高宗仁，張開海

（山東省城建設計院，山東濟南 250021）

山東省濰坊市某污水處理廠原出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。2019年6月24日，濰坊市城市管理委員會辦公室印發了《關于做好城市污水處理廠出水水質提升工作的通知》，該文件明確指出：“污水廠進行提標改造后出水（COD、氨氮、總磷）提升至地表水Ⅳ類標準，總氮提升至12 mg/L，其他指標執行一級A標準”。

近年來，為了應對水環境污染問題，北京、天津、河南、河北、浙江和山東等地編制了地方水污染物排放標準，出水的部分指標嚴于一級A標準。污水廠提標改造中應用較多的包括強化二級生物脫氮除磷、高效沉淀、反硝化深床過濾、Fenton氧化、臭氧氧化和活性炭吸附等工藝。河南省澠池縣污水廠（處理規模3萬m3/d）針對氨氮和總氮進水指標高、出水指標嚴格的特點，在提標改造工程中采用了Bardenpho+高效沉淀池+生物濾池（DN+CN）工藝，總投資約4 000萬元，運行成本增加了0.61元/m3。山東省昌樂縣某污水廠提標改造采用了臭氧催化氧化+活性炭過濾工藝，規模3萬m3/d，總投資約4 500萬元，運行成本增加了1.2元/m3。浙江金華某污水處理廠規模為5萬m3/d，提標工程采用了反硝化深床過濾+臭氧催化氧化工藝。根據不同水質特點采用的不同工藝能夠保障出水達標排放，但運行中也存在一些問題，包括運行成本較高、管理較為復雜等〔1〕。

參考國內多座污水廠的經驗，分析濰坊某污水廠水質特性和現狀運行情況，提標改造采用了自氧型反硝化深床過濾+臭氧催化氧化的方案，同時把現有卡魯賽爾氧化溝改造為Bardenpho池、設計中對行業內臭氧氧化、反硝化過濾等存在的問題進行了調整優化。

1 原污水廠處理工藝分析

1.1 原污水廠處理工藝

該污水處理廠于2007年投產運行，規模為6萬m3/d，進水工業廢水比例達到70%以上，主要以印染、石油工業為主，采用的工藝為“預處理+水解酸化+卡魯賽爾氧化溝（A2O）+二沉池+高效沉淀+纖維轉盤過濾+次氯酸鈉消毒”工藝，原出水執行一級A標準。改造前一年實際進、出水水質與設計水質分析見表1。

表1 改造前實際進、出水水質與設計水質Table 1 Actual inlet and outlet water quality and design water quality before transformation mg/L

污水廠已經滿負荷運轉，實際進水COD超過設計標準的概率為19.7%，SS超過設計標準的概率為7.7%，實際進水TN超過設計標準的概率為65.3%，實際進水NH3-N超過設計標準的概率為30.1%，實際進水TP基本小于進水水質。經過多次改造，除了TN在冬季進水較高時出水超標外，出水其他指標能夠達到一級A標準。

1.2 存在問題分析

（1）污水廠受到進水水質沖擊負荷較大，給運行管理帶來了一定的影響。

（2）由于進水工業廢水比例較大，出水中COD大部分為難降解有機物，現有工藝很難將出水COD降低至40 mg/L以下。冬季時由于氣溫較低，反硝化效果明顯降低，為了確保出水TN的達標，碳源投加量大大增加，運行成本增加較多。

（3）原污水廠二級生化池采用了卡魯賽爾氧化溝池型，設置了8臺功率為132 kW的倒傘型表曝機和16臺推流器，NH3-N的去除效果較好，但脫除TN的能力有限，運行中最大的問題是能耗較高。

2 提標改造工藝方案及設計

2.1 提標改造工藝方案選擇

提標改造后污水處理廠出水提升至地表水準Ⅳ類標準，改造工程設計出水水質見表2。

表2 提標改造工程設計出水水質Table 2 Design effluent quality of upgrading and reconstruction project

