准Ⅳ类一体化设备在乡镇中的应用及效果分析*

冉 阳，于东盛，付峥嵘，马满英，童 鑫，叶青勇

(1 湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007；2 重庆三峡环保(集团)有限公司，重庆 401147；3 湖南智谋规划工程设计咨询有限责任公司，湖南 株洲 412007)

随着现代城镇化建设和生活水平的提高，岷江、沱江流域沿线的经济增长较为迅速，造成流域范围内大量乡镇地区未经处理的生活污水、工业废水的随意排放，此外，四川省乡镇地区现有的污水处理厂一般去除效率低，去除水量小等特点，再加上乡镇地区污水处理厂配套设施和管理不完善，污水处理厂出水水质较差。水质较差的出水排入岷江、沱江流域后，导致沱江、岷江流域的水体富营养化日趋严重[1-4]。为了使岷江、沱江流域水质提高，缓解水体污染及水体富营养化现象，2017年1月1日起四川省环保厅正式实施四川省岷江、沱江流域水污染排放标准(DB51/2311-2016)，与城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)相比，对排入水体的各项污染物指标要求更为严格，尤其是氮磷排放标准，其中出水水质中总氮≤10 mg/L，氨氮≤1.5(3)mg/L，总磷≤ 0.3 mg/L，达到地表水准Ⅳ类排放标准。此外，大多乡镇地区也正规划新建污水处理厂，以满足更高要求的水质排放标准，传统污水处理方法可以满足(DB51/2311-2016)中对于COD，BOD5，SS指标的要求，却很难满足氮磷指标的严格标准。为使新建的乡镇污水处理厂满足排放标准，通过采用A2/O一体化设备的生化处理与反硝化深床滤池一体化设备相结合的方法，可以改善乡镇污水处理厂管理不当、维护困难、施工速度慢等劣势，还能确保污水处理厂出水稳定，达到地表水准Ⅳ类标准排放[5-8]。本文着重介绍了准Ⅳ类一体化设备应用于新建乡镇污水处理厂的工艺流程及基本参数，形成准Ⅳ类水排放标准技术开发一体化装备，快速方便的应用于乡镇的农村生活污水处理，并为准Ⅳ类一体化设备应用于乡镇新建污水处理厂提供更多的技术支持和经验借鉴。

1 新建污水处理厂概况

1.1 设计水量及水质

四川省泸州市胡市镇三街污水处理站(简称三街厂)和石洞镇永寿社区污水处理站(简称永寿厂)为新建准Ⅳ类污水处理厂，设计规模分别为600 m3/d、500 m3/d，处理对象为区域内居民生活污水，考虑到两污水处理厂设计规模和进水水质相近，同时为了满足《四川省泯江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51/2311-2016)中城镇污水处理厂标准的规定，以实现通过污水处理厂后最终出水水质达到地表水准Ⅳ类标准。本次三街厂和永寿厂的设计进出水水质具体见表1。

表1 设计进、出水水质Table 1 Design of influent and effluent quality

1.2 处理工艺

我国大多数省市地区的污水处理厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级A/B排放标准，随着污水处理厂的提质增效，原有的污水处理厂已不能满足水质水量的要求，需扩建或改建为地表水准Ⅳ类水排放标准。为了加强四川省泯江、沱江流域水污染防治，改善地表水水质环境，大多乡镇地区也正规划新建污水处理厂，但由于乡镇污水处理厂管理不完善，采用A2/O一体化设备的生化处理工艺+反硝化深床滤池的一体化设备深度处理工艺具有运行管理方便、施工速度快、出水水质高和占地面积小等优势，因此农村生活污水处理工艺选用以“曝气沉砂池+A2/O带高效沉淀段+反硝化深床滤池”为主体的三级生化处理工艺，并采用外加化学除磷保证出水总磷达标排放，必要时考虑碳源投加[9-10]，最终保证出水水质达到《四川省泯江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51/2311-2016)中城镇污水处理厂标准。

