邢婭 任鋒 杭世珺
(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院)

1　前言

　　為配合北京市關(guān)于污水處理后作為水資源再利用戰(zhàn)略方針的實(shí)施，高碑店污水處理廠一期工程進(jìn)一步實(shí)施工藝技術(shù)改造，控制氮、磷的排放指標(biāo)，使之適應(yīng)于目前高碑店湖及第一熱電廠冷卻水使用要求。其工藝技術(shù)改造工程可分兩步。第一步滿足或優(yōu)于高碑店湖目前湖水水質(zhì)。第二步是隨著北京市工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及沿河污水排放控制的實(shí)施，高碑店湖水質(zhì)將逐年好轉(zhuǎn)，直至達(dá)到國(guó)家四類水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屆時(shí)高碑店污水處理廠實(shí)行第二步改造，使之滿足排入高碑店湖水四類水質(zhì)的要求。

2　高碑店污水處理廠現(xiàn)況

　　高碑店污水處理廠是目前我國(guó)最大的污水處理廠，一期工程已于1993年10月24日竣工投產(chǎn)，一期工程處理能力50萬噸/日。二期工程投產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，處理能力達(dá)100萬噸/日。高碑店污水處理廠污水系統(tǒng)流域面積96平方公里，服務(wù)人口240萬人，匯集北京市城區(qū)的大部分生活污水、東郊工業(yè)區(qū)、使館區(qū)和化工路的全部污水。
　　該污水處理廠采用前置缺氧段活性污泥法工藝，即在推流式曝氣池前端設(shè)置缺氧段，其目的是改善污泥性質(zhì)，防止污泥膨脹。污水處理工藝流程如下圖所示：

　　目前高碑店污水處理廠一、二期工程的二級(jí)出水直接排入通惠河下游，除約5500萬噸/年用于農(nóng)業(yè)灌溉外，剩余的每年超過2億噸處理出水還沒有得到利用。但隨著污水資源化工程的實(shí)施，一期工程47萬噸/日的處理出水將通過"水資源化再利用工程"的泵站輸送至高碑店湖及再利用管網(wǎng)，作為北京第一熱電廠、東郊工業(yè)區(qū)的循環(huán)冷卻水水源及其它市政雜用水，因此對(duì)高碑店污水處理廠的二級(jí)出水水質(zhì)提出了更高的要求(二期工程的出水部分已作為華能熱電廠冷卻水補(bǔ)充水的水源)。

3　改造規(guī)模及處理程度

3.1改造規(guī)模
　　改造規(guī)模為50萬噸/日，即對(duì)高碑店污水處理廠一期工程(50萬噸/日)進(jìn)行改造。
3.2處理程度
　　本改造工程的出水水質(zhì)目標(biāo)分兩步進(jìn)行。
　　第一步：改造后，使高碑店污水處理廠二級(jí)處理出水水質(zhì)優(yōu)于目前第一熱電廠冷卻水取水水源－高碑店湖湖水水質(zhì)。根據(jù)排水公司提供數(shù)據(jù)，其水質(zhì)對(duì)比如下表。
　　第二步：隨著北京市污水管網(wǎng)的完善及沿河污水排放控制的實(shí)施，高碑店湖湖水水質(zhì)將逐年好轉(zhuǎn)，直至達(dá)到國(guó)家四類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。屆時(shí)，將對(duì)高碑店污水處理廠出水進(jìn)行進(jìn)一步工藝改造，使50萬噸/日的出水滿足高碑店湖四類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　本改造工程只進(jìn)行第一步改造。

地點(diǎn) 項(xiàng)目 BOD(mg/l) COD(mg/l) 總磷(mg/l) 氨氮(mg/l) 高碑店湖 12.1 46.6 1.3 11.7 現(xiàn)況高碑店污水廠總進(jìn)水 129 319 6.5 30.7 現(xiàn)況高碑店污水廠二級(jí)處理出水 11 47.2 4.5 27.2 改造后高碑店污水廠二級(jí)出水要求 10 40 1.5～1.0* 10 四類水體水質(zhì) 6 30 0.2 TKN 2 注：* 如果進(jìn)水磷濃度在5毫克/升左右，出水亦可達(dá)到1毫克/升左右

