导语： 由于排放标准的提高和进水水质的变化，河北省K污水处理厂需进行提标改造，改造后处理规模不变，出水水质满足《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)中的重点控制区排放限值。基于来水中含有部分工业废水、进水水质波动范围大、占地受限等因素，采用了多级AO生物池+膜生物反应器(MBR)工艺；通过对原工艺单元进行充分挖潜利旧，对 原连续进水循环式活性污泥(CASS)出水池局部加高增加了总停留时间
导语： 由于排放标准的提高和进水水质的变化，河北省K污水处理厂需进行提标改造，改造后处理规模不变，出水水质满足《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)中的重点控制区排放限值。基于来水中含有部分工业废水、进水水质波动范围大、占地受限等因素，采用了多级AO生物池+膜生物反应器(MBR)工艺；通过对原工艺单元进行充分挖潜利旧，对 原连续进水循环式活性污泥(CASS)出水池局部加高增加了总停留时间 ，改造后的处理工艺运行稳定，满足出水要求，达到提高后的排放标准[CODCr≤30 mg/L、氨氮≤1.5 mg/L(水温≤12 ℃时，氨氮≤2.5 mg/L)、总氮≤15 mg/L、总磷≤0.3 mg/L]， 可为高排放标准下的污水处理厂提标改造提供借鉴经验。
本文以河北省K污水处理厂为例进行分析。该厂面临上述情况，于2013年建成，设计处理量为2.0万 m 3 /d，处于城市的高新技术开发区。来水水源主要为服务范围内的生活污水及工业废水，其中工业废水占比约为40%。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标准，达标后排入厂区南侧的排干渠，最终汇入北拒马河。根据2018年河北省环保部门发布实施的地方标准《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)，要求位于流域重点控制区的现有及新(改、扩)建城镇污水处理厂从2021年1月1日起执行表1中重点控制区排放限值。因此，需对污水处理厂进行提标改造，以满足该排放要求。 本文通过对提标改造难点进行分析，立足原有工艺单元的现状情况，充分挖潜利旧，提出了改造路线。 其中， 核心生化系统采用多级AO+膜生物反应器(MBR)工艺 ，尽量避免大拆大建，改造完成后对运行效果进行了分析。
污水处理厂原设计规模为2.0万m 3 /d，实际污水进水量约为1.7万 m 3 /d，基本达到设计规模。考虑厂内无预留用地，且无法新增占地，本次工程处理规模维持2.0万 m 3 /d。
来水水源为服务区域内的生活污水及工业废水，其中城市高新技术开发区企业主要为食品、造纸、机械加工、制药等， 进水污染物浓度较高，含有部分难降解污染物 。根据污水处理厂近年(2016年—2018年)的来水水质中主要污染物的浓度监测数据，取90%的保证率，并考虑雨污分流后污染物浓度的上升趋势，留有一定的余量，确定本次提标改造设计进水水质。提标改造后出水执行《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)中表1的重点控制区排放限值要求。改造前后的设计进出水水质如表1所示。
注： 氨氮括号外数值为水温>12 ℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标。
(1)改造前运行情况分析
K污水处理厂原污水处理工艺为“预处理+CASS生物池+斜板沉淀池+滤布滤池+消毒池”，原工艺流程如图1所示。
图1 改造前污水处理工艺流程
