重庆市某污水厂不停产提标改造工程设计

石春寅，彭 晨，邹浩东

(重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 400020)

近年来，污水处理厂出水水质标准不断提高，《水污染防治行动计划》要求到2017年底出水水质全面达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准，而地方标准更加严格。2020年3月《梁滩河流域城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 50/963—2020)正式发布，明确要求重庆市梁滩河流域重点控制区域内处理规模≥1.0万t/d的城镇污水处理厂必须提标改造，相对于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，新标准重点针对的污染物指标为COD、NH3-N、TN和TP，并要求污水厂从2022年1月1日起执行。

梁滩河流域重点控制区域内现有大中型城镇污水处理厂共5座，设计总处理规模为30万t/d，部分污水厂已经满负荷运行，根据环保要求，不能进行停产或者减产改造。国内污水处理厂升级改造案例较多，一般需要新建生物处理池或原生物池利旧改造。新建生物处理池需要新征地甚至增加中间提升，而原生物池利旧改造一般采用逐池改造，水量分摊至其余水池，存在改造期间出水水质超标的风险。基于此，本文以流域内某水厂为例，在分析一期工程实际运行水质和设计参数的基础上，详细阐述了污水厂不停产提标改造的具体设计方案，将一期氧化沟改造为AAO生物池，并增加高密度沉淀池，改造期间及改造后污水厂出水水质稳定达标。设计充分考虑了原有设施的利用及不停产改造方案，可供类似工程项目参考借鉴。

1 工程概况

1.1 一期工程概况

重庆市某污水处理厂一期工程建成于2008年，服务范围为大学城、陈家桥、曾家等片区，设计规模为5万t/d，一期设计出水水质为一级A排放标准。

一期工程污水处理工艺为粗格栅进水泵房→细格栅旋流沉砂池→厌氧池→Carrousel氧化沟→二沉池→中间提升泵房→纤维转盘滤池→二氧化氯消毒池→达到一级A标准排放。氧化沟采用倒伞型表曝机，在氧化沟出水井加药辅助除磷，剩余污泥采用带机脱水处理后外运处置。

1.2 设计水质

2019年污水厂实际运行水质如表1所示，其中出水水质COD、NH3-N、TP这3项指标未达到梁滩河地标要求。本次提标改造工程设计出水水质执行《梁滩河流域城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 50/963—2020)表1重点控制区域限值。本改造工程设计进、出水水质如表1所示。

表1 2019年污水厂实际运行水质及本改造工程设计水质Tab.1 Actual Water Quality in 2019 and Design Water Quality of the Upgrading and Reconstruction Project

1.3 一期工程设计参数复核及存在的问题

为提出技术可靠、经济合理的提标改造方案，本文对一期工程主要处理设施的设计参数进行复核。

(1)氧化沟设计参数

一期工程厌氧池停留时间为1.2 h，氧化沟停留时间为13.2 h，生物池总停留时间为14.4 h；按照新的设计进水、出水水质标准，采用硝化反硝化动力学公式计算，生物池厌氧池停留时间为1.2 h，缺氧区停留时间为4.2 h，好氧区停留时间为9.0 h。因此，在现状进水水质前提下，氧化沟设计池容满足新标准的要求，但氧化沟池底污泥沉积，导致实际池容减少，不能满足新标准的要求。

(2)曝气设计参数

一期工程氧化沟设置表曝机10台，每台机组充氧量为110 kg O2/h，总充氧量为1 100 kg O2/h；按照新的设计出水水质标准，计算得出标准需氧量为1 350 kg O2/h。由此可知，在现状进水水质前提下，氧化沟曝气量不能满足新标准的要求。

