城鎮污水處理廠強化生物脫氮除磷的工藝優化探索與應用

袁 飛，馬一行，衛鳴志

(1. 上海環保<集團>有限公司，上海 200433；2. 上海奉錦環境建設管理有限公司，上海 201422)

自2008年1月1日開始，《太湖流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》在江蘇省太湖流域正式實施[1]，我國各地污水處理廠建設陸續邁進“一級A”時代，近年更是部分地方標準提出了“(準)IV類水”標準甚至“雙五”標準。據住建部最新統計數據，截至2019年底，全國城市和縣城污水處理廠共4 140座，日處理能力為21 450萬m3，年處理量為620.86億m3。其中，執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的占53.2%[2]。

近年來，城鎮污水處理廠處理水量逐年呈上升趨勢，但進水各指標濃度整體呈下降趨勢[3]，其中，BOD5的下降尤為明顯也尤為關鍵，面對不斷提高的排放標準，碳源不足的問題日益突出。統計數據顯示，城鎮污水處理廠進水BOD/COD的平均值為0.4，進水可生化性在中等水平；碳氮比偏低，生物脫氮存在碳源不足的問題；BOD/TP維持在28左右，理論上可以滿足生物除磷的需求，但由于生物脫氮利用了進水中的大量碳源，可能導致生物除磷所需的碳源缺乏[3]。很多污水處理廠呈現出生物處理段去除效率不足的窘況，混凝劑、碳源等藥劑大量、過量投加的現象較為普遍，化學品藥劑所帶入水體的潛在環境風險巨大。

對于大多數城鎮污水處理廠而言，一級A排放標準的各項指標中，經二級生化處理后大部分指標沒有太大困難，但總磷(TP)穩定達標可能需要依靠化學除磷，而總氮(TN)指標往往是城鎮污水處理廠提標后穩定達標的關鍵指標，其中，硝態氮和溶解性不可氨化有機氮則是達標難點。

1 項目背景

該項目為《上海市2015年—2017年環境保護和建設三年行動計劃》中的一個典型中等規模城鎮污水處理廠，設計日處理量為12萬t，其中，一期為5萬t，二期為7萬t，于2017年底完成提標工程。排放標準由原《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準提至一級A標準。原工藝為“預處理+AO”的二級生物處理，提標后采用“預處理+AAO+高效混凝沉淀+V型濾池”的工藝流程(圖1)，增加了部分生化池和深度處理段，服務區域和進水水質不變，仍以生活污水為主，混合部分工業污水(約占30%)，與南方大多數城鎮污水處理廠水質相近、特點相同(表2)。

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process Flow Chart

提標過程中，該污水處理廠生化池AAO各部分都進行了重新設計、加建及改造，高效反應沉淀池+V型濾池的深度處理段為新建。依據設計文件，AAO各區水力停留時間分別為1.0、4.8、11.0 h，內回流比為250%，厭氧區進水處設置碳源投加點，高效反應沉淀池前端設置加藥區用于除磷藥劑投加。自提標工程通水試運行后，進水BOD/COD約為0.3，碳氮比時常低于2.5，如不加碳源，該廠TN指標始終略超排放限值且上下波動(表1)。為使正式運行期間出水穩定達標，單月碳源投加費用最高達到60余萬元(表2)；同時，深度處理段的除磷藥劑投加費用最高也達到30萬元/月。企業經營不堪重負，因此，進行工藝優化的探索和技術改造勢在必行。

表1 2017年未加碳源水質數據 (單位：mg/L)Tab.1 Water Quality Data without Carbon Source Dosing in 2017 (Unit: mg/L)

表2 2018年加碳源后水質數據 (單位：mg/L)Tab.2 Water Quality Data with Carbon Source Dosing in 2018 (Unit: mg/L)

2 工藝優化思路

(1)需最大可能地發揮生物脫氮和生物除磷效能，以減少對化學藥劑的依賴，因此，有必要進行AAO生反池的改造，關鍵是為聚磷菌、硝化菌、反硝化菌創造最適宜的生長環境。

(2)確定TN為達標難點和首要目標，依據出水TN的構成分析(表3)，發現硝氮超過90%，因此強化反硝化段是關鍵。

表3 TN構成分析Tab.3 Composition of TN

(3)對于進水有限、外加昂貴的碳源，做到最佳地有效利用。

(4)因為后反饋數據滯后，深度處理段的化學除磷易造成過量投加除磷藥劑，可增設在線儀表，提供前反饋數據，實現及時合理地調整藥劑量。

(5)污水廠生化系統一旦被破壞，恢復過程十分困難而緩慢，因此，保持生化系統的平穩運行特別重要。

3 技術改造措施

3.1 強化反硝化過程

足夠的停留時間對于保證反硝化進程的完全非常必要，在改造前，測得缺氧區末端硝氮值較高，平均值為6 mg/L左右，說明未實現充分反硝化。同時，根據運行水量，通過計算，發現后續好氧區停留時間遠遠超過8 h，且好氧末端的氨氮值很低，基本在0.5 mg/L以內。因此，將有富余的好氧池第一廊道前半段改造成可切換缺氧區，將缺氧段停留時間從4.8 h增加到5.7 h。

反硝化菌在缺氧條件下，通過硝酸鹽作為電子受體完成呼吸作用，釋放出氮氣(N2)，因此，營造出適宜硝化菌生長的缺氧環境尤為重要。為保持缺氧段溶解氧(DO)在0.5 mg/L以下，應減少內回流帶入缺氧區的氧。采取將好氧區最后一廊道后半段改為消氧區的措施，即停止曝氣并增設攪拌器(圖2)，并合理控制末端DO從原來的2～4 mg/L穩定在1.5 mg/L以內。

