关键词: 高寒地区;市政污水厂;提标改造;工艺设计

                    1 工程概况

                     某市政污水处理厂地处我国西部高原地区，处理规模5万m³/d，冬季气候寒冷，昼夜温差大。该污水厂原采用“粗格栅及提升泵房+细格栅及钟式沉砂池+CASS生化池+紫外消毒渠”的污水处理工艺，出水水质基本可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918－2002）规定的一级 B 标准，处理后尾水排入周边河流。然而，污水处理厂削减力不足导致污染物集中排放在一定程度上会污染收纳水体，当地水体自净能力较弱，因此对污水进一步深度处理是缓解水污染的重要途径,这也符合水污染防治行动计划加快城镇污水处理设施建设与改造步伐的相关要 求。

                     同时，该地区原排水体制采用合流制，随着当地排水管网雨污分流的改造及污水管网系统的完善和规划的食品加工企业的不断增加，污水厂进水污染物浓度将会逐步增加，该污水厂原有设计已无法满足该地区污水处理要求。因此，亟需对该市政污水处理厂在原基础上进行提标改造，从而进一步降低氮磷等污染物质指标.

                      2 设计进出水水质

                      2.1 进水水质

                        该市处于西部高原地区，地广人稀，工业不发达，污水来源主要是市民和旅游人口的生活污水。同时，其主城区基本采用雨、污合流制排水体制，造成污染物浓度偏低。再者，由于现有污水管大多采用钢筋混凝土管，年久失修，老化严重，地下水不断渗入，稀释了污染物浓度，导致该污水厂污染物指标较其它市政污水厂污染物指标明显偏低。2017年该污水处理厂进水COD为140～250 mg/L，BOD5为60～120 mg/L，SS为100～140 mg/L，NH3-N为10～20 mg/L，TN为18～25 mg/L，TP 为 2.0～3.0 mg/L，均值分别为 177.54、88.97、122.63、14.97、19.98、2.23 mg/L。

                       2.2 出水水质

                       综合考虑该地区海拔高、温度低，尾水排入河流后自净能力相对较低，同时当地生态环境、水环境等相对脆弱等原因，为保证地表水体不产生二次污染，经与相关单位沟通，尾水尽可能采用更高的标准排放。因此本工程出水水质达到 GB 18918－2002 中的一级 A 标准，部分指标达到地表水环境质量标准Ⅳ类水体的要求。本工程设计进出水水质指标见表1。

                    2.3 设计水温

                     该地区海拔高，冬季气温低，最低气温-16.5 ℃，且无供暖设施，导致污水水温较低。表 2 是该市政污水处理厂分别在 2017年 10月和 2018年 2月、3月进水口处的实际测量水温。

                      由表2可知，10月份污水厂进水水温基本在9.0 ～9.8 ℃。2、3月份基本维持在6.1～6.9 ℃。水温越低，停留时间越长，投资越高，本着出水达标的原则，确定设计水温为8 ℃，6.5 ℃进行校核。

                       3 污水处理工艺

                       3.1 设计思路

                       随着城区排水管网雨、污分流的改造及污水管网系统的完善和规划的食品加工企业的不断增加，污水厂进水污染物浓度将会不断上升，原有工艺无法满足污水达标排放。同时，本项目位于高海拔地区，氧气含量低、污水水温低等不利因素对提标改造提出了新的考验。因此，克服低温低氧等恶劣环境是本次提标改造的难点。

根据国内污水处理厂提标改造经验，对现状出水水质为一级 B 标准或二级标准的污水厂提标改造，通常采用以脱氮除磷为重点的强化二级生物处理技术，并辅以三级深度处理流程.一般有以下两种方案：一是保留现有处理设施，同时增设曝气（硝化、反硝化）生物滤池及过滤技术等深度处理；二是改造现有构筑物（一般在改动较小情况下），并在后端加膜生物反应器（MBR）工艺。

                        3.2 工艺比选

                        通过分析本项目设计进水水质，BOD5/COD=0.50，C/N=4.45，BOD5/TP=39.9，污水可生化性好，满足生物脱氮除磷碳源需求。针对该污水处理厂进水水质分析和现有工艺条件，提出了 3 种工艺比选方案。具体如下：

