近几年, 随着政府和社会资本合作 (PPP) 模式的流行, 北京市昌平、顺义、密云、通州、延庆等郊区的镇级污水处理设施也采用了建设运营移交 (BOT) 打捆的方式进行运作, 吸引社会资本参与城镇污水处理厂站设施的建设和运营^[1]。镇级污水处理厂处理工艺的选择对污水处理厂的投资和稳定运行尤为关键。

　　 本工程为北京某镇级新建污水处理厂, 设计规模为3 000m³/d。设计进水水质参照临近区域同等市政污水处理厂, 设计出水水质要求同时达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》 (GB 18920-2002) 及北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB11/890-2012) A标准。综合上述标准, 本工程设计进出水水质要求见表1。

　　 由表1可知, 进水水质为典型的市政污水, BOD₅/COD=0.7, BOD₅/TN=6.2, BOD₅/TP=50, 可生化性良好, 适宜采用生物脱氮除磷工艺。

　　 由于出水水质要求极其严格, 对于BOD₅、COD、NH₃-N等指标, 需采用污泥龄较长的工艺;对于SS要求不超过5mg/L, 可采用砂滤或膜过滤等工艺;对于TP, 仅依靠生化除磷难以达标, 需辅助化学除磷。因此本工程生化系统采用MBR工艺, 其具有污泥龄长、污泥浓度高、出水优良等特点。

　　 但是, 一般生化处理很难使COD降解到20mg/L, MBR工艺一般可将其降解到30 mg/L以下, 因此需在MBR系统后增加深度物化处理, 本项目采用高级氧化—臭氧催化氧化工艺 (AOPs) ^[2,3]。

　　 综上所述, 本工程新建污水处理厂所采用的主体工艺为:预处理+MBR生化+高级催化氧化。

　　 预处理主要分为3部分:粗格栅渠+提升泵房, 沉砂池+调节池, 细格栅渠+膜格栅渠。

　　 (1) 粗格栅渠。设置机械粗格栅, 用以截留污水中较大的悬浮物或漂浮物。设计流量时考虑水量变化系数1.82, 选择1台机械格栅, 间隙10 mm。格栅渠设置2条, 分别是工作渠及检修渠, 检修渠安装10mm的人工平面格栅, 作为检修时的临时措施。格栅渠为全地下结构。

　　 (2) 提升泵房。在格栅渠后设置提升泵房, 由于来水标高较深, 需要进行两次提升, 因此在粗格栅渠后设置提升泵对污水进行一次提升。设置3台潜水泵, 2用1备, 24h连续运行。考虑来水的变化, 其中1台泵设置变频。提升泵房为全地下结构。

　　 (3) 沉砂池。池内设集砂坑, 液面处设电动撇渣管, 去除水中的油脂类物质及浮渣。设计有效水深1m, 水力停留时间10min, 半地下结构。

　　 (4) 调节池。镇级污水处理厂水量昼夜变化明显, 需考虑水量调节措施消峰平谷, 在预处理段设置调节池。调节池设有潜水提升泵, 对污水进行二次提升, 以达到后续重力自流的高程要求。设计水力停留时间6h, 分2格, 可分别排空检修或清掏。设置2台潜水搅拌器, 3台潜水泵 (2用1备) , 24h连续运行, 其中1台泵设置变频控制。调节池为半地下结构。

　　 (5) 细格栅渠。设置机械细格栅1台, 栅隙3mm, 全地上结构。

　　 (6) 膜格栅渠。设置1台机械格栅, 间隙1mm。格栅渠设置2条, 其中1条安装5mm的网面格栅, 作为检修时的临时措施, 全地上结构。

　　 MBR生化处理区分为厌氧池、缺氧池、好氧池和MBR膜池, 均分为2个系列^[4]。

　　 (1) 厌氧池。厌氧池有效水深6m, 水力停留时间1.8h, 满足厌氧释磷的要求。单系列各设1台潜水搅拌器, 推动水流并形成厌氧环境。

　　 (2) 缺氧池。缺氧池的功能是脱氮, 在此反应器中, 反硝化菌利用污水中的有机物作碳源将膜池回流污泥中带入的大量NO₃^-和NO₂^-还原为N₂并释放到空气中, BOD₅浓度继续下降, TN浓度也大幅度下降。设计缺氧池有效水深6m, 水力停留时间4h, 单系列各设1台潜水搅拌器, 推动水流并形成缺氧环境。同时各设置1台潜水回流泵, 回流污泥至厌氧池, 回流比为200%。