(3)二沉池设计参数

一期工程二沉池采用2座周边进水周边出水二沉池，直径为42 m，最大流量时表面负荷为1.0 m3/(m2·h)，沉淀负荷较低，能满足新标准的要求。

(4)加药系统设计参数

一期工程加药间采用2台隔膜计量泵加药辅助化学除磷，流量为500 L/h，扬程为0.3 MPa，投加点为氧化沟出水井；经计算，化学除磷量为2.0 mg/L，PAC投加摩尔比为2，PAC溶液(氧化铝质量分数为6%)投加量为230 L/h。因此，一期工程计量泵流量能满足新标准的要求，但除磷药剂随污泥回流至氧化沟会影响微生物生长，实际投药量受到限制，导致加药系统不能满足新标准的要求。

(5)污泥系统设计参数

一期工程脱水车间采用2台带式浓缩脱水机，带宽为2 000 mm，处理量为30～55 m3/h；经计算，污水厂提标改造后剩余污泥量为7.5 t DS/d，化学污泥量为0.7 t DS/d，折算成含水率99.2%的湿污泥量为1 025 m3/d。因此，2台带机同时工作，每天工作10 h，能满足新标准的要求。

(6)滤池设计参数

一期工程滤池采用2套纤维转盘滤池，每套12片转盘，转盘直径为3.0 m，过滤面积为453.6 m2，最大流量时滤速为处理量为6.34 m/h，能满足新标准的要求。

(7)存在的问题

根据污水厂实际运行情况，改造前出水水质COD、NH3-N、TP这3项指标未达到梁滩河地标要求。结合一期工程设计工艺参数分析，原处理工艺水质难以达标的原因：①氧化沟中好氧区和缺氧区的分布不合理[1]，沟内循化流态导致无法形成独立稳定的缺氧和好氧环境；②氧化沟表面曝气机老旧，充氧能力不足，效率低，能耗高；③氧化沟底部流速低，污泥易沉积，底部沉泥高度达到了0.8 m，导致氧化沟有效容积不足；④二沉池除磷药剂随污泥回流至氧化沟，影响微生物生长，TP难以进一步去除。因此，需对原工艺设施进行改造，重点方向为改造氧化沟强化生物脱氮及增加化学除磷工艺。

2 工艺方案

提标改造技术路线包括优化预处理单元、改造生物处理单元、增加深度处理单元[2]。通过上述对一期工程运行水质、设计参数的复核及存在问题的分析，本文主要对一期氧化沟及曝气设施进行改造以及功能分区，增加曝气量，减少池底淤泥，增大有效容积，强化去除COD和NH3-N，并在二沉池后增加独立的化学除磷设施，以免二沉池过量投加除磷药剂影响生物处理系统，进一步去除TP。

2.1 氧化沟改造工艺方案

目前，国内城市污水处理厂一般可将氧化沟改造为AAO、MBBR或MBR等的污水处理工艺。AAO工艺将生物池分为厌氧、缺氧、好氧，3种不同的环境条件和微生物菌群种类的有机配合，具有同时去除有机物、脱氮除磷的功能；MBBR工艺通过向生物池中投加一定数量的悬浮载体，可以提高生物池中的生物量及生物种类；MBR是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。表2为3种常见氧化沟改造工艺对比情况。

表2 氧化沟改造工艺比较Tab.2 Comparison of Oxidation Ditch Reconstruction Processes

根据污水厂氧化沟的型式及存在的问题，由表2可知，一期Carrousel氧化沟改造为AAO工艺施工简单，可实现不停产改造，运行管理方便，更为经济合理，主要内容包括：①调整氧化沟导流墙布置，分为缺氧区和好氧区2个功能分区，增加内回流设施；②拆除表曝机，设置鼓风曝气设施；③增加推流器，形成缺氧区和好氧区分别独立循环流态，防止污泥沉积。

2.2 深度处理改造方案

经过生物处理单元改造后，COD和NH3-N可达到梁滩河地标要求。一般单采用生物除磷工艺很难满足出水含磷量低于1.0 mg/L的排放要求[3]，更难以满足梁滩河地标出水TP限值0.3 mg/L的要求。

