污水处理厂优于一级A提标改造工程设计案例——以深圳某污水处理厂为例

沙 超

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

截至2019年底，全国城镇累计建成污水处理厂5 476座，污水处理能力约2.1亿m3/d[1]。其中，大部分城镇污水厂均执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，但对于水环境敏感的地区，出水标准仍无法满足水环境质量的整体要求[2]，我国部分省市如北京、天津等已经要求污水厂执行更高的设计标准。深圳市作为典型的丘陵地形，当地河道多数起源于深圳本地，长度较短，为雨源型河道，河道坡度大，如无河道蓄水设施，河道旱天水位低、断面小，水环境容量较小。深圳市降雨多为暴雨，河流水位突升，流量大，退水快，难以“留住水”。2015年深圳市发布了《深圳市治水提质工作计划》(2015—2020年)， 计划指出，2020年河道指标全面达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类水标准。由于深圳市的河道水环境容量的现状，为达到河道Ⅳ类水目标，对应的污水处理厂亟需进行提标改造工程，确保主要指标达到Ⅳ类水标准，本文简称为“准Ⅳ类标准”(主要指标COD、BOD、NH3-N和TP指标达到地表水Ⅳ类标准，其中CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、NH3-N≤1.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L)。当前，国内大中型中心城市污水处理厂的提标改造工程面临一些共性问题：现状设施需充分利用、出水标准要求特别高、允许工期短、用地紧张或无合适用地等[3]，导致提标改造工程需充分对现状二级生物处理设施进行复核，选择的提标工艺流程应尽量减少新建构建筑物的数量，三级处理尽量选用节地高效工艺，整体工艺方案具有良好的耐水量和水质冲击的能力。

本项目是在上述背景下开展的工程实践，现状二级处理设施处理能力有限，提标改造工程出水标准要求较高，厂区现状用地紧张，经过深入的分析和研究，本项目选用MBBR改造+新增磁混凝沉淀+超滤膜的组合提标改造工艺，取得了良好的处理效果，项目案例可为国内同类污水厂提标改造提供参考。

1 污水厂现状及改造要求

1.1 运行现状

本项目污水设计规模为20万m3/d，于2006年9月投产运行，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。主要处理工艺为“粗格栅及进水泵房+细格栅及涡流沉砂+UCT生化池+二沉池+紫外消毒”工艺。对污水处理厂近几年的运行报表进行分析统计，2014年7月—2016年1月污水处理厂日均污水处理量除2014年12月和2015年1月外均高于20万m3/d，年平均处理量为22万m3/d，污水处理厂出水水质基本可满足原设计出水标准—《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，但总氮(TN)偶尔超标，主要出现在冬季与春季。污水厂原设计进出水水质如表1所示。

表1 污水厂原设计进出水水质Tab.1 Design Influent Water Quality of WWTP

表2为2014年—2016年污水处理厂进水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP浓度的累计频率统计分析结果。在90%累积频率统计下，除CODCr、NH3-N和TN进水浓度与原设计值比较接近外，其他指标中BOD5低于设计进水指标的浓度，SS和TP进水浓度高于原设计值，BOD5/CODCr约为0.3，低于城市生活污水厂典型值，可生化性一般。BOD5/TN约为2.2，BOD5/TP约为12.4，实际水质碳源相对不足，厂区运行部分时段为确保TN达标，需要外加碳源。此外，污水厂进水含砂量高，进水泵房、生反池停水清砂情况较多。进水水质主要受进水管网系统及收集污水来源影响，本项目服务范围大部分区域存在较多城中村和老旧小区，现状为合流制管道，排水管渠纵横交错，最终形成排入水体的通道，入河前通过沿河的截流箱涵截流污水入厂，系统收水范围最远点距离污水厂约20 km，部分有机物可能沿途发生沉积和降解，导致整体进水BOD5浓度偏低。地区较多的工业污水同样影响污水厂进水可生化性，部分管网不完善区域，在支流河道设置了“总口”截流设施，直接截流清洁基流、入河污水等进入沿河截流管道，稀释进水水质并引入了较多的砂粒、垃圾等等。上述原因共同作用，导致污水厂进水水质有一定的波动。

