高碑店污水处理厂一期工程出水水质改造工程工艺设计

邢娅 任锋 杭世珺
(北京市市政工程设计研究总院)

1　前言

　　为配合北京市关于污水处理后作为水资源再利用战略方针的实施，高碑店污水处理厂一期工程进一步实施工艺技术改造，控制氮、磷的排放指标，使之适应于目前高碑店湖及第一热电厂冷却水使用要求。其工艺技术改造工程可分两步。第一步满足或优于高碑店湖目前湖水水质。第二步是随着北京市工农业的发展及沿河污水排放控制的实施，高碑店湖水质将逐年好转，直至达到国家四类水体水质标准，届时高碑店污水处理厂实行第二步改造，使之满足排入高碑店湖水四类水质的要求。

2　高碑店污水处理厂现况

　　高碑店污水处理厂是目前我国最大的污水处理厂，一期工程已于1993年10月24日竣工投产，一期工程处理能力50万吨/日。二期工程投产运转后，处理能力达100万吨/日。高碑店污水处理厂污水系统流域面积96平方公里，服务人口240万人，汇集北京市城区的大部分生活污水、东郊工业区、使馆区和化工路的全部污水。
　　该污水处理厂采用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前端设置缺氧段，其目的是改善污泥性质，防止污泥膨胀。污水处理工艺流程如下图所示：

　　目前高碑店污水处理厂一、二期工程的二级出水直接排入通惠河下游，除约5500万吨/年用于农业灌溉外，剩余的每年超过2亿吨处理出水还没有得到利用。但随着污水资源化工程的实施，一期工程47万吨/日的处理出水将通过"水资源化再利用工程"的泵站输送至高碑店湖及再利用管网，作为北京第一热电厂、东郊工业区的循环冷却水水源及其它市政杂用水，因此对高碑店污水处理厂的二级出水水质提出了更高的要求(二期工程的出水部分已作为华能热电厂冷却水补充水的水源)。

3　改造规模及处理程度

3.1改造规模
　　改造规模为50万吨/日，即对高碑店污水处理厂一期工程(50万吨/日)进行改造。
3.2处理程度
　　本改造工程的出水水质目标分两步进行。
　　第一步：改造后，使高碑店污水处理厂二级处理出水水质优于目前第一热电厂冷却水取水水源－高碑店湖湖水水质。根据排水公司提供数据，其水质对比如下表。
　　第二步：随着北京市污水管网的完善及沿河污水排放控制的实施，高碑店湖湖水水质将逐年好转，直至达到国家四类水体的水质标准。届时，将对高碑店污水处理厂出水进行进一步工艺改造，使50万吨/日的出水满足高碑店湖四类水体的水质标准。
　　本改造工程只进行第一步改造。

地点 项目 BOD(mg/l) COD(mg/l) 总磷(mg/l) 氨氮(mg/l) 高碑店湖 12.1 46.6 1.3 11.7 现况高碑店污水厂总进水 129 319 6.5 30.7 现况高碑店污水厂二级处理出水 11 47.2 4.5 27.2 改造后高碑店污水厂二级出水要求 10 40 1.5～1.0* 10 四类水体水质 6 30 0.2 TKN 2 注：* 如果进水磷浓度在5毫克/升左右，出水亦可达到1毫克/升左右

　　从上面水质对比表可以看出，现况高碑店污水处理厂二级出水水质与高碑店湖水质的主要差别是总磷，氨氮不是主要问题 (上表中二级出水氨氮27.2毫克/升，因运行鼓风量不够，溶解氧较低，未达到硝化程度所致)，只要加大曝气量，现有曝气池的处理能力可达到70%左右硝化程度，出水氨氮满足要求。

