班定营污水处理厂始建于2010年, 位于呼和浩特市裕隆工业园区西南部的班定营村, 规划污水处理能力15万m³/d, 远期收水总面积约为56km²。水厂已建成的一期工程规模为2万m³/d, 服务范围约17km², 主要承担裕隆工业园区生活污水和工业废水的处理。一期核心工艺采用TU氧化沟, 出水经过消毒处理后1万m³/d直接排放, 执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准, 剩余1万m³/d再经过絮凝、沉淀、过滤等深度处理后作为再生水回用, 执行一级A标准。污水处理厂现状工艺流程如图1所示。

　　 随着工业园区的不断发展和排水系统的逐渐完善, 班定营污水处理厂服务范围扩大, 收水量大幅增加, 导致其现有处理能力不足。同时根据国务院于2015年4月2日发布的《水污染防治计划》 (即“水十条”) , 呼和浩特市政府要求全市污水处理厂必须达到《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 类Ⅴ类水体质量标准。其中TN指标从技术角度很难达到地表Ⅴ类水要求的2mg/L, 且不在河流功能区水质断面考核范围之内, 因而适当放宽并按北京市地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB11/890-2012) 中的10mg/L执行。班定营污水处理厂现状出水水质无法达到最新标准, 需对其进行提标扩建改造。扩建后总规模为7万m³/d, 出水水质应满足市政府要求。

　　 本厂接纳的污水主要包括生活污水和工业企业生产废水两部分。工业废水必须达到《污水排入城镇下水道水质标准》 (CJ 343-2010) 中的相关标准后, 方可排入污水管网。提标扩建工程投产后处理出水规划全部回用, 当不能完全回用时, 排入小黑河。

　　 污水处理厂实测进水及设计进水水质、现状出水水质、GB18918-2002一级标准等相关水质标准对照如表1所示。

　　 通过对TU氧化沟进出水水质进行核算, 结果表明池内活性生物量 (MLVSS) 不足, 碳源利用不充分。提高氧化沟内悬浮固体浓度 (MLSS) 可以适当增加MLVSS, 但同时增大下游二沉池及深度处理构筑物的负荷^[1]。因而对TU氧化沟进行改造。改造方案兼顾现状构筑物的推流形式及新工艺的处理效率, 同时考虑污水水量和水质、经济条件、管理水平等因素。设计采用多段多级AO工艺作为提标改造的主体工艺, 同时将扩建工程MBR膜池的部分污泥回流至多段多级AO生物反应池。

　　 多段多级AO脱氮除磷工艺是建立在成熟的活性污泥法理论基础之上的技术创新, 属于改良A²/O工艺的一种, 具有平均污泥浓度高、碳源利用充分、处理效率高、抗冲击负荷能力强的优点。该工艺将生物反应池设置成一级厌氧/好氧区+多级缺氧/好氧区, 形成多级AO串联反应;采用多段配水技术, 将原水分别配入厌氧区、缺氧区, 为厌氧释磷和反硝化脱氮充分提供碳源;污泥回流到厌氧区, 从而形成由高到低污泥浓度梯度, 创造了更适合聚磷菌、硝化菌及反硝化菌的生长环境, 大大提高了除磷脱氮能力^[2]。

　　 本工程以WEST软件为平台, 采用污水处理工艺仿真模拟技术对多段多级AO工艺进行模拟, 在优化运行参数条件下, 出水中COD, NH₃-N, TN浓度均可达到类Ⅴ类水质量标准, BOD₅浓度接近指标要求, SS大部分可去除。为进一步提高出水水质, 提标工程针对现状一级B出水新建1万m³/d的V型滤池作为深度处理工艺。新、旧两座滤池出水与扩建工程的MBR膜池出水混合, 经过臭氧消毒后自流进入再生水池, 水质达标。

　　 本工程出水要求TP≤0.4 mg/L, 去除率为92%。进水BOD₅∶TP=62.5>20、COD∶TP=125>30, 表明生物除磷条件良好, 因此设计主要采用生物除磷, 同时需辅助化学除磷。