污水处理厂在2016年—2018年的主要污染物去除情况为进水 COD Cr 平均质量浓度为265.2 mg/L，出水 COD Cr 平均质量浓度为36.1 mg/L，平均去除率可达86%左右；进水BOD 5 平均质量浓度为115.3 mg/L，出水BOD 5 平均质量浓度为4.5 mg/L，平均去除率可达96%左右；进水SS平均质量浓度为236.5 mg/L，出水SS平均质量浓度为5.6 mg/L，平均去除率可达98%左右；进水氨氮平均质量浓度为28.60 mg/L，出水氨氮平均质量浓度为3.50 mg/L，平均去除率可达88%左右；进水总氮平均质量浓度为33.5 mg/L，出水总氮平均质量浓度为12.7 mg/L，平均去除率可达62%左右；进水总磷平均质量浓度为2.86 mg/L，出水总磷平均质量浓度为0.41 mg/L，平均去除率可达86%左右。
根据上述分析并结合表1可知， 污水处理厂进水污染物浓度波动范围大，主要指标普遍存在高于原设计进水水质的现象 ；进水主要指标平均值接近( COD Cr 、BOD 5 、SS、总磷)及超过(氨氮、总氮)原设计进水；原设计进水保证率较低，实际为70%～85%；出水水质指标能达到原设计要求(一级A)，但距离提标要求的高排放标准仍存在很大差距。
(2)提标改造难点
原处理工艺缺乏深度处理单元， 受工艺限制，碳氧化、脱氮除磷等污染物去除效果难以继续提升，系统出水无法满足新排放标准的要求 。主要提标改造难点分析如下。
①随着服务区域内社会经济的发展，进水水质更为复杂，实际来水水质波动大，且雨污分流后进水污染物浓度增加，主要污染物指标，如 COD Cr 、总磷、总氮、氨氮均比之前的设计值有不同程度的提高。原工艺对难降解 COD Cr 去除能力弱，出水COD Cr 较高；生物脱氮、除磷能力弱，出水总氮、总磷较高。
②提标后出水水质要求高，除总氮指标外，其余水质指标需要达到地表水Ⅳ类水体要求，尤其是 COD Cr 、氨氮、总磷指标，常规工艺难以达到要求。
③对主要污染物的去除率要求均有所提高，对工艺处理效果提出了更高的要求，去除难降解COD Cr 、脱氮除磷能力均需增强。
④周边用地紧张，无法新增占地。
⑤提标改造时间紧、工期短，需尽量利旧原有工艺设施，避免大拆大建。
由于各地排放标准的提高，近年来对高排放标准下污水处理技术研究及应用逐渐增多，针对不同的污染物采取的常见技术对策如表2所示。根据项目的具体情况需对各级处理进行优化设计，加强处理效果，往往采取多种工艺的组合。其中，对于一级处理进行强化，常采用增加精细格栅、曝气沉砂池、初沉池(平流沉淀池、辐流式沉淀池、高密度沉淀池)等工艺；对于二级处理进行强化，常采用多级多段生物池，同时可与新技术相结合，如移动床生物膜反应器(MBBR)、MBR、短程硝化反硝化和厌氧氨氧化等，加强生物处理，提高脱氮除磷效果；对于深度处理，常采用混凝沉淀、过滤、高级氧化、活性炭吸附、膜分离等技术。
提标改造工艺技术路线的选取需根据进出水水质情况，结合厂内现状确定。所选处理工艺一方面需具备高效碳氧化、除磷脱氮功能，另一方面需要充分利用原有工艺单元、节省用地。基于本项目的具体情况，技术思路如下。
(1)优选工艺、原位改造
①水质达标新增用地的潜在需求与用地有限的矛盾。进水污染物浓度的上升、出水水质的提高，一般需要增加工艺处理措施。传统活性污泥法污泥浓度低，为实现更高的COD Cr 、氨氮去除效果，需要增加生物池池容，往往需要新建池体或将原池体改造加高。原有深度处理单元处理效果不足时，采用常见的高效沉淀及炭砂过滤措施均需要增加用地。
然而，污水处理厂占地面积仅为2万m 2 ，布局紧凑， 厂内无预留用地 ；且周边用地紧张， 无法新增占地 。因此，需在现有厂区内， 对原有工艺构建筑物充分挖潜，进行原位改造 ，优选占地少的工艺。
