布吉河口箱涵来水主要由沿线生活污水及初期雨水构成, 污水直接排放水体, 严重污染河道, 现已出现季节性和常年性水体黑臭现象^[1,2,3]。黑臭河道对人体健康有极大危害, 并且破坏河流生态系统, 损害城市景观^[4]。因此, 治理黑臭水体已经刻不容缓。活水循环为常用的黑臭水体处理技术措施, 适于不具备纳入市政污水处理厂条件的黑臭水体及突发性水体黑臭的应急处理^[5]。本工程基于活水循环理论, 于布吉河下游河口处建设水质净化应急处理设施, 采用磁混凝+曝气生物滤池组合工艺, 对布吉河口处箱涵水进行截流处理, 尾水排放布吉河河道。

　　 磁混凝沉淀具有沉速快、效率高、占地面积小、投资省等诸多优点^[6];曝气生物滤池则具有单位体积生物量大、抗负荷能力强、氧传质效率高等特点^[7]。在已有的相关工程中, 少有考察磁混凝+曝气生物滤池组合工艺的净水效果和工艺特性。本工程的实施, 旨在为相关工程设计提供基础经验数据。

　　 该水质净化站占地面积980 m², 设计规模4万m³/d, 于2017年1月3日正式运行。

　　 2016年8月对布吉河口箱涵取水, 进行48 h连续监测, 根据监测结果确定进水水质指标;根据黑臭水体评价指标及河道补水需求确定设计出水水质指标, 详见表1。

　　 水质净化站采用磁混凝+CN型BAF处理工艺, 具体工艺流程如图1所示。

　　 粗格栅及污水提升泵房设计规模均为4万m³/d。粗格栅及污水提升泵房合建, 采用完全地下式, 钢筋混凝土结构, 格栅渠道尺寸为2.4 m×1.8 m×4.2 m, 污水提升泵房尺寸为9.6 m×1.8 m×4.2 m。粗格栅前池壁设1根DN700的钢管与箱涵联通取水。

　　 主要设备:采用钢丝绳式机械粗格栅机2台;立式潜污离心泵3台 (2用1备, 库存1台) 单台流量为236 L/s, 扬程为14 m, 功率为N=45 kW。粗格栅清理栅渣及水泵启停均根据泵坑内液位信号综合控制, 采用先开先停、先停先开的方式轮流运行。

　　 细格栅设计进水量为4万m³/d, 选用3台转鼓细格栅除污机。单台细格栅栅条间隙为3 mm, 栅框直径为1.2 m。3台细格栅所产生的栅渣由1台螺旋输送机送至垃圾收集处, 装车外运。格栅配有2台管道加压泵, 高压水不间断的冲洗栅槽及螺旋输送器内的栅渣。

　　 磁混凝设计进水量为4万m³/d, 选用2套磁分离集装箱, 单套设计水量为2万m³/d。每套磁分离设备由絮凝集装箱和磁分离集装箱两部分组成。絮凝集装箱有效容积为94 m³, 尺寸为3 m×12 m×3 m;磁分离集装箱尺为2.9 m×12 m×2.85 m。絮凝集装箱停留时间HRT为8 min。 污水经细格栅初步分离后, 进入混凝絮凝集装箱, 先后投加混凝剂PAC和助凝剂PAM, 反应生成较大的含磁粉絮体颗粒, 而后流入磁分离集装箱, 通过磁辊进行泥水分离, 经磁辊吸附的含磁污泥经高剪切机对磁粉和污泥进行分离, 并进入磁鼓进行磁粉回收, 回收的磁粉再回流至絮凝集装箱前继续参与反应, 剩余污泥则进入后续污泥处理系统。磁分离出水水质除NH₃-N以外其他指标均可达《城市污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准。

　　 曝气生物滤池将BOD₅的去除与硝化功能合并于一池, 采用单级设计, 水流采用水气复合上升流程, 定期进行反冲洗, 其设计规模为1万m³/d。滤池设计进水水质为COD=60 mg/L, SS=10 mg/L, 氨氮=20 mg/L, TP=1 mg/L。

　　 滤池总占地面积128.65 m², 共分为3格, 单格尺寸为5 m×5m×5.15 m, 其中配水区高0.5 m, 滤板厚度0.1 m, 承托层高0.35 m, 滤料高2.5 m, 清水区高0.7 m。滤料采用陶粒滤料, 粒径为3～5 mm, 气水比为3∶1, 滤池BOD₅容积负荷为0.53 kgBOD₅/ (m³·d) , NH₃-N容积负荷为0.64 kgNH₃-N/ (m³·d) , 实际滤速为5.6 m/h。

