余姚小曹娥污水处理厂升级改造工程设计案例分析
余姚市小曹娥城市污水处理厂规划远期设计规模为30万m³/d，其中已建一、二期工程的设计处理规模为15万m³/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准。近年来，随着地区发展和人口增加，该污水处理厂已超负荷运行，最高日进水量达20.9万m³/d，日均进水量大于15万m³/d，频次约26.7%，亟需进行改造扩容，本次三期改造工程扩建规模为7.5万m³/d，工程建成后，本厂总设计规模达到22.5万m³/d，出水执行一级A标准。远期视本厂进水量增长情况和四类提标要求，适时进行扩建和提标。
1 污水处理厂现状
1.1 现状工艺流程及运行情况
该污水处理厂现状工艺流程为进水高位井→综合池→AAO生物反应池→平流二沉池→稳定塘→滤站→消毒池→排放（图1）。污泥处理采用带式浓缩脱水一体机，出泥含水率为80%。
该污水处理厂现状出水基本可达到一级A排放标准，但由于该厂已超负荷运行，对出水的稳定达标造成威胁。
由表1可知，本厂出水NH3-N较低，出水TN主要为硝态氮，可加强反硝化效果，实现TN的进一步去除。
1.2 现状主要构、建筑物
该污水处理厂现状主要构筑物有进水高位井、综合池、AAO生物反应池及二沉池、稳定塘、滤站、消毒池、鼓风机房及变配电间、储泥池、污泥浓缩脱水机房和加氯间等（表2）。本厂服务范围内的污水经厂外污水泵站提升后进入厂内进水高位井，经进水高位井配水后接入综合池，综合池兼具沉砂、水解酸化的作用。
1.3 存在的问题
本改造工程面临扩容、改造和预留远期提标条件三大目标。结合现状调研，主要存在以下问题。
（1）现状生物反应池停留时间较短
现状生物反应池工艺为AAO工艺，原按国标一级B出水标准设计，停留时间较短，约9.4 h。出水标准提升为一级A标准后，在目前进水水质低于设计值，且深度处理段有稳定塘和滤站的情况下，勉强达标，但不利于稳定达标。
（2）二沉池负荷高
现状进水水量已超过设计水量，造成现状二沉池表面水力负荷较高（1.53 m³/㎡/h），时有漂泥现象产生。
（3）用地问题
该污水处理厂远期设计规模为30万m³/d，且按照浙江省和宁波市的相关文件要求，该厂远期需按“四类水”出水标准进行提标（CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP和SS分别达到30、6、1.5、10、0.3 mg/L和5 mg/L），本厂总用地面积仅191 600 ㎡，，用地紧张。本改造工程需预留远期扩建和提标的条件。
2 改造工程工艺设计
（1）针对现状生物反应池停留时间较短和二沉池负荷较高的问题，在厂区北侧预留空地处新建一座Bardenpho生物反应池及二沉池，减少现状生物反应池和二沉池的负荷，保证出水稳定达标。
（2）针对用地紧张，同时需为远期预留扩建和提标条件的问题，本改造工程总平面布置按照30万m³/d进行统一布局，预留提标至“准Ⅳ类水”出水标准的用地。在污水处理工艺的选择上考虑“准Ⅳ类水”出水标准，通过新建Bardenpho生物反应池，强化脱氮的同时降低现有生物反应池负荷，从而提高CODCr、BOD5和氨氮的去除率，拟在深度处理段设置高效沉淀池和反硝化深床滤池，保证出水TN、TP、SS和CODCr的达标，本次工程相应预留深度处理设施用地。本工程远期总体平面布置方案如图2所示，图中虚线所示范围内为本次工程新建构筑物，直线框中为远期新建构筑物。为节约用地，生物反应池与二沉池合建，二沉池采用占地较小的矩形周进周出二沉池；远期新建的高效沉淀池拟采用加载体型高效沉淀池，增加设计表面负荷，减少占地。