　　從上面水質(zhì)對(duì)比表可以看出，現(xiàn)況高碑店污水處理廠二級(jí)出水水質(zhì)與高碑店湖水質(zhì)的主要差別是總磷，氨氮不是主要問題 (上表中二級(jí)出水氨氮27.2毫克/升，因運(yùn)行鼓風(fēng)量不夠，溶解氧較低，未達(dá)到硝化程度所致)，只要加大曝氣量，現(xiàn)有曝氣池的處理能力可達(dá)到70%左右硝化程度，出水氨氮滿足要求。

4　工藝方案

　　在確定本工藝方案過程中，吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的除磷技術(shù)，并咨詢了美國(guó)加州大學(xué)伯克立分校的David Jenkins教授，最后確定了如下工藝改造方案。
4.1污水處理系統(tǒng)生物法除磷改造方案
　　一般來說，生物除磷只能去除60%～80%，對(duì)于高碑店污水處理廠只靠生物法使磷降至1毫克/升比較困難。要保證較高的穩(wěn)定的除磷效果，又盡量降低運(yùn)行成本，只有采用生物除磷與化學(xué)除磷相結(jié)合的方法。化學(xué)除磷是起輔助和把關(guān)作用。全部污水量化學(xué)法除磷，運(yùn)行費(fèi)較高，所以本工程暫只考慮生物法除磷。
4.1.1 將曝氣池改造為倒置型A2/O工藝
　　污水生物除磷技術(shù)的發(fā)展起源于生物超量除磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。污水生物除磷就是利用活性污泥中聚磷菌的超量磷吸收現(xiàn)象，即微生物吸收的磷量超過微生物正常生長(zhǎng)所需要的磷量，通過污水生物處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)或運(yùn)行方式的改變，使細(xì)胞含磷量相當(dāng)高的細(xì)菌群體能在處理系統(tǒng)的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。在污水生物除磷工藝流程中都包含厭氧段和好氧段，使進(jìn)入剩余污泥的含磷量增大，處理出水的磷濃度明顯降低。
　　最基本的生物除磷工藝為厭氧－好氧活性污泥法(A/O法),這種工藝是使污水和活性污泥混合后依次經(jīng)過厭氧和好氧區(qū)。其原理是在厭氧區(qū)中，污泥中的細(xì)菌將儲(chǔ)藏在細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽進(jìn)行水解，釋放出正磷酸鹽和能量,這時(shí)厭氧區(qū)內(nèi)污水的BOD5值降低,而磷含量升高。而在好氧區(qū)內(nèi)除磷菌又利用有機(jī)物氧化的能量，大量吸收混合液中的磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)藏于體內(nèi)，水中的磷又轉(zhuǎn)移到污泥中，通過排除剩余污泥達(dá)到除磷的目的。同時(shí)在好氧區(qū)中有足夠的停留時(shí)間，使有機(jī)物進(jìn)一步被氧化降解，氨氮在硝化細(xì)菌的作用下大部分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，一部分硝酸鹽氮隨處理后的出水流入水體，另一部分硝酸鹽氮通過污泥回流帶到缺氧區(qū)內(nèi)，在缺氧區(qū)內(nèi)首先將硝酸鹽氮去除后再進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)進(jìn)行磷的釋放，同時(shí)可提供氧,因此既達(dá)到部分脫氮的目的。進(jìn)而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)接納水體，節(jié)省能耗。
　　本改造工程工藝方案的特點(diǎn)是：設(shè)置缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)，濃縮酸化池(利用原濃縮池)上清液進(jìn)入處理區(qū)，10%來水進(jìn)入缺氧區(qū)，90%來水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)。
　　由于污水中碳、氮、磷比普遍較低，為了避免厭氧區(qū)中污泥濃度降低、增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及避免回流硝酸鹽對(duì)生物除磷的不利影響，在厭氧區(qū)之前設(shè)缺氧區(qū)，10%原水進(jìn)入缺氧區(qū)，90%原水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，初沉污泥經(jīng)濃縮酸化池后，上清液排入進(jìn)水泵房，與原水一同進(jìn)入曝氣池。活性污泥利用約10%進(jìn)水中的有機(jī)物、由濃縮酸化池而來的易降解的BOD5去除回流污泥中的硝態(tài)氮的氧，消除了硝態(tài)氮對(duì)后續(xù)厭氧區(qū)的不利影響，從而保證厭氧區(qū)的穩(wěn)定物除磷效果。
　　原曝氣池1/12為厭氧區(qū)，其余為好氧。改造后將原池2/9改為缺氧區(qū)及厭氧區(qū)。其中缺氧區(qū)為30分鐘(按100%污泥回流量的實(shí)際停留時(shí)間計(jì)),長(zhǎng)度為17米。厭氧區(qū)為45分鐘(按100%污泥回流量的實(shí)際停留時(shí)間計(jì)。不計(jì)污泥回流的名義停留時(shí)間為1.5小時(shí))，長(zhǎng)度為47米。其中在厭氧區(qū)進(jìn)水端分出一實(shí)際停留時(shí)間為15分鐘(按100%污泥回流計(jì))的強(qiáng)化吸附區(qū)，長(zhǎng)度為15米。其余仍為好氧區(qū)(名義停留時(shí)間為7.25小時(shí))。見下圖(單位為毫米)：

