某污水处理厂提标工程的运行分析及出水水质预测模拟研究

沈虎祥

（中国空分工程有限公司，浙江 杭州 310021）

为进一步提高浙江水环境质量， 提升城镇污水处理厂污染治理能力， 在浙江省第十三届人民代表大会《政府工作报告》 中指出浙江省从2018 年开始启动100 座城镇污水处理厂清洁排放技术改造工程， 并在2019 年开始实施城镇污水处理厂主要水污染物排放标准（DB 33/2169-2018），即在目前城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）中一级A 标准的基础上进一步精确化学需氧量、氨氮、总磷、总氮4 个项目的排放限值[1]，达到浙江省清洁排放标准。

本文以东南沿海某地污水处理厂三期扩建工程实例，分析工艺运行方案以及相关工程措施，为污水处理厂清洁排放标准提标建设和运行提供案例。

1 污水处理厂工程概况

污水处理厂一、二期处理规模为4 万t/d，采用“水解+CAST+反硝化深床滤池+紫外线消毒”组合工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB918-2002）》一级A 标准。三期扩建工程处理规模为2 万t/d，出水要求达到浙江省《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准（DB33/2169-2018）》和《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB918-2002）》一级A 标准。

1.1 进水水质

由于该污水处理厂提升泵房已按6 万t/d 的规模建成，三期扩建工程进水来自已建提升泵房，因此进水水质与一二期工程相同。

根据已收集2019 年该污水处理厂一期、二期工程的进水水质实测资料，对COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS 等主要水质指标进行统计分析，如图1 所示。

图1 一期、二期实测进水水质统计散点图

根据以上分析，该污水厂进水95%涵盖率水质情况及水质特点见表1。

表1 95%涵盖率进水水质情况表 mg·L-1

该污水处理厂污水来源包括城市生活污水、工业园区排放的工业废水，生活污水的比重在42%～60%之间，工业废水的比重在40%～58%之间。 工业园区内企业一般均配备了污水治理设施,但是氮、磷的纳管指标多数执行《污水排入城镇下水道水质标准（GB/T31962-2015）》, TN≤70 mg/L,TP≤8 mg/L,指标相对较宽。 因此,企业、工业园区的污水治理设施基本上对BOD5处理功能较强,但是对氮、磷处理功能相对薄弱,出水具有低B/C 值、高氮磷的特点[2]。 根据污水处理厂一、二期工程进水水质监测统计资料，综合考虑各企业预处理后污水的特点及存在的不确定因素，确定污水处理厂三期混合进水水质指标，见表2。

表2 进水水质指标 mg·L-1

1.2 设计出水排放标准

该污水处理厂三期工程出水水质执行浙江省 《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB33/2169-2018）和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB918-2002）一级A 标准，见表3。

表3 设计出水排放标准 mg·L-1

2 扩建工程方案

2.1 工艺选择

该污水处理厂进水中工业废水所占比重相对较高，工业园区废水均是处理后的尾水，综合污水可生化性较差，水中难降解物质较多，根据一、二期实际进水水质分析，B/C在0.26 左右，属于较难生化废水。 高比例工业废水对城镇污水处理厂的运行和提标改造带来巨大挑战,矛盾主要集中在以下方面：（1）工业废水造成城镇污水处理厂进水的C∶N∶P 失衡,导致运行成本上升[3]；（2）溶解性难生物降解物质增加了污水处理厂建设的投资成本；（3）工业废水的不稳定性对污水处理厂运行造成冲击。

针对三期扩建项目达到浙江省清洁排放标准的几项污染物因子（COD、NH3-N、TN 和TP），本工程主要的难点和对应提标工艺如下：

（1） 出水COD 标准提高，从一级A 标准的50 mg/L 提高到清洁排放标准的40 mg/L。因此需要提高生化工艺去除有机物的效率。 COD 的去除主要在生态链反应池实现。 生化工艺采用生态链反应池工艺，其容积大，停留时间长，抗冲击性好，通过鼓风曝气，保证硝化反应的完成，使污水中的大部分COD 被去除，同时将氨氮转化成硝态氮以及进行脱氮反应。