表2 2014年—2016年污水厂实际进水水质累计频率统计分析Tab.2 Cumulative Frequency Analysis of 2014—2016 Actual Influent Water Quality

1.2 提标改造要求

本次提标改造要求污水出水主要指标：CODCr、BOD5、NH3-N、TP执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类水标准，TN、粪大肠菌群数执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，SS≤5 mg/L。结合实际出水水质情况以及现状构建筑物设置现状，本次提标改造工程需将重点关注氮类污染物、SS和TP等污染指标。

另外，本项目作为已经运行的污水厂的改造工程，需要遵循以下基本原则[4-5]：(1)充分利用已建处理设施，力求少改动，最大限度减少对污水厂正常运行的影响；(2)尽量采用节地特点的工艺或建设形式，最大化土地价值；(3)在改造中尽量维持全厂平面布局的合理统一。

2 改造重点难点及应对措施

2.1 改造重点难点分析

本次提标改造工程存在如下3方面的难点。

(1)出水标准高。出水NH3-N要由8 mg/L降低至1.5 mg/L，TN由20 mg/L降低至15 mg/L，现状生物处理系统池容有限，需充分复核池容、内回流、鼓风机等设施能力，并在此基础上，考虑新增池体或设备。项目实际运行时进水TP和SS超标较严重，本次提标出水SS≤5 mg/L，TP≤0.3 mg/L，现状厂内缺少保障设施。

(2)污水厂进水含砂量大，对生物反应池稳定运行的威胁较大，需考虑可靠的应对措施。

(3)现场用地非常紧张，提标改造工程需要充分利用现状零星地块，提标改造工艺选择限制较多，设计难度和施工难度均比较大。

2.2 设计方案应对措施

2.2.1 UCT生反池复核及改造措施

现UCT生反池按一级B出水标准设计，共设置4座水池，单池处理规模为5万m3/d，设计HRT：厌氧1.8 h，缺氧1.8 h，好氧6.0 h(总HRT=9.6 h)，污泥龄12 d。提标改造工程按照“准Ⅳ类标准”出水BOD5≤6 mg/L、TN≤15 mg/L、NH3-N≤1.5 mg/L对系统进行复核，复核结果如表3所示。如系统污泥浓度按照3.5 g/L运行，复核好氧池容积不足，适当提高至4 g/L后，则计算可满足处理需求，因此，提标改造工程要求生反池按照4 g/L的污泥浓度运行。同时，该系统安全系数不高，当系统污泥浓度低于4.0 g/L时，进水指标波动较大并超过设计进水值，或MLVSS/MLSS较低时，UCT池氮类污染物达标较为困难，为确保项目的达标稳定性和可靠性，需要对现有的生反池系统进行必要的改进。

常规可行的技术方案是进一步提高系统污泥浓度或对生反池进行扩建，具体包括：(1)对回流污泥进行预浓缩，提升生物系统污泥浓度；(2)现有生物处理系统投加悬浮填料(MBBR)，提升系统污泥浓度；(3)采用MBR替代二沉池；(4)新建一组生物反应池。

考虑项目用地紧张，缺乏扩建用地的现实，本着充分利用现有设施进行挖潜改造的原则，提标改造工程拟采用“非工程”提标MBBR技术对UCT生反池进行改造[6]，适当提高生反池缺氧段停留时间，好氧段投加MBBR填料，确保氮类污染物稳定达标。

2.2.2 SS、TP的达标

本次提标改造工程对出水SS和TP的控制比较严格，常规的二级生物处理不能保障稳定达标，必须新建深度处理构筑物，增加化学强化处理。针对TP≤0.3 mg/L的要求，可采用MBR工艺或者混凝沉淀+过滤等手段。本项目为现状改造工程，不具有MBR改造的条件，同时，本项目要求SS稳定达到5 mg/L以下，常规的过滤手段难以满足达标要求，