                        3 种工艺方案技术经济比较如表 3 所示。由于现状污水厂预留用地面积的局限性，采用混凝沉淀过滤常规深度处理设施，用地面积严重不足，方案一不可行。方案二保留现状 CASS 池，后增加膜分离工艺，后续出水BOD、TP、TN不达标的可能性较大，且膜分离技术仅为物理过滤过程，对NH4+等一价离子没有去除作用，同时该工艺能耗较高，不推荐采用。

                          方案三采用“A2O+MBR”工艺，对现有 CASS池进行改造。A2O+MBR工艺能够高效去除生活污水中 COD、NH3-N、TN、TP等污染物，在城镇生活污水处理厂提标改造中应用广泛［5-7］。该工艺充分利用膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，不仅保障出水SS低，而且大大提高了生物反应器中的生物浓度和种群数量，特别是像硝化菌这类不易形成菌胶团的细菌被截留，大大提高了处理效率和系统稳定性；由于具有丰富的生物相浓度，抗冲击负荷的能力很强，这对于保证本项目水质变化大的合流制市政污水处理设施的稳定运行尤为重要。再 者，与传统污水深度处理工艺需要混凝沉淀过滤等多个处理构筑物相比，大大减少了对土地的占用［5-6］，解决了提标改造与用地紧张的矛盾。

                           综上分析，最终确定采用生物池（改造）+膜生物反应器作为提标改造方案。针对当地污水水温偏低的问题，设计初期进行衰减系数的校核工作，通过衰减系数反算生物池容积，并结合 MBR 工艺泥龄长，污泥产率低，水力停留时间和污泥停留时间有效分离的特点，增大污泥回流浓度，有利于微生物的降解。由于高原地区溶解氧偏低，容易造成供氧不足的问题，本工程根据当地的大气压，进行海拔压力修正，得出生物池溶解氧饱和度，通过溶解氧饱和度换算为标准状况下的需氧量，进行设备选型。

                         3.3 工艺流程

                        该市政污水处理厂提标改造工程工艺流程图如图1所示。

                         1）污水处理工艺：粗格栅及提升泵房（利用现状）+细格栅及钟式沉砂池（利用现状）+膜格栅间（新建）+A2O 生物池（原 CASS 改造）+MBR 膜池（新建）。

                          2）污泥处理工艺：污泥浓缩池（新建）+污泥脱水机房（利用现状）。

                         3）消毒工艺：紫外线+次氯酸钠复合消毒工艺。 4）除臭工艺：生物除臭（利用现状） 5）根据现场调查结果，现状污水厂综合楼设有中控室、化验室等科室；现有污泥脱水机满足现有污水厂及本次新建污水厂处理能力；现有的机修间、仓库等满足使用要求，本项目考虑利用，对以上构筑物不再考虑新建。

                     4 主要构筑物设计

                     4.1 工程主要构筑

                      物本工程主要构（建）筑物如表 4 所示，其中膜格栅间、MBR 膜池及膜设备间等为新建，A2O 生物池为改造。

                     4.2 主要构筑物设计参数

                     1）膜格栅间。新建膜格栅间 1 座，格栅渠道设3台内进流式网板格栅除污机，2用 1备。格栅单台过栅流量 1 041.7 m³/h，格栅间隙 1 mm，渠道宽度1.5 m，网板宽度 2 000 mm，安装角度 90°，栅前水深1 600 mm。膜格栅配备高排水型螺旋压榨机1套，供输送栅渣之用高排水型螺旋压榨机有效长度9.0 m，功率 1.5 kW。因膜格栅拦截污水中固体物粒径较小，如对膜格栅不进行定时冲洗，膜格栅将会被堵塞，影响膜格栅的正常运行。因此，每台膜格栅各配置一台中压冲洗泵，定时对膜格栅进行冲洗。中压泵开停时间比为1：2，3台膜格栅共用1台高压泵，高压泵每隔4－5小时工作一次，每次工作时间5－8分 钟。格栅前后设置闸门以便检修，栅渣通过皮带输送机、栅渣压实机排入栅渣箱。由 PLC根据液位差或设定的时间间隔自动控制，亦可现场控制。

