苏南某市高新区污水处理厂, 现有项目包括一期工程 (已提标改造2万m³/d) 和二期工程 (2万m³/d) , 污水总处理能力达4万m³/d。根据市新区污水专项规划, 该厂远期服务面积30.7km²、服务人口15万, 总处理规模为9万m³/d。随着新区发展、空港产业园建设和控源截污工程的实施, 进厂水量日益增大, 给该厂处理能力带来很大压力, 三期扩建工程的实施势在必行。

　　 目前该厂接近满负荷运行, 一期工程出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准, 提标改造后提至一级A标准。二期工程在执行一级A标准的同时, 还需满足《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业主要水污染排放限值》 (DB 32/T 1072-2007) 中的相关规定。

　　 一期工程采用ICEAS工艺, 在ICEAS反应池采用膜片微孔曝气器充氧, 通过在主反应区形成“曝气、闲置、沉淀、滗水”循环, 达到有机物去除和脱氮除磷目的。一级提标工程将ICEAS池改造为A²/O-SBR池。并在序批区投加生物填料, 同时采取增设滤布滤池、改加氯接触消毒为紫外线消毒等强化处理措施。二期工程采用占地较小、脱氮除磷效果好的一体式MBR工艺, 污水先经粗格栅截留大的漂浮物, 再经泵提升后依次流经细格栅、沉砂池、精细格栅池、一体式MBR生化处理系统, 最后出水排入附近水体并汇入京杭运河。二期工程的主体处理工艺如图1所示^[1]。

　　 该厂现有工程接纳生活污水量约18 525m³/d、工业废水约18 175m³/d (员工生活污水计入工业废水) , 合计为36 700 m³/d, 剩余3 300 m³/d拟接纳服务街道3个新建小区的生活污水, 即将达到该厂设计规模。另外, 随着新区建设和空港产业园的发展, 服务范围内雨污分流工程开始实施, 集中式住宅小区逐渐建成, 高新企业陆续入驻, 域内排水量不断增加, 现有污水处理规模已经不能满足区域快速发展的需求。

　　 目前, 项目出水满足一级A标准和江苏地方标准。根据该市有关文件要求, “十二五”以后市区污水再生利用率必须达到33%。为满足回用条件, 出水水质满足上述标准的前提下, COD浓度须低于30mg/L, 这为项目后期扩建工程设计提出了新的要求。

　　 该厂进水含有少量镍、铜、六价铬等重金属物质, 重金属废水接纳量为450 m³/d, 占废水总量的1.1%。虽然目前尚未影响生化处理效果和出水水质, 但因该厂设施对重金属基本无去除率, 因此必须严控重金属废水接纳量。

　　 监测数据显示, 该厂现有工程恶臭污染物氨、硫化氢均低于《工业企业设计卫生标准》 (TJ 36-79) 中“居住区大气中有害物质的最高容许浓度”的限制要求, 但考虑到格栅、沉砂池、污泥浓缩池、污泥匀质池及污泥脱水机房等处恶臭强度较大, 因此扩建工程应进一步强化臭气污染防治措施。

　　 拟接入三期工程的工业废水来自57家企业, 生活污水主要来自新建、改造居民小区及配套设施。其中新建社区增加3万人, 新建中小学涉及4 608人, 空港园区自然村改造涉及16 670人, 老镇区改造涉及6 640人。该厂处理规模及发展情况具体如表1所示, 三期扩建工程水量设计为2.5万m³/d, 建成后全厂总规模可达到6.5万m³/d, 尚有5 444m³/d的发展余量。可见, 在满足区域总量控制要求的前提下, 三期工程设计水量规模是合适的。

