随着我国经济的高速发展，水体纳污能力严重不足，水环境污染问题形势严峻。近年来，国家加大了对水污染的治理力度，出台了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)和《水污染防治行动计划》(水十条)等一系列标准和政策，要求重点流域、区域的城镇污水处理厂出水水质满足一级A标准[1]。目前，我国城镇生活污水普遍采用的处理工艺为活性污泥法，常规和强化二级处理工艺不能或难以稳定达到一级A排放标准，因此，必须采用深度处理工艺进行提标改造。
目前，深度处理技术主要有高效沉淀池工艺、滤布滤池工艺、V型滤池工艺、深床反硝化滤池工艺、膜处理工艺、活性炭吸附工艺、高级氧化工艺等[2-8]，去除污染物的原理及种类也不尽相同。对于大部分城镇污水处理厂来说，由于排水体制问题(主要是雨污分流不彻底)，SS和TP是制约大部分城镇污水处理厂稳定达一级A标准的主要因素[7]。深度处理工艺的选择要结合各污水处理厂实际情况，因地制宜，全面考虑进水水质水量、出水水质要求、工艺运行稳定性、改造难度、占地面积、施工难度方面等因素。絮凝沉淀和过滤工艺技术成熟可靠，通过投加絮凝剂沉淀(辅助化学除磷)以及滤料的拦截和筛滤作用，可有效去除污水中的TP、SS。因此，高效沉淀池、滤布滤池工艺以及两种工艺的组合在城镇污水处理厂提标改造中应用广泛。
Part 1 工程概况
1.1 项目背景
三峡库区某城镇污水处理厂设计处理规模为12万 m3/d，原处理工艺为“预处理+AAO+二沉池+液氯消毒”，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。污泥经脱水后外运至水泥窑协同焚烧处置，尾水排入长江，工艺流程如图1所示。该厂主要服务沿线居民生活污水，服务人口约为44万人，服务面积约为12.2 km2,设计进、出水水质如表1所示。为满足环保要求，改善库区水环境，按照水污染防治行动计划要求，对该厂进行提标改造，出水水质由一级B标准提升至一级A标准。
图1 原污水处理厂工艺流程
Fig.1 Flow Chart of Existing WWTP
表1 原设计进、出水水质
Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality of Existing
1.2 实际进出水水质分析
该污水处理厂建成投运以来，运行情况良好，出水水质均能满足一级B标准，实际进水、出水水质如表2所示。由表2可知，平均浓度和90%覆盖率的实际进水基本都在设计范围内，95%覆盖率的进水TP和SS超过原设计值。该污水处理厂实际平均进水BOD/COD为0.53，可生化性较好，提标改造前TP和SS的一级A标达标率分别为69.9%、40.4%，而COD、BOD、TN、NH-N均能达到一级A标准。因此，提标改造的重点是进一步削减TP和SS污染物指标，使之稳定达到一级A标准。
表2 实际进、出水水质
Tab.2 Actual Influent and Effluent Water Quality
1.3 实际处理水量分析
提标改造前，实际处理水量如表3所示。由表3可知，由于该厂服务范围内雨污分流不彻底，进水水量波动较大，实际处理水量为6.19万～14.55万 m3/d，平均处理水量为9.71 m3/d，其中，95%覆盖率的处理水量超过设计处理能力。因此，在提标改造设计时，需充分考虑深度处理工艺的耐水量负荷冲击能力。
表3 实际处理水量
Tab.3 Actual Capacity of Water Treatment
Part 2 提标改造工程工艺设计
2.1 提标改造设计水质
通过对实际进出水水质进行分析可知，虽然95%覆盖率的TP和SS超过设计进水值，但本次提标改造主要是为了进一步去除TP和SS。因此，提标改造设计进水水质按原设计考虑，不做调整。如存在进水TP和SS超过设计值情况，可通过合理的工艺调控进行控制，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A标准。
2.2 提标改造工艺路线选择
