昆明市第十污水处理厂设计规模15万m³/d。其中再生水站规模4.5万m³/d。厂址位于官渡区东二环以东、石虎关立交东北。占地约3.9hm²。服务范围西起环城东路-东二环,东至东三环,北始穿金路,南止昆石高速;服务面积为20.45km²(其中二环外16.31km²,二环内4.14km²);服务人口32.73万人。于2014年6~12月进入试运行,并监测其进出水水质与耗电量。

　　 昆明市第十污水处理厂的设计进水水质参照目前昆明市正在运行的污水处理厂进水水质制定,但同时应考虑一定的发展空间;设计出水水质标准主要考虑到尾水要作为河道景观补用水和城市区域再生水,并结合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准相关要求而制定。最终确定设计进出水水质如表1所示。

　　 由于周边城市环境对污水处理厂要求高,要求建成环境友好型、花园式的污水处理厂,需要按照真正生态型标准建设,因此整个厂区除采用除臭处理来保证办公环境和周边居住环境外,还将处理构筑物全部采用地下式设计,上部覆土绿化,以保证厂区变成城市花园景观。因此,昆明市第十污水处理厂采用全地下式双层加盖布局,地下一层为设备层,主要有预处理设备、生物池膜池设备、鼓风机间、变电间、除臭间、加药设备和污泥处理设备;地下二层为池体层,主要有预处理池、生物池、膜池和污泥浓缩池;地上层为综合楼、绿化景观和公园。污水处理厂工艺布置见图1。

　　 主要工艺参数如下:

　　 (1)设计水温:最低T=12℃,最高T=28℃。

　　 (2)总有效停留时间为14.1h:其中厌氧区1.1h,缺氧区I 3h,好氧区为4h,缺氧区II 4.8h,膜分离区1.2h。

　　 (3)污泥浓度:生化池MLSS=5~7g/L,膜分离区MLSS=6~10g/L。

　　 (4)回流比:膜区污泥回流比R=400%~500%,好氧区混合液回流比R=300%,缺氧至厌氧回流200%。

　　 (5)污泥负荷:0.07~0.10kgBOD₅/(kgMLSS·d);SRT 20~30d;生化设计最大气水比5∶1。

　　 (6)进水配比:多点进水,其中厌氧区进水I₁=0.2Q,缺氧区I进水I₂=0.45Q,缺氧区II进水I₃=0.35Q;PAC投药量10mg/L,投药点为膜池进水渠。

　　 设计采用膜生物反应器(MBR)污水处理工艺,全部工艺构筑物采用全地埋式布置,以节约用地、最大限度减小对周边环境影响。污水依次经过格栅、沉砂池、精细格栅、生化池、膜池处理,最后由产水泵提升、经紫外消毒后外排。生化池由厌氧池,缺氧池,好氧池和缺氧池组成。污水处理工艺流程见图2。工艺设计特点为多点进水,多点回流,可实现较高的脱氮率,高效利用池容。

　　 由图3可见,在试运行期间,进水COD浓度波动较大,月均值212~453 mg/L,标准偏差558~219mg/L,出水COD浓度保持稳定,月均值稳定在10mg/L左右,标准偏差0.76~1.88 mg/L。去除率月均值92.3%~96.1%,标准偏差2.19%~6.26%。该工程污水处理工艺抗冲击负荷能力较强。

　　 由图4可见,作为污水中有机物的另一指标BOD₅,由于其是能被微生物降解的有机物,其去除率明显比COD更高,去除率月均值98.4%~99.1%,标准偏差0.86%~0.30%。进水的BOD₅波动亦较大,月均值80.6~219.0 mg/L,标准偏差32.5~206.1mg/L。出水BOD₅稳定在2mg/L以下,标准偏差0.23~0.80mg/L。

　　 COD和BOD₅出水明显低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准限值。对有机物的处理效率,明显优于传统活性污泥工艺。这一方面是由于膜处理法的高效固液分离效果使出水中的悬浮物浓度极低;另一方面是因为本工程中膜处理工艺使处理系统中维持了较高的MLSS值,生化池污泥浓度MLSS=5~7g/L,膜分离区污泥浓度MLSS=6~10g/L,实现了有机物高效降解,提高系统容积负荷,强化了处理系统的抗冲击负荷能力^[8] 。