②以提高污泥浓度降低总容积需求，力求新增工艺段最少，新增措施占地最小，局部改造、插缝建设。基于现状情况，采用常规工艺难以满足，因此，提标改造工程核心生物处理采用多级AO+MBR的组合工艺。 该工艺充分发挥了传统的AAO活性污泥法与MBR膜工艺的优势，可高效去除有机污染物，将污水中的氨氮完全硝化，多级AO生化池则进一步增强了生物系统的反硝化脱氮功能。 MBR膜工艺可以进行高效的泥水分离，实现了水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离，无须单独设置沉淀单元，在节省占地面积上有明显优势。通过将大量的混合液回流至生物池，提高了整个系统的污泥浓度，可达传统工艺的2～4倍，在一定程度上解决了生物池池容无法增加的不利情况，可尽量节省用地。同时，提高生物系统各种污染物的去除效率，抗冲击负荷能力明显增强，非常适用于高排放标准下的污水处理系统。
(2)加强一级处理
考虑有效利用原水碳源，避免反硝化营养不足情况，不再另设初沉池，通过 增加膜格栅对一级处理进行加强 ，进一步去除污水中的杂质、毛发及微小颗粒等，同时保障膜系统的安全运行。
(3)加强深度处理
MBR具有高效的泥水分离作用，同时起到了深度处理的效果，无需再增加混凝沉淀过滤措施。考虑进水中含有部分难降解的工业废水，采用臭氧对MBR出水进行深度处理，可保障水质达标。
因此，将核心处理工艺改为多级AO+MBR的组合技术，既可满足本项目污水处理的目标要求，同时实现现有厂区用地范围内的原位改造：新增膜格栅、臭氧池利用厂内绿地在上下衔接工艺段附近插缝建设；生物池原地改造；将斜板池拆除原址改建膜池。
提标改造后的污水处理工艺为“粗格栅+提升泵池+细格栅+旋流沉砂池+膜格栅+多级AO生物池+MBR膜池+臭氧氧化池+接触消毒池”，工艺流程如图2所示。
图2 改造后污水处理工艺流程
因此，提标改造主要内容仅包括新建膜格栅1座、将CASS池改造为多级AO生物池、新建MBR膜池及MBR设备间1座(斜板沉淀池原址改建)、新建臭氧发生间及臭氧接触池1座。改造期间增加临时处理装置，采用超磁一体化设备替代斜板沉淀池。其中膜格栅、臭氧氧化池利用厂内空地或绿地建设，其他工艺单元均为利旧处理。
设计规模为2.0万m 3 /d，主要包括粗格栅、提升泵房、细格栅及旋流沉砂池。本工艺单元为利旧，对无法正常使用的设备进行维修或更换。
本工艺单元为新建，设计规模为2.0万 m 3 /d。设置于旋流沉砂池之后、生物池之前，对污水处理厂的一级处理进行加强，进一步去除毛发、微小颗粒、杂物、塑料碎片等，同时保障膜系统的安全运行。
膜格栅间设计2条格栅渠，采用2台内进流式网板格栅，垂直安装。格栅渠宽度为1.3 m，渠深为2.5 m，设计栅前水深为1.95 m，栅后水深为1.55 m，网板孔径为1 mm，配套高排水螺旋压榨机及高低压冲洗系统等。
图3 生物池改造前后对比
生物池设计规模为2.0万 m 3 /d，本次提标由4组CASS池改造为2组多级AO生物池，对称布置，每组处理规模为1.0万m 3 /d。污水经过预处理后进入生物池，依次进入厌氧区、一级缺氧区、好氧区、二级缺氧区，最后经过二级缺氧区末端出水池进入MBR膜池。改造前后的生物池如图3所示。
生物池是本次改造的重点，通过对生物池参数及池体结构的校核，进行充分挖潜，最大限度地进行了老池体的有效利用 ，主要改造参数说明如下。
(1)池容与停留时间
4组CASS池均设置了进水区及反应区，每组池子尺寸 L × B × H 为50.4 m×18.0 m×6.8 m，设置总出水池1条，尺寸 L × B × H 为72.4 m×4.0 m×5.2 m，将2组CASS池改造为1组多级AO生物池。
改造中利用了原进水口，将进水区隔墙保留，而配水孔封堵一半，既避免了新开进水孔洞，也避免了污水的短流。新增横向及纵向隔墙，将生物池分隔为厌氧(A)、一级缺氧(A)、好氧(O)、二级缺氧(A)4个功能区，污水依次流入。将出水池加高作为生物反应池的二级缺氧区，增大了有效池容及总停留时间。根据设计计算生物池总HRT为23.8 h。其中：厌氧区池容为795.6 m 3 ，设计HRT为1.9 h；一级缺氧区(2格)池容为2 658 m 3 ，设计HRT为6.4 h；好氧区(3格)池容为5 750 m 3 ，设计HRT为13.8 h；二级缺氧区池容为709 m 3 ，设计HRT为1.7 h。