　　 (3) 好氧池。在曝气条件下利用池中大量繁殖的活性污泥微生物通过自身的降解和吸附作用除去水中的有机物质, 以达到净化水质的目的。设计好氧池有效水深6m, 水力停留时间4.5h, 单系列均设曝气装置, 为好氧池供氧并混合搅拌。同时各设置1台潜水回流泵, 回流污泥至缺氧池, 回流比为400%。曝气鼓风机选用2台, 1用1备。

　　 (4) MBR膜池。MBR膜池利用膜对生化反应池内的含泥污水进行过滤, 实现泥水分离。一方面, 膜截留了反应池中的微生物, 使池中的活性污泥浓度大大增加, 达到很高的水平, 使降解污水的生化反应进行得更迅速更彻底;另一方面, 由于膜的高过滤精度, 去除了大部分悬浮物质, 得到高质量的产水。设计膜池有效水深3.8m, 水力停留时间1.6h。单系列膜组器数量2组, 各预留1个空位。膜池各设置1台潜水回流泵, 回流污泥至好氧池, 回流比为500%。膜池设置MBR膜组件系统及配套的出水、吹扫、离线清洗等系统。

　　 (5) 抽水系统。生物降解后的水在离心泵的抽吸作用下通过MBR膜组件, 滤过液经由MBR集水管汇集, 送入后续处理单元。为了防止膜污染, 抽吸泵采用了间歇抽吸的方式运行, 间歇运行即抽吸泵出水时间不连续, 运行7min停1min。选用3台抽吸泵, 2用1备, 均为变频控制。

　　 (6) 吹扫系统。MBR膜组件设有专用吹扫系统, 吹扫抖动膜元件, 以防止污泥在膜元件周边累积, 影响膜元件通透性。同时为好氧微生物提供氧气, 降解水中的有机污染物。鼓风机选用2台, 均为变频控制。

　　 (7) 膜清洗系统。为了保证MBR膜组件有良好的运行通量, 能持续、稳定地出水, 使用化学清洗程序对膜组件进行定期在线清洗。选用2台清洗泵, 1用1备, 均变频控制。药剂采用次氯酸钠和柠檬酸, 设计选用相应的储罐和加药泵。

　　 (8) 除磷加药系统。为了保证系统对磷的去除效果, 另外设置化学除磷加药系统, 本工艺除磷药剂采用PAC, 投加量25 mg/L, 选用1台储罐和2台加药泵。

　　 (1) 催化氧化池。本工程选用的高级氧化为臭氧催化氧化, 这是目前处理难降解有机废水的前沿技术之一, 采用臭氧氧化剂, 在常温常压下, 通过特殊配方载体金属离子催化剂的催化作用, 有效生成和增加反应体系内的羟基自由基, 从而产生全面和激烈的氧化反应, 以去除或分解转化高难降解的COD, 与其他处理工艺配套性极强。本工艺设计催化氧化池有效水深6m, 水力停留时间1h, 臭氧和催化剂有效接触时间30 min。臭氧投加量为20mg/L。设置臭氧制备系统1套, 臭氧产生量2.5kg/h。设置催化氧化池的布水布气系统, 以便臭氧能更均匀地进入反应区。设置反洗系统, 选择2台反洗水泵, 2台反洗鼓风机。

　　 (2) 清水池。由于生化段MBR清洗药剂为次氯酸钠, 最终出水消毒也采用次氯酸钠, 处理后的出水经回用水泵输送至再生水管网, 用于镇中心区绿化灌溉用水、景观用水、建筑冲厕用水、道路浇洒用水等。设计清水池有效水深6 m, 水力停留时间3h。次氯酸钠投加量为2mg/L。选择2台加药泵。

