隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的快速發(fā)展，城市污水排放量日益增加，城市污水處理壓力逐年增大。《2022年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，截至2022年末，全國城市污水排放總量為639.3×108m3，污水處理量為625.8×108m3。日益增加的城市污水量對城鎮(zhèn)污水處理工藝和設(shè)施提出了越來越高的要求，目前，污水處理廠達(dá)標(biāo)排放水就近回補(bǔ)自然水體的需求逐漸增大，工業(yè)生產(chǎn)、園林綠化、道路清洗等領(lǐng)域使用再生水的需求在不斷增加，如何經(jīng)濟(jì)、高效、低碳、低耗地實(shí)現(xiàn)城市污水再生利用，需要進(jìn)一步優(yōu)選污水處理工藝。我國的污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也在逐步提高，一些地區(qū)提出污水處理廠出水準(zhǔn)IV類、甚至III類水排放，這必然增加污水處理設(shè)施建設(shè)投資和運(yùn)行成本。《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出，污水處理能力不能滿足需求的城市要加快補(bǔ)齊處理能力缺口，結(jié)合現(xiàn)有污水處理設(shè)施提標(biāo)升級擴(kuò)能改造，優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)，提升城鎮(zhèn)污水資源化利用水平。因此，加快推進(jìn)污水處理工藝技術(shù)革新，補(bǔ)齊城鄉(xiāng)污水處理設(shè)施短板，高質(zhì)量推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)是十分必要的。

城市污水處理廠二級生物處理單元主要采用活性污泥法和生物膜法，常規(guī)工藝包括A2/O、氧化溝、SBR、生物濾池、生物接觸氧化等及其組合工藝。生物接觸氧化法又稱“淹沒式生物濾池”或“接觸曝氣池”，是將曝氣池和生物濾池進(jìn)行組合得到的一種污水處理工藝，在我國城市污水處理中應(yīng)用廣泛。具有容積負(fù)荷高、處理效率高、占地面積小、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對常規(guī)生活污水有較強(qiáng)的適用性和較好的處理效果。在東莞市分散式污水處理設(shè)施建設(shè)工程中，針對進(jìn)廠污水碳氮比(BOD·NH3-N−1)和碳磷比(BOD·TP−1)較低的水質(zhì)特點(diǎn)，污水處理廠采用以生物接觸氧化工藝為基礎(chǔ)的“預(yù)處理水解酸化+A2/O生物接觸氧化”組合工藝對進(jìn)廠污水進(jìn)行強(qiáng)化處理。污水處理廠建成后運(yùn)行穩(wěn)定、出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，工程實(shí)踐證明A2/O生物接觸氧化工藝強(qiáng)化處理低碳氮比和低碳磷比生活污水具有良好的工程適用性和應(yīng)用效果。

本研究以東莞市長安鎮(zhèn)第四工業(yè)區(qū)污水處理廠建設(shè)工程為例，對A2/O生物接觸氧化工藝處理低碳氮比和低碳磷比生活污水的工藝設(shè)計(jì)原理和污水處理效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，為同類型工程項(xiàng)目的實(shí)踐與應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1、建設(shè)背景

長安鎮(zhèn)位于東莞市西南部，第四工業(yè)區(qū)是長安鎮(zhèn)內(nèi)主要經(jīng)營紡織、五金類企業(yè)的一個(gè)工業(yè)園區(qū)，位于莞長路以東。園區(qū)內(nèi)無生活污水處理設(shè)施，其出水經(jīng)一根DN1200混凝土管，流入莞長路雨水箱涵，最終排入茅洲河。第四工業(yè)區(qū)距離最近的市政截污管道為位于莞長路以西的德政路，距離較遠(yuǎn)且地勢相對較高，第四工業(yè)區(qū)污水無法重力流進(jìn)入德政路，短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)園區(qū)生活污水的截污納管。污水直排不僅導(dǎo)致河涌水質(zhì)惡化，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，對未來長安鎮(zhèn)的整體發(fā)展也會造成負(fù)面影響。因此，因地制宜推進(jìn)園區(qū)污水處理設(shè)施建設(shè)，解決第四工業(yè)區(qū)生活污水處理問題是十分必要的。