表3 现状UCT生物反应池复核结果Tab.3 Verification of Current UCT Process

仍然需要膜工艺做后端兜底保障。因此，本次提标结合厂内用地特点，确定选用高效沉淀+超滤膜工艺，高效沉淀工艺配套磁介质投加功能，进一步保障污水达标的可靠性。

2.2.3 进水高含砂处理处理措施

污水厂高含砂量根本解决手段仍然是管网完善，深圳市2015年—2020年全市范围内均在开展源头小区“正本清源”、市政管网雨污分流等工程，污水含砂情况会逐步好转。但本项目规模较大，需考虑一些改造和强化，考虑现有的旋流沉砂池HRT较短，本次增设网板细格栅及曝气沉砂池提高除砂效果，新建系统与现有旋流沉砂系统互为备用，优先曝气沉砂为主。细格栅采用3 mm的格网，结合深圳其他污水厂的运行案例，具有较好的拦截砂粒的作用。

因此，本次提标改造工程工艺流程如图1所示。

图1 提标改造后工艺流程Fig.1 Process Flow after Upgrading and Reconstruction

3 提标改造工程设计

3.1 设计进水水质

根据对污水处理厂工程的实际进水水质分析，污水厂进水主要以综合生活污水为主，其污水中所含污染物浓度应为典型的城市污水类型。从长远考虑，随着深圳市城市快速发展，一些工业的迁出，纳污片区排水系统将逐步完善，污水水质浓度将会因为较完善的雨、污分流而有所提高。考虑到在冬季枯水期(11月—3月)雨量明显减少，旱季污水水质浓度较高等情况，结合该地区其他污水处理厂的水质特点，并适当留有余量，确定本次提标改造工程设计进水水质与现状工程一致，具体如表4所示。

表4 本工程设计进水水质Tab.4 Influent Water Quality Designed for the Project

3.2 提标改造工程主要设计参数

(1)新建细格栅及曝气沉砂池

设计规模20万m3/d，1座4池，单组处理能力5.0万m3/d，网板细格栅孔径3 mm，沉砂池有效水深3 m，高峰HRT为9.9 min。

(2)UCT生物反应池MBBR改造

设计规模20万m3/d， 4座，每座设计规模5.0万m3/d，厌氧段设置1格，HRT为1.8 h，缺氧段设置一格，HRT为1.8 h，好氧段分为5个廊道，单个廊道HRT为1.2 h，共计6 h。本次提标改造工程，好氧池第1廊道改为兼氧池，增设潜水搅拌器2套，可根据进水情况停止曝气，开启搅拌器，改为第二格缺氧池使用，这样可将缺氧区HRT为由1.8 h提升至3 h，强化TN去除效率。好氧池第2廊道改造为MBBR池，填料执行《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》(CJ/T 461—2014)标准，采用高密度聚乙烯悬浮填料B类填料，填料尺寸25 mm × 10 mm，有效比表面积800 m2/m3，投加比例25.8%。出水增设20 mm孔径不锈钢筛网拦截填料，池中在底部微孔曝气基础上，进一步在出水侧设置穿孔曝气，穿孔曝气量约占整体生反池曝气量的10%，本项目MBBR池依靠穿孔曝气和进出水流态实现池中填料的均匀和分散，不设置推流器或搅拌器。

(3)新建深度处理建(构)筑物

新建磁混凝沉淀池设计规模20 m3/d，1座4组，设置混凝池、磁粉投加池、絮凝池及沉淀池，沉淀区域峰值表面负荷Qmax=14.9 m3/(m2·h)。为提高混凝沉淀效果，池体投加磁粉。新建超滤膜车间设计规模20万m3/d，设置10套机组，单套机组净产水量833.3 m3/h。选用内压式中空纤维超滤膜，孔径0.02 μm，膜通量为45 L/(m2·h)，膜系统水回收率≥90%。

(4)乙酸钠投加系统

一般进水BOD5与总凯氏氮(TKN)之比宜大于4，才能保证反硝化反应的高效进行[7]。本项目在设计水质情况下基本满足上述条件，而现状实际进水水质复核，BOD5/TKN一般在2.1～2.36，碳源不足，本次提标改造工程考虑扩建碳源投加系统用于近期生物脱氮，远期作为应急备用手段保留。外加碳源量理论上应该按照BOD5/TKN>4核算，但本项目为提标改造工程，考虑现状既有的乙酸钠加药设施，本次按照新的出水标准相对一级B标准的差异，需新增去除5 mg/L TN考虑碳源的投加量，乙酸钠设计新增投加量40 mg/L。

