超高排放標準下污水處理廠設計案例解析
北京市某污水處理廠二期工程出水執行北京市地方標準《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/890—2012)表1中的A標準，水質要求極為嚴格。設計中二級生物處理工藝采用改良型五段Bardenpho工藝，深度處理工藝采用混凝+高密度沉淀池+超濾膜+臭氧工藝。
主要介紹了工藝流程、設計參數、設計特點，運行實踐表明，組合工藝處理效果良好，系統運行穩定，出水各項指標全年穩定達標。
1、工程概況
北京市房山區某污水處理廠二期工程于2013年9月獲得北京市房山區發展和改革委員會簽發的項目核準批復。由于該廠二期工程的受納水體——刺猬河屬于Ⅲ類水體，因此該污水處理廠二期工程出水必須達到DB11/890—2012表1中的A標準。
2、設計規模及水質
污水處理廠二期工程設計規模為4萬m3/d，進水以生活污水為主，收水范圍與一期工程相同。設計中進水水質這一基礎數據的確定是否合理，直接關系到工藝流程的選擇，也關系到處理構筑物及設備參數選擇的合理性，進而影響出水水質。
本工程設計中，對該廠一期工程近3年的進水水質進行統計分析，同時結合現狀情況，既考慮到區域發展可能帶來的水質變化，又避免因保證率取值過高而導致的處理設施和設備配置過大所造成的浪費，最終確定的進出水水質見表1。
將出水執行標準與集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(即地表水Ⅲ類水體)水質標準進行對比，除SS在《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)中未作明確要求，以及對出水總氮指標有所放寬外，其余指標均與地表水Ⅲ類水體標準持平，可謂國內最嚴格的污水排放標準。
3、工藝流程及主要構筑物設計
3.1工藝流程
在設計中，對進出水水質特點進行了充分比較論證，明確了如下設計原則：
(1)二級生物處理工藝必須采用具有深度除碳、脫氮、除磷功能的生物處理工藝，力爭在二級處理段全部解決氮(TN、NH3-N)的問題，絕大部分解決碳(COD、BOD5)的去除，兼顧解決部分磷(TP)的去除。
(2)必須設置深度處理工藝，著重解決經前序工藝處理后水中殘余的污染物，如：TP、SS、COD，同時還應有脫色、消毒功能。
(3)在確保出水水質達標的前提下，兼顧工藝運行的穩定性和靈活性、操作管理的方便性，并盡可能節約投資和運行成本。
經過對各種工藝的充分比選，最終確定了如圖1所示的工藝流程。
3.2主要構筑物設計
3.2.1粗格柵及進水泵站
對一期工程粗格柵及進水泵站進行改造，更換2臺格柵機，增設3臺潛水離心泵(2用1備，2臺變頻)。格柵寬度800mm，柵條間隙20mm;潛水泵單泵流量1083m3/h，揚程14.5m。
3.2.2細格柵間及曝氣沉砂池
一期工程預處理階段未設置沉砂池，污水經進水泵提升后進入柵隙寬度為1mm的轉鼓式細格柵，然后直接進入后續處理流程。經多年運行，轉鼓細格柵柵條損壞嚴重，影響了其截留效果。二期工程細格柵間及曝氣沉砂池將對一期工程污水一并進行處理，處理后出水分兩路，分別進入兩期工程后續處理流程。細格柵間與曝氣沉砂池連建，為地上式構筑物。平面尺寸41.4m×10.6m。
(1)細格柵間。設4條渠道，選用轉鼓式格柵除污機，格柵后配套無軸螺旋輸送壓榨機1臺。根據格柵前后水位差或定時控制細格柵和輸送壓實機聯動運行。柵渠寬度1.5m，柵條間隙3mm，安裝角度35°。