4.2 污泥處理系統(tǒng)改造方案
4.2.1 剩余污泥進(jìn)行機(jī)械濃縮
　　在污水生物除磷工藝中，為防止使吸附在剩余污泥中的磷通過污泥處理上清液重新返回到污水中去，污泥系統(tǒng)要進(jìn)行改造。原流程為剩余污泥泵將剩余污泥提升至初沉池，與初沉污泥共沉，其混合污泥再進(jìn)污泥濃縮池，濃縮后，消化、脫水。因濃縮池停留時(shí)間過長(zhǎng)，處于厭氧狀態(tài)，磷又被釋放出來，回到污水處理系統(tǒng)中，達(dá)不到除磷目的。所以，必須對(duì)原污泥系統(tǒng)進(jìn)行改造。
　　該方案是將剩余污泥與初沉污泥分別處理，初沉污泥仍進(jìn)現(xiàn)有濃縮池，并將濃縮池改造，使之做為濃縮酸化池，將其產(chǎn)生的易生物降解的BOD投加到曝氣池，增加碳源，有利于磷的去除和反硝化的進(jìn)行。剩余污泥則單獨(dú)進(jìn)行機(jī)械濃縮。由于濃縮時(shí)間短，此時(shí)磷不會(huì)從污泥中釋放出來，而達(dá)到除磷目的，這就需要另建一座污泥濃縮機(jī)房。
4.2.2 消化池上清液、脫水機(jī)濾液處理方案
　　剩余污泥(含水率約99.5%)采用機(jī)械濃縮，污泥體積均約為1000噸/日（含水率約94%）。為充分利用原有消化池，并達(dá)到污泥穩(wěn)定和資源化目的，故將機(jī)械濃縮后剩余污泥與經(jīng)過濃縮池重力濃縮的初沉污泥一起送入消化池及脫水機(jī)房消化和脫水。由于厭氧狀態(tài)下，污泥中的磷還會(huì)釋放出來，必須采取相應(yīng)的處理措施。該污泥經(jīng)過消化、脫水后，大約有800噸/日的污水排出。如果包括初沉池污泥進(jìn)入消化池消化、脫水后排出的污水約為1800噸/日。再加上脫水機(jī)濾帶沖洗水量，總計(jì)大約3000噸/日的含磷污液排出。該部分含磷廢水如再返回污水處理系統(tǒng)，將會(huì)增加進(jìn)水中磷的濃度，達(dá)不到預(yù)期除磷效果。為此決定將消化池上清液、脫水機(jī)濾液進(jìn)行化學(xué)法除磷。通過鐵鹽和石灰法比較后，采用石灰法。
　　石灰法化學(xué)除磷所需石灰量與磷的含量關(guān)系不大，而只與污水的堿度有關(guān)，因?yàn)榱u基磷灰石的溶解度隨PH的增加而迅速降低。所以，隨PH的增加而促進(jìn)磷酸鹽的去除。PH>9.5時(shí)，全部磷酸鹽均能轉(zhuǎn)化為非溶解性磷酸鹽。
　　初步按投加4000毫克/升的生石灰(Ca(OH)2)計(jì)，每天需投加石灰12噸左右。投加石灰的的主要設(shè)備有石灰貯存罐、石灰投料器、石灰消解器、石灰漿貯存池及攪拌設(shè)備、除塵設(shè)備，機(jī)械攪拌加速澄清池及攪拌設(shè)備，助沉劑貯存及投料設(shè)備，中和沉淀池及刮渣設(shè)備，石灰、石灰渣的輸送及運(yùn)輸設(shè)備等。由于水中PH值>9.5，所以還必須再碳酸化。本工藝?yán)靡延姓託獍l(fā)電機(jī)排放的煙道氣中的二氧化碳進(jìn)行中和。石灰法除磷效果較好，并能有效地同時(shí)去除COD及重金屬。但是由于石灰的腐蝕性很強(qiáng)，所以需加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理、維修及維護(hù)。
　　除磷后富磷污泥經(jīng)處置后可作為復(fù)合肥料，達(dá)到污泥再利用及資源化目的，除磷后出水水質(zhì)良好亦可回用。
4.3 改造工程工藝方案
　　綜上所述，改造生物除磷工藝方案：曝氣池將原池改造為倒置型A2/O工藝。污泥工藝增加剩余污泥機(jī)械濃縮；原有濃縮池改為濃縮酸化池；濃縮酸化池上清液做返回曝氣池；消化池上清液和脫水機(jī)濾液及沖洗水收集后采用石灰法化學(xué)除磷。