　　 根据污水处理厂三期接纳污水的性质, 从污水处理厂安全、稳定运行的角度考虑, 将三期工程进水水质设计见表2。

　　 该厂接纳的污水主要由生活污水和工业废水, 且工业废水中包含较多员工生活污水, 故主体处理工艺选用生化法比较合理。从水质特点和太湖流域对污水处理的要求来看, 所用工艺要能够在去除有机物的同时实现脱氮除磷等多元性目标。因此, 具有脱氮除磷能力的A²/O及倒置A²/O工艺、SBR及其改良型工艺等均在可选之列。在环境条件和用地要求上, 一般2万~5万m³/d级规模的二级污水处理厂用地指标为1.0~1.5m²/ (m³·d) , 而该厂综合用地指标仅为0.8m²/ (m³·d) 。为此, 本项目应选择用地指标较低的集约化、一体化设计方案, 如一体式MBR系统、双沟式和三沟式氧化沟、改良型SBR等。在出水要求上, 所用工艺须具备高效的SS去除功能, 并与现有工程较好地结合。

　　 综合上述因素并参照二期工程的设计经验和实际运行效果, 三期扩建工程原则上仍采用一体式MBR工艺。同时, 吸取改良倒置A²/O工艺的优点、强化脱氮除磷设计, 最终将三期主体处理工艺确定为改良型倒置A²/OA-MBR, 其具体流程如图2所示。倒置A²/OA-MBR工艺将缺氧池置于厌氧池前面, 共设5个处理单元。预处理后的污水首先按比例分别进入第一缺氧区和厌氧区, 然后依次重力流入好氧区、第二缺氧区和膜池, 最后通过膜过滤抽吸出水, 剩余污泥通过膜池排除。第一缺氧区、厌氧区借助高速潜水搅拌器形成完全混合的水力条件;好氧区设置5条廊道, 形成廊道式的推流流态, 池底布置曝气器充氧, 使混合液充分接触反应, 完成好氧降解和硝化过程;第二缺氧区内增加弧形导流墙, 安装低速潜水推流器形成循环式完全混合流态, 利于反硝化脱氮。

　　 该设计采取了两段缺氧反应、两点进水方式、两级回流方式、两点投加碳源以及好氧分段控制曝气等脱氮除磷强化措施。其中, 第一级回流是膜池500%的混合液回流到好氧区前端, 第二级回流是好氧区300%的混合液回流到第一缺氧区。这些措施增加了运行调控的灵活性, 使MBR工艺的处理能力得到了更大程度的发挥。

　　 三期工程在二期项目北侧预留用地内建设, 无需新增用地。新建构筑物主要为精细格栅池、一体化MBR池、污泥浓缩池及匀质池, 其余构筑物利现有二期工程进行改造扩大。

　　 目前该厂已有粗格栅及进水泵房1座 (平面尺寸18.9m×11.2m) , 原设计规模4万m³/d, 配有2台 (1用1备) 潜水提升泵, 预留2台潜水提升泵安装位置, 进水总管、粗格栅及池容能够满足远期厂区总规模 (9万m³/d) 的需要。三期工程用螺旋输送压榨一体机 (D=6.5m, N=2.2kW) 更换现有的螺旋输送机, 同时增设2.5万m³/d规模的潜水提升泵2台 (1用1备) (Q=1 500m³/h, H=15m, N=90kW) , 远期继续扩建时可通过更换水泵实现。

　　 三期工程利用二期现有2.5万m³/d的细格栅及曝气沉砂池并新建规模2万m³/d同类构筑物。新建细格栅渠道设计参数为:渠道2格, 渠宽1 600mm, 渠深1 800 mm (含700 mm超高) , 过流能力2万m³/d。新建曝气沉砂池设计参数为:渠道1格, 断面面积10.3m², 池长13m, 处理规模2万m³/d, 平面尺寸26.05 m×3.7 m, 最大流量时水平流速0.024m/s, 停留时间9.6min, 供气量5Nm³/min。主要设备有:插板闸4套 (B×H=1 900mm×1 300mm) , 手电两用启闭机1套 (N=0.37kW) ;桥式吸砂机1套 (L=3.4m, N=2×0.55kW) ;砂水分离器1套 (Q=25 m³/h, N=0.37kW) ;提砂泵2套 (1用1备) (Q=25m³/h, H=10m, N=1.5kW) ;罗茨鼓风机3台 (2用1备) (Q=300 m³/h, H=39.2kPa, N=5.5kW) ;中压反洗泵2台 (Q=10m³/h, H=70m, N=3kW) 。

