低碳高氮生活污水處理多級AO技術
1、工程概況
山東省北部某沿海地級市經濟技術開發區現狀生活污水主要通過泵站輸送至開發區工業污水處理廠，該地區近年來進行了污水管網改造，生活污水收集量逐年增加，原工業污水處理廠的處理規模無法滿足要求，因此開發區決定專門建設1座生活污水處理廠。該污水廠設計規模遠期為1×104m3/d，近期為0.5×104m3/d，變化系數Kz=1.58，占地約2.29hm2，總投資約5055萬元。污水廠效果圖見圖1。
2、進、出水水質及工藝選擇
本工程主要收集開發區生活污水，為準確預測進水水質，選取該片區內幾個典型小區與生活污水泵站的水樣進行測定，通過取樣分析以及《污水排入城鎮下水道標準》（GB/T31962—2015）綜合確定本次設計進水水質，同時根據當地環保要求，出水主要指標COD、TP、氨氮需達到《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）Ⅳ類標準，TN≤12mg/L，其余指標執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準。本次工程設計進、出水水質見表1。
由表1可知，本地區水質的典型特征是低碳高氮，TN較高，BOD5相對較低。經分析可能是由于該地區沿海，飲食中海鮮類食物較多，生活污水中TN及氨氮較高；同時地處工業園區，可能會有部分工業廢水混入，導致TN較高；另外本片區雨污分流改造尚未全部完成，管網中地下水入滲及雨水混入導致進水BOD5較低。由于COD、TP的出水標準較為嚴格，故COD和TP也是本次設計的重點和難點。
結合上述水質分析，本次工藝選擇如下：
①對COD和BOD5的去除。本工程進水B/C=0.4，可生化性較好。常規市政污水采用各類改良A2O工藝配合深度處理，出水COD能達到30~40mg/L左右。由于污水廠尾水的受納水體屬于當地的重點監控河流，需增設高級氧化處理工藝進一步去除COD，保障最終出水COD及BOD5穩定達標。
②對TN的去除。本工程設計進水TN為110mg/L，出水TN≤12mg/L，去除率要求大于89%。進水C/N=1.09，碳源明顯不足。生化處理主工藝段需選擇脫氮能力強、節省碳源的處理工藝，而根據Bardenpho工藝原理，多級AO的理論TN去除率可達90%~95%。研究表明，北京等地污水處理廠采用多級AO工藝，TN去除率為85%~88%；西安某污水廠單獨應用多級AO，TN去除率約為80%。因此，本次生化主處理工藝選擇多級AO，同時考慮進水TN波動，深度處理采用反硝化深床濾池作為TN達標的保障措施。
③對氨氮的去除。本工程氨氮去除率要求大于98.6%，在保證曝氣量和好氧停留時間的情況下可以穩定達標。考慮冬季時生化池出水氨氮波動，在二沉池后增設接觸氧化池進一步保障氨氮達標。
④由于生化池去除TP有限，后續深度處理采用除磷效果較好的磁混凝沉淀池。
⑤因為BOD5濃度低導致進水碳氮比較低，難以進行反硝化去除總氮，需額外投加碳源，本次選擇25%的乙酸鈉溶液作為外加碳源。⑥因進水水量及水質有一定波動，污水廠工藝流程中需設置多段超越管線，根據進水水質及實際運行情況進行靈活調整，從而降低污水廠的運行成本。
3、工藝設計
3.1 工藝流程
污水處理工藝流程見圖2。
3.2 主要構筑物及設備設計參數
3.2.1 預處理構筑物（規模為1.0×104m3/d）
①粗格柵：去除污水中的較大漂浮雜物以保證后續處理構筑物的正常運行。池數1座，設計流量Qmax=658.3m3/h。主要設備為渠寬700mm、柵縫25mm的回轉式粗格柵2臺，互為備用。