(2)曝氣沉砂池。曝氣沉砂池分2池。水力停留時間6min，水平流速0.1m/s，單位供氣量0.1～0.2Nm3/m3。池上設桁車式吸砂機2臺，單臺跨度3.6m，吸砂泵2臺，單泵流量20m3/h，揚程10m，砂水分離器2臺，羅茨鼓風機3臺(2用1備)，風量5.5m3/min，壓力3.9m。
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3.2.3改良型五段Dardenpho生物池及污泥泵站
將生物池與回流及剩余污泥泵站合建，平面尺寸約80m×75.3m，有效水深6m。
生物池分2組，每組按預缺氧區/厭氧區/缺氧區/好氧區/后缺氧區/好氧區的順序布置各池體。混合液由第一好氧區回流，在厭氧區和缺氧區均設置了混合液內回流點，在預缺氧區、厭氧區、缺氧區、后缺氧區均設置了進水點，方便根據進水水質的變化靈活調整進水點和內回流點，污泥由二沉池經回流污泥泵提升回流至預缺氧區，剩余污泥由剩余污泥泵排放至污泥處理系統，外加碳源投加至后缺氧區。非曝氣區設水下攪拌器，曝氣區設穿孔曝氣管。
3.2.4二沉池及配水井
采用輻流式周進周出二沉池2座，單池直徑36m，每池設中心驅動單管吸泥機1臺。最大表面負荷1.06m3/(m2˙h)。
3.2.5二次提升泵站
為滿足深度處理及尾水排放的水力要求，在二沉池后設置二次提升泵站1座。為節省用地，將二次提升泵站與深度處理的混合、絮凝池、高密度沉淀池合建。泵站內設潛水離心泵4臺(3用1備，全部變頻)，單泵流量Q=722m3/h，揚程6m。
3.2.6混合、絮凝、高密度沉淀池
高密度沉淀池分為2池，每池前端均設置機械混合池1座、機械絮凝池3座，機械混合池混合時間60s，機械絮凝池總絮凝時間15.1min，高密度沉淀池斜管區上升流速7.93m/h。
底泥排放和回流泵房與高密度沉淀池合建，內設污泥螺桿泵6臺(4用2備)，單泵流量20～80m3/h，揚程20m。
3.2.7壓力式超濾膜凈水間
凈水間內設置壓力式超濾膜組件10組，膜孔徑0.03μm;在膜組件前設置自清洗過濾器3套，過濾精度200μm對污水處理廠二級出水進行精細過濾;反沖洗廢水排入廠區污水系統;超濾膜出水先進入儲水池再進入后續流程，儲水池為廠區回用水和膜池反沖洗水提供水源。
3.2.8臭氧接觸池及出水計量槽
臭氧接觸池與巴氏計量槽合建，臭氧接觸池為加蓋封閉池體，有效水深6m，接觸時間30min，臭氧投加濃度為16mg/L。
3.2.9鼓風機房
鼓風機房與變配電站合建，內設多級離心鼓風機3臺(2用1備)，均變頻調速，總供氣量13500Nm3/h，風壓6.7m。
3.2.10綜合加藥間
綜合加藥間設在超濾膜凈水間內，設置兩種藥劑的投加系統：PAC投加系統和碳源投加系統。
(1)PAC投加系統。化學除磷及深度處理絮凝劑采用液體PAC，商品濃度為10%，投加濃度為5%，投加量為55mg/L(液態商品計)，投加泵采用氣動隔膜計量泵，投藥點設置在機械混合池。
(2)碳源投加系統。采用乙酸鈉作為補充碳源，固態商品乙酸鈉的純度為60%，投加濃度為10%，投加量為245mg/L(固態商品計)。投加泵采用氣動隔膜計量泵，投加點在生物池的后缺氧區。
3.2.11粉炭投加間及臭氧發生器間
粉末活性炭最大設計投加量為30mg/L，采用一體化制備投加裝置，干式投加，通過水射器投加至機械混合池。臭氧最大設計投加量為16mg/L，設臭氧發生器2套，不設備用，采用流量比例控制臭氧發生量和投加量。
3.2.12污泥處理系統
二期工程借鑒了一期工程的經驗教訓，采用了重力濃縮+帶式濃縮脫水一體機工藝作為污泥處理工藝。
本工程污泥干固量為9227kgDS/d，濃縮池進泥含水率為99.5%，脫水機進泥含水率為98%，脫水機出泥含水率為80%。
