东莞市某小型城镇污水处理厂提标改造工程设计案例

范绍锦，刘敬雯，谢汉祺，陈显飚，汪 涛

(1.东莞市水务投资有限公司，广东东莞 523000；2.新南威尔士大学土木与环境工程学院，新南威尔士州悉尼 2000；3.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300000)

随着城市的高速发展和全面建设小康社会的步伐加快，国家和东莞市政府对环境保护也提出了更高的要求。城市生态环境的高标准要求不仅有利于改善东莞周边自然生态环境，更有利于提升东莞市的综合实力和核心竞争力，促进该市的政治、经济和文化等各方面健康可持续地发展。东莞市各地方污水处理厂为配合落实《广东省环境保护“十三五”规划》的节能减排工作，对厂区进行提标改造工程建设。

我国城市生活污水主要来源于城市居民生活用水的排放，该类排放污水中有大量的有机物和一定量的病原微生物，且污水中含氮、磷等元素。近年来有研究报告指出，我国城市生活污水有向低碳氮比形式演变的趋势，传统反硝化工艺因无法得到充足的碳源而难以达到深度脱氮的效果[1]。此外，我国较多城市因为前期重视不足，在市政工程建设期间投入资金严重不足，或者缺乏科学性规划，导致给排水管道简单，使得城市污水处理厂每日进水中氮、磷来源复杂且含量不稳定[2]。

目前东莞市共有58个拥有完整污水处理工艺的污水处理项目，其中，有23个项目由东莞市水务集团进行统一运营管理，剩余污水处理项目为“BOT”模式，由私人企业进行运营管理。而除去这些拥有完整污水处理工艺的项目外，东莞水务集团近年来逐步启动35个污水处理项目的提标改造工程，分别坐落于东莞市每个镇街，主接收来水为“BOT”模式运营下的污水处理项目出水，把各“BOT”模式运营下原污水处理项目的污水排放标准由一级B标准全面提升至一级A标准，即保证东莞市内所有污水处理项目排放污水可达到一级A标准和广东省地方标准较严值。东莞市某小型生活污水处理厂采用新增的“反硝化池+滤布滤池+紫外消毒池”，对原处理工艺尾水进行提标改造，为保证反硝化阶段有充足碳源，采用乙酸钠为外加有机碳源。该污水处理厂提标改造工程采用的新增工艺在东莞市众多提标改造工程中具有代表性和参考性。

1 项目概况

1.1 厂区及项目基本情况

该污水处理厂位于东莞市松山湖高新技术产业开发区内，园区属亚热带海洋性气候，气温常年稳定适中。该厂原工艺用地为0.134 3 km2，污水处理规模为5万m3/d，于2009年6月投入使用后，出水标准已达到《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，处理后出水经排洪渠汇入当地寒溪河。寒溪河全长为59 km，流域面积高达720 km2，既是该城市交通大动脉，同时也是东莞各城市的生活用水主要来源，被称为当地的母亲河，因此，对排入该河中的水质应有较高的标准。

东莞市某小型生活污水处理厂原有工艺主体选用“粗格栅+细格栅+涡流沉砂池+氧化沟+紫外消毒池”的处理工艺，工程产生污泥进行机械浓缩脱水后外运。此原有工艺在有机物去除处理上有较好的作用，但在深度脱氮除磷方面没有明显的成效[3]。原处理工艺设计进出水水质如表1所示。

表1 污水处理厂原处理工艺设计进出水水质Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality of Existing Treatment Process of WWTP

提标改造方案与工艺调整因地制宜，城市污水处理厂运行影响整座城市的正常运行，因此，无法进行长时间的停产改造，需选用在原有工艺上改动较少、运行可靠的处理工艺[4]。该厂经研究后决定将原处理工艺排放出水经泵二次提升后，采用反硝化池、滤布滤池和紫外消毒池相结合的工艺进行提标处理，使该厂二次排放出水达到预期标准。提标改造设计进出水水质如表2所示。

表2 污水处理厂提标改造工程设计进出水水质Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality of Upgrading and Reconstruction Project

1.2 污水处理厂原处理工艺水质分析

原处理工艺实际进出水水质如图1所示。

图1 原处理工艺实际进出水水质Fig.1 Influent and Effluent Water Quality in Existing Treatment Process

结合表1、图1对原处理工艺实际进出水水质进行分析，实际出水中各项指标已达到一级B标准，其中COD、BOD5以及NH3-N这3项指标已远优于原设计出水标准，SS、TN这2项指标接近于、等于设计排放标准，TP远未达到原工艺设计出水标准。原处理工艺有能力将TP的出水指标达到一级A标准，因此，本次提标改造工艺应将处理重点放在SS、TN的去除上。

