一种高效城市污水再生处理新工艺

孙力平，孙建升，张芳，徐伟锋
（天津城市建设学院 市政与环境工程系，天津 300384）

　　由英国Degremont有限公司推出了一种用于城市污水再生处理的新组合工艺专利技术——高负荷澄清池和生物曝气滤池（BAFF工艺），法国OTV等公司也有相似技术如BIOSTYR推出，本文重点介绍建设于英国Poole STW地区的BAFF工艺，及其该工艺的设计、调试、运行状况。

1 BAFF工艺介绍

　　BAFF工艺是目前比较先进的一种污水处理新技术，能够使污水出水水质满足日益提高的排污标准，包括对氨氮的严格控制。该工艺利用高效的复合澄清技术（DENSADEG）和生物曝气滤池（BAF）工艺相结合，实现高标准的污水处理目标，工艺如图1所示。

1.1 高负荷澄清池（DENSADEG）
　　高负荷澄清池不仅能够实现相当程度的污泥浓缩，还能实现非常高的水力负荷，所以该工艺十分的紧凑。
　　高负荷澄清池由三部分组成，分别是反应池、预沉浓缩池和斜板分离器，如图2所示。
　　向经过格栅和除砂后的污水中加入Fe₂(SO₄)₃，经快速混合后，污水在反应器内进行混凝。同时，回流污泥也回流到反应池，然后污水溢流进第二反应室。
　　第二反应室配备带有旋转垂直栅条的浓缩机械装置。悬浮物沉到池底，并由旋转刮泥机进行浓缩。澄清后的液流流经斜板并收集于集水槽中，最终汇集到中心渠道。
　　污泥分离是由装有液面探测器的自动化分离泵控制，这样可以维持低高液面间的悬浮泥渣层，从而控制泥龄和干固体浓度。

1.2 生物曝气滤池 (BAFF)
　　污水的二级处理，采用上向流式生物曝气滤池，要处理的污水和压缩空气都被引至滤池底部。这样可以避免降流式滤池中经常出现的表面堵塞和气囊的形成。此外，仅有处理后的出水才暴露于空气中，这样可以最大限度的减少臭味。具体结构见图3。
　　填料是经特别挑选的多孔性，有粗糙表面和高比表面积的材料。它为微生物的生长提供了理想的载体，并可维持高浓度生物量，其浓度是活性污泥法的4~5倍，从而增加了单元的负荷，减小了污水厂的规模。
　　BAF处理（生物曝气滤池）分为2个阶段：阶段1为了去除有机物，阶段2为了硝化，故也称之为BAFF工艺。

2 工程实例介绍

　　由英国Degremont有限公司设计的，建设于英国Poole STW的新型高复合澄清池和生物曝气滤池。
2.1 建设目的
　　这个项目是为了满足EA（欧洲环保局）制订的更为严格的排放标准（见表1），在原有污水厂基础上扩建的。

表1 欧洲环保局污水排放标准

BOD(mg/L)

20（温度可降到7℃）

SS(mg/L)

30（温度可降到7℃）

NH₃-N(mg/L)

5（温度可降到10℃）

污泥

重量占6％（适合于厌氧消化）

2.2 设计规模
　　该项目的设计规模及原污水水质情况见表2。

表2 设计规模及原污水水质

旱季流量 (m³/d)

28 000

高峰流量 (m³/d)

64 000

水温 (℃)

7~22

BOD (kg/d)

7235（最高值为460mg/L，持续4h）

SS (kg/d)

8 683（最高值为565mg/L，持续4h）

TKN (kg/d)

1 250（最高值为81mg/L，持续4h）

NH₃-N(kg/d)