由表2可知，NH3-N現狀可以達標，通過增加絮凝劑也可使出水TP穩定達標，重點是考慮COD和TN的去除。

2.1.1 COD的去除方案

該項目要求出水COD≤30 mg/L，但為了運行穩定，實際運行出水COD須控制在25 mg/L。難降解可溶性有機物質通過沉淀過濾是難以去除的，再進行深度生化處理意義不大，較為可行的方案為高級氧化技術，其中，高級氧化技術實際應用較多的包括Fenton氧化和臭氧氧化。Fenton氧化工藝在多種工業廢水治理項目中已有成功應用，投資較小。但是Fenton試劑對廢水的氧化反應，需先將廢水調為酸性，氧化反應后再調回中性。投加的藥劑品種多，產生的污泥量較大，可能會導致出水全鹽量超標。臭氧氧化法的主要優點是反應迅速、流程簡單、沒有二次污染問題，但是也有投資、運行成本高及對有機物有選擇性的缺點。

綜合考慮，高級氧化采用臭氧氧化，同時在以下幾個方面做了優化：（1）增設高效臭氧溶氣系統，利用電磁的作用改變污水分子的微觀物質形態，達到提高臭氧氣體的溶解效率，并有效減少臭氧投加量。（2）臭氧池進水管道設置高效均相催化器，金屬離子促進臭氧分解，然后生成·OH，利用高活性的·OH氧化有機物。可根據水質情況對催化裝置進行超越。避免了非均相催化系統結構復雜、易堵塞和水頭損失大的缺點。（3）臭氧投加采用了射流曝氣系統，一方面可使水氣混合更為激烈充分，提高傳質效率，另一方面可避免附近地區類似工程的曝氣盤結垢問題。

2.1.2 TN去除方案

該項目要求出水TN≤12 mg/L，但實際運行須控制在10 mg/L，由于工程進水TN濃度較高，提標改造須強化二級處理生化段脫氮功能〔2〕，同時在深度處理段進一步脫除TN。

（1）原有卡魯賽爾氧化溝厭氧區停留時間為2.6 h，缺氧區停留時間為3.6 h，好氧區停留時間為20.1 h。本次改造進行優化，將原有表面曝氣方式改造為底部微孔曝氣，通過曝氣管和推流器的設置，將好氧區進行分區，形成Bardenpho池，即A/A/O+A/O池，調整后各功能區的水力停留時間為：厭氧區2.6 h、一級缺氧區7.7 h、一級好氧區12 h、二級缺氧區2 h、二級好氧區2 h。目的是獲得同步除磷脫氮功能的效率最大化，強化二級生化池去除TN的作用〔3〕。

（2）新建1座反硝化深床濾池〔4〕，以確保出水TN指標穩定達到標準要求。反硝化深床濾池在行業內已經有較多的應用經驗，一般濾料采用2～3 mm的石英砂，濾床深度1.8 m，可去除5～10 mg/L的TN，出水SS可控制在6 mg/L。反硝化深床濾池脫氮必須投加一定量的碳源，當碳源投加量不足的時候，反硝化脫氮效果受到影響，出水TN不達標，但碳源的過量投加不僅造成運行成本過高，且有出水COD、BOD升高的風險，因此對碳源的精準投加極為關鍵。反硝化深床濾池對碳源的質量要求較高，如果碳源中雜質含量較高，容易在濾池石英砂面上形成密集的膠狀體物質，影響反硝化及過濾效果。

針對反硝化深床濾池存在的上述問題，對濾料的形式進行調整，將石英砂濾料更換為自養型硫自養濾料。利用自養濾料提供的電子供體，附著生長在自養濾料表面上的自養反硝化細菌把NOx-N轉換成N2完成脫氮反應過程，最大的優勢是出水水質穩定，無需外加碳源，避免了出水COD超標的風險。另外，無碳源加藥系統的反洗周期增加至3～5 d。

通過二級生化系統強化脫氮+自養型反硝化深床濾池進一步脫氮，可保障出水TN穩定達標，同時降低運行成本，改造后污水廠的工藝流程見圖1。

圖1 改造后污水廠工藝流程Fig.1 Process flow diagram of sewage treatment plant after transformation