　　 图5和图6分别为试运行期间TN和NH₃-N的去除效果。

　　 进水TN月均值30.9~42.5mg/L,标准偏差8.3~20.6mg/L;出水TN月均质10.3~12.6mg/L,标准偏差1.3~2.5 mg/L;TN去除率月均值59.4%~69.9%,标准偏差7.4%~14.0%。进水NH₃-N月均值20.1~26.7mg/L,标准偏差3.0~5.9mg/L;出水NH₃-N月均值0.12~0.45 mg/L,标准偏差0.1~0.4 mg/L;NH₃-N去除率98.0%~99.4%。进水TN浓度波动较大,试运行期间TN出水较稳定,除个别天数测得的TN浓度略高于15mg/L外,TN出水基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准;NH₃-N出水浓度明显优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准,硝化效果良好。采用多点进水,缺氧区I进水I₂=0.45Q,缺氧区Ⅱ进水I₃=0.35Q,保证了更多的碳源进入反硝化区,同时好氧区混合液回流比R=300%,因此在碳源略显不足的情况下,保证了TN的去除效果^[9,10] 。

　　 由图7可见,进水TP月均值3.66~11.09mg/L,标准偏差3.75~16.65 mg/L;出水TP月均值0.19~0.38mg/L,标准偏差0.03~0.09mg/L;去除率月均值87.3%~95.9%,标准偏差2.5%~5.5%。由于进水TP浓度波动较大,且碳源不足,通过生化难以去除^[10] 。因此在本污水处理厂设计时,设计了PAC投加装置,保证TP有效去除。

　　 由于膜法能高效拦截SS,污水处理厂出水SS大大低于10mg/L。SS去除效果见图8,进水SS月均值171.2~426.0mg/L,标准偏差221.3~584.3mg/L;出水SS月均值4~4.2mg/L,标准偏差0.1~0.8mg/L;去除率月均值95.8%~97.8%,标准偏差1.1%~3.3%。在进水SS波动极大的情况下,出水中SS得到有效控制,绝大部分被去除。

　　 试运行期间,记录了90天污水处理量与耗电量。耗电量主要为整个污水处理流程耗电量,不含除臭通风部分耗电量,由为重力流进水,无进厂提升部分电耗。利用SPSS进行回本归分析,确定污水日处理量和能耗之间的相关关系,得到曲线如图9所示,其幂函数形式回归方程如式(1):

　　 式中Y———单位污水处理量能耗,kW·h/m³;

　　 X———日处理量,万m³/d。

　　 由图9可见,随着处理水量的增大,单位水量耗电量有减少的趋势,二者为指数关系,符合污水处理厂规模越大,单位处理成本越低的规律^[11] 。污水处理厂如满负荷运行,即达到设计污水处理量15万m³/d时,根据图9中曲线预测单位水量耗电量为0.33kW·h/m³,与我国污水处理行业电能消耗水平0.2~0.4kW·h/m³相当^[12] ,但明显低于MBR工艺单位水量能耗值0.45~0.91kW·h/m^3[13] 。

　　 由图10可见,去除单位COD能耗在试运行期间有一定波动,最大值11.55kW·h/kg,最小值0.20kW·h/kg,能耗(3.01±1.63)kW·h/kg。根据杨敏等^[14] 的研究结果,地上式A²/O-MBR污水处理厂单位COD能耗(2.85±1.63)kW·h/kg。比较本污水处理工程中单位COD能耗数据与杨敏等的研究成果,地下式MBR与地上式A²/O-MBR污水处理厂单位COD能耗并无显著差别。

　　 分析以上现象产生的原因,这可能与污水处理厂进水中BOD₅浓度不高有关,进水有机物浓度降低时单位水量处理能耗有降低趋势。有机物浓度低时,污水处理厂在运行中往往调低曝气风量,处理耗电量就对应有所减少。相关研究也表明,MBR污水处理过程中,风机能耗所占比重较大^[14] 。同时,由于市政管网污水能自流进入本污水处理厂,无进厂污水提升部分电耗。

　　 (1)试运行期间,昆明第十污水处理厂处理效果良好,出水除TN外各指标均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准。由于进水碳源不足,个别天数测得出水TN浓度大于15mg/L。

　　 (2)本厂处理量与单位水量耗电量回归方程式为Y=4.37X^-0.958。处理水量达到设计规模15万m³/d时,预测其单位水量耗电量为0.33kW·h/m³。

　　 (3)昆明市第十污水处理厂的地下式MBR工艺处理城市生活污水与我国污水处理行业单位水量处理能耗量相当;单位COD去除能耗与地上式A²/O-MBR污水处理厂单位COD能耗无显著差异。