2.1 设计水质
本改造工程的设计进、出水水质表3所示。
2.2 改造工程工艺流程
本改造工程出水标准仍执行国标一级A标准，通过新建1座7.5万m³/d的生物反应池和矩形周进周出二沉池（与生物反应池合建）实现污水厂扩容至22.5万m³/d。改造后的工艺流程如图3所示。
本着与污水处理厂现状设施协调的原则，考虑远期（“准Ⅳ类水”出水标准）的深度脱氮要求，生物反应池推荐采用具有强化脱氮功能的Bardenpho工艺。
Bardenpho工艺与常规AAO工艺相比，有利于强化脱氮，符合出水水质要求，可充分利用进水中的碳源，节省碳源投加量。
进水首先在厌氧段进行释磷反应后进入前置缺氧段，好氧段1的混合液回流至前置缺氧段，回流混合液中的NO3--N在反硝化菌的作用下利用进水中的碳源在前置缺氧段中进行反硝化反应。
前置缺氧段出水进入好氧段1，在其中进行含碳有机物的氧化，含氮有机物的氨化和氨氮的硝化。前置缺氧段中反硝化过程产生的氮气也在好氧段1中因曝气而吹脱释出。
好氧段1出水进入摇摆段，摇摆段可作为缺氧段（脱氮）或者好氧段运行，作为缺氧段运行时，反硝化菌利用内源代谢物质进一步反硝化，此时可在该段投加碳源强化脱氮。当冬天硝化效果较差时，摇摆段则可作为好氧段运行，以强化硝化效果。目前，该厂硝化效果较好，摇摆段作为缺氧段运行，由于出水TN能达到一级A标准，暂未在摇摆段中投加碳源。
摇摆段出水进入好氧段2，通过曝气作用吹脱反硝化作用产生的氮气，从而改善污泥沉降性能。同时，部分残余的氨氮也可在本区被硝化。
2.3 工程设计
本工程主要新增的构筑物有Bardenpho生物反应池、矩形周进周出二沉池（与生物反应池合建）、污泥浓缩池。改造的构筑物有鼓风机房、污泥浓缩脱水机房、滤站等。
（1）Bardenpho生物反应池
Bardenpho生物反应池设计处理水量为7.5万m³/d，包括厌氧段、缺氧段1、好氧段1、摇摆段和好氧段2。其中，厌氧段停留时间为1.5 h，缺氧段1停留时间为6.2 h，好氧段1停留时间为9.2 h，摇摆段停留时为2.3 h，好氧段2停留时间为1.2 h。生物反应池内设计悬浮固体浓度为3 500 mg/L，设计泥龄为14 d，混合液回流比为100%~300%，污泥回流比为50%~100%。
厌氧段设4台潜水搅拌器，转速为462 r/min，叶轮直径为650 mm，功率为7.5 kW；缺氧段1设16台潜水推流器，转速为63 r/min，叶轮直径为1 600 mm，功率为3.0 kW；摇摆段底部设有板条式微孔曝气器，同时设有8台潜水推流器，转速为56 r/min，叶轮直径为2 000 mm，功率为4.0 kW。好氧段1和好氧段2设有板式微孔曝气器约为2 300 m，单米供气量为10m3/h。设有混合液回流泵10台，单台流量为1 563m³/h，扬程为1.0 m，功率为13kW；设有污泥回流泵6台（4用2备），单台流量为781m³/h，扬程为2.6 m，功率为11 kW。
（2）二沉池
二沉池采用矩形周进周出形式，与生物反应池合建，设计处理水量为7.5万m³/d，分为12格，单格尺寸为38.7 m×8.8 m×4.0 m（有效水深）。二沉池最大设计表面负荷为1.0m3/m2/h，停留时间为2.9 h。