鉴于该污水处理厂用地紧张、进水水量波动较大，在选择提标改造工艺时，优先选择占地面积小、低能耗、处理效果稳定可靠的成熟工艺，以减少工程投资，降低运行成本。目前，国内一级A提标改造常见工艺为“絮凝沉淀+过滤”，通过化学除磷保证出水TP达标，过滤后进一步降低水中SS，确保出水SS小于10 mg/L。高效沉淀池是集机械混合、载体絮凝、斜管沉淀、污泥浓缩为一体的组合型沉淀池[9]。其原理是在传统的沉淀池基础上，充分利用速混合原理、接触絮凝原理和浅池沉淀原理，把机械混合凝聚、机械强化絮凝、斜管沉淀分离3个过程有机结合起来，与普通的沉淀池相比，高效沉淀池具有絮凝沉淀效果好、沉淀速度快、表面负荷高、抗冲击能力强、占地面积小、排泥浓度高等优势。结合本项目实际情况，絮凝沉淀单元选择高效沉淀池。
过滤是深度处理工艺核心单元，常见的过滤工艺有气水反冲洗均质滤池、高效纤维滤池、滤布滤池，表4就几种常见过滤工艺进行对比。由表4可知，滤布滤池工艺具有运行管理方便、建设投资小、占地面积小、自动化程度高、水头损失小等优点。该工艺是近几年发展起来的一种新型过滤装置，主要依靠一定孔径的滤布对水中有机物和SS的黏附及拦截作用，去除水中的固体颗粒物质，在城镇生活污水处理厂提标改造中应用广泛。
表4 过滤工艺对比表
Tab.4 Comparison of Differen Filtration Processes
综上所述，本项目提标改造工程选择“高效沉淀池+滤布滤池”作为深度处理工艺，改造后的工艺流程如图2所示。二沉池出水经提升泵提升后进入高效沉淀池，通过絮凝沉淀后进入滤布滤池进一步降低SS，最终进入接触消毒池消毒后达标排放。本次提标改造保留原二沉池进水PAC投加点，一方面通过化学除磷进一步降低TP含量，以缓解后续工艺段的运行负荷，确保出水水质稳定达标；另一方面通过投加PAC，增加污泥沉降性能，缩短沉降时间，以应对进水水量过大和污泥沉降性能较差导致的二沉池翻泥问题。
图2 提标改造后的工艺流程
Fig.2 Flow Chart after Upgrading and Reconstruction
2.3 构筑物设计参数
2.3.1 中间提升泵房
新建中间提升泵房1座，用于将二沉池出水提升至高效沉淀池，提升泵尺寸：L×B×H=12.6 m×7.3 m×6.3 m，有效容积为579 m3。提升泵池内设有4台潜水轴流泵，3用1备，单台Q=2 167 m3/h，H=3.0 m，N=30 kW。
2.3.2 高效沉淀池
新建高效沉淀池1座2组，单组处理水量为6万 m3/d(高峰变化系数为1.30)，由混合池、絮凝池、沉淀池组成。二沉池出水经提升泵提升后进入高效沉淀池，经过混合池混合搅拌、絮凝池絮凝反应、沉淀区沉淀后，上清液经集水槽收集进水渠，最后进入滤布滤池。为便于维护维修和减小运营成本，设置了超越管道，可根据实际情况采用高效沉淀池和滤布滤池联合运行或单独运行。混合池单池工艺尺寸：L×B×H=3.0 m×3.0 m×8.0 m，有效容积为72 m3，混合停留时间为100 s；快速混合搅拌器2台，N=11 kW，D=1 500 mm，G=300～500 s-1。絮凝池单池工艺尺寸：L×B×H=16 m×5.4 m×8.0 m，有效容积为691 m3，絮凝停留时间为12 min；絮凝搅拌器4台，N=5.5 kW，D=2 500 mm，G=40～150 s-1。沉淀池单池工艺尺寸：L×B×H=16 m×16 m×8.0 m，有效容积为691 m3，表面负荷为12 m3/(m2·h)，传动刮泥机2台，N=3.7 kW，D=16 000 mm；剩余污泥泵和回流污泥泵(转子泵)各2台，N=15 kW，H=20 m，Q=40～100 m3/h。斜管2套(斜长为1.5 m，高度为1.3 m，厚度为1.1 mm，间距为80 mm)。
2.3.3 滤布滤池
新建滤布滤池1座3组，设计处理水量为12万 m3/d(高峰变化系数为1.30)，采用外进内出模式，滤布为聚酯纤维，滤布孔径小于10 μm，设计平均滤速为7.3 m3/(h·m2)，有效过滤面积为678 m2。单组滤布滤池工艺尺寸L×B×H=12 m×9.0 m×4.0 m，配套反冲洗泵6台，N=3.7 kW，H=17 m，Q=57 m3/h。