（2）出水的氨氮和总氮标准提高，氨氮从一级A 标准的5（8） mg/L 提高到清洁排放标准的2（4） mg/L；总氮从一级A 标准的15 mg/L 提高到清洁排放标准的12（15） mg/L。 氨氮的去除方法主要有吸附、氨化、硝化、反硝化等。 去除过程主要在生态链反应池进行，通过控制好氧池末端DO 在2～3 mg/L 来控制出水氨氮稳定达标[4-5]。 总氮的去除主要在生态链反应池和反硝化深床滤池进行，通过控制硝化混合液的回流比，生态链反应池采用多点进水以节省碳源。 在反硝化深床滤池控制滤池进水溶解氧，提高反硝化效率，确保滤池出水稳定性[6]。 因此需要提高生化工艺硝化和反硝化效率，增加深度脱氮工艺。

（3）出水的总磷标准也有较大幅度的提高，从一级A 标准的0.5 mg/L 提高到清洁排放标准的0.3 mg/L。去除污水中总磷主要通过化学除磷和过滤等污水深度处理设施，因此提标工程建立了高效沉淀池，并通过投加药剂辅助处理作为深度处理工程，使出水总磷达到排放标准。

另外，根据一二期的运行经验，本项目服务范围内的工业园区有较多羽绒加工企业，废水中含有较多细小羽绒，机械细格栅无法去除，对后续生化处理系统造成不利影响。 因此在细格栅和旋流沉砂池后增设超细膜格栅，进一步拦截纤维、鸭绒等细小物质，减少固态杂质对后续工艺处理的影响。 同时，因为工业废水在进水中占比较高,工业废水水量和水质不稳性会对城镇污水处理厂运行过程中带来冲击，所以在工艺选择上也采取针对性措施：在现有工艺基础上，结合实际运行情况，在生态反应池前建立调节池，能够满足事故调蓄需求，对进水进行调质调量，减少工业废水的冲击，改善后续生化处理的条件。

2.2 工艺流程

三期扩建工程工艺流程如图2 所示。

图2 工艺流程图

2.3 主要构筑物及设计参数

2.3.1 细格栅及旋流沉砂池

细格栅渠2 道，渠宽1 m，配置机械回转格栅2 台，栅隙5 mm，栅宽0.9 m。 旋流沉砂池2 座，直径2.43 m，配置2 台旋流沉砂器，单台处理能力为600 m3/h，n=12～20 rpm，N=1.1 kW。

2.3.2 超细格栅池

设置膜格栅2 道，渠宽1.4 m，孔径1 mm。 在进一步拦截纤维、鸭绒等细小物质。

2.3.3 调节池

调节池1 座，容积5 000 m3，停留时间6 h。 调节池内设置潜水搅拌机，加强水质混合均匀并防止池底悬浮物淤积。 调节出出水端设置提升泵2 台，1 用1 备，Q=800～1 200 m3/h，H=4 m，N=18.5 kW。

2.3.4 生态链反应池

生态链反应池1 座，池体尺寸：200 m×45 m×7.5 m，反应池内分多个区域，每个区从池底到水面又分为污泥层、厌氧层、缺氧层、好氧层。 污泥层设置排泥管路，好氧层设置组合填料单元，末端设置硝化液回流，回流比200%。 生态链反应池采用多点进水，设置配水井，分配各区进水量。 回流泵Q=840 m3/h，H=1.5 m，N=7.5 kW，共3 台，2 用1 备。 生态链反应池供氧系统由空气悬浮风机+微孔曝气管组成，空气悬浮风机3 台，2 用1 备，Q=85 m3/min，P=40 kPa，N=75 kW。

2.3.5 中间提升池

中间提升池容积200 m3，收集生化出水将其提升至深度处理单元。 中间提升池配置提升泵3 台，2 用1备，Q=600 m3/h，H=12 m，N=37 kW。

2.3.6 高效沉淀池

高效沉淀池2 座，并联运行。 混合区停留时间2 min，反应区停留时间10.5 min，沉淀区平面尺寸10 m×10 m，表面负荷6.2 m3/m2·h。 高效沉淀池投加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，去除水中的磷酸盐。 如遇上生化处理出水COD 较高，可在前端投加粉末炭。

2.3.7 反硝化深床滤池

反硝化深床滤池包括滤池本体、管廊间、废水池、清水池、反冲洗机房等。 滤池本体分为4 个滤池，单格尺寸13.5 m×2.8 m×6.0 m（H），滤速6.0 m/h，滤料为2～4 mm 的石英砂滤料。汽水联合反冲洗。反硝化深床滤池进口补加碳源，在滤池内进行反硝化脱氮，控制滤池进水溶解氧对于降低反硝化滤池碳源投加费用、提高滤池出水稳定性有重要作用，确保总氮出水达到清洁排放标准。

