邢婭 任鋒 杭世珺
(北京市市政工程設計研究總院)

1　前言

　　為配合北京市關于污水處理后作為水資源再利用戰略方針的實施，高碑店污水處理廠一期工程進一步實施工藝技術改造，控制氮、磷的排放指標，使之適應于目前高碑店湖及第一熱電廠冷卻水使用要求。其工藝技術改造工程可分兩步。第一步滿足或優于高碑店湖目前湖水水質。第二步是隨著北京市工農業的發展及沿河污水排放控制的實施，高碑店湖水質將逐年好轉，直至達到國家四類水體水質標準，屆時高碑店污水處理廠實行第二步改造，使之滿足排入高碑店湖水四類水質的要求。

2　高碑店污水處理廠現況

　　高碑店污水處理廠是目前我國最大的污水處理廠，一期工程已于1993年10月24日竣工投產，一期工程處理能力50萬噸/日。二期工程投產運轉后，處理能力達100萬噸/日。高碑店污水處理廠污水系統流域面積96平方公里，服務人口240萬人，匯集北京市城區的大部分生活污水、東郊工業區、使館區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置缺氧段，其目的是改善污泥性質，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、二期工程的二級出水直接排入通惠河下游，除約5500萬噸/年用于農業灌溉外，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，作為北京第一熱電廠、東郊工業區的循環冷卻水水源及其它市政雜用水，因此對高碑店污水處理廠的二級出水水質提出了更高的要求(二期工程的出水部分已作為華能熱電廠冷卻水補充水的水源)。

3　改造規模及處理程度

3.1改造規模
　　改造規模為50萬噸/日，即對高碑店污水處理廠一期工程(50萬噸/日)進行改造。
3.2處理程度
　　本改造工程的出水水質目標分兩步進行。
　　第一步：改造后，使高碑店污水處理廠二級處理出水水質優于目前第一熱電廠冷卻水取水水源－高碑店湖湖水水質。根據排水公司提供數據，其水質對比如下表。
　　第二步：隨著北京市污水管網的完善及沿河污水排放控制的實施，高碑店湖湖水水質將逐年好轉，直至達到國家四類水體的水質標準。屆時，將對高碑店污水處理廠出水進行進一步工藝改造，使50萬噸/日的出水滿足高碑店湖四類水體的水質標準。
　　本改造工程只進行第一步改造。

地點 項目 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 現況高碑店污水廠總進水 129 319 6.5 30.7 現況高碑店污水廠二級處理出水 11 47.2 4.5 27.2 改造后高碑店污水廠二級出水要求 10 40 1.5～1.0* 10 四類水體水質 6 30 0.2 TKN 2 注：* 如果進水磷濃度在5毫克/升左右，出水亦可達到1毫克/升左右