2、設(shè)計(jì)工藝論證

2.1 進(jìn)廠污水水質(zhì)分析

第四工業(yè)區(qū)污水處理廠進(jìn)廠污水主要為園區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)生活污水，園區(qū)污水處理廠進(jìn)廠污水采樣分析測試結(jié)果如表1所示。

BOD5·COD−1平均值為0.36，滿足生化處理法對BOD·COD−1>0.3的設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)采用生物膜法，工藝形式采用生物接觸氧化工藝。在預(yù)反硝化池、缺氧池、生物接觸氧化池內(nèi)設(shè)置填料，生物接觸氧化池底曝氣對污水進(jìn)行充氧，并使池體內(nèi)污水處于流動(dòng)狀態(tài)，以保證污水和浸沒在污水中的填料充分接觸。

BOD5·NH3-N−1平均值僅為1.37且均小于4，低于《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014—2021)的要求，需考慮有機(jī)碳源不足的問題。本污水處理廠未設(shè)置初沉池，設(shè)置厭氧預(yù)反硝化池，對回流消化液進(jìn)行反硝化脫氮，同時(shí)厭氧階段聚磷菌吸收易降解有機(jī)物，釋放磷，對部分有機(jī)物進(jìn)行氨化。預(yù)反硝化池后設(shè)水解酸化池進(jìn)行厭氧處理，在水解酸化池內(nèi)將污水中大分子、難降解的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿印⒁捉到獾挠袡C(jī)污染物，為后續(xù)生化反應(yīng)創(chuàng)造良好條件。

BOD5·TP−1平均值為14.85且均小于17，低于《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014—2021)的要求，需考慮有機(jī)碳源不足導(dǎo)致出水磷超標(biāo)的問題。采用同步脫氮除磷A2/O工藝對進(jìn)廠污水進(jìn)行處理，可較大限度地在生化處理單元進(jìn)行生物除磷，輔以化學(xué)除磷保證處理水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

2.2 設(shè)計(jì)工藝論證

1)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)。

參考本污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)檢測結(jié)果和長安鎮(zhèn)內(nèi)長安三洲污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，綜合確定第四工業(yè)區(qū)污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。出水執(zhí)行《廣東省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB4426—2001)一級標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)兩者較嚴(yán)值。如表2所示。

2)設(shè)計(jì)工藝流程。

根據(jù)以往污水廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一級處理達(dá)不到上述出水水質(zhì)要求。常規(guī)二級生化處理工藝對磷的去除只能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)中的一級B標(biāo)準(zhǔn)。針對進(jìn)水碳源不足的問題，分析認(rèn)為硝化菌是化能自養(yǎng)菌，世代周期比較長，繁殖比較慢，采用生物接觸氧化工藝可以利用生物膜對硝化菌的富集作用，提高硝化菌和反硝化菌密度，整體提高硝化和反硝化效率，在不增加土建投資和設(shè)備投資的情況下，取得污水處理提質(zhì)增效的綜合效果。本研究針對該低碳氮比和低碳磷比污水，采用“A2/O生物接觸氧化+化學(xué)除磷”組合工藝以提高其脫氮除磷效果。本研究采用“預(yù)處理水解酸化+A2/O生物接觸氧化+化學(xué)除磷”工藝，剩余污泥經(jīng)重力濃縮后定期外運(yùn)處理，采用紫外對尾水進(jìn)行消毒，采用等離子除臭方式對氣體進(jìn)行除臭，如圖1所示。各工藝單元污水處理效率計(jì)算結(jié)果如表3所示。

