为改善天津市水环境质量,满足水资源保护以及污染物持续减排需要,天津市地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(DB 12/599—2015)于2015年10月正式实施。天津市津沽污水处理厂作为我国第一座大型市政污水处理厂纪庄子污水处理厂的迁建工程,于2014年投产运行,设计规模55万m³/d,远期规划100万m³/d,除部分出水(7万m³/d)作为津沽污水处理厂再生水厂水源之外,出水主要经大沽排水河后汇入渤海^[1]。按照《天津市水污染防治工作方案》要求,津沽污水处理厂出水要求由满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准提升至《城镇污水处理厂污染物排放标准》(DB 12/599-2015)A类标准(以下简称天津地标A)。为改善出水水质满足新地标下对有机物、氮磷及色度等高排放标准要求,津沽污水处理厂于2017年进行了工程提标改造。

津沽污水处理厂总服务面积283 km²,实际进水量2017年在47万～62万m³/d,已接近满负荷运行且季节性变化不明显。提标改造前处理工艺为改进型多级AAO—高效沉淀—深床过滤—紫外消毒工艺,主要构筑物包括曝气沉砂池1座(HRT为7 min),初沉池3座(HRT为1 h,超越运行),生物池及污泥泵房3座(生物池平均流量下HRT为21.9 h),二沉池12座[平均表面负荷1.05 m³/(m²·h)],中间提升泵房及高效沉淀池各1座(沉淀池表面负荷20 m/h),深床滤池2座(平均滤速8 m/h),紫外消毒渠及出水泵站各1座。

提标改造前的2016年津沽污水处理厂出水水质如表1所示。

从表1可以看出,改造前各污染物出水平均值可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准,但上限均高于天津地标A。在有机物、氮磷及悬浮物浓度这几项基本控制项目中,新地标达标技术难点主要为TN和COD。生物池好氧段HRT平均流量下为12 h,在曝气量足够情况下,冬季低温期出水NH₃—N可稳定低于1.5 mg/L;除生物除磷外,采用了在高效沉淀段化学辅助除磷工艺,可保证出水TP低于0.3 mg/L;滤池设计强制滤速为8 m/h,采用降低负荷方式可有效降低出水SS。全年进水C/N平均仅为5.8,低于同期全国典型城市污水处理厂进水C/N平均水平^[2]2],需在低C/N下实现TN高标准达标;尽管大部分时段出水COD可满足≤30 mg/L,但变化幅度较大^[3]3],需提高出水COD新地标达标的稳定性。

根据上述分析,新地标达标难点主要为TN和COD,其他指标可以通过工艺优化得到保证的水质特征,确定该厂提标改造后的工艺流程为多点进水多点回流改进型多级AAO—高效沉淀—反硝化深床滤池—臭氧氧化—紫外消毒工艺,主工艺段流程如图1所示。

为优化生物脱氮效果,本次改造中生物段在保留原有生物系统多点进水合理分配进水碳源的基础上,增加了内回流点和最大回流量,提高了生物池混合液悬浮固体浓度,将第一好氧池末端优化为渐减曝气方式以消除溶解氧对第二缺氧池反硝化的不利影响;此外将深床滤池改造为反硝化深床滤池,降低了强制滤速并增加了滤层厚度,去除SS之外作为高标准下出水TN达标的二级生物处理的保障性措施;为提高出水COD的稳定性并降低出水色度,在深床滤池后增加了臭氧接触池,在去除溶解性难生物降解有机物及新兴微量污染物的同时无化学污泥产生,并可根据其投加量的大小与紫外消毒工艺联合优化运行,保证出水COD、色度和大肠菌群的稳定达标。

改造前后二级生物处理与深度处理工艺段的设计参数如表2所示。

2018年11月津沽污水处理厂出水开始执行天津地标,本文以该厂原有系统为例,对2018年11月～2019年5月含有低温期与常温期的进出水水质进行了研究,以探讨提标改造后的处理效果,并分析了沿程主工艺段对有机物和氮磷去除的贡献。

提标改造后,在第二缺氧池投加了乙酸钠(CH₃COONa)作为外加碳源以强化脱氮效果,在二沉池出水TN基本低于10 mg/L的情况下,反硝化深床滤池暂时按照深床滤池运行。在本文研究期间,乙酸钠有效成分月平均投加量在45～60 mg/L;高效沉淀池的混凝剂为聚氯化铝(PAC),助凝剂为聚丙烯酰胺(PAM),折合有效成分后月平均投加量分别为3.3～4.5 mg/L和0.5～0.7 mg/L;臭氧以液氧为气源,投加浓度为10%,2019年3月份开始调试运行,设计平均投加量为325 kg/h。

改造后进水、二沉池出水及深度段总出水COD的变化如图2所示。

由图2可见,提标改造后进水COD为246～447 mg/L,平均352 mg/L,总出水COD在10.3～27 mg/L,平均16.3 mg/L,出水COD可稳定达到天津地标A标;由COD变化可以看出,COD主要在生物处理段得到去除,平均该段去除的COD占总去除率的98.3%,深度处理段主要起到辅助达标的保障作用。提标改造后,二级出水COD主要以溶解性有机物SCOD为主,SCOD/COD在45.9%～99.3%,平均为77.2%。对于二级出水的有机物深度去除,高效沉淀/过滤以及臭氧氧化对COD的去除效果如表3所示,其中高效沉淀/深床滤池占深度处理段去除率的82.5%,臭氧氧化为17.5%;高效沉淀/深床过滤对颗粒态有机物的去除占到深度段作用的主体,目前阶段臭氧氧化进水COD浓度已较低,在臭氧低投加量下对COD的降解作用不明显。