　　 由于目前二期工程格栅及桥式吸砂机运行效果一般, 本期工程考虑予以更换。主要设备为:内进流细格栅机2套 (机宽B=1 400 mm, 栅条间隙b=3mm, N=3kW) ;高排水型螺旋压榨机1套 (处理能力5m³/h, D=300mm, N=1.1kW) ;桥式吸砂机1套 (N=1.5kW) ;中压反洗泵1台 (Q=21.6m³/h, H=70m, N=11kW) ;高压反洗泵1台 (Q=0.9m³/h, H=1 000m, N=4kW) ;吸砂泵1台 (桥式吸砂机配供) (Q=5~9L/s, N=2.2kW) 。

　　 为提高SS去除率, 减轻膜组件的污堵, 新建1座精细格栅池。精细格栅渠道设计参数:渠道3格, 渠宽1 600mm, 渠深2 100mm (含1 000mm超高) , 平面尺寸9.6m×6m。主要设备:插板闸6套 (B×H=2 100mm×1 600mm) , 手电两用启闭机1套 (N=0.37kW) ;中压反洗泵2台 (Q=21.6 m³/h, H=70 m, N=11kW) ;内进流式网板精细格栅2台 (配套高排水型栅渣压榨机, 过水流速v=0.6m/s, 孔径1mm, 栅前水深h=1 100mm, 过栅水位差△h_max=500mm, N=2.2kW) 。

　　 A²/OA-MBR反应池是三期扩建工程的核心, 主要由生物池、膜池和膜车间三大部分组成, 均采用合建形式, 其中生物池分两系列布置, 每系列可单独运行, 本期先安装单系列设备。

　　 生物池平面尺寸82.25m×74.4m, 池深7.2m (有效水深6m, 超高1.2m) ;水力停留时间17.62h (第一缺氧区4.8h, 厌氧区1.15h, 好氧区8.52h, 第二缺氧区3.15h) ;平均污泥浓度7.32g/L (第一缺氧区6g/L, 厌氧区6g/L, 好氧区8g/L, 第二缺氧区8g/L, 膜池10 g/L) ;污泥负荷0.022 kgBOD₅/ (kgMLSS·d) ;泥龄27.3d;污泥产率0.8kgMLSS/ (kgBOD₅·d) ;供气量105Nm³/min。

　　 膜过滤段由膜池和膜车间组成。膜池供气量280m³/min;回流比500%, 好氧区至第一缺氧区回流比300%;除磷药剂PAC投加量295.16kg/d;剩余污泥量2 651.86kgDS/d (生物污泥量2 356.7kg DS/d, 化学污泥量295.16kgDS/d) 。

　　 膜池配套设备较多, 集中布置在膜车间内。主要包括:膜箱36个, 单膜箱膜面积1 500m²、产水量694m³/d;微孔曝气器通气量8~10m³/ (h·个) , 氧利用率≥25%;潜水推进器Ⅰ3台, (1台冷备, Q=2 600m³/h, H=1m, N=18.5kW) ;潜水推进器Ⅱ3台 (Q=1 850 m³/h, H=1 m, N=10kW) ;低速推流器2台 (缺氧区2) (N=4.3kW) ;高速搅拌器2台 (缺氧区1) (N=10kW) ;高速搅拌器3台 (N=2.5kW) ;剩余污泥泵2台 (Q=50m³/h, H=20m, N=4kW) ;产水抽吸泵7台, (1台冷备, Q=275m³/h, H=10m, N=11kW) ;膜池循环泵2台 (Q=320m³/h, P=10m, N=15kW) ;CIP泵2台 (Q=180m³/h, P=15m, N=11kW) ;真空泵2台 (Q=165m³/h, 最大真空度84%, N=4kW) ;空压机2台 (Q=1 m³/min, H=0.85 MPa, N=7.5kW) ;冷干机1台 (Q=1.5m³/min, N=0.55kW) ;次氯酸钠计量泵2台 (Q=1 m³/h, H=50 m, N=1.1kW) ;柠檬酸计量泵2台 (Q=1m³/h, H=50m, N=1.1kW) ;电动单梁桥式起重机1套 (跨度28.3m, 起吊高度15m, N=3.8kW) ;电动单梁悬挂起重机1套 (跨度7m, 起吊高度10m, N=3.8kW) ;此外, 次氯酸钠储罐、柠檬酸储罐、恒压供水装置各1套。