　　 滤池每格设罗茨鼓风机1台, 单台风量为Q=7.2 m³/min, 压力为P=78.4 kPa, 功率为N=18.5 kW。正常过滤时一对一曝气, 采用变频调速控制。反冲洗时3台曝气鼓风机联合兼做反冲洗风机, 利用截污箱涵调节容积, 各滤池轮流反冲洗。反冲洗过程:先单独气洗3 min, 再气水同时冲洗4 min, 最后单独水洗8 min, 最大气洗强度14 L/ (m²·s) , 最大水洗强度8 L/ (m²·s) 。

　　 出水稳流井接收磁分离设备出水与滤池出水之外, 兼做滤池反冲洗泵房, 容积为23 m³, 尺寸为5 m×2.2 m×2.1 m。设反冲洗水泵2台 (1用1备) , 单台流量为Q=700 m³/h, 扬程为H=14 m, 功率为N=37 kW。反冲洗废水重力排入提升泵房, 循环处理。

　　 考虑到磁分离设备需要投药, 故设加药间1座, 占地面积75 m²。将60 mg/LPAC干粉, 配置成10%PAC溶液投加, 投加量为6.7 m³/d。PAC溶液池存储4 d用量, 分为2格, 每格尺寸为2.5 m×2.5 m×2 m, 容积12.5 m³;设PAM投药系统2套, 干粉投加量为2 mg/L, 出液浓度为0.1%～0.15%。每套磁分离设备分别配2台PAC与PAM投加计量泵 (1用1备) , 单泵流量为Q=946 L/h, 压力为P=3.5 bar (1 bar=0.1 MPa) , 功率为N=0.55 kW。

　　 磁分离设备连续排泥, 每天产泥量为75 m³/d, 污泥含水率98%, 干污泥量7.5 t/d, 故设置污泥缓存池1座。池身为矩形, 有效容积为66 m³, 尺寸为10 m×5.5 m×3.4 m。为防止污泥沉淀淤积, 污泥池内设置2台污泥潜水搅拌器。

　　 污泥脱水间为钢筋混凝土结构, 总面积55 m², 层高3.8 m。污泥脱水设备采用叠螺脱水机, 共设2台 (1用1备) , Q=16 m³/h, 处理能力60 kgDS/h。絮凝剂PAM干粉投加量为2 mg/L, 干粉储量按7 d考虑。脱水后的泥饼含水率约80%, 由螺旋输送器送至干污泥料仓, 由卡车外运至污泥处理厂。脱水后滤液排入污水提升泵房, 经污水提升泵站回至污水处理系统。

　　 目前该工程已运行近1年, 出水水质可稳定达到原设计出水标准, 除个别月份外, 其他时段可达到《城市污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。

　　 COD随月份的变化曲线, 如图2所示。由图2可知, 进水COD指标的变化范围为180～280 mg/L (平均值为212.4 mg/L) 。磁混凝沉淀出水COD最大值和最小值分别为45.3 mg/L和22.4 mg/L, 平均值为32.0 mg/L, 平均去除率为85.2%。组合工艺最终出水COD最大值为26.9 mg/L, 最小值为11 mg/L, 平均值为21.7 mg/L, 对COD的总去除率平均值达到92.0%。一级强化去除了大部分COD, 在一定程度上降低了BAF进水有机负荷, 缩短了曝气生物滤池所需水力停留时间。Pujol等^[9]认为, 提高水力负荷即缩短水力停留时间可以促进液相和生物相间的传质过程, 使滤池内的基质和生物量分布更均匀, 而这对硝化性能有着积极的作用。6月后, 进水COD波动较大, 在高、低负荷下整个工艺出水水质较稳定, COD的去除率基本维持在89.5%。

　　 SS随月份的变化曲线, 如图3所示。由图3可知, 进水SS指标的变化范围为180～290 mg/L (平均值为221.4 mg/L) 。磁混凝沉淀出水SS最大值和最小值分别为8 mg/L和18 mg/L, 平均值为13.5 mg/L, 平均去除率为93.3%。组合工艺最终出水SS最大值为10 mg/L, 最小值为4 mg/L, 平均值为9 mg/L, 对SS的总去除率平均值达到97.23%。这说明污水中SS主要是通过一级强化去除, 降低了BAF进水SS 负荷, 在一定程度上缓解了BAF滤料堵塞问题, 从而大大延长滤池运行时间和反冲洗周期^[8]8]。