在美国EPA推荐的技术中通常是生物、化学与物理除磷的组合工艺，可将其分为3大类：①生物除磷+化学除磷+沉淀过滤；②生物除磷+化学除磷+两级过滤；③生物除磷+化学除磷+膜分离。3类技术中第①类技术最常用，应用范围较广，该技术出水TP为0.01～0.07 mg/L。沉淀过滤既可以采用传统工艺，如平流、竖流和辐流式沉淀池，以及砂滤池、多介质滤池和流化床滤池；也可以采用新技术，如斜板(管)沉淀池、高密度沉淀池、磁混凝工艺以及活性砂滤池[4]。一期工程已有滤池，本次深度处理只增加沉淀工序，表3为3种常见深度处理沉淀池池型对比情况。

表3 深度处理沉淀池池型比较Tab.3 Comparison of Advanced Treatment Sedimentation Tanks

根据国内外污水厂除磷工艺运行情况，由表3可知，虽然高密度沉淀池的运营维护较复杂，成本较高，但出水TP月均值低于传统工艺，节省占地面积。因此，本工程除磷沉淀工艺拟采用高密度沉淀池，在AAO生物除磷基础上，增加化学除磷和沉淀过滤，沉淀采用高密度沉淀池，并利用现状纤维转盘滤池过滤，出水TP可满足新标准0.3 mg/L的限值要求。

化学除磷的药剂一般采用铝盐、铁盐(包括亚铁盐)、石灰和铝铁聚合物等[5]。由于铁盐影响出水色度，石灰投加系统复杂且投资较高，本工程化学除磷药剂采用铝盐(PAC)。本工程除磷药剂投加点包括生化池出水井和高密池进水井2处，TP可通过二沉池的剩余污泥和高密池的化学污泥去除，两级沉淀可提高除磷保证率，降低药剂对生物处理系统的影响，节省投药量等。

根据以上分析，本工程推荐污水处理流程工艺如图1所示。

图1 处理工艺流程Fig.1 Flow of Treatment Process

2.3 工艺设计

本工程改造扩容的构(建)筑物为氧化沟改造、中间泵房扩容、加药间扩容，新建构筑物为鼓风机房、高密度沉淀池。

(1)氧化沟改造

设计规模为5.0万t/d，分为2座。设计水温为15 ℃，污泥浓度为4 g/L，脱氮速率为0.05 kg NO3-N/(kg MLSS·d)，污泥总产率系数为0.7 kg MLSS/(kg BOD5)，好氧区污泥泥龄为12.8 d，BOD5污泥负荷为0.073 kg BOD5/(kg MLSS·d)，标准供气量为16 800 m3/h，气水比为8∶1，混合液回流比为100%～300%，污泥回流比为50%～100%。

一期氧化沟分2座，图2是其中1座氧化沟改造前的平面图，厌氧池长度为42.4 m，宽度为5.0 m，深度为6.5 m，有效水深为6.0 m，有效容积为1 250 m3；氧化沟长度为82.0 m，宽度为44.6 m(单沟净宽为7 m)，深度为4.7 m，有效水深为4.2 m，有效容积为13 750 m3。图3是氧化沟改造为AAO生物池后的平面图，改造后生物池总停留时间为14.4 h，其中厌氧区停留时间为1.2 h，缺氧区停留时间为4.0 h，好氧区停留时间为9.2 h。

图2 一期氧化沟改造前平面图Fig.2 Plan of Oxidation Ditch before Reconstruction

图3 一期氧化沟改造后平面图Fig.3 Plan of Oxidation Ditch after Reconstruction

改造内容：2座氧化沟调整导流墙位置，改为AAO生物池，缺氧池和好氧池分别形成循环流态，具有较强的抗水质冲击能力；调整潜水推流器布置位置，确保生物池底部流速不小于0.3 m/s；拆除一期倒伞型表曝机，增加5 600个微孔曝气盘(D300，3 m3/h)；增加6台混合液回流泵(流量为1 050 m3/h，扬程为0.8 m，功率为5.5 kW，变频调速)。