　　從上面水質對比表可以看出，現況高碑店污水處理廠二級出水水質與高碑店湖水質的主要差別是總磷，氨氮不是主要問題 (上表中二級出水氨氮27.2毫克/升，因運行鼓風量不夠，溶解氧較低，未達到硝化程度所致)，只要加大曝氣量，現有曝氣池的處理能力可達到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，吸取了國內外先進的除磷技術，并咨詢了美國加州大學伯克立分校的David Jenkins教授，最后確定了如下工藝改造方案。
4.1污水處理系統生物法除磷改造方案
　　一般來說，生物除磷只能去除60%～80%，對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。要保證較高的穩定的除磷效果，又盡量降低運行成本，只有采用生物除磷與化學除磷相結合的方法。化學除磷是起輔助和把關作用。全部污水量化學法除磷，運行費較高，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
　　污水生物除磷技術的發展起源于生物超量除磷現象的發現。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象，即微生物吸收的磷量超過微生物正常生長所需要的磷量，通過污水生物處理系統的設計改進或運行方式的改變，使細胞含磷量相當高的細菌群體能在處理系統的基質競爭中取得優勢。在污水生物除磷工藝流程中都包含厭氧段和好氧段，使進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過厭氧和好氧區。其原理是在厭氧區中，污泥中的細菌將儲藏在細胞內的聚磷酸鹽進行水解，釋放出正磷酸鹽和能量,這時厭氧區內污水的BOD5值降低,而磷含量升高。而在好氧區內除磷菌又利用有機物氧化的能量，大量吸收混合液中的磷，以聚磷酸鹽的形式儲藏于體內，水中的磷又轉移到污泥中，通過排除剩余污泥達到除磷的目的。同時在好氧區中有足夠的停留時間，使有機物進一步被氧化降解，氨氮在硝化細菌的作用下大部分轉化為硝酸鹽氮，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內，在缺氧區內首先將硝酸鹽氮去除后再進入厭氧區進行磷的釋放，同時可提供氧,因此既達到部分脫氮的目的。進而達到排放標準，保護接納水體，節省能耗。
　　本改造工程工藝方案的特點是：設置缺氧區、厭氧區和好氧區，濃縮酸化池(利用原濃縮池)上清液進入處理區，10%來水進入缺氧區，90%來水進入厭氧區。
　　由于污水中碳、氮、磷比普遍較低，為了避免厭氧區中污泥濃度降低、增加營養物質，以及避免回流硝酸鹽對生物除磷的不利影響，在厭氧區之前設缺氧區，10%原水進入缺氧區，90%原水進入厭氧區，初沉污泥經濃縮酸化池后，上清液排入進水泵房，與原水一同進入曝氣池。活性污泥利用約10%進水中的有機物、由濃縮酸化池而來的易降解的BOD5去除回流污泥中的硝態氮的氧，消除了硝態氮對后續厭氧區的不利影響，從而保證厭氧區的穩定物除磷效果。
　　原曝氣池1/12為厭氧區，其余為好氧。改造后將原池2/9改為缺氧區及厭氧區。其中缺氧區為30分鐘(按100%污泥回流量的實際停留時間計),長度為17米。厭氧區為45分鐘(按100%污泥回流量的實際停留時間計。不計污泥回流的名義停留時間為1.5小時)，長度為47米。其中在厭氧區進水端分出一實際停留時間為15分鐘(按100%污泥回流計)的強化吸附區，長度為15米。其余仍為好氧區(名義停留時間為7.25小時)。見下圖(單位為毫米)：

4.2 污泥處理系統改造方案
4.2.1 剩余污泥進行機械濃縮
　　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，污泥系統要進行改造。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，其混合污泥再進污泥濃縮池，濃縮后，消化、脫水。因濃縮池停留時間過長，處于厭氧狀態，磷又被釋放出來，回到污水處理系統中，達不到除磷目的。所以，必須對原污泥系統進行改造。
　　該方案是將剩余污泥與初沉污泥分別處理，初沉污泥仍進現有濃縮池，并將濃縮池改造，使之做為濃縮酸化池，將其產生的易生物降解的BOD投加到曝氣池，增加碳源，有利于磷的去除和反硝化的進行。剩余污泥則單獨進行機械濃縮。由于濃縮時間短，此時磷不會從污泥中釋放出來，而達到除磷目的，這就需要另建一座污泥濃縮機房。
4.2.2 消化池上清液、脫水機濾液處理方案
　　剩余污泥(含水率約99.5%)采用機械濃縮，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，并達到污泥穩定和資源化目的，故將機械濃縮后剩余污泥與經過濃縮池重力濃縮的初沉污泥一起送入消化池及脫水機房消化和脫水。由于厭氧狀態下，污泥中的磷還會釋放出來，必須采取相應的處理措施。該污泥經過消化、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。再加上脫水機濾帶沖洗水量，總計大約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，將會增加進水中磷的濃度，達不到預期除磷效果。為此決定將消化池上清液、脫水機濾液進行化學法除磷。通過鐵鹽和石灰法比較后，采用石灰法。
　　石灰法化學除磷所需石灰量與磷的含量關系不大，而只與污水的堿度有關，因為羥基磷灰石的溶解度隨PH的增加而迅速降低。所以，隨PH的增加而促進磷酸鹽的去除。PH>9.5時，全部磷酸鹽均能轉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，每天需投加石灰12噸左右。投加石灰的的主要設備有石灰貯存罐、石灰投料器、石灰消解器、石灰漿貯存池及攪拌設備、除塵設備，機械攪拌加速澄清池及攪拌設備，助沉劑貯存及投料設備，中和沉淀池及刮渣設備，石灰、石灰渣的輸送及運輸設備等。由于水中PH值>9.5，所以還必須再碳酸化。本工藝利用已有沼氣發電機排放的煙道氣中的二氧化碳進行中和。石灰法除磷效果較好，并能有效地同時去除COD及重金屬。但是由于石灰的腐蝕性很強，所以需加強對設備的管理、維修及維護。
　　除磷后富磷污泥經處置后可作為復合肥料，達到污泥再利用及資源化目的，除磷后出水水質良好亦可回用。
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濾液及沖洗水收集后采用石灰法化學除磷。