污水首先通过污水提升泵进入粗机械格栅中去除大的漂浮物，再经过细机械格栅进一步去除细小漂浮物，依靠重力自流进入曝气沉砂池中去除污水中的泥沙，然后流进调节池中调节水量、均合水质，调节池中设有潜污泵，使污水提升至A2O一体化设备中，分别进行厌氧、缺氧、好氧多级反应，去除污水中大部分有机物、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)。A2O一体化设备三台并联，采用可调节进水堰多点进水，充分利用污水中的碳源，每台设备带有高效沉淀段，可有效进行泥水分离，高效沉淀池清水进入中间水池后经水泵提升至反硝化深床滤池，最后经紫外线消毒后回用或达标排放[11-13]。具体工艺流程见图1。

图1 工艺流程示意图Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

2 深度处理工艺设计及运行参数

2.1 工艺设计

带有高效沉淀段的A2O一体化设备二级生化处理后的出水水质一般仅能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级A/B标准，需要在二级生化处理(A2O一体化设备)后增加深度处理的反硝化深床滤池。本次反硝化深床滤池设计规模为600 m3/d，小时最大处理能力25 m3，总变化系数为1.3，设计水温20 ℃，反硝化深床滤池深度处理进、出水水质见表2。

表2 深度处理设计进、出水水质Table 2 Design of influent and effluent quality

经二级处理后的出水进入中间水池，经加药泵补充碳源后由反硝化深床滤池上方进入滤池，通过内部填充的石英砂滤料过滤进一步去除SS，同时石英砂滤料上有利于微生物的繁衍生长，为反硝化细菌提供相对严格的厌氧环境和良好的生存环境。附着在滤料表面的反硝化细菌在相对厌氧环境下将硝基氮、亚硝基氮转化为氮气(N2)，而生成的N2能使微生物与水得到充分接触，更有利于反硝化过程的进行。反硝化深床滤池内部有氮气排气管，当氮气在内部储存较多时，水头损失增加，不利用水体的流动，通过装置的自动祛氮以维持处理装置的正常运行[14]。反硝化深床滤池也对磷的去除产生积极影响，可通过微生物代谢进一步去除，当水质中磷含量超标时，通过加药泵化学除磷后然后进入反硝化深床滤池。随着滤料截留的SS和生物量的增加，滤床的水头损失不断增大，当水头损失达到设定值或气/水反冲洗周期设定值时，启动气/水反清洗，反冲洗水流入反冲洗废水收集池得以处理，滤后水经过收水系统收集流入清水池，并通过管道式紫外消毒后得以排放，深度处理工艺流程见图2。

图2 深度处理工艺流程Fig.2 Flow chart of wastewater treatment process

反硝化深床滤池的主要设计内容如下：

(1)反硝化滤池

(2)反冲洗系统

水冲强度：2～4 L/(m2·s)，按水冲强度最大时计算，单独水洗时反洗强度最大为：

Q反=q水·F=4×6.37×3.6=89 m3/h，设计卧式反洗水泵Q=89 m3/h，扬程H=8.5 m，功率为2.2 kW。气冲强度：15～24 L/(m2·s)，按单独气冲强度最大时的空气流量计算，气冲强度为：Q反=q气·F=24×6.37×3.6=550 m3/h，设计反冲洗罗茨鼓风机Q=9.5 m3/min，升压=65.5 kPa。

(3)反冲洗废水池

反冲洗排水为重力排水，反洗排水管流速取0.8～1.0 m/s，则反洗排水管为DN200，反冲洗排水排入反冲洗废水池中，反冲洗废水池有效容积144m3，设计反冲洗排水泵两台(一用一备)，流量Q=10 m3/h，扬程H=10 m，功率N=0.75 kW，经泵提升回流至二级处理前段的调节池。

(5)加药系统

碳源采用乙酸钠，投加浓度为10%，按储存3天设置储罐，去除量为10 mg/L，按乙酸钠投加，去除1 mg/L投加量为6 mg/L，则10%浓度乙酸钠投加量为360 kg，约0.3 m3，按运输一次储存3天，则储存容积约0.9 m3；设计V=1 m3储罐，PE材质，配套304材质搅拌器。计量泵投加量为15 L/h，投加泵选型为：流量Q=25 L/h，扬程40 m，数量2台，1用1备。