　　 设计污泥浓缩池有效水深4m, 水力停留时间16 h。污泥脱水系统处理干污泥量设计为750kgDS/d, 脱水后含固率大于20%。

　　 设置除臭系统1套, 以保证厂区有良好的工作环境, 设计臭气处理量为3 000Nm³/h。

　　 (1) 考虑污水中含有一定的无机砂砾以及油脂类物质, 会对MBR膜造成较大的损害, 在本工艺中选用平流沉砂池, 一方面对无机砂砾进行沉淀去除, 另一方面设置手电动撇渣管对浮渣及油脂类进行去除。

　　 (2) 考虑到MBR系统的膜丝易被纤维毛发类等物质缠绕, 对预处理要求较高, 设计采用三级格栅, 分别是10 mm、3 mm和1 mm, 以保证后续MBR系统的稳定运行。

　　 (3) 膜组器吹扫采用高低曝气, 传统设计计算吹扫量为130m³/ (m²·h) , 采用高低曝气后, 设计平均吹扫量为80m³/ (m²·h) , 可以大大降低鼓风机的运行能耗。

　　 (4) 膜池回流采用推入排出式 (见图2) , 传统膜池为方便回流, 配水渠需绕到膜池另一侧, 配水渠和回流渠水力停留时间较长, 土建量也较大, 采用推入排出式可节省土建量, 方便膜池的回流。

　　 (5) 由于对出水水质要求很高, 尤其是出水COD要求达到20mg/L以下, 因此深度处理采用臭氧催化氧化工艺, 传统方式去除COD需投加的臭氧量较大, 投加比例O₃/COD为3^[2], 而采用臭氧催化氧化工艺, 投加比例O₃/COD可降为1.5~2, 大大减少臭氧的投加量。

　　 (1) 细格栅和膜格栅均采用内进流式网板格栅, 相比传统的转鼓式格栅, 其过水量大, 运行安全性高;同时网板格栅可以通过调整栅板的长度和栅板的数量以适应不同的渠道长度和水位高度及流量, 结构灵活, 不会增加渠道尺寸, 占地面积小。而转鼓式格栅一旦水位增高, 则需增大转鼓的直径, 因此渠道的宽度和深度都需相应增加, 占地面积增加。并且网板格栅采用全封闭方式, 可直接连接除臭管道, 不用再设置封闭设施, 外观更简洁^[5]。

　　 (2) 曝气鼓风机采用1用1备, 膜池吹扫风机为2用, 鼓风机均为变频控制, 以降低能耗;同时曝气鼓风机也作为膜池吹扫风机的备用, 增加备用鼓风机的利用率。

　　 (3) 膜抽水系统采用抽真空发生器, 常规的抽真空系统包括抽真空泵、气水分离罐等, 系统复杂, 占地大, 而抽真空发生器体积非常小, 节省占地。

　　 (4) 膜清洗系统均设置CIP泵, 本工程设置1套变频供水系统 (2台泵和1台稳压罐) , 可同时作为膜清洗用CIP泵和厂区回用水泵, 膜组件不需清洗时常开1台泵, 在膜组件清洗时再开另1台泵, 提高了泵的利用效率, 减少泵的设置, 以降低投资和运行能耗。

　　 本工程单位水量处理总成本2.854元/m³, 单位水量处理经营成本1.985元/m³。

　　 (1) 本工程设计规模3 000m³/d, 出水水质要求很高, 相当于准地表水Ⅲ类标准。工艺设计采用了预处理+MBR+高级氧化的工艺, 保障出水达标。

　　 (2) 本工程对工艺设计和设备选型均进行了优化, 单位水量处理总成本2.854元/m³, 单位水量处理经营成本1.985元/m³。

　　 (3) 目前, 本工程已完成施工和设备安装, 但尚未通水, 笔者将后续关注实际运行效果。