　　 提标扩建后水区工艺处理流程如图2所示。

　　 如图2所示, 污水处理厂现状构、建筑物中, 粗格栅污水提升泵房、细格栅及旋流沉砂池、水解酸化池、二沉池、接触消毒池、加氯加药间、储泥池、污泥脱水机房规模均为2万m³/d, 无需改造, 絮凝反应斜管沉淀池、气水反冲洗滤池、再生水池、再生水送水泵房规模均为1万m³/d, 无需改造。

　　 现状情况:厌氧区水力停留时间1.7h, 池容708m³, 设推流搅拌器4台 (每座2台) , D=1 800mm, N=4kW;缺氧区和好氧区水力停留时间20.63h, 池容8 596m³, 有效水深4m, 污泥龄25d, 设转爪曝气机 (双速) 12台 (每座6台) , 充氧能力38kgO₂/h, N=18.5/22kW, 转爪曝气机 (单速) 10台 (每座5台) , 充氧能力38kgO₂/h, N=22kW, 推流搅拌器14台 (每座6台, 库房备用2台) , 规格同上, 混合液回流泵4台 (每座2台) , Q=800m³/h, H=3m, N=10kW。

　　 提标改造设计包括以下三个主要内容:

　　 (1) 将TU氧化沟好氧区改造为厌氧区+缺氧区+好氧区+缺氧区+好氧区的多段多级AO工艺。将污水分别配入厌氧区、缺氧区的前端, 污泥回流到厌氧区, 创造了更适合聚磷菌、硝化菌及反硝化菌的生长环境, 增强除磷脱氮能力。同时投加碳源, 强化TN的去除, 保证出水水质。

　　 (2) 将原曝气部分更换为底部曝气, 提高充氧效率和污水溶解氧浓度。

　　 (3) 将扩建工程的MBR膜池内污泥实时回流至多段多级AO生物池内, 使MBR污回流泥占比在50%以上, 提高污泥浓度, 使长泥龄微生物占比含量提高, 改善生物池内的微生物种群结构, 提高出水水质。

　　 提标改造设计参数如下:3段进水, 2级AO反应;厌氧区停留时间1.7h, 第一缺氧区停留时间4.26h, 第一好氧区停留时间4.57h, 第二缺氧区停留时间3.13h, 第二好氧区停留时间8.67h;配水比例:厌氧区30%~50%, 第一缺氧区30%~40%, 第二缺氧区15%~25%;污泥回流:80%;污泥浓度4 200~5 400mg/L;泥龄18d。

　　 新建鼓风机房1座, 为生物池提供空气。设4台罗茨风机, 3用1备, Q=35Nm³/min, H=5m, N=37kW。

　　 设计新增V型滤池作为现状一级B出水的深度处理间。参考污水处理厂现状滤池设计滤速4.17m/h及V型滤池常规设计参数8~12m/h, 本次新增滤池设计滤速6m/h。在该设计参数下, SS可以在滤池内得到充分的去除, 保证出水水质SS≤8mg/L。由于扩建工程MBR出水水质SS较低, 一般情况≤3mg/L, 经掺混后, 整体出水可以保证出水水质SS小于等于5mg/L, 达到类Ⅴ类水体质量标准。

　　 本设计采用气水反冲洗滤池。反冲洗时, 气冲强度15 L/ (s·m²) , 气水同时冲洗时水冲强度3L/ (s·m²) , 单独水冲洗强度6L/ (s·m²) 。冲洗历时:气冲1.5 min, 气水冲洗4 min, 单独水冲6.5min, 总历时12 min。正常反冲洗周期24~48h。

　　 与扩建工程合建, 详见扩建工程设计。

　　 扩建工程主体工艺采用多段多级AO+MBR处理工艺。MBR是膜分离技术和生物技术的有机结合, 使用微滤膜分离技术取代传统活性污泥法的沉淀池和常规过滤单元, 可截留微生物絮体和较大分子质量的有机物, 使水力停留时间 (HRT) 和泥龄 (SRT) 完全分离。膜池内高浓度的生物量 (8 000~12 000mg/L) 和较长的SRT极大地提高了生物对有机物的降解率, 因此出水水质良好、稳定, 出水细菌、悬浮物和浊度接近于零, 并可截留粪大肠菌等生物性污染物, 处理后出水可直接回用。

　　 在提标改造及扩建工程中, 多段多级AO工艺与MBR膜工艺存在两处融合点:

