设计案例 | 乡镇污水厂提标改造工程中AAO/MBR工艺的设计要点
由图1可知：污水厂现状实际日均处理水量约为1.5×104 m3/d，已达到设计负荷；进厂水中污染物浓度的月均值均低于设计进水水质；在实际进水水质均低于设计值的情况下，污水厂出水水质中CODCr、NH3-N和TP浓度可稳定达到原设计国标一级B标准，但尚未达到准地表IV类水标准；SS浓度可稳定达到原设计国标一级B标准，且基本达到准地表IV类水标准。
图1 主要污染物现状处理效果 (a) CODCr；(b) NH3-N；(c) SS；(d) TP和处理水量899
本工程的主要任务是去除含氮污染物(NH3-N和TN)、含碳污染物(BOD5和CODCr)及含磷污染物。该污水厂提标工程总体思路为：在保证设计出水水质目标的前提下，充分挖掘现状污水处理设施的潜力，根据去除对象针对性地选择处理工艺，避免资源浪费。该污水处理厂现状处理设施于2015年建成，结构安全和工艺运行均良好，厂内预留用地空间不足。结合厂区现状及设计出水水质，本工程污水处理采用AAO/MBR工艺；污泥处理采用“重力浓缩+板框脱水”工艺，污泥含水率降低至60%以下后外运。改造后的工艺流程如图2所示。
图2 污水处理工艺流程图
AAO/MBR工艺是生物处理技术和膜分离技术的结合，其中MBR池代替传统二沉池，固液分离效果好，对细菌、病毒和悬浮物均有很好的截留效果。该工艺实现了生物池污泥龄和水力停留时间的完全分离，有利于维持长污泥龄、高污泥浓度(一般为7～10 g/L)的生长环境。
本次提标改造工程中土建按远期规模设计，设备按近期规模安装，并预留远期设备安装条件。预处理区、办公区及化验区采用现状设施，污泥脱水系统在现状脱水区实施，仅对设施进行扩容改造，AAO生物池由现状CASS生物池改造而成，新建MBR膜池及附属设施在厂区规划预留用地内实施，改造后的平面布置如图3所示。
图3 提标改造后污水厂总平面布置图
设计采用内进流孔板式精细格栅，最大流量为1 812.5 m3/h，栅条间隙为1 mm，过栅流速为0.3 m/s。格栅渠平面尺寸L×B=17.1 m×4.9 m，栅前水深为2.7 m，1座2组并排布置，配套安装溜槽、螺旋压榨机及冲洗泵等。
该污水处理厂现状生物处理单元采用2座4组CASS生物池，单座平面尺寸为38 m×31 m。此次改造设计中，拆除CASS池内部现状隔墙，按规范核算后重新划分出厌氧池、缺氧池和好氧池。改造后AAO生物池的总停留时间为12.5 h，污泥龄为14 d，设计污泥浓度平均为7.0 g/L，污泥负荷为0.2 kg BOD5/(kg MLSS·d)，气水比为5∶1。厌氧池平均停留时间为1.7 h，单格尺寸为14.55 m×6 m，有效水深为6 m，有效容积为522 m3。缺氧池平均停留时间为4.6 h，单格尺寸为14.55 m×13 m，有效水深为5.95 m，有效容积为1 125 m3。好氧池平均停留时间为6.2 h，单格尺寸为14.55 m×16.9 m，有效水深为5.9 m，有效容积为1 450 m3。好氧池至缺氧池的混合液回流比为400%，采用8台穿墙循环泵，每组2台(1用1备)，单台流量为1 250 m3/h；缺氧池至厌氧池的混合液回流比为200%，水泵布置同好氧池，单台流量为625 m3/h。
MBR膜池设计采用由PVDF(聚偏氟乙烯)中空纤维膜组成的成品膜组器，不仅可以避免膜丝相互缠绕、延长其使用寿命，还能够简化安装及运维过程，更便于操作。单台膜组器外观尺寸L×B×H=2.9 m×1.5 m×2.8 m，有效产水面积为2 100 m2，投影面积为3.54 m2。MBR膜池平面尺寸L×B=22.4 m×43.2 m，共设计6个安装廊道、48个安装机位。近期使用5个廊道、30个膜组器，膜通量为14.9 L/(m2·h)；远期使用6个廊道、42个膜组器，膜通量为14.2 L/(m2·h)。MBR膜池各子系统设计如下。
(1)混合液进出水系统
进水通过管道从生物池出水堰自流至配水渠，然后通过廊道端部的配水孔进入廊道内部。MBR膜池设计污泥浓度为10 g/L，为维持生物池内生物质浓度，膜池内的高浓度活性污泥混合液以500%的回流比回流至生物池的好氧池。混合液先经水泵提升进入混合液出水池，然后通过管道自流至好氧池。提升泵选用大流量、低扬程的轴流泵，单台流量为1 563 m3/h，近期采用4台(3用1备)，远期5台(4用1备)。
