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浅谈城镇污水处理厂工艺升级改造夏文辉(天津市市政工程设计研究院，天津300051)摘要：随着国家和地方对城镇污水处理厂污染物排放标准逐年提高，已经建成的很多污水处理厂均面临升级改造的问题。如何确定改造工艺是众多设计人员面临的严峻问题。以天津开发区第一污水处理厂改造工程为例，在众多限制性条件约束下，论述如何确定污水处理厂升级改造工艺。关键词：升级改造；正态分布；DAT．IAT；后置反硝化；滤池随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GBl8918．2002)于2003年正式实施，我国对城镇污水处理厂污染物排放要求近年来日益严格，尤其是各省市相继出台地方的污水排放标准，如广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB4426—2001)，天津市地方标准《污水综合排放标准》(DBl2／356．2008)等一系列更严格的标准在各地相继推出，这些标准对新建或已建的城市污水处理厂污染物排放提出更高要求。我国在二十世纪八、九十年代建成的城市污水处理厂，其污水排放标准均执行《城市污水处理厂污水污泥排放标准》(CJ3025．93)，主要是以去除有机污染物和固体悬浮物为目的，即主要限制COD、BOD5和sS，并且这几项指标尚不如《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GBl8918．2002)(注：下文所说的排放标准均指此标准)的二级排放标准严格。目前，除了排放等级普遍由原来的二级排放标准上升到一级B标准、一级A标准甚至更高，并且限制指标数量相对以前规范增多，除COD、SS、Nit。-N等指标更严格外，还增加了TN、TP、色度等限制指标。因此，大量上个世纪建成的污水处理厂均面临升级改造的问题。1升级改造简述一般的污水处理厂升级改造主要包含以下几个方面：一是以提升排放水质为目标的主体工艺改造；二是因为主体工艺改造引起的其他改造，如因鼓风量增加引起的鼓风机房改造，因泥量增加引起脱水机房的改造等；三是污泥最终处置改造；四是污水处理厂除臭改造；五是其他设备方面的升级或更换等。主体工艺改造是污水处理厂改造的重点和难点，是本文主要讨论的内容。污水处理厂改造工程有着诸多的限制条件和影响因素，从前期的方案制定、工程设计到后期的施工与运行调试都区别于新建污水处理厂。常规新建污水处理厂需要遵守的设计原则在改造工程中均需要遵守，如节省工程投资，尽量减少运行管理费用，利用成熟可靠的污水处理技术，运行管理简单易操作等。除上述原则外，改造工程可能还有一些额外的限制条件，诸如：保持现有污水处理量和用地面积不变(或有少量扩展用地)条件下达到改造的目的；改造工程需尽量利用现有的土建、设备和管线；改造过程应保证污水处理厂的连续生产，尽量做到不停产不减产或者尽可能的少停产少减产等。2现状分析评估为了做好改造工程方案，需要全面、详尽了解污水处理厂现状，这包括现状的土建、设备、管线等。了解现状更为重要的是对现状污水处理厂进行科学合理的分析评估。这种分析和评估主要包含三个方面：合理确定新的设计水质，分析现状出水水质，评估现状污水处理厂处理效率。一般需要改造的污水处理厂均已正常运行数年，积累了大量的运行数据和经验。对这些运行经验进行系统总结和对运行数据进行科学分析是真实评估现状污水处理厂的关键所在。在污水处理厂原建设初期，设计水质的确定大多只是经简单的化验数据得来，甚至有些厂的设计进水水质是通过同其他污水处理厂类比总结出来的，这些数据同实际运行总是存在较大差距。因此，污水处理厂改造工程的设计进水水质必须建立在丰富的实际检测数据上。