875（最高值为57mg/L，持续4h）

2.3 污水厂占地面积
　　由于原污水厂占地面积有限，新建的污水厂必须十分紧凑，占地面积约135m×37m。用地指标：0.18m²/(m³•d)。
2.4 新建工艺设施
　　因原污水处理已不能满足新的排放要求，而且场地紧张，决定采用如下工艺：
　　3座高负荷澄清池（DENSADEG）
　　8座去除BOD的生物曝气滤池(BIOFOR C)
　　18座硝化生物曝气滤池(BIOFOR N)
　　新处理工艺流程如图4所示。

2.5 设计参数
2.5.1 高负荷澄清池（DENSADEG）设计参数
　　考虑到定期的检修，需要采用3套高负荷澄清池（DENSADEG），设计参数如下：

表3 高负荷澄清池（DENSADEG）设计参数

数量

单位

斜板面积

3

座

澄清池同时运行时的流速

67

㎡

平均流速

7.9

m/h

最大流速

15.4

m/h

2.5.2 高负荷澄清池（DENSADEG）设计目标
　　高负荷澄清池的设计目的为：悬浮物去除率80％，BOD去除率为50％，底流污泥浓度为6%。
2.5.3 生物曝气滤池(BAFF)设计参数
　　BAFF处理（生物曝气滤池）分为2个阶段：阶段1为了去除有机物，阶段2为了硝化。
　　下表列出滤池的尺寸和高峰流量时的操作流速：

表4 生物曝气滤池(BAFF)设计参数

　