Part 3 运行参数控制和运行效果分析
3.1 运行参数控制
高效沉淀池与滤布滤池组合工艺依靠混合、絮凝、沉淀、拦截去除TP、SS污染物。TP的去除主要由PAC投加量决定。PAM投加量对SS去除有较大影响，PAM投加量不足，不能絮凝形成较大矾花，细小颗粒随出水进入滤布滤池，易造成滤布滤池堵塞，且增加SS出水超标风险，过量投加PAM，会增加药耗成本，同时，易造成滤布滤池堵塞。污泥回流比的作用是增加颗粒物的含量和增强絮凝效果，适量的排放剩余污泥有利于维持污泥浓度和保持污泥的活性，防止污泥上浮影响出水水质。滤布滤池过水能力主要依靠液位进行控制，液位较高，表面滤布存在堵塞情况。因此，合理控制PAC投加量、PAM投加量、污泥回流量、剩余污泥排放量、污泥浓度、滤布滤池液位是确保工艺良好稳定运行的关键。
借鉴钱志军等[10]的研究成果，结合该污水处理厂实际情况，经过调试阶段的摸索，确定该工程实际运行的参数如下：PAC投加量为5.0 mg/L，有效铝含量为16%；PAM投加量为0.25 mg/L；污泥回流量为100 m3/h；污泥浓度为1 500～2 500 mg/L，剩余污泥排放量根据污泥浓度适时排放，当斜管区污泥上浮时，可提高排放量；滤布滤池液位高于3.0 m时自动反冲洗。
3.2 运行效果分析
采用“高效沉淀池+滤布滤池”组合深度处理工艺进行提标改造后，出水各项指标均达到设计要求。2018年实际进出水水质如表5所示。由表5可知，“高效沉淀池+滤布滤池”组合工艺对TP和SS的去除效果明显。与提标改造前实际出水水质相比(表2)，平均出水TP降低了0.41 mg/L，平均出水SS降低了4.2 mg/L，TP削减量提高17.5 t/a，SS削减量提高157.7 t/a，环境效益明显。由于高效沉淀池的沉淀作用和滤布滤池的拦截作用，出水COD、BOD、TN、NH3-N均有一定程度的降低。
表5 提标改造后进、出水水质
Tab.5 Influent and Effluent Water Quality after Upgrading and Reconstruction
提标改造后，运行单耗也发生了变化，高效沉淀池工艺段PAC平均投加量为5.0 mg/L，PAM平均投加量为0.25 mg/L，提标改造新增电耗约为6.5×10-2 kW·h/m3，由于高效沉淀池投加了絮凝剂，干污泥产泥量增加了340 kg/(万 m3)。
为了分析各深度处理单元对SS和TP的去除情况，本文对各深度处理单元进出水TP、SS进行了监测，如表6所示。经高效沉淀池处理后,出水TP和SS分别为0.25、6.6 mg/L;经滤布滤池进一步处理后,出水TP和SS分别为0.14、5.3 mg/L。高效沉淀池对TP和SS的去除率分别为55.36%、35.92%，滤布滤池对TP和SS的去除率分别为19.64%、12.62%。由于进水水量波动较大，进水水量为8.04万～14.08万 m3/d，降低了高效沉淀池和滤布滤池的处理效果，导致出水TP、SS存在一定波动，但各工艺段出水TP、SS均能稳定达一级A标准，说明高效沉淀池和滤布滤池工艺具有一定的抗水量冲击能力。
表6 各深度处理工艺段进出水TP、SS浓度
Tab.6 Influent and Effluent Water Concentration of TP and SS in Each Advanced Treatment Process
Part 4 结论
针对三峡库区某污水处理厂SS和TP不能稳定达一级A标准的情况，提标改造采用“高效沉淀池+滤布滤池”组合工艺。实际运行数据表明，各项出水水质指标均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，污染物的减排量进一步提高，对当地水环境的改善和三峡库区水环境保护有积极的作用，产生的环境效益显著。本文从生产运行的角度总结了高效沉淀池和滤布滤池工艺的控制要点，获取了较为珍贵的实际生产运行数据，对同类型项目的设计和运行管理具有一定的指导借鉴意义。
参考文献
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