对于城市污水处理厂来说，其进水水质受大量外界因素的影响，没有太多规律可循，只能将其视为随机变量进行统计分析和预测。下面以天津开发区第一污水处理厂改造工程(以下简称开发区污水厂)为例进行分析说明。开发区污水厂于1998年建成投产，设计处理规模为10万吨／日，污水处理工艺采用SBR的DAT．IAT工艺，原设计进水水质如下：COD：400mg／L，BOD：150mg／L，SS：200mg／L，设计出水水质：COD：≤120mg／L，BOD：≤30mg／L，SS：≤30mg／L。现在根据相关要求，本厂需要进行工艺改造，使其排放达到排放标准的一级B标准。本厂建成并正常运行近10年，积累了大量运行数据，如何对这些数据进行筛选分析是确定新的设计进水水质的关键。由于水质的变化存在较大的随机性与不确定性，历史越久远的数据相对来说参考意义越小，因此本次改造的设计进水水质主要参考本厂从2007年11月至今一年多的监测资料。通过本厂最近l7个月数百个水质测量数据按概率分析的方法进行分析，绘出各个污染物浓度指标的累计分布函数图Ⅲ，分别用标准正态分布曲线和对数正态分布曲线进行拟合，发现其与对数正态分布曲线进行拟合良好。以进水COD和SS为例，如下图所示。\n其他污染物指标均按此方法分析。过低的设计进水水质保证率不利于污水处理厂的安全运行，容易造成出水水质超标；而过高的设计进水水质保证率将增加不必要的建设投资。本次改造推荐采用850／o-95％的保证率对应的水质，作为本厂设计进水水质。最终确定改造工程的设计进水水质：COD：180mg／L，BOD5：460mg／L，SS：220mg／L，TN：35mg／L，NH3-N：25mg／L，pH：6-9，TP：6mg／L，CI一：1650mg／L。采用相同的数据分析方法分析现状出水水质，发现目前该厂出水水质比较稳定，相对于本次改造工程的目标，只有TN和1P指标不能达到要求。因此确定污水处理厂改造的主要目的是增加脱氮除磷功能，但是前提是系统需保持原有污染物去除效率。3工艺方案确定3．1处理减量方案如果没有用地限制，或者改造后处理水量可以比原设计减少的情况下，工艺改造则相对比较容易，一般情况下可以降低原生物反应池处理水量，增加相应的脱氮除磷池容，达到高效的生物处理效率的目的。针对二次沉淀池，则可以增加池容，降低其固体负荷或表面负荷，达到提高泥水分离效率的目的。如果出水SS指标要求较高，靠简单的自然沉淀无法达到要求的情况下，还可以增加三级处理工艺，如滤池等。同样以开发区污水厂为例，该厂建设在市区中，四周均无扩展用地，用地成为重要限制因素。最初征得规划和有关部门意见，污水处理厂的改造由于用地紧张可以减少处理水量。众所周知，DAT．IAT工艺12J由于自身原理的原因，其除磷脱氮功能较差，在不增加单独的脱氮除磷工艺的条件下，不能满足新的排放需求。本着尽量利用原有土建、工艺设备原则，将原工艺改造为同为SBR工艺的CAST工艺是一种简单、经济可行的方案。如图3、4所示分别改造前的DAT—IAT和改造CAST工艺生物反应池示意图。由于CAST工艺增加了生物选择器和单独的缺氧时段来满足反硝化脱氮的目的，相对减少了好氧泥龄。经过计算，相同池容情况下，要满足脱氮要求，CAST工艺处理水量为7．5万吨／日。在CAST工艺方向基本确定后，在该厂内进行了一个日处理量为18吨／日的中等规模实验。经过近半年的实验分析，证实了采用CAST\n工艺在设计水量下可以改造工程新的出水要求。由于不能过多的降低处理水量，该工艺实验方案除磷采用化学除磷工艺。在工艺验证的过程中，当地污水处理规划做了一定调整，要求此次改造不能降低处理水量，因此需要寻求别的污水处理工艺。3．2增加生物处理系统生物量下面我们将更多的讨论要求水量不变和用地受限制的污水处理厂改造。我们将分为两种情况进行分析讨论。一是，完全没有扩展用地，所有改造均在原池内完成：二是，有少量用地，但是仍不足以采用常规工艺扩展的需要。