　　 (1) 活性污泥的融合:将高泥龄的MBR污泥从MBR系统回流至提标改造及扩建工程的多段多级AO生物反应池, 回流污泥量占其污泥总量的50%以上。富含优势菌种的MBR污泥可改善生物处理系统的脱氮除磷效果, 提升其处理效率, 使整个系统更加高效、节能。

　　 (2) 出水水质的混合:将MBR出水与提标改造工艺中新、旧滤池出水进行混合勾兑, 经消毒处理后水质可以达到地表水Ⅳ类水质标准, 满足类Ⅴ类水体质量的要求。

　　 设置膜格栅保护膜系统, 用以去除污水中的纤维状、毛发类物质, 以防膜丝被缠绕而损坏或造成膜污染。设计3台膜格栅, 2用1备, 格栅宽度1 600mm, 栅条间隙1mm, 单台过栅流量Q=1 400m³/h。

　　 本工程进水中工业废水比例较大, 大分子有机物含量较高。由于高分子有机物相对分子质量巨大, 不能透过细胞膜, 因此不可能为细菌直接利用, 需要设置水解酸化池。在大量水解细菌、酸化菌作用下不溶性有机物被水解为溶解性有机物, 难生物降解的大分子物质被转化为易生物降解的小分子物质, 废水的可生化性得到改善。水解酸化池设计尺寸L×B×H=80.9m×23.4m×7.8m, 停留时间6.5h。

　　 多段多级AO生物池设置成厌氧区+多级缺氧/好氧区, 使生物池形成多级AO串联。设计尺寸L×B×H=79.9 m×67.3 m×6.9 m, 流量Q=2 083.83m³/h, 水深6.4m, 总停留时间16.05h, 其中厌氧区1.96h, 第一缺氧区6.14h, 第一好氧区3.18h, 第二缺氧区1.59h, 第二好氧区3.18h。利用配水渠道中闸门开启度控制配水量, 配水比厌氧区30%, 第一缺氧区40%, 第二缺氧区30%。设计外回流比80%, 泥龄17.6d, 污泥产率0.75gMLSS/kgBOD₅, MLSS浓度4 000~5 000mg/L。

　　 膜池设计尺寸L×B×H=43.2 m×38.95 m×5.0 m, 水力停留时间1.6h, 膜池污泥回流比500%, 设计膜通量18 L/ (m²·h) , 膜吹扫风量22 302Nm³/h, 气水比10.7∶1。MBR膜组件采用PVDF中空纤维膜。

　　 臭氧接触池用于投加臭氧以去除污水色度, 臭氧接触池停留时间30min。

　　 污水处理厂现状采用次氯酸钠消毒, 扩建设计延续次氯酸钠消毒工艺。设计新建加氯加药间, 供多段多级AO生物池缺氧段投加碳源、MBR膜池投加化学除磷药剂及接触消毒池投加次氯酸钠消毒药剂。

　　 设计采用乙酸钠作为多段多级AO生物池碳源, 根据进水碳氮比计算进行投加。设计化学除磷药剂采用固体PAC, 最大加药量为20 mg/L, PAC药液配制浓度10%, 配制次数2次/d。设计消毒药剂采用液体次氯酸钠, 有效氯含量为10%, 最大投加量为100mg/L, 投加点为再生水池的进水口。

　　 污水经过长距离的管网输送, 进入泵站、粗格栅、细格栅、沉砂池等构筑物时, 由于水流剧烈湍动或曝气, 在管网中形成的H₂S、NH₃等恶臭气体散逸到大气中, 成为恶臭源。粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、污泥脱水机房等空间的硫化氢和氨等物质浓度均有超出GB 18918-2002中浓度限值的风险, 需要进行除臭处理。本工程采用CYYF全过程生物除臭技术。该技术的基本原理是在系统内培养、繁殖和活化除臭微生物, 并使其随水流均匀进入污水处理各构筑物中, 对污水中的恶臭物质进行持续的吸附、凝聚和生物降解, 实现全流程除臭^[3]。

