兩級上向流生物濾池及模塊化裝備應用于污水廠提標改造的工程實例
摘要：對于部分城市生活污水處理廠，進、出水水質隨季節性波動較大。以山西省某污水處理廠為例，按《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）準Ⅴ類（TN≤10mg/L）標準考核，夏季出水TN不能達標，冬季NH3-N不能達標，通過新增兩級生物濾池的深度處理工藝，采用上向流生物濾池及專有的布水布氣系統，可根據水質處理需求實現硝化與反硝化模式的切換，保證TN及NH3-N全年穩定達標。本項目采用智能模塊化裝備的建造模式，具有安裝便捷，占地面積小，不受施工場地限制等優勢。
01 工程概述
為了保護和改善水環境，國家加大水污染防治力度。近幾年，國家“水十條”和地方標準的相繼出臺，許多污水處理廠面臨提標改造的問題。山西省水污染防治行動計劃及水污染防治條例要求城鎮生活污水廠出水COD、NH3-N及TP等指標參照地表水Ⅴ類及以上標準。以山西省某污水處理廠為例，其水質隨季節波動較大，且碳氮比較低，亟需尋求一種靈活的污水提標改造工藝，既能適合進水水質的變化，又能保障出水的穩定達標排放。
該污水處理廠設計日處理規模為3萬m3/d，于2007年9月建成通水，2016年4月在污水廠內完成第一次提標改造，處理工藝為“改良型A2O+網格絮凝沉淀+精密過濾”，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。根據最新政策要求，需將出水標準提至《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）地表準V類（其中TN≤10mg/L）。從污水廠2018年的運行水質數據分析，出水水質達不到地表V類標準且隨季節波動較大，即使污水廠通過優化前端生化系統，夏季TN仍不達標，冬季NH3-N不達標。當夏季TN進水指標升高時，在原生化處理系統缺氧池內投加碳源，實際運行碳源利用率較低，藥劑成本高，前置反硝化脫氮能力有限。在保證出水穩定達標且運行成本合理的前提下，該污水廠需新建處理設施進行提標改造。由于污水廠用地緊張，且周邊征地困難，根據業主要求，僅能在廠內剩余很小的空地上新建深度處理設施。深度處理設計進、出水水質見表1。
02 處理工藝概述
根據主要超標的污染物因子隨季節波動的情況，本項目提標改造采用新增兩級生物濾池的深度處理工藝，二沉池出水提升至新增生物濾池，經兩級生物濾池處理后出水進入原網格絮凝沉淀池，經沉淀及過濾，最后在清水池消毒后達標排放，工藝流程如圖1。
兩級生物濾池均采用上向流濾池形式，且濾池的建設采用鋼制模塊化裝備結構，根據水質的變化可將生物濾池的運行模式切換成以下兩種：
模式一：硝化濾池+反硝化濾池，NH3-N不達標，TN不穩定達標，去除NH3-N、TN；
模式二：反硝化濾池+硝化濾池，TN不達標，NH3-N不穩定達標，去除TN、NH3-N。
03 主要工藝單元及設計參數
3.1 一級生物濾池
設計鋼制模塊化裝備共6組，單組設計處理規模5000m3/d，單組尺寸10.5m×3.0m×4.5m，火山巖濾料粒徑4-6mm，填裝高度為2.8m，鵝卵石承托層8-32mm，填裝高度0.3m，空床停留時間25min。
3.2 二級生物濾池
設計鋼制模塊化裝備共4組，單組設計處理規模7500m3/d，單組尺寸10.5m×3m×3.4m，空床停留時間15min，火山巖濾料粒徑3-5mm，填裝高度為2.1m。
兩級生物濾池均采用專門研發的中阻力配水、大阻力配氣的多功能濾管替代傳統的小阻力濾頭濾板配水配氣結構進行布水布氣，兼具布水、曝氣布氣、反沖洗布水布氣的功能，可實現濾池布水布氣更加均勻，反沖洗更加徹底，需曝氣功能時，無需單設單孔膜曝氣系統，僅配備鼓風機即可實現硝化與反硝化的轉化運行。
3.3 自控系統
本深度處理濾池系統在提標改造車間設有中控室，并配置有2臺上位機系統，一主一副互為備用，上位機系統采用西門子WINCC7.3版組態軟件，下位機采用分布式系統，主站1臺，采用西門子300系列PLC，子站10臺，采用西門子200SMART系列PLC。主站用于控制反洗風機、反洗水泵、曝氣風機的運行。子站用于控制各組濾池的閥門。濾池控制子站負責完成每格硝化/反硝化濾池正常過濾、氣洗、氣水同時反洗、水洗的自動協調控制以及操作狀態監視。每格硝化/反硝化濾池設置超聲波液位計、水頭損失儀以實現反洗條件判斷。子站利用控制指令，控制進水閥開度，從而實現各格濾池進水均衡控制，同時上傳反洗工況信號供上位機采集。主站與子站之間，主站與上位機之間都是通過以太網進行通訊，數據交換。在主站配置有無線遠程模塊，實現對深度處理濾池自控系統遠程監控，實現無人值守，全自動化運行的要求。
3.4 提標改造系統車間
提標改造系統車間放置閥門氣源系統、曝氣系統、碳源加藥系統、反沖洗系統、自控系統及其他輔助配套設備。