2.2 工藝設計

污水廠設計流量2 500 m3/h，污水總變化系數（KZ）=1.36。

（1）Bardenpho池（2座，下為單座參數）。

①厭氧池（原池不做變動）。厭氧池主要功能是創造厭氧環境，充分釋放磷，為下一步除磷創造條件。厭氧池有效容積3 250 m3，有效水深4.5 m，停留時間2.6 h，污泥回流比100%，池內設置2臺潛水推流器，N=5.5 kW。

②一級缺氧池。一級缺氧池主要功能是抑制絲狀菌生長，防止污泥膨脹，完成反硝化脫氮。改造后缺氧池有效容積9 625 m3，有效水深4.5 m，停留時間7.7 h，池內設置4臺推流器，N=5.5 kW。

③一級好氧池。一級好氧池主要功能是在好氧環境下，利用微生物降解BOD5及氨氮，同時生物除磷。好氧池有效容積15 000 m3，有效水深4.5 m，停留時間12 h，污泥質量濃度4 000 mg/L、污泥齡30 d、污泥內回流比200%～400%。設內回流泵1臺（PP泵，N=15 kW），用于將好氧池的污泥回流到一級缺氧池。池內設可提升式曝氣管1 300根，q為6～13 m3/（h·根），池內設置4臺推流器，N=5.5 kW。

④二級缺氧池。二級缺氧池主要功能是利用外加碳源進行反硝化，進一步去除總氮。二級缺氧池有效容積2 500 m3，有效水深4.5 m，停留時間2 h，池內設置2臺潛水推流器，N=4 kW。

⑤二級好氧池。二級好氧池主要功能是對二級缺氧池中投加的過量碳源進行去除，確保出水COD的穩定。二級好氧池有效容積2 500 m3，有效水深4.5 m，停留 時間2h，設可提升式曝氣管300根，q為6～13 m3/（h·根），池內設置2臺潛水推流器，N=4 kW。

從表2數據Cl-平衡濃度C e、平衡吸附量Q e計算 ln C e、ln Q e；以 ln Q e對 ln C e作圖，并進行方程擬合得到圖 1～3。

（2）鼓風機房。房間平面尺寸為20m×10 m，高度6 m。主要設備為磁懸浮鼓風機6臺，4用2備，單臺參數：Q=85 m3/min，ΔP=53.9 kPa，N=105 kW。

（3）自養型反硝化深床濾池。主要功能是一方面上部濾層進行反硝化將硝態氮、亞硝態氮轉化為氮氣，從而確保出水總氮達標，另一方面底部濾層起到過濾作用，降低出水SS，減少后續臭氧投加量。

①濾池。1座6格，尺寸23.5m×23.6m×6.8 m，過濾面積502 m2，濾料層厚度2.4 m，濾料體積1 200 m3，濾料為3～5 mm硫自養脫氮濾料，水力負荷為4.98 m3/（m2·h），硝態氮去除負荷為0.25～0.5 kg/（m3·d）。主要設備為配水配氣濾磚6套，單套過濾面積為83.66 m2；進水不銹鋼304堰板6套，單套尺寸23.5m×0.24m×0.03 m。

②反沖洗設備間。濾池反洗采用氣、水聯合反沖洗方式，水沖洗強度為20 m3/（m2·h），氣沖洗強度為45 m3/（m2·h），反洗順序為氣洗（3～5 min）—氣水聯合（3～5 min）—水洗（3 min）。

主要設備：反沖洗水泵3臺，2用1備，單臺參數為Q=900 m3/h，H=12 m，N=45 kW；反沖洗風機3臺，2用1備，單臺參數Q=31.4 m3/min，ΔP=68.8 kPa，N=55 kW。

（5）臭氧設備間。房間平面尺寸16.9m×12 m，高度6 m。主要設備為氧氣源臭氧發生器3臺，2用1備，單臺參數40 kg/h，N=280 kW；循環量200 m3/h的冷卻塔1套；儲存容量80 m3的液氧儲罐及附屬系統1套。