2.3.8 化学消毒池

该污水处理厂一、二期工程采用紫外消毒，从实际运行来看，紫外消毒效果较差，因此，三期工程采用次氯酸钠消毒。 建有化学消毒池1 座，池容450 m3，接触时间30 min。

2.3.9 污泥处理系统

污泥处理系统由两部分组成：污泥浓缩系统和污泥脱水系统。 污泥浓缩系统采用叠螺式浓缩机，2 台，1用1 备，单台处理能力90～180 kgDS/h。 污泥脱水采用高压隔膜板框压滤机2 台，1 用1 备，压滤机过滤面积125 m2，工作压力1.2 MPa。 污泥脱水前投加无机铁盐和石灰调理，处理后污泥含水量小于60%，泥饼外运到当地水泥厂处置。

2.3.10 除臭系统

污水厂臭气主要以挥发性有机物以及硫化氢、甲硫醇、氨等恶臭物质为主。除臭工艺采用生物滴滤工艺。除臭装置分为两套。 一套位于厂区预处理区块，负责收集细格栅及旋流沉砂池、超细格栅池、调节池等预处理设施臭气，处理风量为18 000 m3/h；；另一套位于污泥处理区块，负责处理污泥贮池和污泥调理池、污泥脱水机房和污泥堆场区块，处理风量为28 000 m3/h。

3 工程改进效果和经济分析

该污水厂三期扩建工程于2021 年5 月开始投入试运行，2021 年9 月试运行结束，试运行期间各项指标处理效果总体较好，COD、氨氮、SS 一直稳定达标，TN、TP 期间偶有波动，后续经过运行调整也能稳定达标。下面对污水处理系统2021 年6 月至9 月份三个月的处理效果进行分析（实际污水量在1.5 万t/d 左右）。

3.1 COD 处理效果

工程增大了生物池厌氧区域，容积变大，污水处理停留时间长，增强难降解有机物水解酸化的处理效果。从图3 可以看出，该污水厂进水COD 在140～280 mg/L 之间，进水波动性较大，高值接近低值的2 倍，但系统出水非常稳定，出水COD 稳定在40 mg/L 以下。去除率基本达到85%以上，多数时段在90%左右。相对于一、二期工程去除效果提升了约6%,COD 处理效果良好。

图3 COD 处理效果图

3.2 氨氮和总氮处理效果

提标选用多级A/O 串联工艺，多级A/O 串联取消内回流设备，上一级硝化液完全进入下一级缺氧区进行反硝化，强化脱氮效果，提高脱氮效率。从图4 和图5 可知，该污水厂进水氨氮在12～20 mg/L 之间，出水氨氮稳定在2 mg/L 以下，氨氮去除率大于90%，比一、二期增加了约5%。进水总氮在16～28 mg/L 之间，出水总氮稳定在12 mg/L 以下，较之前提升了7%左右。出水指标较优，均能满足出水排放标准。同时，提标工艺使污水中的碳源分配更加合理，降低了投资和运行成本。

图4 氨氮处理效果图

图5 总氮处理效果图

3.3 总磷处理效果

通过在生态链反应池后建立高效沉淀池，同时辅以化学药剂，污水处理工艺高效的结合了生物除磷功能和化学除磷功能，提高除磷效率。 从图6 可知，该污水厂进水总磷大部分时段在4.5～8 mg/L 之间，进水总磷较高，波动较大。污水处理后，总磷去除率在85%～95%之间，随着进水的波动而波动，出水总磷均在0.3 mg/L以下，比一、二工程的处理效果更加稳定，达到了污水排放标准的要求。

图6 总磷处理效果图

3.4 经济分析

该污水厂三期工程占地面积3.53 hm2，脱水后的污泥量约为4.5 t/d（含水率60%）。 总投资16 431.41 万元，试运行期间工程日常运行药剂费0.353 元/m3、电费0.698 元/m3。合计污水处理成本约1.549 元/m3，略高于提标改造前的运营成本，但是能够取得较好的污水处理效果，符合预期的要求。

4 数据模拟分析

随着信息时代的发展，计算机硬件和软件技术进一步的提升，数据驱动模型在各个方面的应用也展现了长足的优势。 污水处理是一个复杂多变的过程，并且外界的动态的环境因素对其有较大的影响，具有较强的时变性、非线性、迟滞性等特点。 因此在工艺处理过程中的部分关键水质参数不能够实时的测量和获取，从而导致工艺控制无法第一时间调控[8]。研究将支持向量机回归模型（SVR）用于针对污水处理中出水水质的软件检测，能够即时、准确的发现污水处理水质中未达标的水质参数，与传感器硬件相结合自主调节工艺处理流程中的相关参数，主动避免了人工测试的延后性，提高了工艺调节效率。 模型能够确保污水处理出水水质稳定达标，为污水处理厂的控制技术优化提供参考。 因为其能够减少人工测试过程，及时准确调控工艺，所以也能达到节能降耗，降低经济成本的效果，最终促进污水资源的再利用。

