两级上向流生物滤池及模块化装备应用于污水厂提标改造的工程实例
摘要：对于部分城市生活污水处理厂，进、出水水质随季节性波动较大。以山西省某污水处理厂为例，按《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）准Ⅴ类（TN≤10mg/L）标准考核，夏季出水TN不能达标，冬季NH3-N不能达标，通过新增两级生物滤池的深度处理工艺，采用上向流生物滤池及专有的布水布气系统，可根据水质处理需求实现硝化与反硝化模式的切换，保证TN及NH3-N全年稳定达标。本项目采用智能模块化装备的建造模式，具有安装便捷，占地面积小，不受施工场地限制等优势。
01 工程概述
为了保护和改善水环境，国家加大水污染防治力度。近几年，国家“水十条”和地方标准的相继出台，许多污水处理厂面临提标改造的问题。山西省水污染防治行动计划及水污染防治条例要求城镇生活污水厂出水COD、NH3-N及TP等指标参照地表水Ⅴ类及以上标准。以山西省某污水处理厂为例，其水质随季节波动较大，且碳氮比较低，亟需寻求一种灵活的污水提标改造工艺，既能适合进水水质的变化，又能保障出水的稳定达标排放。
该污水处理厂设计日处理规模为3万m3/d，于2007年9月建成通水，2016年4月在污水厂内完成第一次提标改造，处理工艺为“改良型A2O+网格絮凝沉淀+精密过滤”，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。根据最新政策要求，需将出水标准提至《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）地表准V类（其中TN≤10mg/L）。从污水厂2018年的运行水质数据分析，出水水质达不到地表V类标准且随季节波动较大，即使污水厂通过优化前端生化系统，夏季TN仍不达标，冬季NH3-N不达标。当夏季TN进水指标升高时，在原生化处理系统缺氧池内投加碳源，实际运行碳源利用率较低，药剂成本高，前置反硝化脱氮能力有限。在保证出水稳定达标且运行成本合理的前提下，该污水厂需新建处理设施进行提标改造。由于污水厂用地紧张，且周边征地困难，根据业主要求，仅能在厂内剩余很小的空地上新建深度处理设施。深度处理设计进、出水水质见表1。
02 处理工艺概述
根据主要超标的污染物因子随季节波动的情况，本项目提标改造采用新增两级生物滤池的深度处理工艺，二沉池出水提升至新增生物滤池，经两级生物滤池处理后出水进入原网格絮凝沉淀池，经沉淀及过滤，最后在清水池消毒后达标排放，工艺流程如图1。
两级生物滤池均采用上向流滤池形式，且滤池的建设采用钢制模块化装备结构，根据水质的变化可将生物滤池的运行模式切换成以下两种：
模式一：硝化滤池+反硝化滤池，NH3-N不达标，TN不稳定达标，去除NH3-N、TN；
模式二：反硝化滤池+硝化滤池，TN不达标，NH3-N不稳定达标，去除TN、NH3-N。
03 主要工艺单元及设计参数
3.1 一级生物滤池
设计钢制模块化装备共6组，单组设计处理规模5000m3/d，单组尺寸10.5m×3.0m×4.5m，火山岩滤料粒径4-6mm，填装高度为2.8m，鹅卵石承托层8-32mm，填装高度0.3m，空床停留时间25min。
3.2 二级生物滤池
设计钢制模块化装备共4组，单组设计处理规模7500m3/d，单组尺寸10.5m×3m×3.4m，空床停留时间15min，火山岩滤料粒径3-5mm，填装高度为2.1m。
两级生物滤池均采用专门研发的中阻力配水、大阻力配气的多功能滤管替代传统的小阻力滤头滤板配水配气结构进行布水布气，兼具布水、曝气布气、反冲洗布水布气的功能，可实现滤池布水布气更加均匀，反冲洗更加彻底，需曝气功能时，无需单设单孔膜曝气系统，仅配备鼓风机即可实现硝化与反硝化的转化运行。
3.3 自控系统
本深度处理滤池系统在提标改造车间设有中控室，并配置有2台上位机系统，一主一副互为备用，上位机系统采用西门子WINCC7.3版组态软件，下位机采用分布式系统，主站1台，采用西门子300系列PLC，子站10台，采用西门子200SMART系列PLC。主站用于控制反洗风机、反洗水泵、曝气风机的运行。子站用于控制各组滤池的阀门。滤池控制子站负责完成每格硝化/反硝化滤池正常过滤、气洗、气水同时反洗、水洗的自动协调控制以及操作状态监视。每格硝化/反硝化滤池设置超声波液位计、水头损失仪以实现反洗条件判断。子站利用控制指令，控制进水阀开度，从而实现各格滤池进水均衡控制，同时上传反洗工况信号供上位机采集。主站与子站之间，主站与上位机之间都是通过以太网进行通讯，数据交换。在主站配置有无线远程模块，实现对深度处理滤池自控系统远程监控，实现无人值守，全自动化运行的要求。
3.4 提标改造系统车间
提标改造系统车间放置阀门气源系统、曝气系统、碳源加药系统、反冲洗系统、自控系统及其他辅助配套设备。