没有扩展用地，不但要提升出水水质，还要保持原处理水量，所有改造均在原构筑物内完成，直接的方法就是增加反应池生物量。目前增加生物量的常用方法是增加反应池活性污泥浓度或添加生物填料。增加生物反应污泥浓度，可以提升处理效率，但是有几个问题需要解决。首先是二沉池需要承担更大的固体负荷，同时还要达到更高的泥水分离效率以保证出水水质；其次，二沉池回流污泥要有足够浓度才能确保生物反应池能维持较高的污泥浓度，当然也可采用提高回流比的方法辅助；第三，提升曝气池内曝气量以满足增加生物量后的气量需求。提升反应池污泥浓度是提高处理效率的直接手段，但是其关键是需解决二沉池的效率问题。解决二沉池效率可以有几个思路：一是，改变二沉池水力条件，如通过增加各种水力挡板、将中进周出二沉池改造为周进周出二沉池等手段提高二沉池分离效率；二是增加二沉池池深以增加污泥浓缩时间，提高回流污泥浓度；三是采用更为高效的泥水分离工艺，如膜分离工艺。在生物反应池内投加生物填料，即采用流动床生物膜反应器也是提升生物反应池处理效率的一个有效手段。流动床生物膜工艺(MBBR)运用生物膜法的基本原理，充分利用了活性污泥法的优点，又克服了传统活性污泥法及固定式生物膜法的缺点。技术关键在于研究和开发了比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。生物填料具有有效表面积大，适合微生物吸附生长的特点。填料的结构以具有受保护的可供微生物生长的内表面积为特征。当曝气充氧时，空气泡的上升浮力推动填料和周围的水体流动起来，当气流穿过水流和填料的空隙时又被填料阻滞，并被分割成小气泡。在这样的过程中，填料被充分地搅拌并与水流混合，而空气流又被充分地分割成细小的气泡，增加了生物膜与氧气的接触和传氧效率。在厌氧条件下，水流和填料在潜水搅拌器的作用下充分流动起来，达到生物膜和被处理的污染物充分接触而生物分解的目的。流动床生物膜反应器工艺由此而得名。因此，MBBR突破了传统生物膜法(固定床生物膜工艺的堵塞和配水不均，以及生物流化床工艺的流化局限)的限制，为生物膜法更广泛地应用于污水的生物处理奠定了较好的基础。MBBR工艺可以和多种常规生物处理工艺结合，如AO、A20、SBR、氧化沟等，在达到常规工艺的处理目的外还可以提升处理效果，减少生物反应池体积。以开发区污水厂为例，在CAST方案被否定后，提出了2个MBBR为基础的方案：一个是以MBBR与AO工艺结合的HYBAS工艺，如图5所示；另一个是以MBBR与DAT．IAT结合的NSBR工艺，如图6所示。HYBAS工艺将原DAT．IAT池进行重新分隔布置，分别在池内设置生物反应区和二沉池。生物反应池由缺氧区、普通曝气区、填料曝气区构成，二沉池采用平流式矩形沉淀池。NSBR是建立在原DAT—IAT工艺基础上的新污水处理工艺。本工艺保留了DAT-IAT工艺周期运行、连续进水、间歇出水的工艺特性，其进出水、回流、配水方式均不变动，完全保留IAT池所有设备和土建，仅对DAT池重新设计，增加了缺氧区，并加强了好氧硝化功能。本工艺不但保持了原DAT-IAT工艺对\nCOD、SS和NH3N的去除效率，还增加其生物脱氮功能。2008年6月，针对上述两个工艺方案，在污水处理厂开始了一个曰处理规模为12吨的中试实验。由于这两个工艺的核心原理都是通过添加填料来达到提升生物反应池效率的目的，因此模型按HYBAS一个工艺制作。经过近半年的验证，实验工艺满足此次改造工程的需要，在保持了原有较好的有机物去除率和硝化效果外，TN的去除率达到了75％以上，工艺可行。但是工程业主及相关部门又提出了更高的要求，必须改造工期短，改造过程中不能有较长时间的停产。由于这两个工艺在生物反应池内有较多的土建改动和设备的重新拆装，不可避免的在改造过程中会减产和一定时间的停产切换，因此改造方案又不得不寻求新的方向。