提高氮的去除能力是城市污水处理厂提标改造的重点^[4]4],氨氮和总氮主要依靠硝化和反硝化生物作用去除^[5]5],低温条件下保障生物脱氨效果为城市污水处理厂运行的难点之一^[6]6]。津沽污水处理厂提标改造完成短期后即进入了冬季低温期,改造后进出水NH₃-N和TN的变化如图3和图4所示。

良好硝化是低温条件下污水处理厂保障脱氮效果的前提,由图3可见,提标改造后进水NH₃—N在20.9～44.7 mg/L,出水NH₃—N最高为0.8 mg/L,冬季低温期最低水温为15 ℃的情况下系统硝化性能依旧良好,且冬季出水NH₃—N平均值(0.2 mg/L)稍低于升级改造前(0.34 mg/L)。在原有系统硝化稳定的基础上,改造后提高生物池污泥浓度有利于进一步提升系统的硝化能力,此外将第一好氧池末端调整为渐减爆气减少的溶解氧供量没有对系统的硝化能力产生不利影响。

分析改造后的进出水TN浓度,进水在27.4～60.5 mg/L,平均为46.6 mg/L,出水在5.03～9.98 mg/L,平均为8.25 mg/L,可稳定满足天津地标A标准;与提标改造前同期相比,TN的平均去除率有所增加,提标改造前后分别为72.2%和81.4%。随着污染源治理力度不断加强,厂进水TN浓度有所下降,C/N有所增加,改造前后TN和C/N平均值分别为52.5 mg/L、46.6 mg/L和6.3 mg/L、7.6 mg/L,为生物系统脱氮有利因素;此外,厂自提标改造完成后将碳源投加方式调整为全年投加,设计中优化了内回流方式和好氧池末端爆气方式,提高了内外碳源的利用效率,3种因素协同作用保证了出水TN天津地标达标。

与对有机物的去除变化规律相同,氮的去除主要依靠二级生物处理段,具体结果如表4所示,该段占到了系统整体对NH₃—N和TN去除的99.3%和96.9%;由于目前深床滤池并未投加碳源,滤池仅起到对部分颗粒态氮的截留作用,因此深度段对总氮的去除贡献作用不明显,深床滤池投加碳源后脱氮效果还有待于后续跟踪研究。

改造后进水、二沉池出水及深度段总出水TP的变化如图5所示。

由图5可以看出,在进水TP为3.18～6.71 mg/L条件下,出水TP可稳定低于0.3 mg/L,平均值仅为0.19 mg/L,平均去除率达到了96.1%。生物和化学两方面的作用保证了高效的除磷效率,厂进水TP中以PO${}_4^{3-}$-P为主平均占到了54.3%,溶解性有机磷比例平均仅为17.0%,二沉池回流污泥中NO^-₃-N浓度基本在6.5 mg/L以下,有利于聚磷菌在厌氧条件下磷的释放,为好氧阶段磷的吸收创造了条件,结合生物同化作用对磷的去除,二沉池出水TP可达到0.17～1.15 mg/L(平均为0.44 mg/L);此外,深度段高效沉淀工艺中投加了除磷化学药剂PAC,进一步降低了出水TP浓度,该段贡献了平均0.25 mg/L的TP去除量,保障了TP达标。

悬浮物浓度对水体中营养盐和浮游动物均具有重要影响,降低悬浮物浓度可有效限制出水中病毒、细菌和其他有害物质,降低色度对于厂出水补给河流及用于景观再生利用具有重要意义。提标改造后进出水SS的变化如图6所示,二沉池和深度段出水色度分别为20～25倍、≤10倍。二沉池出水SS在8 mg/L以下,经过深度段处理后SS已检测不出,色度深度段出水基本为10倍及其以下。

(1)针对新地标达标的水质难点主要为 TN和COD,将原有的改进型多级AAO—高效沉淀—深床过滤—紫外消毒工艺改造为多点进水多点回流改进型多级—高效沉淀—反硝化深床滤池—臭氧氧化—紫外消毒工艺;为提高生物脱氮效果优化了内回流点、回流量及好氧池曝气方式,并设置了反硝化深床滤池;增加了臭氧氧化提高出水COD的稳定性并可与紫外消毒联合优化运行,去除生物难降解有机物的同时面向未来新兴微量污染物去除需求。

(2)提标改造后,厂出水TN、COD、NH₃—N、TP、SS和色度均可稳定满足DB 12/599-2015要求;在进水低C/N(平均7.6)及高排放标准下,改造后冬季及常温期需外加碳源保证出水TN≤10 mg/L。

(3)生物二级处理为有机物、氮和磷去除的主体,所占贡献比例(平均值)COD、TN、NH₃—N、TP和SS分别为98.3%、99.3%、96.9%、94.6%和 95.3%,深度段起到了水质提升作用,该段对COD、TN、NH₃-N、TP和SS的去除提升分别为(平均值)5.5 mg/L、0.2 mg/L、1.2 mg/L、0.25 mg/L和5 mg/L,对各项指标稳定达标起到了保障作用。