二沉池主要设备有：非金属链条刮泥刮渣机为12套，单套宽度为6.15 m，长度为38.7 m，功率为6.0 kW；配水渠闸门12套，B×H=500 mm×500 mm，功率为0.37 kW；配水渠排渣闸门12套，B×H=300 mm×1 100 mm；出水渠闸门12套，B×H=800 mm×800 mm；污泥渠闸门12套，B×H=700 mm×1 000 mm，功率为0.37 kW。
（3）污泥浓缩池
污泥浓缩池对全厂二沉池排放的剩余污泥进行重力浓缩，减少脱水污泥体积。本工程新建2座，远期再新建2座，单座直径为20 m。近期污泥固体负荷为57.7 kg/(m2?d)，浓缩时间为13.1 h。
污泥浓缩池主要设备有：悬挂式中心传动污泥浓缩机2套，单套直径为20 m，功率为1.5 kW；手动垂直可调堰门2套，B×H=1 000 mm×1 500 mm。
（4）改造鼓风机房
现状鼓风机房现有鼓风机7台，其中罗茨风机4台，单台风量95m3/min，风压7.0 m，功率为160 kW；磁悬浮风机3台，单台风量108 m3/min，风压为7.0 m，功率为190 kW（变频）。本改造工程新增4台磁悬浮风机替换罗茨风机，单台风量为180 m3/min，风压为7.0 m，功率为300 kW（变频）。
（5）改造滤站
现状滤站的主要功能是进一步去除悬浮固体和TP，有6格廊道，单格尺寸为61.2 m×3.5 m×5.0 m，现有360旋转滤床18套（单套最大处理能力约为450m3/h）。本改造工程保留利用滤站池体，对局部进行改造，增加2套直径为2.5 m滤布转盘过滤设备，单套最大处理能力约2 050m3/h，过滤面积为264m2。
新增的主要设备有：电动矩形闸门2套，B×H=1 600 mm×1 000 mm，功率为0.75 kW；反洗泵32台，单台流量为50m3/h，扬程为7.0 m，功率为2.2 kW；驱动电机2台，功率为1.1 kW。
（6）改造加氯间
现状加氯间内有3台制备能力20 kg/h的二氧化氯发生器，本工程改造后，设计规模达到22.5m³/d，设计加氯量取10 mg/L，需增加2台制备能力20 kg/h的二氧化氯发生器，单台功率9 kW。同时，相应增加2台盐酸计量泵、2台氯酸钠计量泵、更换3台动力水增压泵（2用1备）。其中盐酸计量泵和氯酸钠计量泵单台流量为35 L/min，P=0.17 MPa。增压泵单台流量为87m³/h，扬程为38 m，功率为15 kW。
3 运行效果分析
改造工程于2018年5月建成运行，至今各工艺单元运行良好，出水水质可稳定达到GB 18918—2002的一级A标准。2018年6月~2019年1月，本改造工程新建二沉池出水水质统计数据如表4所示。
从表中数据可以看出，改造工程新建的Bardenpho生物反应池及二沉池出水主要水质指标能稳定达到一级A标准。
4 经济技术分析
本改造工程总投资为16 757.30万元，其中工程建设费用13 876.76万元。单位处理成本1.28元/m³污水，单位经营成本为0.86元/m³污水。
5 结语
（1）改造工程新建一座处理规模为7.5万m³/d的生物反应池及二沉池，并对部分现状构、建筑物进行改造，实现污水处理厂处理规模增至22.5万m³/d，出水稳定达到GB 18918—2002的一级A标准。
（2）考虑远期（“四类水”出水标准）的深度脱氮要求，生物反应池推荐采用有利于强化脱氮的Bardenpho工艺。考虑厂区用地紧张，二沉池采用占地较小的矩形周进周出沉淀池，并与生物反应池合建。
（3）改造工程总平面布置按照远期处理规模30万m³/d进行统一布局，并预留提标至“四类水”出水标准的用地。
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