某处理厂CASS池改造工艺选择及运行效果

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　　摘要：随着污水处理厂排到受纳水体标准的不断提高及区域污染物排放限值的要求，已建的污水处理廠需要提标改造提高排放标准。本文所提工程对现有的CASS池进行改造，通过投加悬浮填料形成CASS+MBBR工艺，其中TN污染物的去除率可提高到8%～15%间，其它污染物也能达到预期的设计标准。
　　关键词：提标改造;CASS+MBBR工艺;脱氮
　　中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）01-0-04
　　Abstract：With the continuous improvement of sewage treatment plant discharge standards and the requirement of regional pollutant discharge limit，the standard of sewage treatment plant needs to be raised and improved.The project has reconstructed the existing CASS pools and formed the CASS + MBBR process by adding suspended fillers.The removal rate of TN pollutants can be increased to 8%～15%， and other pollutants can also meet the expected design standards.
　　Keywords：Standard upgrading;CASS + MBBR process;Nitrogen removal
　　某处理厂在2011年投产，随着城市的发展污水量显著增加，污水厂原有设计能力和实际污水量之间的矛盾日益突出。决定扩建并对原有的CASS池进行提标改造。本文对污水处理厂CASS工艺提标改造的工艺确定及改造后的运行效果进行分析。
　　1 原污水处理厂CASS池设计及运行情况
　　1.1 原设计情况
　　某处理厂生化部分建设规模为15×104m3/d，采用CASS工艺。共有3组，每组8个，共有24个CASS池。单池尺寸为48 m×24 m×5.45 m，分选择区、预反应区、主反应区的有效体积分别为236.53 m3、921.05 m3、5120.82m3;总体积为6278.4 m3。设计污泥回流比为20%～100%。最高进水液位为5.45 m，平均处理量为6250 m3/h，有机物污泥负荷为0.1kgBOD5/kgMLSS·d。污泥龄为20.1d，总停留时间为24h。目前运行周期为6小时，进水搅拌0.5h、纯曝气3h、沉淀1 h、滗水1.5 h。排水执行一级B标准如表1。
　　1.2 原实际运行情况
　　由于原污水处理厂设计较早，设计时资料数据不齐全，随着城市的发展，收水范围内的部分区域功能区重新规划，造成目前实际运行来水水质和设计有较大的差别。通过对收水区域内踏勘有15家较大的排水企业有部分工业废水排入管网，给污水厂运行造成一定的困难，部分设备设施超负荷运行。并有多年运行实际监测的数据，通过数据分析发现进水水质更接近于排入下水道水质标准，部分污染物高于排入下水道标准。
　　在进水水质稳定不超过下水道排放标准的时候夏季能稳定达标，冬季时候出水水质有波动，TN、COD不能稳定达标。
　　2 确定设计相关情况
　　2.1 进出水水质的确定
　　根据污水处理厂实际运行中的多年进水水质数据，结合下水道排入的水质标准，收水范围内的区域，新区的建设及入住率的提高，区域内的工业企业搬迁。根据国务院发布的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）中的规定要求，群力污水处理厂所处区域需要达到一级A的排放标准。本次提标工作对历史数据进行了详细的分析，确定设计进水水质。出水水质按一级A标准实施如表2。