(2)鼓风机房

设计规模为5.0万t/d，最大供气量为280 m3/min。

本工程设置鼓风机1座，配置3台离心式鼓风机(2用1备)，单台参数：风量为140 m3/min，风压为50 kPa，功率为175 kW，用于改造后的AAO生物池好氧区曝气。根据好氧池溶解氧浓度控制鼓风机开停或调节进口导流叶片角度自动调节风量。

(3)中间泵房扩容

设计规模为5.0万t/d，变化系数为1.38，设计流量为2 875 m3/h。

一期工程设置泵房1座，平面尺寸为8.3 m×5.0 m，池深为4.0 m，水深为3.0 m，有效容积为124.5 m3，配置轴流泵3台(2用1备)，水泵参数：流量为1 438 m3/h，扬程为4.0 m，功率为30 kW。本改造工程将轴流泵更换为3台潜污泵，潜污泵流量为1 438 m3/h，扬程为6.0 m，功率为45 kW。

(4)高密度沉淀池

设计流量为2 875 m3/h，快速混合时间为2.6 min，速度梯度值为430 s-1；中间反应时间为1.2 min；絮凝反应时间为11.8 min，最大回流比为5%。絮凝反应导流筒内流速为0.5～0.6 m/s，导流筒外流速为0.1～0.3 m/s；斜管沉淀区表面负荷为11.1 m3/(m2·h)；污泥浓缩区高度为2.4 m，污泥浓缩时间为6.0 h。

新建高密度沉淀池1座，分2池，单池尺寸为33.6 m×24.85 m，池深为6.9 m。

主要设备：斜管直径为80 mm，长度为750 mm，面积为260 m2；2套快速混合搅拌机，直径为1.0 m，功率为15 kW，变频调速；2套絮凝反应搅拌机，导流筒直径为2.5 m，功率为11 kW，变频调速；2套污泥浓缩机，直径为14 m，功率为1.5 kW，转速为0.02～0.1 r/min，无极调速；6套污泥螺杆泵，流量为75 m3/h，扬程为0.3 MPa，功率为9.0 kW，变频调速。

(5)加药间扩容

在保留一期工程生物池出水井投加除磷剂基础上，增加高密度沉淀的加药系统。设计流量为2 875 m3/h，化学除磷量为2.0 mg/L，PAC投加摩尔比为2，化学干污泥为0.7 t DS/d。PAM投加量为0.5～1.0 mg/L，投加浓度为0.2%，制备浓度为1%。

本工程在加药间增加2套隔膜计量泵，流量为300 L/h，扬程为0.3 MPa，1用1备，投加PAC至高密度沉淀池的快速混合池；并增加1套PAM制备装置和2台隔膜计量泵，流量为1 500 L/h，扬程为0.3 MPa，1用1备，投加PAM至高密度沉淀池的絮凝反应池。

3 不停产改造技术方案

一期工程2组处理构筑物设计规模各2.5万t/d，目前,实际水量已经达到3.0万t/d，按照环保局要求，改造期间不能减量运行。因此，改造期间2组处理构筑物要求正常运行。根据前述工艺方案，不停产改造难点包括氧化沟导流墙改造、氧化沟内设备安装及新老构筑物管道对接3个方面，本文提出相应的技术方案。

(1)氧化沟导流墙改造

为了满足缺氧区和好氧区形成循化流态的要求，氧化沟局部需要拆除和新建导流墙。氧化沟廊道内平均流速约为0.5 m/s，不停产的要求下采用潜水员拆墙，拆墙和浇筑导流墙难度极大。