3 運行情況及效果分析

3.1 實際運行出水水質

2021年3 月—2021年10月的運行 數據見圖2。

由圖2可知，污水廠出水COD為19.1～28.4 mg/L，NH3-N為0.08～0.85 mg/L，TP為0.08～0.18 mg/L，TN為5.2～10.3 mg/L。出水指標COD、NH3-N和TP達到了《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準，TN達到了地方要求的12 mg/L以下。實踐證明“Bardenpho+自養型反硝化深床濾池+臭氧催化氧化”方案用于污水廠提標改造中是穩定有效的。

圖2 改造后污水廠實際運行數據Fig.2 Actual operation data of sewage plant after reconstruction

3.2 投資及運行成本

該工程總投資6 800萬元，運行費用比原來增加0.652 元/m3，主要包括動力費、人工費和藥劑費。

（1）動力費：工程新增年用電量1 031萬kW·h，電價按0.80元/（kW·h）計，則動力費用10 310 000×0.80÷365÷60 000=0.376元/m3。

（2）人工費：定員5人，工資按40 000元/a計，則人工費用5×60 000÷365÷60 000=0.014元/m3。

（3）藥劑費：藥劑主要為液氧、硫自養濾料和新增PAC和PAM，主要用于反硝化深床濾池、臭氧催化氧化池和高效沉淀池，藥劑費約為0.262元/m3。

4 工藝運行特點

提標改造工程在確保達標的前提下，選擇先進、可靠的工藝和設備，注重節省投資和降低運行成本。

（1）將卡魯賽爾氧化溝改造為Bardenpho工藝，兩級脫氮提高了TN去除率，生化池出水TN能夠穩定達到15 mg/L以下。調整了生化池功能分區容積，能夠充分利用進水碳源，乙酸鈉消耗量比改造前降低了20%。

（2）由表面曝氣調整為底部曝氣方式，運行功率由原來的528 kW降低至現在的300 kW，大大降低了電耗。

（3）臭氧投加采用了射流曝氣方式，比曝氣盤方式增加了4臺22 kW水泵，但由于射流曝氣提高了氣水傳質效果，提高了催化氧化反應速率，使臭氧投加量與COD降解量之比僅為1.4∶1，減少了臭氧發生器功率消耗120 kW，總體來說更為節能。

（4）自養型反硝化深床濾池為山東地區的首次大規模應用。去除單位TN所消耗的濾料質量比為1∶4。按去除5 mg/L NOx-N計算，濾料消耗量為20 mg/L，則每天消耗濾料約為1 200 kg；自養脫氮濾料價格按照4 000元/t計算，折合噸水藥劑費為0.08元。而常規反硝化深床濾池需投加乙酸鈉碳源，按去除5 mg/L NOx-N計算，乙酸鈉消耗量為30 mg/L，則每天消耗乙酸鈉約為7.2 t（25%溶液），按照1 500元/t計算，折合噸水藥劑費為0.18元。可見自養型反硝化濾池脫氮比常規反硝化深床濾池處理成本更低，更重要的是自養型反硝化深床濾池對TN去除效果更穩定性更好，運行管理更為方便。

5 結論

（1）對于印染、石油化工等工業水比例較大的市政污水廠〔6〕，采用“預處理+水解酸化+Bardenpho+反硝化濾池+臭氧氧化池+高效沉淀池+纖維轉盤濾工藝”可使出水達到準Ⅳ類水標準；（2）將卡魯賽爾氧化溝改造為Bardenpho工藝，能夠強化對TN的去除效果。磁懸浮風機+微孔曝氣管比倒傘表曝機的節能效果更加明顯，也證明了4.5 m水深的氧化溝采用微孔曝氣是可行的；（3）自養型反硝化深床濾池+臭氧催化氧化工藝適用于污水廠的提標改造，能夠節約較大的電耗和藥耗；（4）對于出水嚴格的地方排放標準，污水廠設計時須保障達標的穩定性，同時也應考慮運行管理的靈活性和可調性，能夠根據水質的變化調整運行方式。該工程案例對類似條件的污水廠設計有一定的借鑒意義。