　　 考虑到远期规划, 现MBR鼓风机房预留有7台鼓风机位置。三期膜池增设3台鼓风机;生化池现有2台风机风量偏低, 需更换。具体设备:生化池鼓风机2台 (1用1备, Q=105 m³/min, H=68.6kPa, N=200kW) ;膜池鼓风机3台 (2用1备, Q=140m³/min, H=45kPa, N=160kW) 。

　　 目前厂区已有储泥池1座, 但由于污泥在池内无法浓缩造成污泥脱水药剂量较大, 计划予以拆除。三期工程在储泥池原场地新建浓缩池2座、匀质池1座, 均按远期9万m³/d一次性完成, 半地下式钢筋混凝土结构, 工艺尺寸为2×18m+5m。主要设备有重力浓缩机2套 (D=18m, N=3kW) 和桨板式搅拌机1套 (D=5m, N=1.1kW) 。

　　 厂区已建有脱水机房1座, 配有2套带式浓缩脱水一体机。三期新增带式脱水机2套 (1用1备) 。设计参数:脱水机工作8~16h/d, 进泥含水率98%, 压滤后含水率80%, 产泥总量 (干污泥) 3.6tDS/d, 聚合物投加量为4kg聚合物/tDS。主要设备:带式压滤机2台 (带宽B=2 m, 处理量20m³/h, N=3kW) ;进泥泵2台 (Q=40~80m³/h, H=20m, N=7.5kW) ;加药泵2台 (Q=0.24~1.2m³/h, H=30m, N=1.1kW) ;冲洗泵2台 (Q=28m³/h, H=60m, N=11kW) ;空压机1台 (Q=0.15m³/min, N=1.5kW) ;加药装置1套。

　　 预处理段的格栅拦截、沉砂等手段主要去除大块悬浮物和砂粒, 对SS的去除率低于10%。通过对采用普通A²/O工艺工程实例的调查分析, 发现在工艺参数取值适当和单体设计优化的条件下, 完全能够使出水SS指标保持在20mg/L以下, 但要达到本项目要求的10 mg/L以下尚有一定难度。本项目采用膜分离池作为项目出水达标的把关工艺, 0.1~0.4μm孔径的中空纤维膜可完全阻止有机物及悬浮颗粒、细菌、藻类等通过, 因此保证出水SS<10mg/L是可行的。

　　 项目建成后接纳生活污水与工业废水的比例约55∶45, 可生化性尚好。如遇特殊情况, 可通过投加碳源 (醋酸) 来提高B/C比。根据传统A²/O工艺在市政污水运行情况看, COD去除率大于90%, 出水COD浓度达25~50mg/L, 本项目一体化MBR池使微生物被完全截流在生物反应器内, 可增加难降解有机物的水力停留时间, 有利于其降解效率的提高。因此, 本项目设计出水COD<30mg/L是合适的。

　　 本项目A²/OA-MBR工艺设计了两段缺氧区。MBR工艺污泥浓度高、泥龄长, 好氧区内硝化菌增殖旺盛, 硝化彻底, 去除氨氮并产生丰富的硝酸盐和亚硝酸盐。当其回流至前置第一缺氧区时, 利用进水碳源快速完成反硝化过程, 去除大部分硝态氮, 这是强化脱氮的第一步;经过第一缺氧区和厌氧区反应后的污水有效碳源较少, 在第二缺氧区与部分从好氧区回流过来的富硝酸盐混合液再次混合, 继续进行缓慢的反硝化和内源反硝化, 这是强化脱氮的第二步;另外, 本设计还在第一缺氧区和第二缺氧区增设碳源投加系统以强化脱氮。通过以上3步强化脱氮设计, A²/OA-MBR工艺在实际运行中可以充分发挥生物强化脱氮的功能, 保障出水TN稳定达标。