3、主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

長安鎮(zhèn)第四工業(yè)區(qū)日均用水量為每日1514m3，其中，廠區(qū)工人生活用水量約為每日1224m3。污水排放系數(shù)取0.85，管網(wǎng)收集率取0.85，地下水滲入量按10%計(jì)，計(jì)算得污水量為972m3·d−1。考慮處理規(guī)模適當(dāng)留有余量，第四工業(yè)區(qū)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模取1000m3·d−1。

3.2 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

1)各工藝構(gòu)筑物尺寸及配置設(shè)備參數(shù)核算。

《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014—2021)規(guī)定，A2/O工藝厭氧段水力停留時(shí)間為1~2h，缺氧段水力停留時(shí)間為2~10h，總水力停留時(shí)間為10~23h；二沉池表面水力負(fù)荷為1.0~2.0m3·(m2·h)−1。第四工業(yè)區(qū)污水處理廠各工藝構(gòu)筑物尺寸及配置設(shè)備參數(shù)如表4所示，均滿足上述參數(shù)要求。

2)BOD5容積負(fù)荷核算。

生物接觸氧化池內(nèi)填料高度為5m，一級生物接觸氧化池總面積為14m2，二級生物接觸氧化池總面積為18.85m2，填料總?cè)莘e計(jì)算為164.25m3，設(shè)計(jì)BOD5容積負(fù)荷計(jì)算見(1)。

設(shè)計(jì)BOD5容積負(fù)荷Lv計(jì)算為0.79kgBOD5·(m3·d)−1，計(jì)算結(jié)果介于0.2~2.0kgBOD5·(m3·d)−1之間，滿足《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014—2021)的要求。

3.3 污水處理廠平面布置

為節(jié)省用地空間，同時(shí)避免不均勻沉降導(dǎo)致墻體裂縫等質(zhì)量問題，污水處理構(gòu)筑物采用半地埋連體式水池設(shè)計(jì)。即將綜合調(diào)節(jié)池、預(yù)反硝化池、水解酸化池、缺氧池、生物接觸氧化池、斜管沉淀池、綜合設(shè)備間和污泥池設(shè)計(jì)成連體式，除設(shè)備房置于地面以上，其余構(gòu)筑物均為地埋或半地埋，污水處理廠總占地面積為320m2，各構(gòu)筑物平面布置如圖2所示。

3.4 工程技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

1)合理選擇污水處理構(gòu)筑物建設(shè)形式。

分散式污水處理設(shè)施建設(shè)形式靈活多樣，可采用預(yù)制裝配式處理廠或選擇傳統(tǒng)土建式污水處理廠。構(gòu)筑物建設(shè)結(jié)合防洪、豎向規(guī)劃和場地地質(zhì)條件可選用地上式、全地埋、半地埋形式。應(yīng)結(jié)合場地現(xiàn)狀條件及用地規(guī)劃合理選擇污水處理設(shè)施建設(shè)形式，第四工業(yè)區(qū)污水處理廠采用連體式半地埋設(shè)計(jì)，可以防止圍墻出現(xiàn)裂縫，減輕運(yùn)行噪音，并且兼顧地區(qū)防洪需要。

2)結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)因地制宜選擇污水處理工藝。

由于污水收集管道外水混入等原因，現(xiàn)狀污水處理設(shè)施多存在進(jìn)水污染物濃度較低、碳源不足、可生化性較低的問題。第四工業(yè)區(qū)污水處理廠在預(yù)反硝化池后增設(shè)水解酸化池對進(jìn)廠污水進(jìn)行水解酸化處理，為后續(xù)處理單元生化反應(yīng)創(chuàng)造條件，采用A2/O生物接觸氧化工藝對進(jìn)廠污水進(jìn)行強(qiáng)化處理，利用生物膜對硝化菌的富集作用，提高污水脫氮除磷綜合效果。