(2)产水系统
混合液进入廊道之后将膜组器浸没，在真空泵和产水专用设备的作用下，膜丝内部形成一定的真空度，混合液中的水分在外界水压和大气压的作用下进入膜丝，活性污泥则被拦截在膜丝外部，出水经产水泵提升进入清水池。为了控制膜污染，产水泵间歇运行：每运行7 min停1 min，实际运行中另需考虑0.5 min的无效运行时间，即产水时间按6.5 min计。设计选用7台抽吸泵(6用1库备)，每台水泵对应一个廊道，单台流量为90 L/s，变频控制。为节约用水，清水池内的水一部分溢流进入紫外消毒渠，一部分用于膜组器清洗。
(3)吹扫系统
产水时污泥会在膜表面聚集，膜孔堵塞、通量下降，因此，需吹扫膜丝、擦除膜表面堵塞物。本工程吹扫系统采用脉冲曝气，周期为1～2 h，高曝时间为5～10 min，其余均为低曝。高曝时开启高曝气气动阀门，吹扫强度为210 m3/(m2·h)(膜组器投影面积)；低曝时开启低曝气气动阀门，吹扫强度为60 m3/(m2·h)。实际运行中，为避免系统瞬时负荷过大，各廊道错峰吹扫，平均吹扫强度为90 m3/(m2·h)。MBR膜池近期总风量为160 m3/min，远期总风量为223 m3/min。本设计新建鼓风机房一座，近期安装3台罗茨鼓风机(2用1备)，远期另增加1台，单台风机风量为80 m3/min，变频控制。
(4)膜清洗系统
膜清洗有助于MBR膜通透性的恢复，清洗方式和主要参数如表2所示。
在线维护性清洗和在线恢复性清洗合称为CIP清洗(在线清洗)，膜组器不需要从安装廊道吊离。在CIP清洗过程中，首先关闭廊道两端的进出水闸门，然后将次氯酸钠和柠檬酸注入清洗泵出水管，经管道混合器混合后进入产水泵进水管，最后按照与产水相反的方向进入膜组器内部。CIP清洗强度为3 L/m2(膜组器有效产水面积)，选用2台离心泵(1用1备)，单台流量为213 m3/h；次氯酸钠加药泵采用2台化工泵(1用1备)，单台流量为1 000 L/h；柠檬酸加药泵采用2台化工泵(1用1备)，单台流量为6 000 L/h；加药过程均在15 min内完成。离线清洗过程中，先通过起吊设备将膜组器吊至膜清洗区，然后按照酸-碱-清水的顺序浸泡清洗。离线清洗可提前向清洗池内注水，因此，加药泵流量无需扩大，仍按照CIP清洗所需流量选型。
(5)PAC辅助除磷系统
本次设计中，当水质恶化导致出水TP不达标时，需投加PAC溶液辅助除磷，投加量为10～30 mg/L，平均投加量为20 mg/L。PAC原液浓度为10%，储药罐有效容积为6 m3，储药时间为10 d。运行过程中，为使药液与污水混合均匀、充分发挥絮凝作用，在溶解罐内将10%浓度的PAC原液稀释10倍，然后利用加药泵输送至膜池配水渠。PAC溶解罐的有效容积为2.0 m3，储药时间为8 h，采用2台加药计量泵，1用1备，单台流量为150 L/h。为便于集中管理，PAC辅助除磷系统设置于MBR膜池设备间内。
该工程总投资为6 463.11万元(不含市政管网部分)，改造后单位水量处理成本为1.69元/t，单位水量处理运行成本为1.14元/t。污水处理厂是城市基础设施的重要组成部分，本身并不产生直接的经济效益，其效益主要体现在环境效益和社会效益。污水处理厂的建设有助于控制污水排放对工农业生产及国民经济发展造成的负面影响，通过改善环境质量可产生巨大的间接经济效益。随着国家南水北调中线工程的实施，汉江中下游各段的自净能力减弱、生态环境恶化。本工程的实施能够有效削减排入汉江的污染物负荷，有助于实现城市供排水的良性循环和保障汉江沿线居民饮用水安全。
本次提标改造新增构筑物较少，主要为膜格栅、AAO生物池(现状CASS生物池改造)、MBR膜池及设备间、MBR膜池鼓风机房及其他配套设施改造，充分利用了现状设施的潜力。采用MBR工艺后，生物池污泥浓度、容积负荷大大增加，使生物池在有效容积不变的情况下满足设计水质、水量的处理需求，且MBR池吹扫系统采用脉冲曝气技术优化后可节约30%～50%的风量。AAO/MBR改造方案对厂区现状扰动较小、与现状处理设施衔接顺畅、施工方便，为该类水厂的提标改造提供了可靠思路。
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郑立安1，杨 涛2
(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023)