阶段1

阶段2

单位

数目

8

18

座

单个滤池的面积

73

73

㎡

填料高度

3

4

m

流速

5.3

2.4

m/h

去除有机物的滤池的冲洗速度（7座运行）

6.05

m/h

硝化滤池的冲洗速度（16座运行，一备一检）

2.65

m/h

2.5.4 生物曝气滤池(BAFF)的硝化保证措施
　　为了给硝化提供足够的碱度并保证出水呈中性，向进入滤池的污水中投加NaOH。加药是自动化的，通过监测pH值来控制投药量。
2.5.5 生物曝气滤池(BAFF)的反冲洗
　　滤池的反冲洗也由自动化控制，并且反冲洗水回流到处理系统前端。反冲洗可分为3个步骤：（1）填料的流化，（2）冲洗，（3）漂洗。
　　冲洗的效果由气、水同时反冲洗来保证，这使得填料处于振动和搅拌状态，从而去除多余的生物量。正因为这个原因，生物降解是一直存在的，同时很快的适应于流量和负荷的变化。
　　用处理后的污水来短期反冲洗填料，流量为800m³/h。因为污水水质较差，故回流反冲洗水相当于滤床体积的10％。
2.5.6 生物曝气滤池的自控系统
　　完全自动化控制对BAFF污水处理厂是十分重要的，也是十分必要的。这样就不需人为控制来应对进水流量的变化，通过PLC自控就可以完成对每一个滤池的控制。
　　生物曝气滤池的运行可分为4个阶段：（1）闲置阶段，（2）过滤阶段，（3）反冲洗阶段，（4）准备过滤阶段。PLC能够根据进水流量和当前滤池的运行情况，自动开启或关闭滤池以应对进水流量的变化。
　　进入BAFF污水厂的污水量由装有固定转速的水泵的泵站控制。进水是阶段性不均匀的，而滤池则一直处于运行或闲置状态，这对污水的处理没有不良影响。
2.6　工艺调试
2.6.1 高负荷澄清池（DENSADEG）调试
　　处理厂全套设备由英国Degrement有限公司提供。
　　工艺调试运行从1996年1月3日开始，首先将经过格栅、沉砂池处理后的污水直接进入到高负荷澄清池（DENSADEG）的初沉室中。这样做的目的有二：一是保证DENSADEG工艺正常运行，二是保持药剂用量在控制范围之内。
　首先需要提供Fe₂(SO₄)₃和聚电解质化学药剂泵装置。经反复试验确定Fe₂(SO₄)₃混凝剂和聚电解质的用量分别为40 mg/L和1 mg/L。同时，控制加药量和加药频率使系统处于最佳沉淀效果。
　　通过使用斜板和置于沉淀池底的装有垂直栅条的浓缩池，污水首先经过第一座斜板分离器。来自斜板的上清液流入到置于预处理室中的出水渠。进水管配有阀门，沉淀的污水也可通过紧急溢流堰回流到污水厂入口处的泵站。
　　同时，污泥泵也处于运行状态，且引进了初沉池的周期性除泥设备。每天都检测初沉池3个液位试样点的污泥液位和污泥特性。当污泥浓缩率达到6％时，用污泥泵将污泥打入污泥消化池前的储泥池。
　　当能取得连续投配率和良好的沉淀效果时，大约13天后水流就转到第2座高负荷澄清池（DENSADEG）并且重复整个运行过程。同时，第2座高负荷澄清池（DENSADEG）能取得上述相当的效果时，水流就转到第3座高负荷澄清池（DENSADEG）中。3座高负荷澄清池（DENSADEG）的调试进行了75天。
2.6.2 去除BOD的生物曝气滤池(BIOFOR C)的调试
　　高负荷澄清池（DENSADEG）的调试完成后，开始调试8座去除BOD的生物曝气滤池(BIOFORC)，同时把水引到两个反应器中以使得水量易于控制，并对曝气系统、反冲洗系统的风机、泵和阀门及控制系统进行调试。
　　在BAFF污水厂，控制系统是关键所在，它能控制所有的反冲洗操作，能维持反应室处于运行、反冲洗、准备运行及停止阶段。
　　每一对反应器的调试大约需7天才能完成，然后才能调试另一对。因此，所有的8座去除有机物的滤池总共进行了25天后才投入运行。
　　在这期间，处理水流入到段间转移集水池，在此由泵打回进水泵房。当(BIOFORC)中产生了足够的生物量时，就能够达到设计预期的出水指标（BOD50mg/L，SS 55mg/L）。
2.6.3 硝化生物曝气滤池(BIOFOR N)的调试
　　当BIOFOR C调试完成后，水被排放到硝化滤池进行硝化，调试过程如上所述，所不同的是污水要同时被分配到3座反应器中。在硝化阶段，共用18座滤池，需38天来调试接种所有的硝化生物曝气滤池反应器。由于这时已经是5月份了，温度很高，反应器内的生物量增加的很快。
　　到1997年6月5日，历时140天调试整各污水处理工艺，出水水质达到所规定的排放标准。处理水排放到Hole湾，然后流入Poole港。连续的出水水质检测表明出水水质一直处于稳定状态。
2.7 运行问题
　　像这样大规模的污水处理厂，尽管有尖端的控制设备，但问题仍然会出现。运行成功的衡量标准是工艺在没有影响到出水水质的情况下能否缓解问题带来的影响，以及如何很快地解决问题。
2.7.1 高负荷澄清池（DENSADEG）泡沫问题
　　在高负荷澄清池（DENSADEG）调试的初期，会遇到少量的泡沫，这可以通过加脱泡沫剂很容易的抑制它，并且一旦形成生物量，问题很快就会消除。
2.7.2 单向阀堵塞问题
　　10个月后，当聚电解质投加量发生变化时，运行中出现了第一次主要问题。通过测试，发现原因在于泵中单向阀堵塞，且止回阀粘在一起的缘故。解决的办法是将泵拆下来，并且重新安装不锈钢单向阀和用Wallace Tiednam不锈钢类型的止回阀。密封的增压风挡也适用于泵的出水管路。
2.7.3　反冲洗阀门启动/关闭控制问题
　　在试运行过程中（7月份），发现当26座滤池都处于运行状态时，随着冲洗和停止冲洗阶段的进行，经常发生控制问题。调查发现问题集中在所有开启阀门的Pakscan控制系统。Rotork公司发明了这种单线系统，主要是满足对大量阀门启动/关闭的控制。
　　很显然，由Rotork公司所宣称的最大控制阀门个数只是理论上的，与现实有一定差距，而Poole污水处理厂的控制系统正是应用的此理论值。首先怀疑的是阀门之间的接触面，对所有的阀门都作了检查，并且对其方位作微调整。
　　其次考虑是PAKSCAN控制程序软件包的控制程序有问题，最后考虑是否因为Degremont公司改变了软件中的反冲洗次序，从而使得系统难以正常运行。经调整后现在当反应器需要冲洗时，Pakscan控制系统可以及时接受终端信号，并且能够进行人工控制反冲洗。
2.7.4 高负荷澄清池（DENSADEG）超负荷运行问题
　　发生在投入运行阶段的另一个主要问题是，高峰流量进入高负荷澄清池时导致污泥层的悬浮物溢流至第二处理阶段。对滤池运行造成不利影响。
　　设计高负荷澄清池时，它是能容纳最大流量的，并且加上反冲洗水。在正常流量条件下，3座高负荷澄清池中2座运行即可，而在高峰流量时，再运行第三座高负荷澄清池来解决水力超负荷问题。
2.8 运行资料
　　在运行期间（1996年1～5月）和于1996年8月开始的维护期间，已经对各种不同类型的参数进行了分析，如BOD、SS和氨氮浓度。
　　在1996年1～5月的运行期间获得的资料结果表明污水厂的出水达到综合排放标准。
　　图5、6表明，污染物的突然变化并没有影响到污水厂的稳定运行，出水浓度仍能保持在BOD去除率为97％，氨氮去除率为98％。