污水厂一期氧化沟导流墙分为钢筋砼和砖砌两种，在对氧化沟进行功能分区、导流墙布置时，为减少施工难度，设计考虑拆除砖砌导流墙。对于新建导流墙，设计3个方案进行研究。方案1：导流墙采用预制钢筋砼结构，参照装配式建筑模式整体吊装，可依靠自重稳固于生物池内；方案2：导流墙采用钢结构，整体吊装，钢结构与池壁之间采用化学螺栓固定；方案3：在氧化沟外部新建缺氧池，一期氧化沟全部改为好氧池。方案2钢结构需要水下固定，施工难度较大，工期较长。方案3流程不顺畅、硝化液回流能耗高。经过详细技术经济比较后推荐采用方案1，即新建导流墙采用预制钢筋砼结构，整体吊装。

(2)氧化沟内设备安装

一期氧化沟设备改造包括曝气系统、推流器、回流泵等。为实现不停产改造，一般采用水下施工方式，但存在施工困难、工期长、设备易脱落等缺点。本技术方案曝气系统设备采用可提升式曝气器，安装、检修方便，氧化沟无需放空；对于推流器及回流泵(潜污泵)的安装，设计采用配重固定方式，即预制重量约3 t的钢筋砼底座，将设备固定于钢筋砼底座，整体吊装于氧化沟池底。

(3)新老构筑物管道对接

改造工程高密度沉淀池与一期中间提升泵房、一期滤池存在管道对接问题。为实现不停产改造，新建构筑物在完成土建及其设备管道安装后，做好临时调水措施，然后对接一期构筑物管道。本改造工程新建高密池出水管高于一期滤池进水渠水位，先将其连通，然后连接一期中间泵房与高密池进水渠；一期中间泵房配置3台潜污泵，2用1备，潜污泵单独设置出水管连接至高密池，潜污泵及出水管可逐台更换。

4 改造期间出水水质

本污水厂于2020年10月—12月实施提标改造，为确保改造期间出水水质稳定达标，采取了以下措施：在污水量较小时实施氧化沟改造；氧化沟改造前进行水下清淤；拆除氧化沟隔墙时及时清除废渣；预制钢筋砼隔墙及设备基础达到设计强度后方可进行吊装，吊装前应进行水下定位并清除池底淤泥，确保一次性安装到位；安装完曝气器、推流器等设备后再拆除原有表曝机。改造期间出水水质如表4所示，出水各项指标均达到《污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

表4 改造期间实际进、出水水质Tab.4 Actual Water Quality of Influent and Effluent during Reconstruction

5 改造后运行效果

(1)本提标改造工程总投资为5 000万元，于2021年初调试运行。由于氧化沟改造期间正常运行，无需进行微生物培养，经过半个月试运行后污水厂出水各项指标均稳定达到《梁滩河流域城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》，如表5所示。

表5 改造后实际进、出水水质Tab.5 Actual Influent and Effluent Water Quality after Reconstruction

(2)生物池改造前氧化沟运行电耗约为480万kW/a，改造后AAO生物池及鼓风机运行电耗约为330万kW/a，可节省电耗150万kW/a，主要原因是生物池底部曝气比表面曝气效率更高。

(3)化学除磷作为辅助除磷措施，采用高密度沉淀池，TP可降至0.3 mg/L以下，高密池需新增用地面积约为2 000 m2。

(4)本工程新增化学污泥量约0.7 t DS/d，占总污泥量的10%，采用一期带机脱水含水率降至80%后外运江津珞璜热电厂协同焚烧处置。

6 结论

(1)本设计详细分析一期污水处理工艺参数，针对去除污染物指标，通过多方案技术经济比较，选择了“原有氧化沟改造为AAO池+新建高密度沉淀池”的提标改造方案，改造后出水水质稳定达到《梁滩河流域城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》。

(2)改造工艺“AAO池+新建高密度沉淀池”具有脱氮除磷效果好、工艺可靠、运行成本低等优点，工艺合理有效。

(3)本设计提出了氧化沟正常运行同时实施改造的技术措施，满足了原有构筑物改造期间不停水不超负荷运行的需求，改造期间出水水质不受影响。对同类污水厂提标改造工程具有一定的借鉴意义。