【案例】改良型两段活性污泥工艺在污水厂升级改造中的应用
本文介绍了上海天山水质净化厂升级改造工程的设计、改造措施及运行情况。该污水处理厂改造工程设计采用改良型两段活性污泥工艺。实际运行结果表明，改良后的污水处理工艺对污水中COD、BOD5、NH4+-N、TN、SS和TP的去除率分别稳定维持在87.8%~90.7%、93.2%~94.7%、91.3%~96.9%、64.2%~78.8%、91.7%~93.5%和78.0%~86.4%，各项出水水质指标相较改造前都明显降低，除TP外，其余各项水质指标均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准。工艺运行稳定高效、抗冲击负荷能力强。
上海天山水质净化厂（原名天山污水处理厂）原设计规模为75 000 m3/d，采用传统活性污泥法处理工艺，以污水中的BOD5和SS为主要处理目标。随着一系列环保法律法规的陆续出台，该污水处理厂污染物排放也受到更为严格的限定，其处理能力（如氮和磷等）已无法达到排放标准的要求，需对其实施处理达标升级改造。
本次升级改造工程内容主要包括污水的脱氮除磷深度处理、新增尾水消毒处理工艺等。鉴于厂区用地紧张等因素的限制，必须充分挖掘现有设施潜力。结合国内诸多成功改造经验，经过多方案比较之后，本工程拟采用奥地利WAABAG公司的专利技术——HYBRID改良型两段活性污泥法对污水进行脱氮除磷处理，以实现污水深度处理的治理目标。
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改造前情况
天山水质净化厂污水主要以生活污水为主，改造前该厂主要以除碳和SS为主要处理目标，对于氮的处理效果特别不理想。该厂改造前实际进出水水质如表1所示。
表1 改造前实际进出水水质（mg/L）
由表1可知，出水COD、BOD5和SS基本上达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准，其他水质指标则只能达到二级排放标准。
天山水质净化厂改造前采用二级处理，即鼓风曝气传统活性污泥法处理工艺，处理构筑物有机械帘格井（1座，2格）、进水泵房（1座）、曝气沉砂池（1座，2格）、初沉池（3座）、曝气池（3组，每组4条）、二沉池（6座）、回流污泥泵房（1座）、鼓风机房（1座）、污泥泵房（1座）、贮泥池（2座）、湿污泥池（3座）。厂内设备设施基本上能正常运行，处理出水水质能达到原设计标准。该厂自1987年10月运转以来，截至1990年底污水处理量平均为2.7万m3/d。由于近几年旧区改造和周边地区房产蓬勃兴起，以及厂外市政污水管网不断完善，污水处理量连年上升，目前处理能力已达到污水厂原设计7.5万m3/d的污水量。改造前处理工艺流程见图1。
图1 改造前工艺流程
已建天山水质净化厂是1987年投入运营的老厂，主要以除碳和固体悬浮物为处理目标，处理出水水质标准偏低。以《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）和本工程设计进水水质衡量，该厂对于污水中NH3-N和TN的处理能力差强人意。通过对近年来水质监测数据的分析发现，虽然该厂污水处理并未按除磷标准设计，但原污水处理工艺对于TP的削减能力仍达到较高的水准。
据调查，国内采用相似工艺的老污水厂也存在类似现象。采用常规活性污泥法可使整个生物反应系统处于较高的污泥负荷下运行，设计污泥负荷约为0.3 kgBOD5/（kgMLSS·d），泥龄较短，污泥产率较高，污水中所含的磷通过污泥的吸附和夹带，被大量排除出系统，从而促进了TP的去除。
对于NH3-N的去除，工程实践中常用生物硝化反应使出水NH3-N达标。硝化作用通常在较长污泥龄下才能实现，为达成硝化反应以削减污水中的NH3-N，生物处理系统需要有较低的污泥负荷。而常规活性污泥法产生的除磷机理很难在低负荷和较低产泥率的脱氮生物反应器中形成。因此，需考虑将除氮和除磷分开进行。然而，由于该污水厂是已建成几十年的老厂，没有更多的预留用地，因此必须对现有构筑物进行挖潜改造。
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升级改造
该水质净化厂升级改造工程要求在不新建大型污水处理构筑物，基本不增加曝气池容积的前提下达到出水水质要求。根据近年来欧洲对老污水处理厂的改造经验，一种基于传统两段活性污泥法的生物处理工艺即改良型两段法工艺正在得到逐步推广和应用。该工艺符合本工程的现状和特点，仅将现有的初沉池和曝气池作适当的调整和改造，即可满足生物脱氮除磷的要求。
根据天山水质净化厂进水水质特点，在污水进入生物处理构筑物之前，保持预处理措施基本不变，在原有工艺的基础上，对污水处理工艺进行优化和改进。具体措施如下：