　　 扩建设计在生物池的缺氧段内安装除臭微生物培养箱, 实现除臭菌种的培养, 共配置×H=1 200mm×2 000mm微生物培养箱28台, 设计规模为7万m³/d。除臭污泥回流至粗格栅前的进水井中, 设计除臭污泥回流量为5%, 直接从生物池的回流污泥管中引出, 通过阀门调节流量。

　　 提标改造工程中, 设计污水分段进入生物池, 由于分段进水, 污泥回流到生物池前端的厌氧区时稀释作用被推迟, 直至最后一级AO区的污泥浓度与传统A²/O工艺相同, 前面各级AO区的污泥浓度均比传统A²/O工艺高, 而形成由高到底的污泥浓度梯度。污水分多段进入生物池的厌氧区和缺氧区, 污水中碳源优先用于厌氧释磷和反硝化脱氮, 同时也降低了好氧区的有机负荷, 从而为聚磷菌、反硝化菌和硝化菌创造了适宜的生长环境。由于污水处理厂进水中工业废水占比较高, 水质波动较大, 分段进水可以有效稀释、均衡进水水质, 增强系统抗冲击能力。本工艺中好氧区的硝化液直接流入到下一级缺氧区, 无需传统A²/O工艺中的内回流。

　　 呼和浩特冬季气温及水温较低, 原系统曝气方式为表面曝气, 充氧效率较低且不利于维持污水水温。在改造及新建工程中采用底部曝气的盘式微孔曝气器, 可提高充氧效率和污水溶解氧浓度, 并减少污水热量散失, 提高微生物活性。通过盘式微孔曝气器和推流搅拌器、转爪曝气机的交错布置, 形成厌氧、缺氧、好氧的的微生物环境, 有利于发挥微生物的净化作用。

　　 由于污水处理厂进水水质波动较大, 通过调节MBR至改造、新建两座生物处理构筑物的污泥回流比例, 灵活控制消化细菌等世代时间较长的微生物的浓度, 改善微生物种群结构, 为系统功能的多样性提供条件, 增强系统抗冲击能力。

　　 MBR工艺出水水质优良、稳定, 优于GB 18918-2002一级A标准, 部分指标达到地表水Ⅳ类, 可直接回用。而提标改造工程系统出水水质不能达到出厂水质要求。通过将提标、扩建工程出水进行混合勾兑, 可满足类Ⅴ类水体质量标准的出水水质要求。扩建工程投产后, 污水处理厂进水量小于5万m³/d时, 单独运行扩建工程的污水处理系统, 可超标完成出厂水质要求。

　　 CYYF全过程生物除臭工艺省去传统除臭工艺中的臭气收集和输送系统, 不需要新建除臭设施, 只需生物池内设置定型微生物培养箱、菌种投加泵和管道;在水中消除恶臭物质, 整个污水处理系统几乎不产生臭气;污泥臭味同步降低;改善脱水污泥性状, 对污水处理系统及出水水质没有任何负面影响^[4]。

　　 提标工程设计充分利用污水处理厂原有构、建筑物和设备, 对TU氧化沟进行分段改造, 新增设备为盘式微孔爆气器, 原转爪曝气器停用;新增构筑物仅V型滤池及鼓风机房。扩建工程总平面采用集约化布置, 沉砂池采用占地面积小、除砂效果好的旋流沉砂池, 深度处理系统采用容积负荷高、占地面积小的MBR膜池, 全厂除臭采用CYYF全过程生物除臭工艺, 无需新建除臭设施, 只需在生物池内设置定型微生物培养箱、菌种投加泵和管道, 极大节省占地。扩建工程可用占地面积3.28hm², 共布置5万m³/d的一、二级及深度处理构筑物和7万m³/d的臭氧接触消毒池, 单位水量用地指标0.656hm²/万m³, 实际构、建筑物占地1.45hm², 均低于国家标准。扩建工程绿化占地面积1.37 hm², 绿地率41.76%, 创造了健康优美的厂区环境。

　　 本工程对现状2万m³/d污水处理系统进行提标改造, 并扩建5万m³/d处理系统, 核心工艺采用多段多级AO+MBR, 出水水质从一级B、一级A提高到类Ⅴ类水质量标准。工程提标扩建方案充分考虑节约投资和占地, 具有明显的环境、社会及经济效益。本工程为目标出水水质要求高于一级A的污水处理厂提标改造提供思路、积累相应经验。