2.2 运行参数

深度处理的反硝化深床滤池采用一体化设备，自动化控制程度高，变水位调控运行，重洗周期根据水质情况实时确定。反洗水量为89 m3/h，反洗进水管为DN125，实际流速为1.4 m/s；反洗气量为550 m3/h，反洗进气管为DN100，实际风速为15 m/s。

3 运行效果与讨论

准Ⅳ类新建项目完工后，经过3个月的调试工作，2019年12月开始污水处理厂进入稳定运行期，通过2020年1月至2020年6月连续六个月对各处理工艺水质数据进行统计，得到月平均进出水水质，采用A2/O一体化设备的生化处理工艺+反硝化深床滤池一体化设备的深度处理工艺使出水水质达到四川省岷江、沱江流域水污染排放标准(DB51/2311-2016)，其中CODCr，NH3-N，TN，TP去除率分别为88.44%～95.95%，99.19%～99.49%，91.28%～96.15%，97.82%～99.33%。对运行条件下去除效果深入分析，论证本项目长期稳定运行的可行性，优化设计参数，总经验教训，以期为新建乡镇污水处理厂准Ⅳ类排放标准提供一种工艺技术选择。

3.1 三街厂的去除效果

由图3可知，三街厂出水水质中CODCr，NH3-N，TP每次均能达到地表准Ⅳ类水排放标准，但运行前期出水TN浓度不能达到准Ⅳ类水排放标准。大量试验证明，在运行条件下通过加药系统向反硝化深床滤池中投加乙酸钠和二级生化处理工艺A2/O的缺氧池中投加葡萄糖补充碳源，可使出水中TN浓度小于12 mg/L。此外，A2/O一体化设备的生化处理工艺，不仅弥补了传统A2/O在二沉池存在污泥漂浮的问题，同时也解决了高效除磷的问题，使脱氮除磷处理效率提高。A2/O一体化设备中高效沉淀池的设置在自动精准控制下能实时监控TP浓度，必要时投加液体铝盐，使出水平均TP小于0.3 mg/L。

图3 三街厂的去除效果Fig.3 Removal effect of Sanjie plant

3.2 永寿厂的去除效果

由图4可知，永寿厂采用的A2/O的生化处理工艺加反硝化深床滤池的深度处理工艺，水量在500 m3/d的污水处理规模下，出水水质可以达到DB51/2311-2016的要求，TN去除效果较好且运行稳定，可能的原因是反硝化深床滤池采用2～3 mm的均质石英砂，较大的比表面积能显著提升了滤料的固体截留能力，同时滤料为反硝化细菌提供了挂膜介质，生成的N2为微生物与水的充分接触起到一定作用，提高了反硝化深床滤池的脱氮除磷能力。因此，A2/O的生化处理工艺加反硝化深床滤池的深度处理工艺解决了传统污水处理法难使总氮和氨氮以及总磷达到排放标准的问题，并能长期维持出水水质地表准Ⅳ类水标准。

图4 永寿厂的去除效果Fig.4 Removal effect of Yongshou plant

4 结 论

(1)本次乡镇新建污水处理厂采用的A2/O一体化设备的生化处理工艺加反硝化深床滤池一体化的深度处理工艺，水量在500～600 m3/d的污水处理规模下，出水水质可以达到DB51/2311-2016的要求，且运行稳定，克服了传统污水处理法使总氮、氨氮和总磷达到排放标准的问题。

(2)A2/O一体化设备采用可调节进水堰，并设置多点进水，充分利用污水中的碳源，同时A2/O一体化设备加高效沉淀池的生化处理工艺，不仅弥补了传统A2/O在二沉池存在污泥悬浮的问题，可有效进行泥水分离，还解决了高效除磷的问题，进一步提高了脱氮除磷效果。

(3)反硝化深床滤池一体化设备内部填充2～3 mm的均质石英砂，较大的比表面积提升了滤料的固体截留能力，内部填充的滤料为反硝化细菌提供了挂膜介质，生成的N2有利于微生物与水的充分接触，提高反硝化深床滤池对氮磷的去除。