1.3 污水处理厂提标前问题

(1)由于该园区给排水管道前期设计不合理等，导致污水处理厂长期处于超载状态下运行，不仅使得污水处理厂的每日污水处理量远高于原设计处理规模，且使得每日污水进水质量受到影响而变得不稳定，增加处理难度。

(2)在污水处理厂长时间满负荷或超负荷的状态下，原污水处理设备无法得到正常的维护与检修，从而产生缺氧池内弹性填料断裂导致污泥上浮等问题。

(3)原污水处理工艺的曝气生物滤池采用多台罗茨风机，鼓风机运行时所产生的声音较大，造成噪声污染。

(4)原污水处理期间受BAF工艺所限，采用前沉淀预处理，产生的初沉污泥未经好氧稳定，存在一定程度上污泥发黑、臭气较大的现象。

上述所列问题的症结，关键在于厂区进水水量已超出原设计进水水量，目前，该园区二期污水处理厂已投入使用，可适当减轻本厂污水处理负担。

2 提标改造工程技术分析

2.1 悬浮物去除及工艺确定

污水处理厂原来针对悬浮物的去除采用的是“粗格栅+细格栅+涡流沉淀池”组合工艺，该套组合工艺局限性在于只能去除较大的悬浮物，且涡流式沉淀池对水量冲击适应能力不强，一般适用于处理规模较小的污水处理厂。而考虑该厂长期处于满载或超载状态下工作，实现污水中悬浮物的深度去除是本次提标改造的重点之一。该厂结合实际情况比较后，选用去除效率高、投资较小、运行管理简单且自动化程度高的滤布滤池[5]。

2.2 氮去除及工艺确定

该污水处理厂原脱氮工艺采用的是曝气生物滤池(BAF)处理工艺，该项工艺虽具有有机物容积负荷高等优点，但对进水水质要求高，脱氮除磷的能力与传统工艺相比有所欠缺，不仅需要外面增设DN池，而且会经常因为滤料粒径过小导致滤料堵塞。原工艺出水水质测得NH3-N含量较低，即原工艺中硝化反应已进行较为彻底，出水中氮以硝态氮的形式占出水TN的绝大部分，因此，本次提标改造工艺中氮去除的重点在于污水中硝态氮的去除[6]。而在多种工艺比较选择中，决定采用被广泛应用于深度除氮脱氮、投资成本适中且运行稳定的反硝化生物滤池作为这次提标改造中的脱氮工艺[7]。

2.3 细菌、病原体去除及工艺确定

消毒工艺是污水处理的最后一道程序。在我国，消毒工艺主要采用液氯消毒、二氧化氯消毒或紫外消毒这3种常见方法。但前两种消毒剂投放时会产生消毒副产品，不可控地造成二次污染。紫外消毒具有效率高、不产生二次污染且安全可靠等优势逐渐被认可，也作为本次提标工程的选用工艺[8]。

提标改造项目运营期工艺流程如图2所示。

图2 提标改造工程处理工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of Upgrading and Reconstruction Project

2.4 外加碳源选择确定

新增工艺中反硝化池内发生的反硝化作用需消耗一定量的碳源，原工艺处理后污水有机物去除率较高，所排尾水中自带的碳源无法满足该反硝化过程的需要，需人工投加碳源以确保反硝化池的正常运作[9]。在考虑外加碳源的成本与效益、安全性与有效停留时间等问题后，该厂决定采用乙酸钠作为这次提标改造工程中新增反硝化池的外加碳源[10]。同时，考虑溶药劳动力强度较大，故拟采用液体乙酸钠，并根据提标工艺中进水TN与NH3-N的含量差设计外加碳源乙酸钠的平均投加量暂为25 mg/L，观察出水TN去除效率，随时对乙酸钠投放量进行工艺调整。

3 提标改造工程设计

该生活污水处理厂提标改造工程选址处为污水处理厂预留用地，工程总用地面积约为3 808.13 m2。

3.1 反硝化池的工艺流程及设计参数

原工艺处理污水经中间提升泵站提升进入生物滤池总进水槽，由总进水槽分配至每格生物滤池进水管，每格生物滤池进水管将污水送至滤池底部，污水自下而上以一定的流速流经生物滤料，滤料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，在生物膜微生物的作用下，消耗有机物碳源，分解其中的硝态氮、亚硝态氮，从而使污水得到净化，达到脱碳、脱氮的目的。同时，充满滤料的滤床可以有效地截留水中的悬浮物，去除流经污水中的SS，从而使污水能得到进一步澄清。

新增的反硝化池主要用于去除污水中的硝态氮，设计平均流量为2 083 m3/h，高峰流量为2 078 m3/h。该池子为半地下式钢筋砼结构，池内分5格，反硝化池的总尺寸：L×B×H=20.10 m×20.80 m×7.00 m，而滤池内每格尺寸为3.56 m×19.30 m，池内滤料填装高度为2.5 m，其中包括滤料层、卵石垫层、布气布水装置。该反硝化池选用的外加碳源是乙酸钠。