　　2.2 设计工艺中的难点
　　由于污水厂实际进水污染物浓度较原一期工程设计进水水质高，且排放标准较原有排放标准有所提高。进水原有设施处理效果不能够满足要求，现针对各处理指标进行分析。现况一期工程实际出水 BOD5、氨氮浓度较低，满足一级 A 标准。SS、COD、TN、TP 浓度不能满足一级 A 标准，是本次提标改造需要消减的污染因子。
　　目前运行的CASS池出水 SS 浓度较低，能够满足一级 B 排放标准，但是不能满足一级 A 排放标准。组成出水悬浮物的主要物质是活性污泥絮体，其本身的有机成分就很高，对其他指标如TP、BOD5、COD 等影响也很大。去除SS的同时其他有机物、氮、磷指标也会同时有很大的去除，SS是需要考虑的一个因素。对于常规二级处理，SS达到一级 A 排放标准难度较大，必须在生化后增加深度处理设施。
　　现况CASS池采用生物除磷，实际运行出水总磷浓度较低，可以满足一级 B标准，但是不能完全够满足一级 A 排放标准。生物除磷是聚磷菌形成高磷污泥最后排剩余污泥，把磷排出生化系统，可以适当控制污泥相对较短的泥龄，达到优化除磷的目的。并辅助化学除磷作为工程措施，保证达标排放。
　　某处理厂目前实际出水氨氮浓度较低，大部分能够满足一级 A排放标准;实际出水总氮浓度较高，部分时段不能满足一级 B 排放标准。对氨氮、总氮的要求较高一方面需要强化生物处理去除氨氮、总氮。特别在冬季温度较低的情况下更需要有针对性地降低氨氮、总氮浓度。所以 NH4-N、TN是本次改造工程的难点。
　　2.3 改造工艺的确定
　　本工程水质在BOD5 /TN>3～5范围间，即可认为污水碳源可供反硝化菌利用，可进行生物脱氮。结合其他的污水处理厂的工程案例，同时考虑运行成本、操作条件及维护难易程度等，本工程也考虑选用生物脱氮。生物脱氮的过程较为复杂，在有机物被氧化的同时，污水中的有机氮也被氧化成氨氮，并且在溶解氧充足、泥龄足够长的情况下被进一步氧化成硝酸盐。反硝化菌在缺氧的情况下可以利用硝酸盐NOx-N 氧化有机物，将硝酸盐中的氮还原成氮气，从而完成污水的脱氮过程。 　　生物脱氮硝化是先决条件。因为硝化菌属于自养菌，其比生长率明显小于异养菌的比生长率，生物脫氮系统维持硝化的必要条件是污泥停留时间（泥龄）要大于硝化菌的最小世代周期，同时系统必须在较低的污泥负荷条件下运行。对现况生物池进行强化的方法主要在于对生物量的提升，通过加大生物量，相对降低微生物处理负荷，提升处理设施的处理效率，实现出水水质的提高。解决及调和硝化细菌菌龄长和生物除磷短泥龄的矛盾问题最优的有两种措施可以实施，一种是采用 MBR 工艺及系统，原水通过厌氧-缺氧-好氧池去除大部分氮磷后出水用超滤膜替代二沉池，用机械的物理截留实现泥水分离，替代传统的重力沉淀方式，可以将生物处理段的污泥浓度提升到1万mg/L，实现对生物处理的强化。但对磷的生物去除较差，需要强化化学除磷。
　　除MBR工艺外，目前提高生物量较多采用的是投加填料的方式，填料的种类有固定式填料和悬浮型填料。目前悬浮型填料使用越来越多。将悬浮型填料作为一种改造的技术路线，即将 CASS 与悬浮型填料相结合，形成CASS +MBBR工艺。通过往现有活性污泥曝气池投加悬浮填料可将现有工艺升级为MBBR工艺，增加系统硝化及脱氮功能，是反应器升级、改造的较优选择。通过投资、运行费、改造工作量比较以及其他运行的CASS工艺提标改造的经验，确定CASS+MBBR工艺。对生化池改造同时考虑污水厂冬季进水水温较低和C/N较低TN 去除率低的情况下，可采用投加碳源的方式强化去除。超量污染物的去除，可通过对生物池改造，增加生物量，降低污泥荷来完成。MBR工程投资费用高，在除磷污染物上运行费用高，后期的维护费用也较高。本工程CASS池改造选择在生物池内投加悬浮填料技术路线，CASS+MBR 作为改造工艺。
　　2.4 工艺改造的方式
　　TN是需要强化去除的，在原有的CASS池内通过改造增加缺氧区域，在空间上具备反硝化的条件，内回流泵调整，用于回流污泥及消化液，提高低温下生物反硝为化脱氮能力，新增缺氧区增加潜水搅拌器。