②提升泵站：提升污水以滿足后續污水處理流程豎向銜接的要求，實現重力流動順序處理污水。池數1座，設計流量Qmax=658.3m3/h。近期設置3臺水泵，2用1備，Q=220m3/h，N=18.5kW，遠期增加2臺。
③細格柵及曝氣沉砂池：進一步去除污水中細小懸浮物，降低生物處理負荷，以保證后續處理流程的正常進行。池數1座，設計流量Qmax=658.3m3/h。旋轉細格柵渠寬1000mm、柵縫5mm，共兩條；曝氣沉砂池1座，分兩格，停留時間4.5min，配備桁車式吸泥機1臺（單格寬2m）。
3.2.2 調節構筑物（規模為0.5×104m3/d）
因污水廠服務區域雨污分流改造未全部完成，管網中可能混入部分工業廢水，影響運行，且污水廠排放水體標準較高，故增加調節事故水池，提高安全系數。池數為近期、遠期各1座，總尺寸為38m×22m×6.9m。其中事故水池（與調節池合建）分兩格，停留時間16h，設置排水泵2臺，Q=70m3/h，N=5.5kW。調節池的停留時間為8h，設置排水泵3臺，Q=70m3/h，N=5.5kW。
3.2.3 二級生化處理構筑物（規模為0.5×104m3/d）
①綜合生化池：集厭氧、多級AO+二沉池+后置生物接觸氧化池于一體，利用生化池內各類微生物降解污水中的有機物、氮和磷。池數為近期、遠期各1座。單座設計流量Qave=210m3/h，總尺寸為66m×25m×6.3m。綜合生化池示意見圖3，工藝參數見表2。
生化池內回流設計如下：為提高釋磷效率，設從一級缺氧池至預缺氧池/厭氧池的回流，采用PP泵（1臺），回流比為100%；為提高脫氮效果，設從一級好氧池至一級缺氧池的回流，采用PP泵（1臺），回流比為400%。
二沉池設計如下：尺寸為10m×25m×5.8m，HRT=5.6h，表面負荷為0.875m3（/m2·h），配備刮吸泥機1臺，污泥泵1臺，Q=105m3/h，N=3.0kW。
接觸氧化池設計如下：HRT=2.8h，配備組合生化填料V=366m3，穿孔曝氣管1套。其進水渠前設置超越渠道，當前段氨氮出水達標時可進行超越。
②乙酸鈉投加系統：平均進水量約為5000m3/d，平均進水COD為300mg/L、BOD5為120mg/L。進水TN為110mg/L，未加碳源時平均去除40mg/L，出水按照11mg/L計算，則外加碳源去除TN約為59mg/L，要實現完全反硝化，需滿足BOD5/TN≥3，而1mg乙酸鈉產生0.52mgBOD5，因此乙酸鈉投加量約為340mg/L。反硝化濾池設計投加量為30mg/L，多級AO池根據理論計算及污水廠運行實踐，確定三級缺氧池的碳源投配比為2∶1∶1。因此，需純乙酸鈉約1.70t/d，需25%的乙酸鈉溶液6.81t/d。
③鼓風機房：因污水廠水量及水質存在波動，磁懸浮鼓風機采用大小機型搭配設計。鼓風機1數量1臺，Q=30m3/min，P=65kPa，N=50kW；鼓風機2數量2臺，1用1備，Q=58m3/min，P=65kPa，N=75kW。根據生化池中溶解氧濃度調節鼓風機的運行臺數和送風量。當進水流量低或TN濃度較低時，啟動鼓風機1，變頻控制；當進水流量高或TN濃度較高時，啟動鼓風機2，變頻控制。
3.2.4 深度處理構筑物（規模為0.5×104m3/d）
①磁混凝沉淀池：利用可循環的磁種，增強絮凝反應，沉淀去除水中懸浮物和總磷。土建按照1×104m3/d建設，設備按照近期0.5×104m3/d實施。總尺寸為16.4m×8.1m×6.30m，1座2格，由T1池、T2池、T3池、高效澄清池組成。表面負荷qave=8.33m3（/m2·h）。配套攪拌機、刮吸泥機、高剪機、磁分離器等設備。
