設計案例 | 污水處理廠改造中如何克服低溫低碳困難
導語：目前，國內污水處理廠處理工藝中微生物對環境適應，特別是水溫有一定要求。然而，北方地區冬季水溫偏低，在設計中如何應對北方地區特殊氣候環境值得探討。同時，我國污水處理廠進水普遍面臨著碳源不足的問題。本文以烏魯木齊市某污水處理廠提標改造工程為例，介紹低溫低碳條件下污水處理廠的提標改造方案。 工業凈化www.yadijia.com
作者簡介
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李建（1982— ），中國市政工程西北設計研究院有限公司，研究方向為市政供排水
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一級A為主流設計標準 環保網站www.yadijia.com
2015年4月國務院發布“水十條”明確現有城鎮污水處理設施要因地制宜進行改造，要求2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。隨后，北京、天津、浙江等發達城市頒布了地方標準，對污水處理廠出水污染物排放要求更嚴格，尤其對氮、磷指標提出了更高的要求，甚至優于一級A標準。根據“城鎮水務統計年鑒（2020）”統計數據可知，至2019年全國1522座污水處理廠出水水質達到一級A標準的污水處理廠數量占比為77%，規模占比為87.63%。
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污水處理廠提標改造存在的共性問題
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漢中市污水處理廠及西安市第三、四、五針對陜西省生活污水氨氮、總氮高，C/N比較低的特點，在生物池投加MBBR填料，提高生物段處理效率，并新建纖維轉盤濾池進一步去除污水中SS，經改造后，上述污水處理廠出水水質達到一級A標準。 環保網站www.yadijia.com
成都第三、四、五、八污水處理廠將終沉池改造為MBR膜池，利用MBR膜的特性，使前端生化池形成超高濃度的活性污泥濃度，提高生化系統處理效率，達到出水水質一級A標準的要求。
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甘南州合作市污水處理廠提標擴建改造工程，改造前生物處理工藝為CASS工藝，改造時在CASS生物池后端增設兩級曝氣生物濾池進一步脫氮除磷，濾布濾池進一步去除SS，達到出水水質一級A標準的要求。
從以上污水處理廠提標改造實例可以看出目前污水處理廠提標改造的重點及難點一是如何進一步提高脫氮效率，二是如何解決污水處理廠進水有機物濃度偏低的問題。
項目背景
新疆維吾爾自治區在2019年提出了實施城鎮污水處理“提質增效”三年行動方案，即三年內實現所有城市、縣市污水處理能力全覆蓋。烏市地處歐亞大陸腹地，屬溫帶大陸性氣候，其特點是寒暑變化劇烈，極端最高氣溫為42.1 ℃，冬季最低氣溫可達到-41.5 ℃。由于烏市特殊的地理條件，年氣溫變化較大，污水處理廠設計時應重點考慮秋冬季節水溫較低，氨氮、總氮高，C/N比較低等問題。
烏市某污水處理廠總處理規模為40萬m3/d，共分兩期建設，分別于1997年和2009年投產運行。污水處理工藝采用AB兩段活性污泥法，工程建設時設計出水水質為國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）二級標準，且氮、磷不做處理。目前污水處理廠出水水質不能滿足國家要求，需對其進行提標改造，由于資金問題等污水處理廠提標工程計劃分三期逐步實施。
污水處理廠現狀
根據多年運行數據可知，污水處理廠出水水質除氮、磷外，CODCr、BOD5、SS等均達到二級排放標準。
原污水處理廠設計規模共40萬m3/d，污水處理工藝為AB兩段活性污泥法，污水處理工藝流程如圖所示。
污泥處理采用機械濃縮、一級中溫消化、機械脫水方案，沼氣用于沼氣發電機及燃氣鍋爐，通過沼氣儲柜調節儲氣量后，多余沼氣自動點燃沼氣火炬在大氣中燃燒，污泥處理工藝流程如圖所示。
污水處理廠以下存在問題。
（1）污水處理廠由外資公司特許經營，經營年限為23年，經營期至2028年；外資公司經營期內污水處理廠出水水質考核指標不作改變。因此，提標工程的實施不能在原廠進行，且不能影響原廠的正常運行。
（2）污水處理廠采用AB法，對CODCr、BOD5去除效果較好，對TN幾乎沒有去除效果；其出水C/N值小，可生化性較差，碳源嚴重不足。為確保提標工程出水水質達標，需投加大量碳源使反硝化脫氮正常進行；合理選擇碳源，降低運行成本是本次提標工程的重點。
提標工程設計方案
為了便于整體協調、操作及管理，節省投資，提標工程廠址確定在污水處理廠北側，和現狀污水廠毗鄰相建。
進出水質
提標工程設計進水水質結合現狀污水處理廠設計及實測出水水質取值；出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，取值如表所示。
碳源選擇