　　在好氧区投加生物填料，形成MBBR工艺。减少的好氧区域通过增加悬浮填料，增加好氧微生物的生物量，提高污染物去除效果。包括泥龄较长的硝化细菌，悬浮填料上挂的生物膜。填料也为硝化细菌的生长提供了载体，延长其污泥龄，提高脱氮效果;同时控制活性污泥体系为短泥龄，增强除磷效果。
　　重新核算生物池曝气量，更换空气流速过大的曝气器针对改造后好氧区部分重新布置。缺氧区下管式曝气器保留，可根据生产运行需要开启或关闭。经核算现况剩余污泥泵流量、扬程满足要求，移位到拦截筛网后，滗水器两侧。换回流泵变频控制满足回流比最大约为400%。反应池维持现况厌氧区及缺氧区尺寸不变，将一部分好氧池容调整为缺氧。
　　2.5 确定的工艺设计及参数
　　现况CASS反应池改造为CASS+MBBR工艺，生物池需气量有所增，更换能满足性能要求的空气悬浮鼓风机：Q=155m3/min，风压6.5m，N=200kW，8台，6用2备。
　　缺氧区域重新计算在好氧区域隔出长度约11.05m，增加缺氧区域1478 m3。由于增加悬浮填料，单格曝气量4650/h，高于原设计3600m3/h。悬浮填料材质改性聚乙烯，尺寸大小为Φ25 mm×10 mm 的圆柱型，单位有效比表面积≥620 m2/m3。有效水深5.6m，滗水深度1.4m。
　　改造后的CASS+MBBR池，共24个生化池，每两格为一小组运行工况相同。本次改造设计维持原有设计周期不变，6h为一周期，减少滗水时间，增加单独进水时间，提高反应池反硝化脱氮能力，调整后运行周期如表4所示：
　　3 实际运情况及对比分析
　　全厂24个生化单元格，由于是不减量升级改造，按照每次两个单元格依次改造，改造时间较长，通过对改造单元格和没有改造单元格运行情况对比分析，由于在自控程序下运行，两个单元格运行的时序完全相同，3-8（未改造CASS池）单元格进水完成后1-1（已改造CASS-MBBR池）单元格进水，每单元格进水0.5h，可认为进水水质相同。通过对单元格的进水瞬时样及在每单元格滗水期间取出水瞬时样作为出水水质进行分析，分析COD、氨氮、TN、TP、SS指标。分析比较改造和未改造的单元格对污染物去除的效率，及改造后的运行状况是否达到设计的标准。现对改造单元格和未改造单元格运行情况进行对比分析如表5：
　　3.1 冬季运行情况对比
　　取冬季12月份运行情况及出水数据进行对比分析，生物池内水温在11～15℃间，运行情况如下分析。
　　3.1.1 对COD进行分析
　　通过图1分析发现，进水COD平均在440mg/L，1-1单元格平均出水在47mg/L，去除率在89%;3-8单元格平均出水COD在59mg/L，去除率在86%。1-1单元格比3-8单元格高3个百分点。
　　1-1单元格出水COD个别出水COD超过50mg/L，分析原因出水超50mg/L时，SS也较高，冬季水温低污泥活性较差，絮凝性不好有一些游离的污泥絮体带出，对COD的影响较大，对超出50mg/L的出水进行过滤COD均在50mg/L以下，也佐证了在生化后磁混凝沉工段出水由SS带来的COD达标排放。
　　3-8单元格出水COD个别出水瞬时样超过60mg/L，由于低温，为了保证污染物降解的效率只能提高微生物量，只能提高污泥浓度，过高的污泥浓度影响出水SS，进而影响出水COD。
　　3.1.2 对氨氮进行分析
　　通过图2分析发现，进水NH3-N平均在43.30mg/L，1-1单元格平均出水在3.26mg/L，去除率在92%;3-8单元格平均出水NH3-N在6.5mg/L，去除率在85%。1-1单元格比3-8单元格高7个百分点。
　　1-1单元格出水NH3-N较稳定，部分时段生化池低于12℃，出水NH3-N效果依然好能到达设计标准。加了悬浮填料，悬浮填料为载体挂的生物膜，菌龄较长的硝化细菌增加了生物量，硝化效果更好，悬浮填料空隙内的生物膜更稳定不受生化池内排泥的泥龄影响，所有能更好地进行硝化反应。 　　3-8单元格出水高于改造1-1单元格，也能达到并高于原来的CASS池设计的出水标准，但出水水质波动较大。
　　3.1.3 对TN进行分析