　　 本组合工艺对TP的去除效果, 如图4所示。由图4可知, 进水TP指标的变化范围为4～6 mg/L (平均值为4.93 mg/L) 。磁混凝沉淀出水TP最大值和最小值分别为0.65 mg/L和0.32 mg/L, 平均值为0.54 mg/L, 平均去除率为89.2%。组合工艺最终出水TP最大值为0.4 mg/L, 最小值为0.21 mg/L, 平均值为0.34 mg/L, 对SS的总去除率平均值达到93.70%。磷的去除通常伴随着SS的去除而去除, 因此, 一级强化截留了大部分磷。BAF出水的TP进一步降低, 主要是由于滤料层内存在缺氧、好氧交替的环境, 聚磷菌好氧吸磷、厌氧放磷的作用。

　　 该组合工艺对NH₃-N的去除效果, 如图5所示。由图5可知, 进水NH₃-N指标的变化范围为12～24 mg/L (平均值为16.5 mg/L) 。工艺组合最终出水NH₃-N最大值为8.1 mg/L, 最小值为3.5 mg/L, 平均值为4.7 mg/L, 对NH₃-N去除率平均值达到70.70%。氨氮浓度在15.8 mg/L时出水氨氮最低, 当进水氨氮负荷过高或者过低时, 去除率均会减小。这可能由于6月、7月COD的大幅度增加, 有研究表明有机负荷的增加会抑制滤池的硝化作用^[10], 低浓度的COD和高浓度的DO适宜硝化细菌的生长繁殖, 滤池进水COD降低在一定程度上削弱了异氧菌对溶解氧的竞争。或者是由于温度的变化, 研究表明^[11], 水温对硝化细菌的生长和硝化速率亦有很大影响。

　　 (1) 本工程构筑物占地面积小, 基建投资省。磁混凝在普通的混凝沉淀工艺中同步加入磁粉, 使之与污染物絮凝结合成一体, 以加强混凝、絮凝效果, 生成的絮体密度更大、更结实, 从而达到高速沉降的目的, 大大减小沉淀池容积, 4万m³/d的处理水量, 设施占地仅需72 m²左右。曝气生物滤池由于附着生物载体的滤料粒径小、比表面积大, 因此容积负荷可以很高, 故大大缩小了反应器容积。同时填料本身可截留SS, 因此生物曝气滤池可同时完成生物处理与固液分离, 不需设置二沉池, 减少占地。厂区总占地面积小, 仅有980 m²左右。

　　 (2) 曝气生物滤池工艺的污水处理厂在国内南北地区均得到广泛应用, 其中深圳市横岭污水处理厂二期工程作为国内最大的该工艺污水处理厂, 设计规模为40万m³/d, 自2011初投入运行, 出水水质稳定达到一级A的设计标准。本工程借鉴了横岭污水处理厂二期工程的设计经验, 结合现场用地条件, 进水水质特点进行优化与调整。

　　 由于用地面积的限制, 本工程将滤池充氧曝气系统与反冲洗气洗时的供气系统合为一套系统, 不仅减少投资, 并能满足配气均匀, 对曝气生物滤池的稳定运行无影响。由于滤池建设条件的限制, 滤池填料突破以往3.5～4 m高度的设计经验, 采用2.5 m高。

　　 (3) 本工程一级强化对SS、COD及TP均有较高去除率。SS的高效去除缓解了曝气生物滤池堵塞问题, 延长其运行周期;COD的去除降低了滤池进水有机负荷, 减少了微生物除碳部分的负荷, 有利于硝化反应的进行;曝气生物滤池对氨氮有较高的去除率, 且耐水质波动能力强, 耐冲击负荷能力好, 在进水水质变化范围内, 处理效果稳定。

　　 本工程由于实际用地限制, 采用磁混凝+曝气生物滤池的组合工艺, 处理水COD、SS、TP和NH₃-N的最佳去除率分别为94%、97.5%, 95.4%、76.2%。出水水质指标除6月外均可达到《城市污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。该项目不仅有效改善了布吉河流域水质, 同时为黑臭水体应急处理工程提供相关设计经验。