　　在第二阶段（1996年8月～1997年1月），出水水质仍能达到排放标准，在这个阶段，分析了每个处理工艺的较多水样，这可以评价每个工艺的效率。
　　高负荷澄清池单元对BOD的去除率一般为50%～60%。
　　图7表明了去除有机物滤池和硝化滤池关于BOD去除的运行状况。从高负荷澄清池出来的污水BOD浓度也原污水的污染物浓度趋势相一致，其中有一个顶峰，而从去除有机物滤池出来的污水的浓度减少的相当多，并且出水稳定。这可由图中峰值比较平稳可以看出，而硝化滤池对BOD的去除率是相当低的，在此阶段，BAFF污水厂的BOD平均去除率为89％。

　　生物去除有机物的滤池的真正运行负荷平均为6000kgBOD/d，而设计负荷是7235kg BOD/d，即4.7kgBOD/m³填料。
　　关于氨氮的去除，图8清楚的表明氨氮的去除主要在生物硝化滤池中进行。从高负荷澄清池和去除有机物滤池出来的污水中氨氮的浓度仍然相当高，而从硝化滤池中获得的资料表明出水中氨氮的浓度相当的低并且很稳定。在这个阶段，氨氮的去除率达到98％。

3 结论

　　（1）该污水厂的运行状况是相当可靠的。
　　（2）高负荷澄清池和26座曝气生物滤池要经过20星期的调试运行后才能达到排放标准。因为BAFF污水处理工艺及设备需要时间去调整、试验、运行，从而使污水厂的运行处于最优化。
　　（3）调试时必须注意在调试运行下一阶段前，要保证本阶段的处理达到预期效果。
　　（4）自动控制系统是BAFF处理工艺正常运行的基本保证。
　　从运行结果来看，作为英国最大的BAFF污水处理厂，该厂运行十分稳定。即使有多种的干扰，出水水质仍然不受影响，因为运行中出现的问题会移交给中心控制系统的客户运行管理程序，指导发现各种各样问题的解决办法。
　　（5）连续检测（包括14天集中水样检测）证明在出水水质、能量消耗和药剂用量上，该污水厂的运行指标均相当好，并且能够保证设计目标。
　　（6）与传统污水再生工艺相比其特点为：
　　●占地少。占地仅为传统活性污泥法的20%左右。
　　●投资省。总投资小于传统工艺。
　　●处理效果好。 BOD、NH₃-N去除率分别达到97%和98%以上。