4　工艺方案

　　在确定本工艺方案过程中，吸取了国内外先进的除磷技术，并咨询了美国加州大学伯克立分校的David Jenkins教授，最后确定了如下工艺改造方案。
4.1污水处理系统生物法除磷改造方案
　　一般来说，生物除磷只能去除60%～80%，对于高碑店污水处理厂只靠生物法使磷降至1毫克/升比较困难。要保证较高的稳定的除磷效果，又尽量降低运行成本，只有采用生物除磷与化学除磷相结合的方法。化学除磷是起辅助和把关作用。全部污水量化学法除磷，运行费较高，所以本工程暂只考虑生物法除磷。
4.1.1 将曝气池改造为倒置型A2/O工艺
　　污水生物除磷技术的发展起源于生物超量除磷现象的发现。污水生物除磷就是利用活性污泥中聚磷菌的超量磷吸收现象，即微生物吸收的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量，通过污水生物处理系统的设计改进或运行方式的改变，使细胞含磷量相当高的细菌群体能在处理系统的基质竞争中取得优势。在污水生物除磷工艺流程中都包含厌氧段和好氧段，使进入剩余污泥的含磷量增大，处理出水的磷浓度明显降低。
　　最基本的生物除磷工艺为厌氧－好氧活性污泥法(A/O法),这种工艺是使污水和活性污泥混合后依次经过厌氧和好氧区。其原理是在厌氧区中，污泥中的细菌将储藏在细胞内的聚磷酸盐进行水解，释放出正磷酸盐和能量,这时厌氧区内污水的BOD5值降低,而磷含量升高。而在好氧区内除磷菌又利用有机物氧化的能量，大量吸收混合液中的磷，以聚磷酸盐的形式储藏于体内，水中的磷又转移到污泥中，通过排除剩余污泥达到除磷的目的。同时在好氧区中有足够的停留时间，使有机物进一步被氧化降解，氨氮在硝化细菌的作用下大部分转化为硝酸盐氮，一部分硝酸盐氮随处理后的出水流入水体，另一部分硝酸盐氮通过污泥回流带到缺氧区内，在缺氧区内首先将硝酸盐氮去除后再进入厌氧区进行磷的释放，同时可提供氧,因此既达到部分脱氮的目的。进而达到排放标准，保护接纳水体，节省能耗。
　　本改造工程工艺方案的特点是：设置缺氧区、厌氧区和好氧区，浓缩酸化池(利用原浓缩池)上清液进入处理区，10%来水进入缺氧区，90%来水进入厌氧区。
　　由于污水中碳、氮、磷比普遍较低，为了避免厌氧区中污泥浓度降低、增加营养物质，以及避免回流硝酸盐对生物除磷的不利影响，在厌氧区之前设缺氧区，10%原水进入缺氧区，90%原水进入厌氧区，初沉污泥经浓缩酸化池后，上清液排入进水泵房，与原水一同进入曝气池。活性污泥利用约10%进水中的有机物、由浓缩酸化池而来的易降解的BOD5去除回流污泥中的硝态氮的氧，消除了硝态氮对后续厌氧区的不利影响，从而保证厌氧区的稳定物除磷效果。
　　原曝气池1/12为厌氧区，其余为好氧。改造后将原池2/9改为缺氧区及厌氧区。其中缺氧区为30分钟(按100%污泥回流量的实际停留时间计),长度为17米。厌氧区为45分钟(按100%污泥回流量的实际停留时间计。不计污泥回流的名义停留时间为1.5小时)，长度为47米。其中在厌氧区进水端分出一实际停留时间为15分钟(按100%污泥回流计)的强化吸附区，长度为15米。其余仍为好氧区(名义停留时间为7.25小时)。见下图(单位为毫米)：