圖2 生物池流程示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Biological Pool Process

內回流比對生物脫氮效率影響較大，合理控制內回流比非常重要。原回流泵無變頻裝置且無計量儀表，無法根據水質水量情況實時且準確地進行內回流比的調整，因此，有必要增加內回流泵變頻裝置并配置流量計。

3.2 充分有效利用碳源

生物脫氮除磷都需要足夠的碳源，在進水碳源不足的情況下應減少預處理單元對營養物的消耗和去除，并盡可能將碳源保留到缺氧段，供反硝化菌的生長需要，因此，可以采取增設單體超越管和多點進水的措施。本項目根據進水水質濃度設置可選擇性超越初沉池，同時，在厭氧區前的進水管道旁通一根管道，接入缺氧區前段實現多點進水，將有限的進水碳源獲得最大的利用效率。

外加碳源價格昂貴，必須充分有效利用。首先明確需強化的目標，針對反硝化或釋磷的不同反應區，有針對性地設置投加點才會效果明顯。因此，改變原單一的投加點，在厭氧區、缺氧區中、后段分別設立碳源投加點位。

3.3 優化藥劑投加

對于深度處理段的除磷單元而言，污水廠出水口的TP在線儀表數據具有滯后性，為保證不出現任何時刻的超標可能，絕大多數污水廠選擇定量或過量投加除磷藥劑的穩妥方案，必然造成藥劑浪費。如果在化學除磷前(如二沉池出水)增設在線TP或正磷儀表(圖3)，工藝人員(或PLC控制系統)可以根據該儀表即時TP數據與TP目標值的差值，實時調整深度處理段除磷藥劑計量泵的頻率，實現投加量的更精準控制，可確保出水穩定達標的同時不過量投加藥劑。

圖3 TP過程儀表安裝位置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Installation Position of TP Instrument

3.4 提高抗沖擊能力

對于混合部分工業污水的污水處理廠，進水發生超出設計值的異常情況并不少見，為避免超設計進水對生化系統造成惡性沖擊，改造部分池體為可切換的事故池，以應對突發惡劣水質情況，有效緩解生化系統受沖擊風險，保持其良好、平穩的狀態十分重要。

針對污水廠各種突發情況，特別是存在可能沖擊生化系統的風險因素時，應制訂可行的應急預案隨時應對。

4 應用效果

4.1 生物去除效能及出水水質

該項技改是一系列的改造措施，也是在實踐中邊摸索邊改造、逐步實施和完善的一個過程，自2018年5月起開始實施，歷經約一年的時間。通過上述工藝優化的技術改造后，在缺氧區停留時間延長、缺氧區DO及好氧末端DO的有效控制、及時并合理調整內回流比、進水COD過低時初沉池超越及有效減少生化系統沖擊的組合作用下，該廠生物脫氮除磷效果明顯提升。在進水營養物同樣不足的情況下，日常運行中基本已不用投加碳源，二級生物處理段的TN去除率穩定在70%～80%，TP去除率能達到80%～90%，各項出水指標均穩定達標并遠遠優于排放限值，表4為該廠(一期5萬 t/d)2020年某周的《水質分析周報》詳細數據。

表4 水質分析周報(一期)Tab.4 Weekly Water Quality Analysis (First-Stage Project)

為更好地了解改造后生物處理段的TN、TP去除效率，統計了2020年全年各月平均水質數據(表5)。

表5 2020年月平均TN、TP數據統計Tab.5 Statistics of Monthly Average TN and TP in 2020

4.2 TN去除率

此次技改措施于2018年5月起實施，6月開始逐步顯現效果。如圖4所示，TN去除率從技改前的40%～60%(投加碳源)上升到技改后的70%～80%(基本不投加碳源)。

圖4 技改前后TN去除率對比Fig.4 Comparison of TN Removal Rate before and after Technical Reconstruction

4.3 藥劑費用

由表6可知，碳源及除磷兩項藥劑的費用從2018年上半年度的335.01萬元大幅降至2020年上半年度的52.43萬元，藥劑單耗則從0.317元/m3下降至0.081元/m3。技改前最高單月藥劑費超82萬元，技改后最高單月僅14萬元，最低僅1.9萬元，其中，4月的少量碳源投加是因為進水超過設計值的突發事件所致。全廠的月度藥劑消耗從90萬元下降到25萬元，全年節約藥劑費用約780萬元，自2018年5月技改實施以來，該廠提質增效效果顯著。

表6 技改前后費用對比表 (單位：元) Tab.6 Comparison of Costs before and after Technical Reconstruction (Unit: yuan)

5 結論

(1)城鎮污水處理廠可通過技術改造提高生物脫氮、生物除磷的效率，避免或減少外部碳源和化學除磷藥劑的投加，提質增效效果顯著，且大大減少化學藥劑投加所帶入水體的潛在環境風險。

(2)TN是污水廠提標的難點，促進反硝化作用是提高生物脫氮的核心，通過水力停留時間、DO、回流比等的合理調控，創建適宜反硝化菌生長的環境尤為重要。

(3)在充分發揮生物除磷的基礎上，適當增加過程儀表，為化學除磷單元提供前饋數據，可有效控制除磷藥劑投加量。