3．3增加三级处理有少量用地，但是仍不足以满足采用常规工艺用地需要。这种情况下，我们想到采用更为集成化、效率更高、占地省的三级处理工艺，如高密度沉淀池工艺，滤池工艺等。如果改造前的工艺能基本满足出水生化处理的需要，通过强化的泥水分离工艺就可以使出水稳定达标，那么就可以通过后续增加物理处理的高密度沉淀池工艺或者普通过滤工艺。若再投加混凝剂和絮凝剂还能强化分离效果。常规过滤和沉淀主要以去除SS为目的，随着sS的去除，也可降低出水中COD、BOD和色度等污染指标，另外通过投加化学药剂还可以达到去除磷的目的。如果原有工艺不能稳定的实现硝化和反硝化，则三级处理必须是生化处理工艺。硝化效果不好，三级处理可以采用曝气生物滤池工艺；反硝化不好，可以采用反硝化滤池工艺。有时还需要采用硝化和反硝化滤池结合的方式。在原有生物反应池内改造达到硝化反硝化的工艺，一般采用前置反硝化工艺，可以利用原污水中的碳源；通过三级处理的方式达到硝化或反硝化的工艺，通常采用后置反硝化工艺，因为前一段的生化反应已经将污水中的有机物即碳源消耗殆尽，出水中的碳源一般均不足以满足反硝化的需要，必须提供碳源。碳源的提供方式有多种，可根据每个厂的具体情况具体采用。比较经济的一种方式是将进水原水部分直接超越到后端，利用原水提供碳源。这种方法实施容易，成本低，但是有着控制难度大，出水水质稳定性差的缺点。另外一种方式就是投加优质碳源，如甲醇、乙酸钠等。这种方法控制简单，出水稳定性好，但是增加了运行成本，甲醇投加还带来了消防安全隐患等问题。最后还是以开发区污水厂改造为例，在前述的方案均被否定后，经过多方协调，从污水厂相邻的海水淡化厂争取了一个废弃的混凝沉淀池的用地。由于该厂DAT．IAT工艺出水COD和NH3N指标均较为理想，稳定的达到改造后新的要求，但是工艺的反硝化功能很弱。因此，最终确定将混凝沉淀池改造为后置反硝化滤池，采用反硝化深床滤池。反硝化生物滤池由滤料床、曝气系统、脉冲反冲洗排泥系统、配水及出水收集系统组成。原水通过分配槽进入滤池底部，滤池底部设置布气设施，水气上升过程中通过滤料阻力均匀分布，滤料表面附着大量的微生物，降解部分有机物及氨氮，出水由上部排出。过滤进行时生物膜不断增厚，需要定期反冲洗。深床反硝化滤池介质采用均质石英砂。滤池出水SS能确保小于5mg／L，同时具备反硝化功能，可以稳定达到TN一<5mg／L。经过经济测算，采用后置反硝化工艺方案将比前述改造方案增加约0．06元／t水的运行费用。目前该工艺方案的现场中试已经接近尾声，实验结果各项出水指标均稳定达到一级B标准，在甲醇投加足够的情况下，出水已经达到了一级A标准。如果国家对排放要求进一步提高，采用本工艺方案后，仅需要很少的改动即可满足更高要求。4总结从开发区污水厂改造工程可以看出，要达到相同的改造目的可以有多种方式，每种方式均有其优点和缺点，限制条件的变化直接导致最后方案选取的结果。我国已经建成的污水处理厂采用的工艺不尽相同，处理的污水水质差别较大，每个厂改造的目的、重点与限制条件都不一样。任何厂的改造均需要科学全面地分析现有工艺，充分挖掘现有工艺的潜力，很多时候通过工艺的简单调整或是控制方式的优化即可达到改造目的。目前一些新的处理理论的提出，有些已经运用于生产性试验，都为升级改造工程提供了更多选择，如西门子公司运用短程硝化反硝化理论的BNR工艺，还有国内最近比较热的多点进水工艺等。最终采用何种改造工艺，如何在工程投资、运行成本、工程周期、环境影响、处理效果等方面找到平衡点，需根据具体情况综合分析后确定。污水处理厂的升级改造是系统工程，大多以水处理主体工艺改造为核心，兼顾污泥和臭气处理的升级和改造。在专业上，总图、电气、自控和结构等其他专业均需要做相应调整变化。从业主到设计单位，从施工单位到施工监理单位，均需要紧密配合，才能取得改造工程的全面成功。