　　 生物除磷过程由厌氧和好氧两阶段组成, 厌氧释磷彻底才能保障好氧吸磷充分。厌氧区的设置是生物除磷系统的关键, 本设计将厌氧区放在第一缺氧区之后, 使得回流液中硝态氮被充分反硝化, 减少了其对聚磷菌的抑制, 使聚磷菌在厌氧条件下彻底释磷。同时, MBR反应器中高污泥浓度的混合液和厌氧-好氧环境交替, 使聚磷菌更容易得到富集, 可使MBR系统剩余污泥含磷量达传统生物除磷工艺的1.2~1.5倍。因此, A²/OA-MBR工艺能取得较好的生物除磷效果。

　　 本项目出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, 另据新区环境保护局关于再生水回用的要求, 出水COD应在30mg/L以下, 具体设计见表3。出水1万m³/d用于新区空港产业园区绿化用水和道路浇洒用水, 1.5万m³/d排入附近水体。

　　 该厂二期工程同样采用的是一体式MBR工艺。2013年1~5月, 进水平均水质为:COD 310.4mg/L、BOD₅116.9 mg/L、SS 133.6 mg/L、NH₃-N30.0mg/L、TP 2.2mg/L、TN 33.4mg/L, 实际平均出水水质为:COD 24.1mg/L、BOD₅2.8mg/L, SS 3.2mg/L、NH₃-N 0.9mg/L、TP 0.10mg/L、TN 6.8mg/L, 去除率分别为:COD 92.24%、BOD₅97.60%、SS 97.60%、NH₃-N 97.00%、TP95.45%、TN 79.64%。平均出水水质较好, 已达三期设计出水标准。此外, 采用一体式MBR工艺的污水处理工程实例还很多^[2,3], 其良好的处理效果和成功的运行经验, 为三级工程的实施奠定了实践基础。

　　 本项目大气污染物主要来自格栅、沉砂池、MBR反应池、污泥浓缩等工序废水中的腐烂有机物质和原发性恶臭物质 (如氨、硫化氢等) 。除了细格栅、曝气沉砂池和MBR反应池外, 其余构筑物均与现有二期项目共用, 故本次采取臭气治理措施将连同二期工程一起实施。进水泵房、曝气沉砂池、污泥池与脱水机房等恶臭气体产生明显的位置, 设置活性氧AOE臭气净化设备, 尾气经15m高排气筒排放。对采用半密闭结构的污泥脱水机房, 设备对恶臭物质的捕集效率约90%。MBR反应池不能进行密闭, 因而对MBR池、污泥脱水机房等构筑物分别设置100m卫生防护距离。

　　 三期工程污泥等固废产生量约18.75t/d (含水低于80%) , 其中生化污泥16.25t/d、格栅渣1.5t/d、沉砂1t/d, 合计3 195t/年。产生的污泥、栅渣等固体废弃物委托市垃圾热电有限公司焚烧处理, 生活垃圾由新区环卫部门统一清运, 实现固废零排放。

　　 三期扩建项目总投资为11 902.57万元, 包括项目设计、建设、监理等费用。在三期工程经济寿命年限内, 全部投资内部收益率高于行业基准收益率 (2.09%) , 投资回收期低于行业基准回收期 (19.48年) 。本项目有较强的抗风险能力, 经济效益较好。该项目的经济指标见表4。

　　 在加快新区建设和推进空港产业园发展的大背景下, 江苏某市新区污水处理厂实施三期扩建工程。该工程主体工艺为一体式膜生物反应器工艺 (A²/OA-MBR) , 完工后该厂总处理规模可达6.5万m³/d, 出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, 且COD<30mg/L。该工程具有明显的经济、社会和环境效益, 将为太湖流域的节能减排作出重要贡献, 并为后续工程及类似污水处理厂的设计建设提供借鉴。