5　工程設(shè)計(jì)主要參數(shù)

5.1 曝氣池改造為倒置型A2/O工藝
　?。?）2/9改為缺氧區(qū)及厭氧區(qū)。缺氧區(qū)及厭氧區(qū)水力停留時(shí)間分別為30分鐘和90分鐘，總停留時(shí)間2小時(shí)。其中厭氧區(qū)進(jìn)水端設(shè)置停留時(shí)間為15分鐘的強(qiáng)化吸附區(qū)，后續(xù)好氧區(qū)水力停留時(shí)間為7.25小時(shí)。
　　（2）增設(shè)水下推流器36臺(tái)。
　?。?）增設(shè)中隔墻36道。
　?。?）更換曝氣頭。
　?。?）10%原水入缺氧區(qū)，90%原水入?yún)捬鯀^(qū)。
5.2 更換鼓風(fēng)機(jī)
　　現(xiàn)有8臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，只有2臺(tái)能正常工作。曝氣池需氧量按碳化、硝化計(jì)，需5臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，(其中1臺(tái)備用)。所以，需增加風(fēng)量為600立方米/分鐘、風(fēng)壓為7000毫米水柱的離心鼓風(fēng)機(jī)3臺(tái)。
5.3 剩余污泥機(jī)械濃縮方案設(shè)計(jì)
5.3.1 更換剩余污泥泵
　?。?）剩余污泥量：干泥量為64.8噸/日，污泥濃度5克/升，折合為含水率為99.5%時(shí)，污泥量為1.3萬噸/日。
　?。?）現(xiàn)有6臺(tái)剩余污泥泵(在現(xiàn)況回流污泥泵房?jī)?nèi))，因原設(shè)計(jì)為連續(xù)工作，為配合濃縮機(jī)房，改造為14小時(shí)工作制，不能滿足要求，須更換：故選用6臺(tái)潛水泵(4用2備)。流量為250立方米/小時(shí)，揚(yáng)程為13米。
5.3.2 新建濃縮機(jī)房
　?。?）剩余污泥量：干泥量為64.8噸/日，污泥量為1.3萬噸/日(含水率99.5%)。
　?。?）帶式污泥濃縮機(jī)，處理能力150立方米/小時(shí)，帶寬3米，7套(6用1備)，14小時(shí)工作制。包括污泥進(jìn)泥泵、沖洗水泵、投藥裝置、現(xiàn)場(chǎng)控制柜等配套設(shè)備。
　?。?）濃縮機(jī)房：平面尺寸為長(zhǎng)50米、寬20米，一座。
　　（4）濃縮機(jī)投藥量：按2‰計(jì)，每日投藥量約為0.13噸。
　　（5）污泥貯泥池：長(zhǎng)15米、寬8米、池深3.5米，內(nèi)設(shè)水下攪拌機(jī)，2臺(tái)。
　?。?）濃縮后向消化池污泥投泥泵：流量為15立方米/小時(shí)，揚(yáng)程為40米，6臺(tái)(3用3備)。
　?。?）改造部分剩余污泥管線。
5.3.3 濃縮酸化池設(shè)計(jì)
　　利用現(xiàn)有4座濃縮池改造為濃縮酸化池。并相應(yīng)改造管線與配套設(shè)備。將原一一對(duì)應(yīng)的進(jìn)出泥管線使之互相調(diào)配，增加靈活性，增設(shè)互相連通管及閥門，便于運(yùn)行控制。
5.3.4 石灰法處理污液
　?。?）石灰處理工藝流程
　　（2）石灰貯存罐
　　石灰投加量：12噸/日。
　　石灰貯存罐：直徑2.5米，高度2.3米，2套。
　　除塵設(shè)備：1套。