3.3 工程投资及运行成本

本工程总投资2.84亿元，建安工程费用为2.47亿元。本次提标改造完成后，污水处理厂新增单位处理成本0.72元/m3，新增单位经营成本0.57元/m3。

3.4 运行效果

本次提标改造工程于2018年底建成通水，各项出水指标均能稳定达到“准Ⅳ类标准”要求。表5为2019年1月—12月污水处理厂实际平均进出水水质及污染物去除率，2019年年平均处理水量稍有提高，达到22.5万m3/d。随着地区污水管网的进一步完善，2019年污水厂进水水质平均值较2014年—2016年(表2)有较大的提升，经过提标改工程，污水厂出水各项污染指标值均较改造前有明显的降低。本次重点关注的4项指标SS、TN、NH3-N、TP的去除率分别由改造前的96%、52%、89%、89%提高至改造后的99%、75%、98%、98%，表明提标改造后的MBBR和深度处理发挥了良好的作用。此外，提标改造新建的曝气沉砂池去除的砂粒表观上较原旋流沉砂池去除砂粒的粒径更细，除砂效果应该优于原沉砂池，但污水厂运营方无明确的除砂量数据统计对比，除砂效果有待进一步的评估。本次提标改造后，污水厂实际的乙酸钠投加量约在50～55 mg/L，TN的去除情况良好，出水TN维持在相对较低的水平，运行中乙酸钠投加量有进一步优化的空间。

表5 提标改造后进出水水质及平均去除率Tab.5 Influent and Effluent Water Quality and Average Removal Rate after Upgrading and Reconstruction

4 结论

提标改造工程采用了新建细格栅曝气沉砂池， 现状UCT生反池MBBR改造，增加磁混凝沉淀池+超滤膜车间的组合方案，实际运行结果表明系统运行良好，出水能够稳定达标。设计过程对现状污水厂进行充分优化，选取合适的设计参数，并总结了一些心得和体会，可供“准Ⅳ类标准”水提标项目借鉴和参考。

(1)针对污水厂内用地特别紧张的特点，提标改造工程充分利用了厂区仅有的零星用地，提标改造的组合工艺可作为类似项目的典型工艺流程借鉴或使用。

(2)目前国内污水处理厂面临环保方面考核的巨大压力，污水厂出水需要24 h连续稳定达标，污水厂进水水质难免波动[8]，因此，大型的污水厂预留安全保障措施十分必要。本次提标改造工程对UCT进行了充分复核，基于现状系统达标存在风险的现状，确定对系统进行了MBBR改造，设置了兼氧池，确保生反池缺氧池和好氧池池容可以灵活切换，在实际的运行中得到了应用。特别是污水厂收到不明来源工业水持续影响情况下，对于TN的保障起到了很好的缓冲作用。此外，深圳市正在开展提质增效相关工程的实施工作，实施后污水厂的进水水质将得到进一步的提升，本次改造预留措施将发挥更大的作用。同时，MBBR系统筛网的防堵塞是非常现实的问题，本项目选用了3 mm的网板细格栅，有效地拦截了细小垃圾、毛发等，对系统稳定运行起到了重要作用。筛网的顶部需要设置有效的溢流孔，避免堵塞引起的污水溢流及其他相关风险。而且，筛网应设置有效的清理污物的气、水冲洗及刮渣设施，进一步保障系统安全。

(3)本次提标改造工程深度处理设置的磁混凝沉淀池和超滤膜两道工艺确保了SS和TP达标。磁混凝沉淀池考虑了磁粉介质投加的相应设施，池体表面负荷按照常规高效沉淀池进行设计，预留了一定的应对水质水量冲击的潜力，在应对运行中TP超标时，发挥了重要作用。同时，在二沉池-紫外线之间设置了多种超越组合，可实现分别超越磁混凝沉淀池、超滤、部分超越超滤等功能，尽可能保障设施检修时污水处理需求。