初沉发酵池和悬浮填料技术在污水处理厂提标改造中的应用

初沉发酵池和悬浮填料技术在污水处理厂提标改造中的应用摘要：针对城镇污水处理厂一级A标准提标改造工程中应用的初沉发酵池和悬浮填料新技术，从设置条件、技术特征、设计要点及运行控制要求方面进行了简介，并结合某污水处理厂提标改造工程实例，对其工程应用设置条件进行了具体分析。关键词：初沉发酵池悬浮填料污水处理厂提标改造一级A标准据统计，截至2012年6月，我国一级A排放标准的污水处理厂的数量和规模分别为640座和441万m3／d，占比分别为9．54％和4．92％，“十二五”期间污水处理厂提标改造任务仍然繁重。与此同时，一些新技术或新工艺得到了工程应用并取得了良好的效果，如悬浮填料投加技术、初沉发酵池、反硝化滤池、带回流污泥反硝化池的改良A2／O工艺等［1～3］。但不同新技术均有其具体的技术内涵和设置条件，因此，本文对初沉发酵池及悬浮填料新技术分别进行了简介，并结合污水处理厂提标改造工程实例，对其工程应用设置条件分别进行了具体分析，以期为其在城镇污水处理厂的提标改造工程中的推广应用提供基础和支持。1某污水处理厂提标改造工程概况某污水处理厂设计规模为5万m3／d，处理工艺为变型Orbal氧化沟工艺，由氧化沟1＃沟、2＃沟和3＃沟构成，氧化沟生物段分为4个系列，每个系列的设计规模为1．25万m3／d，原出水执行二级排放标准，因一级A标准提标改造需要，基于实际进水水质特征和污水处理厂原有构筑物硝化能力分析，结合原污水处理工艺流程，提出了污水处理厂提标改造的工艺流程，提标改造前后的工艺流程和改造后的氧化沟工艺平面布局分别见图1～图3。2初沉发酵池技术简介及其工程应用设置条件分析2．1技术简介调查表明，我国大部分城镇污水的碳氮比明显偏低，BOD5／TN比值仅3～4，明显低于发达国家的5～6，严重影响生物除磷脱氮能力。在设置常规初沉池的情况下，由于碳、氮的去除比例不同，碳氮比偏低问题更加突出，BOD5／TN比值可降低到2．5～3的水平，后续除磷脱氮工艺的效能受到更加明显的不利影响。初沉发酵池［4］是主要针对我国城镇污水普遍存在BOD5／TN偏低（BOD5／TN＜4）、SS／BOD5偏高（SS／BOD5＞1．2）的实际情况及高效除磷脱氮的功能要求，开发的一种集生物絮凝沉淀和水解发酵作用于一体的，改善城镇污水处理厂进水水质构成特性的预处理系统，可实现城镇污水有机碳源的充分利用和无机悬浮固体的有效分离，提高进水中的优质碳源（快速降解有机物）比例，相应提高活性污泥活性、反硝化速率、除磷脱氮效果和运行稳定性，降低污水处理工程的建设投资、运行费用和能耗物耗水平；可按生物水解发酵、生物絮凝沉淀、物理沉淀分离等方式运行，适应不同时段进水水质水量变化，工艺运行调整灵活性提高；可在常规初沉池的基础上将其改造为初沉发酵池，仅需更换桥架系统和增加搅拌设备，无土建工程，改造投资低。初沉发酵池系统包含进水管线与布水器、桥架结构（含推进器）、低速推进器、固液分离区出水堰板、出水收集槽、底部刮吸泥装置、底泥排放系统和悬浮污泥层。初沉发酵池结构见图4。初沉发酵池的设计要点及运行控制要求如下：设计表面水力负荷3～5m3／（m2·h），水力停留时间30～60min；悬浮污泥层的高度控制在池体高度的30％～90％，污泥固体停留时间1～5d，以池内基本不产生甲烷气体为控制上限，出水挥发性脂肪酸（VFA）含量达到最高值为控制目标，而实际工程中由于进水SS浓度的波动会对系统污泥龄的控制产生不利影响，设计中宜设置泥位计和污泥浓度计；水下推进器的功率宜按0．5～2W／m3的功率密度设计，并应采用变频控制方式，以满足不同泥位下初沉污泥的混合效果。高效初沉发酵池不仅突破了传统初沉池表面负荷率较低，水力停留时间长的特性，节省了50％以上的池容和水力停留时间；而且将进水无机物的去除和有机碳源的回收利用结合起来，初沉发酵池出水VSS／SS比值可提高15％～50％，改善后续生物系统活性污泥构成，MLVSS／MLSS比值可提高10％～20％，即生物池池容有效利用率可提高25％以上。同时，高效初沉发酵池出水中优质碳源比例提高，VFA浓度可提高20％～150％，可节省20％以上的外部碳源投加需求。2．2初沉发酵池工程应用设置条件分析从上述初沉发酵池技术简介可知，污水处理厂进水水质特征是初沉发酵池设置与否的先决条件，在进水SS／BOD5偏高和BOD5／TN偏低的条件下，宜设置初沉发酵池。因此，在确定本提标改造工程工艺方案前，基于污水处理厂历史进水水质数据，对进水SS／BOD5和BOD5／TN分别进行了分析，结果见图5和图6。由图5和图6可见，污水处理厂进水SS／BOD5比值基本在1．2以上，平均值为6．58，最大值高达41．24，进水SS／BOD5比值偏高，同时进水BOD5／TN比值严重偏低，最大值仅为3．01，平均值为1．