                      2）A2O 生物池（原 CASS池改造）。生物池采用A2O（厌氧-缺氧-好氧）工艺，由原CASS生物池分为4组，改造为 2个系列，4组 A2O 生物反应池，系列二布置同系列一，其工艺流程如图 2 所示。为使功能分区更加明确，以减少返混现象，根据生物处理的工艺要求，改造为厌氧区（除磷）、缺氧区（反硝化池）、好氧区（硝化池）3个生物反应区。本次生物池改造仅增加池内导流墙、池顶走道板、排水槽及相关配套设备与管道，生物池池体、进水管阀门、曝气设施及相关空气主管路均沿用现状，在缺氧区、厌氧区内安装潜水推进器，以促使混合液形成环流，并避免污泥发生沉淀。同时在好氧区内，安装充氧效率高的橡胶膜式曝气管。

                        生物池设计流量 50 000 m3/d，有效水深 5.3 m，总停留时间 20.5 h，其中厌氧池 2.1 h，缺氧池 6.7 h，好氧池11.7 h。平均空气用量317.61 Nm3/min，气水比 9.1：1，MLSS 为 6 000 mg/L，MBR 膜池回流至好氧池的污泥浓度约为 8 000～12 000 mg/L，设计BOD5污泥负荷 0.081 kgBOD5（/ MLSS·d），TN 负荷0.017 kgTN/（MLSS·d） ，TP 负 荷 0.009 kgTP/（MLSS·d）。主要设备包括厌氧池搅拌机 16 台，缺氧池潜水推流器20台；内回流泵（缺氧区至厌氧区） 8台（4用4备）Q=521 m3/h，H=0.8 m；内回流泵（好氧区至缺氧区）8 台（4 用 4 备）Q =1 563 m3/h，H =0.7m；回流泵（膜池至好氧区）8 台（4 用 4 备）Q =2 605m3/h，H =1.5 m；微孔曝气盘 10356 个，单个通气量 5Nm3/h，充氧效率≥21%。 3）MBR 膜池及膜设备间。生物池内的混合液（400%～500%）流入膜池进水渠道内，配送至 MBR膜池。膜池 1 座 6 廊道，单个廊道规格 23.95 m×4.6m×5.0 m，有效水深 3.6 m，水力停留时间 1.14 h，膜通量 16.53 L/（m2·h），气水比 9.18：1。主要设备包括产水泵、CIP 泵、剩余污泥泵、压缩空气系统、抽真空系统等设备。其中，产水泵：6 用 1 冷备，Q =556 m3/h，H =10 m，N =22 kW；剩余污泥泵：2 用 1 备，Q＝31.25 m3/h，H =22 m，N=5.5 kW；CIP 泵：1用 1备，Q =300 m3/h，H =12 m，N =18.5 kW。加药间设有柠檬酸酸洗系统、次氯酸钠碱洗系统和 PAC投加系统各 1套。设次氯酸钠投加泵 2台，1用 1备，Q = 8.16 m3/h，H =20 m；柠檬酸投加泵 2 台，1 用 1 备， Q =7.06 m3/h，H =20 m。

                     5 运行效果

                     该市政污水处理厂现已通水运行，处理后出水水质指标如表 5 所示，水质能稳定满足设计要求。该项目总投资 10 983.68 万元，工程直接投资约 8670万元，其税前、税后内部收益率（分别为7.68%和 5.52%）及投资利润率（9.39%）均高于行业基准要求，抗风险能力强，经济效益良好。

                     6 结 论

                      通 过 本 次 设 计 并 根 据 现 场 运 行 结 果 ，采 用“A2O+MBR”工艺对高寒地区污水厂提标改造具有以下优势： 1）工艺技术适用可靠。针对污水处理厂现状运行特点，将现状 CASS 池改造为“A2O＋MBR”组合工艺能确保一级A 的出水要求。该工艺抗冲击负荷的能力强，这对于处理水质变化较大的合流制城市污水提供了有力保障。 2）占地面积少，工程投资低。“A2O＋MBR”工艺具有较高的污泥浓度、较小的占地面积，解决了污水提标改造与用地紧张的矛盾。相对其它处理工艺，运行管理灵活、自动化程度高，总体投资较低。 3）尾水回用率高。“A2O＋MBR”工艺出水水质良好、稳定，悬浮物和浊度接近于零，可直接回用于园林绿化和道路浇洒用水，提高了水资源利用率。

                      原标题：某高寒地区市政污水厂提标改造设计

                      原作者：宋承明，吴强民