阀门气源系统：空压机Q=1m3/min，P=0.8MPa，N=7.5kW，1台，冷干机、储气罐各1台。曝气系统主要为曝气风机及管道，曝气风机Q=5m3/min，P=0.06MPa，N=11kW，共11台，10用1冷备。碳源加药系统：溶药装置V=10m3，材质PE，共2套，投加计量泵Q=550L/h，P=0.4MPa，N=0.55kW，共2台，1用1备。
反冲洗系统：两级生物滤池共用一套反冲洗系统，反洗风机Q=13.72m3/min，P=0.06MPa，N=22kW，3台，2用1备，反洗水泵Q=360m3/h，H=15m，N=22kW，3台，2用1备。水洗强度6 L/m2.S，气洗强度14 L/m2.S。
3.5 总平面布置
深度处理生物滤池采用钢制模块化装备，一级生物滤池模块分为1-6组，二级生物滤池模块分为1-4组，底部进水，穿越滤料层从上部出水，两级生物滤池模块总平面布置如下图2。
由于污水厂改造场地受限，改造系统分两层排布，上层放置生物滤池模块，下层设置为提标改造系统车间，车间内放置配套设施及管道系统。改造总占地面积约为400m2，平面尺寸为32.4m×12.3m。
04 运行模式及运行效果
本项目于2019年10月建设完成并投产，运行至今贯穿了冬季与夏季，平均处理水量为2.85万吨/天。针对本项目深度处理的水质，同时结合所使用滤池的特点，运行时通过功能切换，发挥滤池的硝化及反硝化功能，保证全年的出水水质。
（1）冬季氨氮超标运行模式
温度对硝化菌的活性影响较大，当12月-2月期间，冬季水温低于12℃时，污水厂原A2O生化处理系统硝化速率下降，因此进入深度处理系统NH3-N浓度较高，在TN浓度中占比也较高。针对NH3-N超标，深度处理需强化硝化，采用模式一运行：1-6#一级生物滤池开启曝气进行硝化，1-4#二级生物滤池根据需要投加少量碳源，保证出水NH3-N、TN稳定达标。硝化滤池滤速6.3m/h，反洗周期约60-72h；反硝化滤池滤速9.4m/h，反洗周期约36-48h。碳源投加采用“模糊控制”法，通过进水流量计、进出水在线硝态氮浓度仪的反馈，建立数学模型，动态控制碳源加药量。在保证出水COD、BOD5达标的前提下，精确的控制总氮的去除。以2月份运行数据为例，平均水温8℃，深度处理系统进水NH3-N为7-10mg/L，进水TN为9-13mg/L，出水NH3-N≤1.5mg/L，出水TN≤10mg/L。
（2）夏季总氮超标运行模式
夏季降雨量大，集中在7月-8月期间，雨污合流使污水厂进水有机物浓度偏低，硝化效果较好，但碳氮比较低限制了反硝化的脱氮效果，通过在原生化处理增加碳源，但利用率较低，脱氮效果得不到明显改善，原A2O出水TN浓度偏高，大部分均为硝态氮。针对TN超标，深度处理需强化反硝化，以模式二运行为主：1-6#一级生物滤池不开启曝气并投加碳源作为反硝化滤池，去除硝态氮，1-2#二级生物滤池根据氨氮浓度决定是否开启曝气进行硝化补充，3-4#二级生物滤池不曝气作为过滤滤池，更好地保证出水效果。反硝化滤池滤速6.3m/h，反洗周期约36-48h；硝化滤池滤速9.4m/h，反洗周期约60-72h。以7月份运行数据为例，水温约23-25℃，深度处理系统进水NH3-N为0.2-0.9mg/L，进水TN为12-18mg/L，出水NH3-N≤0.5mg/L，出水TN≤8mg/L。
（3）其他时段主要运行模式
根据本项目深度处理的进水情况，除上述集中水质指标较高的月份，其他时段NH3-N及TN少许超标，NH3-N相对超标频率较高，主要以模式一方式运行，根据NH3-N浓度开启1-6#一级生物滤池的几组进行曝气，1-4#二级生物滤池根据需要投加少许碳源作为水质保障。
综上述运行模式，两级滤池全年大部分为“硝化+反硝化”模式，其中7，8月份切换为“反硝化+硝化”模式。根据水质提前分组进行切换，调节进水阀门开度，反硝化切换为硝化时，停止投加碳源，强制反冲洗两次后开启曝气，培菌期间反洗周期为72-96h，再逐渐调整至60-72h；硝化切换为反硝化时，停止曝气，调整碳源加药泵冲程，培菌期间反洗周期设置为96h，一周后恢复反洗周期至36-48h。
05 技术经济分析
本项目改造深度处理系统装机功率348.5kw，最大运行功率为170kw，电费0.07元/m3，年平均碳源投加费为0.08元/m3，人工费0.01元/m3，年平均直接运行成本约0.16元/m3。深度处理系统占地面积400m2，建设周期仅为一个月。
06 结论
对于进、出水水质呈现季节性波动较大时，深度处理采用两级上向流生物滤池的组合工艺及其专有的布水布气系统，可实现硝化与反硝化的切换，根据水质需求启用硝化或反硝化功能，分别针对性去除NH3-N或TN，出水可满足TN≤10mg/L，NH3-N≤1.5mg/L，并能根据温度变化灵活运行，确保全年水质稳定达标。上向流生物滤池采用钢制标准模块化结构，与传统钢混建设模式相比，占地及工期优势显著。
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