(2)内回流与设备布置
多级AO生物池设置两级内回流:一是将硝化液从好氧区末端回流至一级缺氧区，进行反硝化脱氮，回流比为300%；二是从一级缺氧区末端回流活性污泥至厌氧区，与进水混合，为生物除磷提供高浓度污泥，同时缺氧环境下的混合液消除了硝酸盐对厌氧释磷的不利影响，回流比为100%。考虑来水的水质波动，为应对进水碳源不足的情况，设置多点碳源投加，即在一级及二级缺氧区均设置碳源投加点，保证生物脱氮效果；在出水池设置化学除磷加药，保障系统的除磷效果。
厌氧区、一级及二级缺氧区布置潜水搅拌器，促进污水中的微生物和污水充分混合，防止污泥沉积，提高反应效果；在好氧区布置底部曝气系统，采用管式微孔曝气器为微生物新陈代谢提供所需的氧气。
每组生物池的主要设备包括：厌氧区高速潜水推流器2套，单套功率为3 kW；一级缺氧区高速潜水推流器4套，单套功率为5.5 kW；二级缺氧区高速潜水推流器3套，单套功率为2.5 kW；好氧区底部安装微孔曝气管，设计单位供气量为12 N m 3 /(h·m)，可根据水质水量情况及生物池溶解氧浓度调节风机供气量；好氧区混合液回流泵2台，单泵流量为630 m 3 /h，扬程为0.8 m，功率为4 kW；一级缺氧区混合液回流泵2台，单泵流量为430 m 3 /h，扬程为0.8 m，功率为2.5 kW，1用1备。
本工程在斜板沉淀池拆除后新建MBR膜池及设备间，MBR系统设计规模为2.0万 m 3 /d，设置4个廊道，每个廊道既可独立运行，也可同时运行。每个廊道尺寸 L × B × H 为20.0 m×3.6 m×5.0 m，有效水深为3.5 m；膜平均运行通量为12 L/( m 2 ·h)；膜组器采用悬挂安装方式，中空纤维膜元件，膜表面孔径为0.04 μm，膜丝材质为聚偏二氟乙烯(PVDF)；膜风机擦洗曝气量为0.12 m 3 /( m 2 ·h)，采用脉冲曝气与常曝气相结合的方式，可通过气动阀门自动切换，实现不同气量循环曝气擦洗，从而实现最大可能地延缓膜丝表面污染物污堵风险的目的，同时降低系统运行能耗。MBR系统设置了产停间歇及反洗工序，可根据产水的跨膜压差以及设定的运行周期，自动进行反洗及化学在线清洗过程。MBR膜池混合液通过大流量低扬程的回流泵回流至多级AO生物池好氧区前端，为生物池提供大量的活性污泥，使其保持较高的污泥浓度，同时可调节膜池各廊道的污泥浓度平衡，回流比设计为400%。剩余污泥经MBR系统剩余污泥泵定期外排，以保证由生物池及MBR膜池构成的生物系统进行正常的新陈代谢。
整个系统由MBR膜组器、产水泵、反洗泵、剩余污泥排放泵、抽真空设备、回流泵、膜吹扫擦洗风机、反洗装置、化学清洗设备、空压机、配套的管路阀门、电气自控仪表等构成。其中主要设备包括：膜组器40套(含4套备用)，每套膜面积为1 920 m 2 ；产水泵5台(4用1冷备)，单泵流量为300 m 3 /h，扬程为10 m；反洗泵2台(1用1备)，单泵流量为375 m 3 /h，扬程为12 m；剩余污泥泵2台(1用1备)，单泵流量为200 m 3 /h，扬程为11 m；污泥回流泵3台(2用1备)，轴流泵，单泵流量为1 667 m 3 /h，扬程为5 m；膜擦洗风机2台(1用1备)，风量为136.50 m 3 /min，风机压力为40 kPa。
本工艺单元为新建，利用出水消毒接触池南侧绿地建设，设计规模为2.0万 m 3 /d，MBR出水进入臭氧氧化池，利用臭氧的强氧化性，进一步去除污水中的难降解有机物，同时起到脱色的作用。臭氧氧化池设置1座3格，总HRT为38 min，有效水深为5.6 m；接触池采用钛盘曝气器，池顶设置尾气破坏系统；设计臭氧投加量为12 mg/L；采用氧气源臭氧发生器2套(1用1备)，产量为10 kg/h，配套循环冷却水、仪表风系统等。