4.2 污泥处理系统改造方案
4.2.1 剩余污泥进行机械浓缩
　　在污水生物除磷工艺中，为防止使吸附在剩余污泥中的磷通过污泥处理上清液重新返回到污水中去，污泥系统要进行改造。原流程为剩余污泥泵将剩余污泥提升至初沉池，与初沉污泥共沉，其混合污泥再进污泥浓缩池，浓缩后，消化、脱水。因浓缩池停留时间过长，处于厌氧状态，磷又被释放出来，回到污水处理系统中，达不到除磷目的。所以，必须对原污泥系统进行改造。
　　该方案是将剩余污泥与初沉污泥分别处理，初沉污泥仍进现有浓缩池，并将浓缩池改造，使之做为浓缩酸化池，将其产生的易生物降解的BOD投加到曝气池，增加碳源，有利于磷的去除和反硝化的进行。剩余污泥则单独进行机械浓缩。由于浓缩时间短，此时磷不会从污泥中释放出来，而达到除磷目的，这就需要另建一座污泥浓缩机房。
4.2.2 消化池上清液、脱水机滤液处理方案
　　剩余污泥(含水率约99.5%)采用机械浓缩，污泥体积均约为1000吨/日（含水率约94%）。为充分利用原有消化池，并达到污泥稳定和资源化目的，故将机械浓缩后剩余污泥与经过浓缩池重力浓缩的初沉污泥一起送入消化池及脱水机房消化和脱水。由于厌氧状态下，污泥中的磷还会释放出来，必须采取相应的处理措施。该污泥经过消化、脱水后，大约有800吨/日的污水排出。如果包括初沉池污泥进入消化池消化、脱水后排出的污水约为1800吨/日。再加上脱水机滤带冲洗水量，总计大约3000吨/日的含磷污液排出。该部分含磷废水如再返回污水处理系统，将会增加进水中磷的浓度，达不到预期除磷效果。为此决定将消化池上清液、脱水机滤液进行化学法除磷。通过铁盐和石灰法比较后，采用石灰法。
　　石灰法化学除磷所需石灰量与磷的含量关系不大，而只与污水的碱度有关，因为羟基磷灰石的溶解度随PH的增加而迅速降低。所以，随PH的增加而促进磷酸盐的去除。PH>9.5时，全部磷酸盐均能转化为非溶解性磷酸盐。
　　初步按投加4000毫克/升的生石灰(Ca(OH)2)计，每天需投加石灰12吨左右。投加石灰的的主要设备有石灰贮存罐、石灰投料器、石灰消解器、石灰浆贮存池及搅拌设备、除尘设备，机械搅拌加速澄清池及搅拌设备，助沉剂贮存及投料设备，中和沉淀池及刮渣设备，石灰、石灰渣的输送及运输设备等。由于水中PH值>9.5，所以还必须再碳酸化。本工艺利用已有沼气发电机排放的烟道气中的二氧化碳进行中和。石灰法除磷效果较好，并能有效地同时去除COD及重金属。但是由于石灰的腐蚀性很强，所以需加强对设备的管理、维修及维护。
　　除磷后富磷污泥经处置后可作为复合肥料，达到污泥再利用及资源化目的，除磷后出水水质良好亦可回用。
4.3 改造工程工艺方案
　　综上所述，改造生物除磷工艺方案：曝气池将原池改造为倒置型A2/O工艺。污泥工艺增加剩余污泥机械浓缩；原有浓缩池改为浓缩酸化池；浓缩酸化池上清液做返回曝气池；消化池上清液和脱水机滤液及冲洗水收集后采用石灰法化学除磷。