　　石灰處理站：平面尺寸長(zhǎng)30米、寬15米，1座。
　?。?）石灰投料計(jì)量器
　　投加量12噸/日，2套。
　?。?）石灰消解器
　　直徑0.7米，高度1.3米，2套。
　?。?）石灰漿隔膜計(jì)量泵
　　流量500升/小時(shí)，揚(yáng)程0.3兆帕，2臺(tái)(1用1備)。
　?。?）機(jī)械攪拌加速澄清池
　　設(shè)計(jì)流量60立方米/小時(shí)·座，直徑6.2米，池深5.15米，4座，采用攪拌機(jī)械。
　　（7）中和沉淀池
　　型式：平流式。
　　設(shè)計(jì)流量：3000立方米/日。
　　停留時(shí)間：2小時(shí)。
　　平面尺寸：長(zhǎng)12.3米、寬5.1米、池深5.5米，一座。
　　刮泥機(jī)：1臺(tái)。
　　利用沼氣發(fā)電機(jī)煙道廢氣中二氧化碳中和，選用氣體壓縮機(jī)，流量400立方米/小時(shí)，壓力0.1兆帕，2臺(tái)(1用1備)。

6　建議

　?。?）根據(jù)實(shí)測(cè)，除高碑店污水處理廠進(jìn)水總磷濃度較高外，北京其它污水處理廠進(jìn)水總磷濃度一般為4～5毫克/升左右，所以應(yīng)對(duì)排入本污水處理廠的排磷大戶進(jìn)行控制，并加大力度推廣使用無磷洗衣粉。經(jīng)采取有效措施后，污水處理廠進(jìn)水總磷濃度將會(huì)大大降低。如果進(jìn)水總磷濃度在5毫克/升以下，僅采用生物除磷工藝就基本可達(dá)到預(yù)期處理效果，節(jié)省化學(xué)除磷運(yùn)行費(fèi)過高的問題。
　　（2）高碑店污水處理廠，是全國(guó)最大的一座現(xiàn)代化城市污水處理廠，污泥出路尚不落實(shí)。污水處理后的的城市污泥具有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀及多種植物需要的營(yíng)養(yǎng)素，在滿足農(nóng)用污泥標(biāo)準(zhǔn)前提下，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)污泥快速固化、高壓造粒制取顆粒肥料，徹底解決污泥無害化的問題，使其變廢為寶、得到妥善處置。

參考文獻(xiàn)

　　1.城市污水高級(jí)處理 Russell L.Culp Gordon L.Culp 俞浩鳴譯 1975
　　2.污水除磷脫氮技術(shù) 鄭興燦 李亞新 編著 1998
　　3.污水除磷脫氮技術(shù)研究與實(shí)踐 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)排水委員會(huì) 2000
　　4.Phosphorus and Nitrogen Removal From Municipal Wastewater Richard I. Sedlak 1991