18，远低于污水系统脱氮对进水碳氮比的要求（BOD5／TN≥4），可见，本污水处理厂进水水质特征完全满足高效初沉池的设置条件，因此，在污水处理厂的提标改造工程方案设计中，确定在污水预处理段增设高效初沉池单元，一方面可对进水无机悬浮固体进行分离，提高后续生物系统的污泥活性MLVSS／MLSS，另一方面可实现对初沉污泥中内碳源的开发，减少污水处理系统外碳源投加量。3悬浮填料技术简介及其工程应用设置条件分析3．1技术简介随着一级A标准的实施，城镇污水处理厂出水NH3—N限值由一级B标准的8mg／L提高到5mg／L，很多污水处理厂均面临系统硝化能力不足的问题，低温季节更为严重，而提高硝化能力可采取增加好氧段池容或投加悬浮填料的措施，但由于已建或新建厂均受到用地的限制，增加池容难以实现，因此，好氧池投加悬浮填料新技术备受青睐。悬浮填料技术是以MBBR工艺为核心，可增强活性污泥法生物硝化功能及运行稳定性的一项新技术，充分利用活性污泥法易操作、效率高和生物膜法抗冲击、运行负荷高的优点，可缓解活性污泥法易受水量水质波动影响的缺点，消除传统生物膜法易腐败和堵塞的缺点。特别适用于已有污水处理厂的提标改造，在不增加用地的情况下，只需对原有设施进行简单改造就能提高氨氮和总氮去除效果，温度和冲击负荷所造成的不利影响明显降低，其一能解决提标改造中经常遇到的生物池池容严重不足问题，其二能解决冬季低温硝化和反硝化能力低的问题。本技术采用的悬浮填料为某公司开发的SPR1新型悬浮填料，直径25mm，高度10mm，比表面积500m2／m3，密度（0．96g／cm3）略小于水，依靠微小的搅拌作用就能悬浮于活性污泥混合液中，并在其表面附着生长硝化菌，随着水流不断回旋翻转，混合液与载体上硝化菌占优势的生物膜频繁接触，生物处理系统的硝化能力得到明显增强，在一定程度上解决了生物除磷、生物硝化和反硝化微生物群体之间的空间及环境条件竞争问题。悬浮填料技术设计要点及运行控制要求如下：填料投加量应根据设计进出水水质和挂膜试验确定的表面负荷或有效生物量计算，为减少工程投资，填料最佳投加量应在试验的基础上确定，无试验数据时，填料区NH3—N容积负荷可按好氧区NH3—N容积负荷0．05～0．13kgNH3—N／（m3·d）的2倍计算［1］；填料区应设置潜水推进器，确保悬浮填料充分流化，并且应设置推进器防护罩；填料投加区应设置出水拦截格网，孔径约12～15mm，开孔率30％，并且格网处应设置防止填料堆积的穿孔曝气系统；填料投加区应与好氧区末端保持10～20m距离，同时不宜过于靠近好氧区前端；填料投加区的DO浓度应适当提高，宜控制在2．5mg／L以上，但在实际工程中填料区的DO浓度一般较高，甚至高达5～6mg／L，造成鼓风机房电耗浪费严重，因此，生产运行管理中应加强填料区DO浓度的合理控制。芦村污水处理厂悬浮填料新技术工程应用效果表明，通过在生物池曝气段投加SPR－1生物填料可以明显提高好氧池硝化速率［3］和池容利用率，按实际工程悬浮填料区的填充率为50％左右核算，夏季池容利用率提高37．5％，冬季提高92％。目前，SPR1悬浮填料的国产化率较低，价格约为3500元／t，但近年来SPR1悬浮填料的相关研究工作也一直在开展之中，随着国产化率的提高，其价格会进一步降低。3．2悬浮填料技术工程应用设置条件分析在污水处理厂提标改造工程中，提标改造前后设计进出水水质和现有好氧池硝化能力分析是悬浮填料投加技术的基础，因此，以某污水处理厂4＃氧化沟系列为例，对提标改造前后设计进出水水质进行比较，并在其基础上，基于好氧池的NH3—N容积负荷［1］，对提标改造前氧化沟好氧段硝化能力进行核算，结果见表1和表2。由表2可见，原氧化沟系统好氧段的硝化能力为20．28mg／L的NH3—N去除量，与一级A提标改造工程的30mg／L的设计NH3—N去除量相比，相差9．72mg／L，说明原氧化沟好氧段的硝化能力已不能满足一级A提标改造的要求，因此，在污水处理厂提标改造工程方案设计中，必须采取强化硝化措施，如投加悬浮填料或增加好氧池池容，基于悬浮填料投加技术的优势和污水处理厂土地的限制，确定了向氧化沟2＃沟投加SPR－1新型悬浮填料强化硝化的设计方案，悬浮填料设计填充率为15％，并增设穿孔管曝气系统，以确保氧化沟工艺中悬浮填料的充分流化。4结语初沉发酵池和悬浮填料技术是近年来城镇污水处理厂一级A标准提标改造工程中应用的两项实用新技术，尤其初沉发酵池新技术，目前在国内污水处理厂中的应用案例仅有2例，而悬浮填料新技术的应用案例也仅为9例，均尚属技术推广阶段。为避免实际工程中对新技术的盲目照搬应用，本文对其分别进行了简介，并结合具体污水处理厂提标改造工程实例，对其工程应用设置条件分别进行了具体分析。建议设计单位在污水处理厂提标改造工程方案设计中，应在实际进水水质特征和原有工程硝化能力分析的基础上，正确选择初沉发酵池和悬浮填料新技术。