5　工程设计主要参数

5.1 曝气池改造为倒置型A2/O工艺
　　（1）2/9改为缺氧区及厌氧区。缺氧区及厌氧区水力停留时间分别为30分钟和90分钟，总停留时间2小时。其中厌氧区进水端设置停留时间为15分钟的强化吸附区，后续好氧区水力停留时间为7.25小时。
　　（2）增设水下推流器36台。
　　（3）增设中隔墙36道。
　　（4）更换曝气头。
　　（5）10%原水入缺氧区，90%原水入厌氧区。
5.2 更换鼓风机
　　现有8台鼓风机，只有2台能正常工作。曝气池需氧量按碳化、硝化计，需5台鼓风机，(其中1台备用)。所以，需增加风量为600立方米/分钟、风压为7000毫米水柱的离心鼓风机3台。
5.3 剩余污泥机械浓缩方案设计
5.3.1 更换剩余污泥泵
　　（1）剩余污泥量：干泥量为64.8吨/日，污泥浓度5克/升，折合为含水率为99.5%时，污泥量为1.3万吨/日。
　　（2）现有6台剩余污泥泵(在现况回流污泥泵房内)，因原设计为连续工作，为配合浓缩机房，改造为14小时工作制，不能满足要求，须更换：故选用6台潜水泵(4用2备)。流量为250立方米/小时，扬程为13米。
5.3.2 新建浓缩机房
　　（1）剩余污泥量：干泥量为64.8吨/日，污泥量为1.3万吨/日(含水率99.5%)。
　　（2）带式污泥浓缩机，处理能力150立方米/小时，带宽3米，7套(6用1备)，14小时工作制。包括污泥进泥泵、冲洗水泵、投药装置、现场控制柜等配套设备。
　　（3）浓缩机房：平面尺寸为长50米、宽20米，一座。
　　（4）浓缩机投药量：按2‰计，每日投药量约为0.13吨。
　　（5）污泥贮泥池：长15米、宽8米、池深3.5米，内设水下搅拌机，2台。
　　（6）浓缩后向消化池污泥投泥泵：流量为15立方米/小时，扬程为40米，6台(3用3备)。
　　（7）改造部分剩余污泥管线。
5.3.3 浓缩酸化池设计
　　利用现有4座浓缩池改造为浓缩酸化池。并相应改造管线与配套设备。将原一一对应的进出泥管线使之互相调配，增加灵活性，增设互相连通管及阀门，便于运行控制。
5.3.4 石灰法处理污液
　　（1）石灰处理工艺流程
　　（2）石灰贮存罐
　　石灰投加量：12吨/日。
　　石灰贮存罐：直径2.5米，高度2.3米，2套。
　　除尘设备：1套。

　　石灰处理站：平面尺寸长30米、宽15米，1座。
　　（3）石灰投料计量器
　　投加量12吨/日，2套。
　　（4）石灰消解器
　　直径0.7米，高度1.3米，2套。
　　（5）石灰浆隔膜计量泵
　　流量500升/小时，扬程0.3兆帕，2台(1用1备)。
　　（6）机械搅拌加速澄清池
　　设计流量60立方米/小时·座，直径6.2米，池深5.15米，4座，采用搅拌机械。
　　（7）中和沉淀池
　　型式：平流式。
　　设计流量：3000立方米/日。
　　停留时间：2小时。
　　平面尺寸：长12.3米、宽5.1米、池深5.5米，一座。
　　刮泥机：1台。
　　利用沼气发电机烟道废气中二氧化碳中和，选用气体压缩机，流量400立方米/小时，压力0.1兆帕，2台(1用1备)。

6　建议

　　（1）根据实测，除高碑店污水处理厂进水总磷浓度较高外，北京其它污水处理厂进水总磷浓度一般为4～5毫克/升左右，所以应对排入本污水处理厂的排磷大户进行控制，并加大力度推广使用无磷洗衣粉。经采取有效措施后，污水处理厂进水总磷浓度将会大大降低。如果进水总磷浓度在5毫克/升以下，仅采用生物除磷工艺就基本可达到预期处理效果，节省化学除磷运行费过高的问题。
　　（2）高碑店污水处理厂，是全国最大的一座现代化城市污水处理厂，污泥出路尚不落实。污水处理后的的城市污泥具有丰富的有机质和氮、磷、钾及多种植物需要的营养素，在满足农用污泥标准前提下，应重点开发污泥快速固化、高压造粒制取颗粒肥料，彻底解决污泥无害化的问题，使其变废为宝、得到妥善处置。

参考文献

　　1.城市污水高级处理 Russell L.Culp Gordon L.Culp 俞浩鸣译 1975
　　2.污水除磷脱氮技术 郑兴灿 李亚新 编著 1998
　　3.污水除磷脱氮技术研究与实践 中国土木工程学会水工业分会排水委员会 2000
　　4.Phosphorus and Nitrogen Removal From Municipal Wastewater Richard I. Sedlak 1991