5　工程設計主要參數

5.1 曝氣池改造為倒置型A2/O工藝
　　（1）2/9改為缺氧區及厭氧區。缺氧區及厭氧區水力停留時間分別為30分鐘和90分鐘，總停留時間2小時。其中厭氧區進水端設置停留時間為15分鐘的強化吸附區，后續好氧區水力停留時間為7.25小時。
　　（2）增設水下推流器36臺。
　　（3）增設中隔墻36道。
　　（4）更換曝氣頭。
　　（5）10%原水入缺氧區，90%原水入厭氧區。
5.2 更換鼓風機
　　現有8臺鼓風機，只有2臺能正常工作。曝氣池需氧量按碳化、硝化計，需5臺鼓風機，(其中1臺備用)。所以，需增加風量為600立方米/分鐘、風壓為7000毫米水柱的離心鼓風機3臺。
5.3 剩余污泥機械濃縮方案設計
5.3.1 更換剩余污泥泵
　　（1）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，污泥量為1.3萬噸/日。
　　（2）現有6臺剩余污泥泵(在現況回流污泥泵房內)，因原設計為連續工作，為配合濃縮機房，改造為14小時工作制，不能滿足要求，須更換：故選用6臺潛水泵(4用2備)。流量為250立方米/小時，揚程為13米。
5.3.2 新建濃縮機房
　　（1）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%)。
　　（2）帶式污泥濃縮機，處理能力150立方米/小時，帶寬3米，7套(6用1備)，14小時工作制。包括污泥進泥泵、沖洗水泵、投藥裝置、現場控制柜等配套設備。
　　（3）濃縮機房：平面尺寸為長50米、寬20米，一座。
　　（4）濃縮機投藥量：按2‰計，每日投藥量約為0.13噸。
　　（5）污泥貯泥池：長15米、寬8米、池深3.5米，內設水下攪拌機，2臺。
　　（6）濃縮后向消化池污泥投泥泵：流量為15立方米/小時，揚程為40米，6臺(3用3備)。
　　（7）改造部分剩余污泥管線。
5.3.3 濃縮酸化池設計
　　利用現有4座濃縮池改造為濃縮酸化池。并相應改造管線與配套設備。將原一一對應的進出泥管線使之互相調配，增加靈活性，增設互相連通管及閥門，便于運行控制。
5.3.4 石灰法處理污液
　　（1）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。
　　除塵設備：1套。

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

6　建議

　　（1）根據實測，除高碑店污水處理廠進水總磷濃度較高外，北京其它污水處理廠進水總磷濃度一般為4～5毫克/升左右，所以應對排入本污水處理廠的排磷大戶進行控制，并加大力度推廣使用無磷洗衣粉。經采取有效措施后，污水處理廠進水總磷濃度將會大大降低。如果進水總磷濃度在5毫克/升以下，僅采用生物除磷工藝就基本可達到預期處理效果，節省化學除磷運行費過高的問題。
　　（2）高碑店污水處理廠，是全國最大的一座現代化城市污水處理廠，污泥出路尚不落實。污水處理后的的城市污泥具有豐富的有機質和氮、磷、鉀及多種植物需要的營養素，在滿足農用污泥標準前提下，應重點開發污泥快速固化、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

　　1.城市污水高級處理 Russell L.Culp Gordon L.Culp 俞浩鳴譯 1975
　　2.污水除磷脫氮技術 鄭興燦 李亞新 編著 1998
　　3.污水除磷脫氮技術研究與實踐 中國土木工程學會水工業分會排水委員會 2000
　　4.Phosphorus and Nitrogen Removal From Municipal Wastewater Richard I. Sedlak 1991