②反硝化深床濾池：通過濾池的反硝化及過濾作用，進一步去除SS和TN。設計流量Qave=208.3m3/h，總尺寸為15.9m×14.9m×6.70m，1座3格，單格尺寸為5.8m×2.9m×6.70m。濾池清水池、廢水池與遠期濾池合用。有效濾料總體積92m3，單格過濾面積16.82m2，總過濾面積50.46m2，設計濾速4.13m/h，強制濾速6.20m/h，硝態氮去除負荷為0.81kg/（m3·d）。
③臭氧催化氧化池+循環泵房：本工藝段內臭氧與污水充分混合，利用池內催化劑作用在混合污水中產生羥基自由基，進一步去除水中難降解有機物，設計最高去除COD為10mg/L。總尺寸為16.8m×4.35m×7.4m，停留時間2.0h，臭氧池內配備均相催化反應器1臺，循環泵房配備Q=60m3/h、N=7.5kW、H=240kPa的臥式離心泵3臺（2用1冷備）。臭氧設計投加量為14~28mg/L。
④臭氧發生間：總平面尺寸為19.8m×7m，房高5.50m。采用臭氧發生器2臺（1用1備），臭氧產生量為3kg/h，N=25.5kW。
⑤接觸消毒池+巴氏計量槽：存儲中水及消毒，并進行出水計量。設計規模為1.0×104m3/d，消毒劑采用次氯酸鈉。總尺寸為18.0m×6.5m×4.4m，停留時間0.7h。
4、運行效果及技術經濟分析
4.1 運行效果及分析
該工程于2019年7月1日開工，2021年6月18日完成竣工驗收，2021年8月開始系統的試運行和調試，采用24h連續運行。2021年—2022年，本工程平均進水量為4200m3/d。2021年8月—2022年7月平均進、出水水質監測數據見表3。
①由表3可知，污水廠現狀出水水質良好，COD、NH3-N、TP已經穩定達到地表水Ⅳ類標準，TN穩定在12mg/L以下。目前污水廠已經通過相關部門驗收，獲得了良好的社會效益和環境效益。
②進水水質的最大特點是低碳高氮，進水TN高達110mg/L，而BOD5較低。選擇脫氮效率較高的多級AO工藝，能保證在生化段最大程度進行反硝化脫氮。從運行反饋來看，生化池出水TN基本降至12mg/L以下，減輕了后續深度處理脫氮負荷，降低了生產成本。
③深度除磷采用磁混凝沉淀池，從運行效果來看，出水水質良好。在部分時段進水TP超過設計指標的情況下，通過增加投藥量等措施可以保證出水TP達標。
④進水雖然為生活污水，但是出水指標較嚴格。從近一年污水廠運行數據來看，磁混凝沉淀出水COD約30mg/L，不能穩定達標，需通過臭氧催化氧化作用進一步降解COD，在投加設計臭氧量的情況下，可以保證出水COD穩定達標。
⑤鑒于污水廠水質、水量存在一定波動，因此在設計過程中，深度處理各單體均設置了超越管線，可根據運行情況靈活選擇。從實際運行情況來看，這些措施對降低污水廠能耗、節約生產成本效果顯著。
4.2 工程投資及運行費用
工程總投資5055萬元，單位總成本8.7元/m3，單位經營成本7.08元/m（3按照最不利設計水質計算），其中藥劑費3.78元/m3，電費1.3元/m3，污泥處理費0.1元/m3，管理維修費1.9元/m3。自正式運行以來，根據進水水質、水量變化，及時調整工藝參數，合理超越某些深度處理單體，運行成本得到有效降低。根據該污水廠近一年的運行數據統計，現平均運行成本約4.2元/m3。
5、結論
①對于低碳高氮污水的處理，應盡量選用脫氮效率高的生化處理工藝（多級AO、Bardenpho等），使TN在生化池盡可能達標，后續反硝化深度處理可作為保險措施，降低運行成本。
②磁混凝沉淀池對TP去除效果顯著，在高排放標準下，可作為污水廠TP達標排放的深度處理措施。
③一年的運行實踐表明，本工藝技術成熟、處理效果穩定，而且操作靈活、運行可靠，對相關類型的污水處理有很好的借鑒意義。
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