本工程需投加大量碳源使反硝化脫氮正常進行，可保證出水TN穩定達標。因此，外加碳源選擇時需考慮經濟成本，同時兼顧安全性。本工程選擇甲醇作為碳源具有運行成本較低的特點，但甲醇遇熱源和明火有燃燒和爆炸的危險。因此，設計時采取甲醇儲罐埋地、甲醇投加間及甲醇儲罐設置甲醇泄漏監測報警裝置，甲醇系統距周邊建筑物距離滿足相關規范要求等措施，確保甲醇系統安全運行。
工藝方案
針對烏市地處高緯度寒冷干旱地區的特點和污水處理廠設計出水水質要求，本工程工藝方案不但具有占地省，投資小，經濟、安全可靠的特點，而且該工藝在冬季低溫環境下依然有較好的處理能力，能夠保障出水水質達標穩定。選擇“兩級曝氣生物濾池+高密度沉淀池”工藝，污水及污泥處理工藝流程如圖所示。
兩級曝氣生物濾池設置主要目的是去除NH4-N和TN，是一種高效的上流式生物膜污水處理工藝。兩級曝氣生物濾池包括硝化生物濾池及反硝化生物濾池。硝化生物濾池設置在前端，當污水通過濾床時，氨氮被硝化菌氧化成硝酸鹽；反硝化生物濾池設置在后端，當污水通過濾床時，硝酸鹽被還原成N2。
混凝池、絮凝池與高密池沉淀池合建，設置在高密度沉淀池前端。在混凝池、絮凝池分別投加混凝劑及絮凝劑，可加快混合及絮凝的速度；經過反應后的污水從高密池斜板底部流入，并向上流動，沉淀池出水在頂部翻過收水堰至集水槽出水。
提標工程方案優點：核心工藝采用兩級曝氣生物濾池具有占地小、運行費用低、剩余污泥量小、可處理低污染負荷水質、抗沖擊負荷能力強、耐低溫、易掛膜、啟動快等特點。同時，兩級曝氣生物濾池結合高密池設置在二級處理系統后作為深度處理單元實施時不影響現狀污水處理廠正常運行，且可以高效去除污水中NH4-N、TN、TP和SS。
主要建、構筑物設計
（1）兩級曝氣生物濾池
前置硝化濾池共16格，單格面積為173 m2，濾料粒徑為4.0 mm，濾料層厚度為3.5 m，平均濾速為3.7 m/h，峰值強制濾速為4.5 m/h，氨氮負荷為0.9 (kg·d)/m3；后置反硝化濾池8格，濾料濾徑為4.5 mm，濾料層厚度為3.5 m，平均濾速為5.1 m/h，峰值強制濾速為8.1 m/h，濾料硝酸鹽負荷為1.29 (kg·d)/m3。
（2）高密度沉淀池
高密度沉淀池共8座，每座高密度沉淀池前端各設置一座混凝池和絮凝池。單座混凝池容積為36 m3，單座絮凝池容積為252 m3，單座高密池直徑φ=13 m，斜管長度為1.04 m，斜管安裝角度為60°，斜板投影面積為128 m2，沉淀區水力負荷為8.2~11.5 m/h。
PAC和PAM制備及投加系統單獨設置在加藥間，藥劑通過投藥泵投加至混凝池及絮凝池，濃度10%PAC投加量為1.2kg/m3，PAM投加量為0.6~1.2 mg/L，制備濃度2 g/L。
（3）甲醇投加系統
甲醇儲存系統：設置2個90 m3甲醇儲罐，可儲存6 d用量，甲醇儲罐設置在全地埋鋼筋混凝土池內，池中填砂，池內設集水井并配置液位監測儀，可監測甲醇儲罐泄漏。
甲醇投加系統：投加間設在地上，設置4臺計量泵，單臺投加量為659 L/h，房間內易泄露甲醇的部位設置甲醇檢測報警器，隨時監測泄漏情況，當甲醇蒸汽在空氣中的濃度達到其爆炸下限的2.0%~2.5%時（即濃度為1.5%），便發出聲光信號報警，以提示運維人員盡快進行排險處理。
（4）污泥系統
為減少泥渣對外排放，減少環境污染，將高密池排放的濃縮排泥水，通過離心脫水機分離為泥餅及濾液，泥餅外運填埋，濾液可排放至廢水排放系統，通過提升泵回流至本廠進水。本工程配置3套脫水機，2用1備，單臺處理量為30~40 m3/h。
運行效果
提標工程于2015年年底完成，現已投產運行6年，其出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，且個別污染物指標優于設計標準。
兩級曝氣生物濾池結合高密池工藝對污水中NH4-N、TN及TP去除效果顯著，去除率如下：NH4-N≥92%，TN≥75%，TP≥85%。
此外，烏市寒冷干燥，溫度變化大，水溫變化對CODCr的去除影響顯著。夏季水溫較高，污泥活性好，CODCr的去除效果好，出水濃度穩定在10~12 mg/L；但在冬季水溫下降后，出水CODCr濃度上升至20 mg/L左右。這是由于冬季生物活性下降，對難降解污染物的處理效果變差。
結論
提標工程在現狀污水處理廠后端增加“兩級曝氣生物濾池+高密度沉淀池”，采用兩級曝氣生物濾池具有占地小、運行費用低、剩余污泥量小、可處理低污染負荷水質、抗沖擊負荷能力強、耐低溫、易掛膜、啟動快等特點。同時，兩級曝氣生物濾池結合高密池設置在二級處理系統后作為深度處理單元實施時不影響現狀污水處理廠正常運行，且可以高效去除污水中NH4-N、TN、TP和SS。
該工藝可以有效應對烏市地處高緯度寒冷干旱地區的特點，在冬季低溫環境下依然有較好的處理能力，能夠保障出水水質穩定且達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準的要求，為低溫低碳條件下污水處理廠提標改造工程提供了借鑒。
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