（1）将3组曝气池中的1组改为一段曝气池，曝气沉砂池出水直接进入一段曝气池；一段曝气池前分隔出一定容积的厌氧区，水力停留时间约为1 h，池容3 125 m3。
（2）将3座初沉池改为中间沉淀池，一段曝气池出水经泵提升后进入3座中间沉淀池。
（3）3座中间沉淀池出水自流进入另2组曝气池，该曝气池作为二段曝气池；二段曝气池前分隔出一定容积的缺氧区。
（4）二段曝气池出水自流进入终沉池（经6座原有的二沉池改造而来），处理出水经紫外线消毒达标排放。
（5）终沉池及中间沉淀池另配置回流污泥泵，各自回流。
（6）终沉池出水回流到一段曝气池，一段及二段曝气池混合液进行回流。
改造后的工艺流程见图2。
图2 改造后工艺流程
本次升级改造工程工艺特点可归纳如下：
（1）原曝气池改造为两段曝气池，其中一段分出部分作为厌氧区，使系统内的聚磷菌能在厌氧条件下释磷，在后续好氧条件下大量吸磷，从而达到除磷要求。
（2）一段曝气池中的曝气区控制较短的水力停留时间，使其在较高的污泥负荷下运行，因此平均泥龄较短，不超过1 d。泥龄短，污泥中的磷含量高，加之高污泥负荷使得产泥率和剩余污泥排放量增加，大量的剩余污泥经中间沉淀池被排出系统，实现了较好的生物除磷效果。
（3）改造原曝气池得到的二段曝气池，其主要作用是去除污水中含氮有机物。经终沉池污泥回流自成系统，该系统内主要是自养型细菌。由于大部分的有机负荷已在一段曝气池中被去除，因此，二段曝气池的污泥负荷较低，平均泥龄大于6 d，非常适合自养硝化细菌的生长。在二段曝气池中将完成大部分的硝化反应，出水部分回引至一段曝气池，在缺氧区进行反硝化，将氮从系统中去除，达到除氮要求。
（4）混合液回流1、2可为功能各异的两段曝气池接种微生物，提供生物反应基质，也起到调节污泥浓度的作用，回流量仅为进水量的3%~5%。由于混合液回流1和混合液回流2的回流量很小，因此不会对整个污水处理流程的水力负荷造成太多的额外负担，尤其适用于老污水厂的改造，可充分利用各种已建设施。
（5）由于一段曝气池在较高的污泥负荷下运行，削减的有机负荷大部分是通过污泥吸附去除的，因此混合液回流1可以为二段曝气池提供极佳的碳源用于反硝化。混合液回流2可将一部分富含硝化细菌的活性污泥引入一段曝气池。通常情况下，一段曝气池因泥龄较短不会自主产生硝化作用。而引入硝化细菌后，在一段曝气池中将会发生硝化反应，随后反硝化反应也将同时发生。试验数据和工程实践表明，在一段曝气池中可产生15%的硝化反应，去除40%的进水TN。
（6）一段曝气池通过终沉池出水回流提供大量硝酸盐用于反硝化，回流率的大小取决于整个处理工艺对TN去除率的要求，回流率一般为进水流量的20%~80%。
（7）在中间沉淀池排除剩余污泥，以控制一段及二段曝气池泥龄。
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改造后实际运行效果分析
表2为2017年1月~12月改造后工程的实际运行情况。
表2 2017年天山净水厂污水处理进出水水质（月平均）
注：除能耗（kW·h/t）外，其余各项目单位均为mg/L。
由表2可知，相对于改造前，改造后的工艺流程对污水中BOD5、SS和COD的去除有明显的提升。然而，改造效果最明显的是对N和P的去除。改造后各项出水指标稳定达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准，除TP外，其余各项水质指标均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。工艺运行稳定高效，抗冲击负荷能力强。
该改造项目总投资为7 960.11万元，由工程直接费用（设备材料费、安装运输费）、工程设计费、管理费、安装调试费等构成。运行管理方面，年经营费用为1 849.78万元，其中动力费用和药剂费占比较大，分别为766.06万元和204.09万元。经核算，处理费用为0.68元/t。
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结论
天山水质净化厂升级改造工程在保持原有处理规模、占地面积基本不变的条件下，采用改良型两段活性污泥法工艺对污水处理工艺进行优化和改进。改造后各项出水指标稳定达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准，除TP外，全部指标优于一级A标准，改造效果明显。该改造项目总投资为7 960.11万元，处理费用为0.68元/t。该改造项目投资少，运行费用低，既提高了出水水质，又未提高能耗，经济合理。
（来源：《工业水处理》2019年第10期，作者：曹隽，等，参考文献略。）