3)合理配置各工藝構(gòu)筑物尺寸及配置設(shè)備參數(shù)。

污水處理設(shè)施建設(shè)需占用土地資源，應(yīng)在規(guī)劃紅線范圍內(nèi)合理布置各工序構(gòu)筑物，按照專業(yè)規(guī)范要求復(fù)核各構(gòu)筑物設(shè)計(jì)尺寸是否滿足規(guī)范對停留時(shí)間等參數(shù)的要求。分散式污水處理設(shè)施通常規(guī)模較小，進(jìn)廠污水水質(zhì)水量變化大，可適當(dāng)擴(kuò)大綜合調(diào)節(jié)池容積以緩解進(jìn)水水量變化和濃度不均造成的沖擊影響。

4、工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價(jià)

如圖3所示，長安鎮(zhèn)第四工業(yè)區(qū)污水處理廠于2019年啟動(dòng)土建工程施工及設(shè)備安裝，2020年項(xiàng)目建成后進(jìn)行調(diào)試掛膜和試運(yùn)行，自投入運(yùn)行以來，污水處理廠工藝設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、良好。

4.1 污染物去除效果

如圖4所示，選取2023年1~12月時(shí)段污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，第四工業(yè)區(qū)污水處理廠日平均處理水量為1209.6m3·d−1，水質(zhì)監(jiān)測顯示污水處理廠出水水質(zhì)均滿足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)要求。

BOD5平均去除率為88.97%，年去除量約為22.30t；COD平均去除率為79.23%，年去除量約為43.34t；SS平均去除率為87.76%，年去除量約為24.83t，A2/O生物接觸氧化工藝去除有機(jī)污染物效果良好。

總氮平均去除率為73.28%，年去除量約為8.49t；氨氮平均去除率為85.29%，年去除量約為5.37t；總磷平均去除率為82.00%，年去除量約為0.61t，A2/O生物接觸氧化工藝脫氮除磷效果良好。

4.2 成本分析

第四工業(yè)區(qū)污水處理廠采用工程總承包“EPC+O”的模式進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)，項(xiàng)目概算總投資約為819×104元，建安工程費(fèi)約為726×104元。污水處理廠營運(yùn)所需的投加藥劑主要為聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)；并綜合考慮自來水費(fèi)用、電能費(fèi)用和污泥外運(yùn)處置費(fèi)，污水單位處理成本約為每噸1.09元。

參考類似污水處理工程，采用傳統(tǒng)A2/O工藝處理生活污水，運(yùn)行費(fèi)用約為每噸1.8~3.0元，采用生物接觸氧化工藝處理生活污水，運(yùn)行費(fèi)用約為每噸0.85~2.05元，第四工業(yè)區(qū)污水處理廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)適用性良好。

5、結(jié)語

國家《關(guān)于推進(jìn)污水處理減污降碳協(xié)同增效的實(shí)施意見》提出，協(xié)同推進(jìn)污水處理全過程污染物削減與溫室氣體減排，開展處理過程節(jié)能降碳、污水污泥資源化利用，全面提高污水處理綜合效能。因此，在新建、改擴(kuò)建污水處理設(shè)施時(shí)，應(yīng)結(jié)合進(jìn)廠污水水質(zhì)特點(diǎn)合理確定污水處理工藝，提高污水處理設(shè)施的污染物去除效果和污水污泥的再生利用水平、減少溫室氣體排放量，進(jìn)一步提高污水處理綜合效能。

低碳氮比污水由于碳源不足難于處理，針對污水廠運(yùn)行不穩(wěn)定和水廠提質(zhì)增效的需求，長安鎮(zhèn)第四工業(yè)區(qū)污水處理廠結(jié)合進(jìn)廠污水低碳氮比和低碳磷比的水質(zhì)特點(diǎn)，嘗試采用A2/O生物接觸氧化工藝對進(jìn)廠污水進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高污水處理綜合效能，保證污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，是處理低碳氮比和低碳磷比生活污水的典型應(yīng)用案例。（來源：廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）