　　通过图3分析发现，进水TN平均在54.97mg/L，1-1单元格平均出水在13.36mg/L，去除率在75%;3-8单元格平均出水TN在17.91mg/L，去除率在67%。1-1单元格比3-8单元格高8个百分点。
　　实际进水TN低于设计70mg/L并且C/N比在4左右，也保证了在冬季没有投加碳源的情况下TN也能达标排放。此阶段运行虽然没有投加碳源但1-1在改造中增加了工程措施，可进行投加碳源强化反硝化。考虑在C/N比较低特别是冬季低于4的情况下，投加乙酸钠。通过曲线可发现没有改造的3-8单元格出水TN个别时段出水超过20mg/L，按原来的标准不能稳定到标。改造的单元格增加的缺氧区，能有效进行反硝化。保证TN一级A的排放标准。
　　3.1.4 对TP进行分析
　　通过图4分析发现，进水TP平均在7.42mg/L，1-1单元格平均出水在0.38mg/L，去除率在94%;3-8单元格平均出水TP在0.59mg/L，去除率在92%。1-1单元格比3-8单元格高2个百分点。但两个单元格运行控制的泥龄是不同的。1-1单元格能达到一级A的排放标准。3-8单元也能达到要求一级B排放标准。
　　3.2 夏季运行情况
　　3.2.1 对COD进行分析
　　通过图5分析发现，进水COD平均在401mg/L，1-1单元格平均出水在42mg/L，去除率在89%;3-8单元格平均出水COD在51mg/L，去除率在87%。1-1单元格比3-8单元格高2个百分点。
　　1-1池出水COD能稳定在50mg/L以下能到达一级A排放标准，3-8池出水COD在45～60mg/L之间，出水水质波动较大，改造的单元格出水水质更稳定。
　　3.2.2 对氨氮进行分析
　　通过图6分析发现，进水NH3-N平均在37.0mg/L，1-1单元格平均出水NH3-N在2.25mg/L，去除率在94%;3-8单元格平均出水NH3-N在3.90mg/L，去除率在90%。1-1单元格比3-8单元格去除率高4个百分点。1-1单元格池出水NH3-N能稳定在3以下能到达一级A排放标准。
　　3.2.3 对TN进行分析
　　通过图7分析发现，进水TN平均在47.16mg/L，1-1单元格平均出水在9.73mg/L，去除率在79%;3-8单元格平均出水TN在16.76mg/L，去除率在64%。1-1单元格比3-8单元格去除率高15个百分点。1-1池出水TN能稳定能到达一级A排放标准。
　　3.2.4 对TP进行分析
　　通过图8分析发现，进水TP平均在7.02mg/L，1-1单元格平均出水在0.41mg/L，去除率在94%;3-8单元格平均出水TP在0.54mg/L，去除率在92%。1-1单元格比3-8单元格高2个百分点。1-1单元格能达到一级A的排放标准。3-8单元也能达到要求一级B排放标准。
　　3.3 填料及活性污泥中的微生物
　　经镜检观察两个池活性污泥中微生物種类基本相当，有钟虫、轮虫、楯纤虫、漫游虫等。没有改造的单元中活性污泥生物量比投加填料单元的生物量多，但改造单元格填料上的生物相丰富，有原生动物门中的肉足纲、鞭毛纲、纤毛纲及后生动物门中的线虫、轮虫等，并且构成了一个完整的生物体系，其中固着型纤毛虫种类数量众多。
　　4 运行分析及小结
　　对比发现改造的CASS-MBBR工艺，悬浮填料的投加为微生物的生长繁殖提供了附着空间，使得反应器内同时存在悬浮生长和附着生长的微生物，从而明显增加了反应器内的生物量，好氧的条件下发生硝化反应，而在内部一定深度处存在缺氧区，可发生反硝化反应，所以填料在空间上可同时发生硝化反硝，因此比传统活性污泥法对 TN 有更好的去除效果。生物池改造实际运行数据表明达到了改造的预期效果，配合后续工艺能稳定达到一级A的排放标准。
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　　收稿日期：2019-12-01
　　作者简介：代纯伟（1983-），男，汉族，本科学历，工程师，研究方向为水污染防治及控制。
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