4.1 支持向量机

支持向量机是一类按监督学习方式对数据进行二元分类的广义线性分类器，其决策边界是对学习样本求解的最大边距超平面，最终转化为一个凸二次规划问题的求解。 SVM 的核心目标就是把给定的样本集D={（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），...，（xn，yn）}，yi∈{1，-1}中的两类样本划分成正反两类，其在空间中找到一个最优的分类超平面，使两类样本之间的间隔最大，超平面方程为：ωTx+b=0。 满足该条件的决策边界实际上构造了2 个平行的超平面作为间隔边界以判别样本的分类：

通过引入拉格朗日乘子：ai和ai*可得到其拉格朗日函数和对偶最优化形式：

其中，K（xi，xj）为核函数。 通常使用的核函数有：

线性核函数：K（xi，xj）=xixj；

多项式核函数（POLY）：K（xi，xj）=（xixj）d，d≥1；

其中，为参数预测值，yi为样本真实值，MSE 的值越小，模型的预测准确性就越好。

其中，为样本真实值的平均值，分子部分表示真实值与预测值的平方差之和，类似于均方差MSE，分母部分表示真实值与均值的平方差之和，类似于方差。根据R2的取值，来判断模型的好坏，其取值范围为[0，1]，R2越大，表示模型拟合效果越好[11]。

4.2 SVR 模型的训练与验证

研究以进水温度、PH、COD、氨氮、总氮、总磷为输入参数，以出水COD、氨氮、总氮、总磷为预测参数输出，建立SVR 回归模型，使用污水处理厂的实际测量数据为训练和测试样本。 模型对出水COD、氨氮、总氮、总磷预测结果的评价指标的见表4，预测结果如图7 所示。

表4 SVR 预测结果评价指标

图7 预测和实测结果对比

由表4 和图7 可得，其中出水COD 预测结果一般，但是大部分误差在5 mg 以内。 对出水氨氮、总氮、总磷预测结果较为准确，MSE 均达到10-2数量级，相关系数也达到了0.9 以上，验证了模型的准确性。结果表明研究建立的SVM 预测模型预测的出水COD、氨氮、总氮、总磷的结果与测量结果误差较小，在合理范围以内，满足工程应用的需要。

5 结论与建议

（1）生态链反应池的本质是多层多级生物膜法A/O 工艺，对较难生化废水的COD 去除效果较好，出水COD 稳定小于40 mg/L。生态反应链池工艺优点明显，具有生态景观效果明好、污泥产量小（仅为传统活性污泥工艺的20%）、运行成本低和抗冲击负荷能力高等优点。

（2）高效沉淀池和深床反硝化滤池组合的深度处理工艺，对TP 和TN 的处理效果明显，高效沉淀池进水TP 在3 mg/L 左右，出水TP＜0.5 mg/L，反硝化深床滤池处理出水TP 稳定在0.3 mg/L 以下。 生态链反应池出水TN 在10～15 mg/L 之间，深床反硝化滤池出水TN 稳定在8～12 mg/L 之间。

（3）从运行效果来看，整个系统日均产泥量在4 吨左右（含水率70%），以物化污泥为主，试运行期间，生化污泥量很少。 因此以生态链反应池为核心的工艺组合能满足浙江省清洁排放标准的要求，可作为未来污水处理厂建设或提标的可选工艺。

（4）建立了SVM 预测模型预测出水COD、氨氮、总氮、总磷，预测结果误差较小，能够应用于工程实践，在预测结果不满足出水指标时，可及时调整污水处理工艺流程，确保出水水质稳定达标，对污水处理有指导意义。

工业废水对城镇污水处理厂的影响和溶解性难降解污染物问题是生态环境问题的关注重点。 工业废水冲击是污水处理厂达标运行的最大安全隐患，工业废水不能只关注是否能满足纳管标准下游城镇污水处理厂是否还有处理水量的余量，也应评价工业废水中的污染物是否会对城镇污水处理厂的工艺造成冲击,是否能得到有效降解。 本项目工业废水占比较高，扩建工程虽设置了调节池，但当进水水质水量波动大时，仍会受到冲击。 因此需对上游的工业废水进行管控,减少高标准运行的风险。