将鼓风机房内的罗茨鼓风机5台(4用1备，其中2台为变频控制)更换为3台空气悬浮风机，罗茨鼓风机风量为27.6 m 3 /min，风压为68.8 kPa，空气悬浮风机风量为60 m 3 /min，风压为65 kPa。
(1)利旧现有消毒接触池与出水计量槽，将二氧化氯消毒改为次氯酸钠消毒，出水经巴氏计量槽计量后外排。
(2)利旧现有综合加药间，对现有加药设备进行检修维护，按照工艺加药点设计，重新敷设加药管；其中除磷加药采用液体聚合氯化铝，投加点设置在多级生物池的出水区；采用乙酸钠作为补充碳源投加至生物池，投加点为一级缺氧区及二级缺氧区的前端。实际运行中可根据进水水质及工艺运行情况通过计量泵调整药剂投加量。
(3)利旧现有污泥脱水系统，对影响使用的带式脱泥机及污泥泵等设备进行检修或更换，脱水至含水率≤80%后外运处置。
提标改造工程于2019年下半年开工，于2020年底实现通水并进行了调试及试运行。在此过程中逐步提升处理水量至设计值，通过合理控制运行条件及参数，出水水质稳定达到《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)中表1的重点控制区排放限值要求。
根据污水处理厂的2021年1月—2021年12月的监测数据，对主要污染物指标包括COD Cr 、氨氮、总磷、总氮的去除效果进行了分析。
由图4可知，进水 COD Cr 质量浓度在102.7～663.2 mg/L，平均质量浓度为274.3 mg/L，出水质量浓度在2.9～22.9 mg/L，平均质量浓度为10.9 mg/L，平均去除率可达96%左右。 来水COD Cr 浓度波动范围较大，但是出水水质较为稳定，改造后的系统具有很强的抗冲击能力。
图4 改造后COD Cr 的去除
由图5可知，进水氨氮质量浓度在5.30～52.70 mg/L，平均质量浓度为30.00 mg/L，出水质量浓度在0.02～1.30 mg/L，平均质量浓度为0.29 mg/L，平均去除率可达99%左右。出水指标低于排放标准的要求， 工艺具有良好的硝化能力。
图5 改造后氨氮的去除
由图6可知，进水总磷质量浓度在0.70～8.40 mg/L，平均质量浓度为3.60 mg/L，出水质量浓度在0.01～0.27 mg/L，平均质量浓度为0.06 mg/L，平均去除率可达98%左右。出水总磷虽然有波动，但低于0.3 mg/L的排放要求。
图6 改造后总磷的去除
由图7可知，进水总氮质量浓度在10.8～56.8 mg/L，平均质量浓度为34.6 mg/L，出水质量浓度在2.3～14.1 mg/L，平均质量浓度为8.5 mg/L，平均去除率可达75%左右。 在来水总氮污染物超出设计值的情况下，工艺依然保持了很好的稳定性，具有较强的脱氮能力。
图7 改造后总氮的去除
提标改造工程总投资约为4 200万元，其中一类费用约为3 900万元，包括建筑工程费、设备购置费及安装工程费，改造完成后直接运行成本为1.5～1.8元/ m 3 。
(1)本文以进水含有部分工业废水的河北K污水厂提标改造为例，将核心处理工艺由“CASS生物池+斜板沉淀池”调整为“多级AO生物池+MBR工艺”。出水水质从《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准提高至《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)中重点控制区排放限值， 提标工艺用地节省、施工周期短 ，可为类似污水处理厂在高排放标准下的提标改造提供借鉴经验。
(2)结合高排放标准下的常见污水处理对策，立足本项目实际情况，改造方案对原有工艺单元进行了充分挖潜及利用，避免了大拆大建。项目对原CASS池进行了功能划分及出水池局部加高改造，提高了池容及停留时间，降低了改造投资。
(3) 改造完成后系统运行稳定，在来水的污染物指标超出设计值的情况下，依然表现出较强的抗负荷冲击能力 ，对COD Cr 、氨氮、总磷、总氮的平均去除率可以分别约达到96%、99%、98%、75%。