設置輻流式濃縮池2座，單池直徑10m，固體負荷為58.74kgDS/(m2˙d)，每池上設中心傳動柵耙污泥濃縮機1臺，脫水機進泥采用污泥螺桿泵，設置3臺(2用1備)，單泵流量30m3/h，揚程25m。
污泥脫水機房內設帶式濃縮脫水機2臺，單臺能力30m3/h。配套設備包括沖洗水泵、空壓機、絮凝劑制備裝置、加藥螺桿泵及螺旋輸送機等。
3.2.13除臭設計
采用全流程除臭工藝。除臭系統由微生物培養系統和除臭污泥投加系統組成。微生物培養系統由微生物培養箱、生物填料和供氣系統組成，培養箱內安裝AB組合填料，培養箱供氣管道就近接自生物池曝氣管道，溶解氧控制在0.15～0.5mg/L。除臭污泥投加系統包括除臭污泥泵和污泥管道，除臭污泥投加量為生物池進水量的2%～6%，可根據實際運行情況適當調整。
生物培養箱布置在生物池的厭氧、缺氧段，空氣由好氧段空氣干管提供，除臭污泥回流泵設置在回流及剩余污泥泵站，除臭污泥通過管道回流至粗格柵前進水井。設除臭污泥回流泵2臺(1用1備)，單泵流量70m3/h，揚程12m。
3.3工藝特點分析
(1)預處理段選擇了粗格柵、進水提升泵站、細格柵、曝氣沉砂池工藝，主要作用是去除污水中呈懸浮狀態的固體污染物，從大塊垃圾到顆粒粒徑為數毫米的懸浮物。
(2)二級生物處理工藝采用了具有深度除磷脫氮功能的五段Bardenpho工藝，并對該工藝進行了如下改良設計：①在厭氧區前增設預缺氧區，按預缺氧區-厭氧區-缺氧區-好氧區-后缺氧區-好氧區的順序布置各池體，回流污泥進入預缺氧區，從而消除了硝酸鹽對生物除磷的不利影響;
②采用多點進水：在預缺氧區、厭氧區、缺氧區、后缺氧區均設置了進水點，方便根據進水水質靈活調整進水點和各點進水量，從而提高原水中碳源的利用率，降低外加碳源使用量，外加碳源投加點設置在后缺氧區前端;③采用多點混合液回流：在厭氧區和缺氧區設置了混合液內回流點，混合液自第一好氧區末端回流，可根據進水水質靈活調整回流點及回流量。
(3)深度處理工藝采用混凝+高密度沉淀池+超濾膜+臭氧工藝。該工藝集化學除磷、高效去除殘余SS和COD、脫色、消毒等多種功能于一體。
(4)重力濃縮池的固體負荷選擇了規范規定的上限[60kgDS/(m2d)]，既起到了預濃縮的作用又有調蓄來泥流量不均勻性的作用。
4、處理效果分析
4.1處理能力
該污水處理廠二期工程于2015年9月21日正式運行(之前經過了28天的調試)，實際運行中未投加粉末活性炭。
2016年該廠二期工程處理水量統計分析見表2，進水水質統計結果見表3。
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由表2、表3可以看出：實際處理水量已達到設計規模，進水各項水質指標與原設計值較為吻合，該廠的運行不存在所謂“大馬拉小車”的問題。
4.2出水水質
工程2016年逐月實際出水水質見表4;對2016年逐日實際出水水質進行數理統計分析，結果見表5。
實際運行結果顯示，該廠二期工程出水各項指標全年穩定達標，成功達到了深度高效去除各類污染物的目的。自正式投產運行以來，泵、鼓風機、攪拌器、曝氣器、臭氧發生器、超濾膜系統、污泥脫水系統等主要設備未出現過故障，運行穩定正常。
5、結論
一年多的運行實踐表明，該工藝處理效果良好，系統運行穩定，無論寒暑出水各項指標均達到了設計要求。該污水處理廠二期工程投產以來，極大地改善了刺猬河流域的水體水質，取得了顯著的環境效益和社會效益，得到了房山區水務局、房山區環保局以及業內專家的高度評價，并為出水執行高標準的污水處理廠設計提供了成功范例。