閥門氣源系統：空壓機Q=1m3/min，P=0.8MPa，N=7.5kW，1臺，冷干機、儲氣罐各1臺。曝氣系統主要為曝氣風機及管道，曝氣風機Q=5m3/min，P=0.06MPa，N=11kW，共11臺，10用1冷備。碳源加藥系統：溶藥裝置V=10m3，材質PE，共2套，投加計量泵Q=550L/h，P=0.4MPa，N=0.55kW，共2臺，1用1備。
反沖洗系統：兩級生物濾池共用一套反沖洗系統，反洗風機Q=13.72m3/min，P=0.06MPa，N=22kW，3臺，2用1備，反洗水泵Q=360m3/h，H=15m，N=22kW，3臺，2用1備。水洗強度6 L/m2.S，氣洗強度14 L/m2.S。
3.5 總平面布置
深度處理生物濾池采用鋼制模塊化裝備，一級生物濾池模塊分為1-6組，二級生物濾池模塊分為1-4組，底部進水，穿越濾料層從上部出水，兩級生物濾池模塊總平面布置如下圖2。
由于污水廠改造場地受限，改造系統分兩層排布，上層放置生物濾池模塊，下層設置為提標改造系統車間，車間內放置配套設施及管道系統。改造總占地面積約為400m2，平面尺寸為32.4m×12.3m。
04 運行模式及運行效果
本項目于2019年10月建設完成并投產，運行至今貫穿了冬季與夏季，平均處理水量為2.85萬噸/天。針對本項目深度處理的水質，同時結合所使用濾池的特點，運行時通過功能切換，發揮濾池的硝化及反硝化功能，保證全年的出水水質。
（1）冬季氨氮超標運行模式
溫度對硝化菌的活性影響較大，當12月-2月期間，冬季水溫低于12℃時，污水廠原A2O生化處理系統硝化速率下降，因此進入深度處理系統NH3-N濃度較高，在TN濃度中占比也較高。針對NH3-N超標，深度處理需強化硝化，采用模式一運行：1-6#一級生物濾池開啟曝氣進行硝化，1-4#二級生物濾池根據需要投加少量碳源，保證出水NH3-N、TN穩定達標。硝化濾池濾速6.3m/h，反洗周期約60-72h；反硝化濾池濾速9.4m/h，反洗周期約36-48h。碳源投加采用“模糊控制”法，通過進水流量計、進出水在線硝態氮濃度儀的反饋，建立數學模型，動態控制碳源加藥量。在保證出水COD、BOD5達標的前提下，精確的控制總氮的去除。以2月份運行數據為例，平均水溫8℃，深度處理系統進水NH3-N為7-10mg/L，進水TN為9-13mg/L，出水NH3-N≤1.5mg/L，出水TN≤10mg/L。
（2）夏季總氮超標運行模式
夏季降雨量大，集中在7月-8月期間，雨污合流使污水廠進水有機物濃度偏低，硝化效果較好，但碳氮比較低限制了反硝化的脫氮效果，通過在原生化處理增加碳源，但利用率較低，脫氮效果得不到明顯改善，原A2O出水TN濃度偏高，大部分均為硝態氮。針對TN超標，深度處理需強化反硝化，以模式二運行為主：1-6#一級生物濾池不開啟曝氣并投加碳源作為反硝化濾池，去除硝態氮，1-2#二級生物濾池根據氨氮濃度決定是否開啟曝氣進行硝化補充，3-4#二級生物濾池不曝氣作為過濾濾池，更好地保證出水效果。反硝化濾池濾速6.3m/h，反洗周期約36-48h；硝化濾池濾速9.4m/h，反洗周期約60-72h。以7月份運行數據為例，水溫約23-25℃，深度處理系統進水NH3-N為0.2-0.9mg/L，進水TN為12-18mg/L，出水NH3-N≤0.5mg/L，出水TN≤8mg/L。
（3）其他時段主要運行模式
根據本項目深度處理的進水情況，除上述集中水質指標較高的月份，其他時段NH3-N及TN少許超標，NH3-N相對超標頻率較高，主要以模式一方式運行，根據NH3-N濃度開啟1-6#一級生物濾池的幾組進行曝氣，1-4#二級生物濾池根據需要投加少許碳源作為水質保障。
綜上述運行模式，兩級濾池全年大部分為“硝化+反硝化”模式，其中7，8月份切換為“反硝化+硝化”模式。根據水質提前分組進行切換，調節進水閥門開度，反硝化切換為硝化時，停止投加碳源，強制反沖洗兩次后開啟曝氣，培菌期間反洗周期為72-96h，再逐漸調整至60-72h；硝化切換為反硝化時，停止曝氣，調整碳源加藥泵沖程，培菌期間反洗周期設置為96h，一周后恢復反洗周期至36-48h。
05 技術經濟分析
本項目改造深度處理系統裝機功率348.5kw，最大運行功率為170kw，電費0.07元/m3，年平均碳源投加費為0.08元/m3，人工費0.01元/m3，年平均直接運行成本約0.16元/m3。深度處理系統占地面積400m2，建設周期僅為一個月。
06 結論
對于進、出水水質呈現季節性波動較大時，深度處理采用兩級上向流生物濾池的組合工藝及其專有的布水布氣系統，可實現硝化與反硝化的切換，根據水質需求啟用硝化或反硝化功能，分別針對性去除NH3-N或TN，出水可滿足TN≤10mg/L，NH3-N≤1.5mg/L，并能根據溫度變化靈活運行，確保全年水質穩定達標。上向流生物濾池采用鋼制標準模塊化結構，與傳統鋼混建設模式相比，占地及工期優勢顯著。
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