3.2 滤布滤池工艺设计参数

新增的滤布滤池利用压差使悬浮物通过多孔性介质，使固体颗粒被截留，实现悬浮液中固、液有效分离，进一步去除污水中的SS及其所影响的其他指标含量。该滤池结构类型为半地下式构筑物搭配上部钢砼顶棚，滤布滤池的总尺寸：L×B×H=11.20 m×12.70 m×4.50 m，过滤系统类型为表面过滤，其处理能力达到0.578 m3/s，可实现出水中悬浮物小于10 mg/L。

4 提标改造工程试运行

该提标改造工程于2019年12月完工，对2020年1月1日—2020年2月13日进出水数据进行试行性分析，便于发现工艺不足以得到及时调整，提标改造后实际进出水水质结果如表3所示。

表3 污水处理厂提标改造后进出水水质Tab.3 Influent and Effluent Water Quality after the Upgrading of WWTP

提标改造完成后，前期运行效果良好。本次提标改造工艺采取的是原处理工艺尾水再提标处理，提标工艺进水即是原处理工艺出水。CODCr、NH3-N、BOD5与SS指标的去除率分别达到35.6%、22.2%、45.9%和58.1%，出水平均值不仅达到预期处理效果，且远低于一级A标准与广东省地方标准的较严值。经测定，进出水pH值在6～9波动，处于正常波动范围。

由表3可知，TN、TP含量实现了大幅度的下降，且呈现持续下降的趋势。提标改造前后每日实际TN出水含量如图3所示。

图3 污水处理厂提标改造前后每日TN出水含量Fig.3 Daily Effluent TN before and after Upgrading and Reconstruction

提标改造前后每日实际TP进出水含量如图4所示。

图4 污水处理厂提标改造进出水TP含量Fig.4 TP Content of Influent and Effluent in Upgrading and Reconstruction Project

由图3、图4可知，提标改造后TN与TP的出水含量皆有一定程度上的改善，而2020年1月20日以后，出水TN平均含量已低于预期标准。TN含量仍没有达到一级A标准，应考虑反硝化池未完全发挥其作用，而影响反硝化脱氮的因素主要有碳源、内回流比、DO等，其中，碳源和内回流比影响较大。后期运行因考虑乙酸钠的单位投放量可能不足，可适当增大其投放量，争取使反硝化池完全发挥作用，达到深度脱氮效果[11]。

TP去除因考虑污水处理过程中内含颗粒物等物质会影响其出水含量，原处理工艺中生化池末端可考虑投放适量的混凝剂，与污水中颗粒物发生沉淀反应，进而达到出水中TP含量降低的目的[12]。目前，中小型污水处理厂常用混凝剂有聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铝铁(PAFC)这2种，取该厂水样进行药剂试用测定，两种混凝剂对该厂污水的处理效果如表4所示。

在相同情况下，可得出PAC的除磷效果略微优胜于PAFC，且PAC与PAFC这两种高分子絮凝剂的购买成本一样，因此，应考虑在原处理工艺中间断性投放适量的PAC，以期出水中TP含量降低，达到预期标准。投放时应注意投放量过大或投放频率过密时，池内絮体堆积而造成滤池内滤料堵塞的问题。

该提标改造工程总投资为 4 211.1万元， 其中建筑安装工程费用约为3 426.07万元。提标项目中环保投资为150万元，约占总投资比例的3.6%。

表4 两种不同混凝剂对污水中TP去除效果对比Tab.4 Comparison of TP Removal Efficiency between Two Different Coagulants on TP Removal in Wastewater

提标改造后，新增运行成本约为0.253元/m3，其中，主要是新工艺运行产生电费以及外加碳源购买成本，新工艺运行产生电费成本约占总新增成本的29%，外加碳源因需持续投放，用量较大，约占总新增成本的70%，是提标改造后新增运行成本的主要组成部分[13]。

5 结论

(1)该厂采用新增“反硝化生物滤池+滤布滤池+紫外消毒池”工艺对原工艺处理的生活污水尾水进行出水提标，在不影响污水处理厂正常工作的前提下，充分利用原厂区周边空地进行工程改造，且短期内实现新增工艺试运行的高效稳定。

(2)在总处理规模不变的情况下，新增工艺稳定试运行一段时间后，pH一直处于正常范围内波动，出水中CODCr、SS、BOD5、NH3-N这4项指标均达到一级A标准和广东省地方标准一级标准中的较严值，TN和TP的出水含量实现大幅度的下降，且呈现持续下降趋势。

(3)提标改造后，污水处理的新增运行成本约为0.253元/m3。该厂的提标改造工程设计可适用于其他小型城市生活污水处理厂提标改造工程。