營成本0.57元/m3。

3.4 運行效果

本次提標改造工程于2018年底建成通水，各項出水指標均能穩(wěn)定達到“準Ⅳ類標準”要求。表5為2019年1月—12月污水處理廠實際平均進出水水質及污染物去除率，2019年年平均處理水量稍有提高，達到22.5萬m3/d。隨著地區(qū)污水管網(wǎng)的進一步完善，2019年污水廠進水水質平均值較2014年—2016年(表2)有較大的提升，經(jīng)過提標改工程，污水廠出水各項污染指標值均較改造前有明顯的降低。本次重點關注的4項指標SS、TN、NH3-N、TP的去除率分別由改造前的96%、52%、89%、89%提高至改造后的99%、75%、98%、98%，表明提標改造后的MBBR和深度處理發(fā)揮了良好的作用。此外，提標改造新建的曝氣沉砂池去除的砂粒表觀上較原旋流沉砂池去除砂粒的粒徑更細，除砂效果應該優(yōu)于原沉砂池，但污水廠運營方無明確的除砂量數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比，除砂效果有待進一步的評估。本次提標改造后，污水廠實際的乙酸鈉投加量約在50～55 mg/L，TN的去除情況良好，出水TN維持在相對較低的水平，運行中乙酸鈉投加量有進一步優(yōu)化的空間。

表5 提標改造后進出水水質及平均去除率Tab.5 Influent and Effluent Water Quality and Average Removal Rate after Upgrading and Reconstruction

4 結論

提標改造工程采用了新建細格柵曝氣沉砂池， 現(xiàn)狀UCT生反池MBBR改造，增加磁混凝沉淀池+超濾膜車間的組合方案，實際運行結果表明系統(tǒng)運行良好，出水能夠穩(wěn)定達標。設計過程對現(xiàn)狀污水廠進行充分優(yōu)化，選取合適的設計參數(shù)，并總結了一些心得和體會，可供“準Ⅳ類標準”水提標項目借鑒和參考。

(1)針對污水廠內用地特別緊張的特點，提標改造工程充分利用了廠區(qū)僅有的零星用地，提標改造的組合工藝可作為類似項目的典型工藝流程借鑒或使用。

(2)目前國內污水處理廠面臨環(huán)保方面考核的巨大壓力，污水廠出水需要24 h連續(xù)穩(wěn)定達標，污水廠進水水質難免波動[8]，因此，大型的污水廠預留安全保障措施十分必要。本次提標改造工程對UCT進行了充分復核，基于現(xiàn)狀系統(tǒng)達標存在風險的現(xiàn)狀，確定對系統(tǒng)進行了MBBR改造，設置了兼氧池，確保生反池缺氧池和好氧池池容可以靈活切換，在實際的運行中得到了應用。特別是污水廠收到不明來源工業(yè)水持續(xù)影響情況下，對于TN的保障起到了很好的緩沖作用。此外，深圳市正在開展提質增效相關工程的實施工作，實施后污水廠的進水水質將得到進一步的提升，本次改造預留措施將發(fā)揮更大的作用。同時，MBBR系統(tǒng)篩網(wǎng)的防堵塞是非常現(xiàn)實的問題，本項目選用了3 mm的網(wǎng)板細格柵，有效地攔截了細小垃圾、毛發(fā)等，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行起到了重要作用。篩網(wǎng)的頂部需要設置有效的溢流孔，避免堵塞引起的污水溢流及其他相關風險。而且，篩網(wǎng)應設置有效的清理污物的氣、水沖洗及刮渣設施，進一步保障系統(tǒng)安全。

(3)本次提標改造工程深度處理設置的磁混凝沉淀池和超濾膜兩道工藝確保了SS和TP達標。磁混凝沉淀池考慮了磁粉介質投加的相應設施，池體表面負荷按照常規(guī)高效沉淀池進行設計，預留了一定的應對水質水量沖擊的潛力，在應對運行中TP超標時，發(fā)揮了重要作用。同時，在二沉池-紫外線之間設置了多種超越組合，可實現(xiàn)分別超越磁混凝沉淀池、超濾、部分超越超濾等功能，盡可能保障設施檢修時污水處理需求。