江西省某污水厂二期扩建工程工艺研究

周强

中铁十五局集团第二工程有限公司

摘要 江西省某污水处理厂二期扩建项目，处理规模为1万m³/d，出水需满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级 A 标准。由于厂内扩建用地仅剩0.66 ha，经过工艺比选，最终选用BioFIMag工艺作为扩建的核心处理工艺。BioFIMag工艺具有极省占地、处理高效、超快实施、经济节约、管理简便等优势，尤其适用于占地紧张的新建污水处理项目的实施。

关键词 扩容 BioFIMag 一级A 高密度生物膜区 强化膜分离区

随着我国经济和城市建设的发展，污水处理技术推陈出新，对污水厂污水排放标准的要求逐步提高。伴随着住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委联合下发了《关于印发城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021 年）的通知》，江西省人民政府也下发了《关于印发江西省城镇生活污水处理提质增效三年行动实施方案（2019-2021 年）的通知》，九江市人民政府下发了《关于印发九江市城镇生活污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021 年）的通知》，要求通过三年的努力，达到城市建成区基本无生活污水直排口、基本消除城中村、老旧城区和城乡结合部生活污水收集处理设施空白区、基本消除黑臭水体，城市生活污水集中收集和处理能力显著提高。鉴于部分现有污水厂建设时间较早，城市用地不断向郊区扩展，由于周边居民区较多，无可用用地，选用占地少处理稳定高效的工艺成为扩建工程的关键问题^[1-3]。

在国内外符合紧凑工艺特点的工艺有MBR、BAF等工艺，但MBR工艺投资高、运行费用高、周期性换膜等问题限制了其进一步发展。BAF工艺投资高，运行不稳定，药耗高的缺点也不适合大规模应用。本项目综合比对，选用了基于“纯膜MBBR+超效分离”的BioFIMag（Moving Biofilm & Magnet Separation，简称BFM）工艺。

BioFIMag技术是典型的高效节地型工艺。与传统活性污泥法相比，水线最大能够节约80%占地，且不需要设置二沉池。该工艺将传统工艺的泥水分离与深度处理功能集成为一段，结构紧凑，效率高。与曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）工艺相比，虽然均属于生物膜工艺，但BioFIMag工艺无反冲洗的工艺流程，且对进水SS耐受性高，原水碳源损失小。与传统纯膜移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，简称MBBR）工艺相比，嵌入了膜水分离技术，缩减了工艺流程，且对SS和TP去除性能达到极致。与膜生物反应器（Membrane Biofilm，简称MBR）技术相比，BioFIMag工艺运行费用更低。该工艺总停留时间小于10 h，对于新建污水厂，可节约50%~80%的用地，对于已有污水厂，可提量2~5倍。可以采用传统污水厂土建方式实施，也可根据需要进行模块化设计和安装，集成度高，适用于污水处理项目短期内建成投运。出水稳定达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A标准。

1项目背景

1.1项目概况

江西某污水处理厂位于市区南部，湖滨大道北面，主要收集处理老城区及当地某新区生活污水，始建于2008年7月，处理规模为1万m³/d。采用改良型氧化沟生物处理工艺，污水处理标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B排放标准。经过2017年7月底提标改造，新增了中途提升泵房、连续砂滤池、加药间、次氯酸钠消毒池、新配电间、除臭系统等，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准。厂区一期用地2.03 ha，剩余0.88 ha作为二期预留用地。由于在2017年对原有一期工程提标改造时，又占用了0.26 ha的土地，导致二期仅余 0.66 ha土地可用。本次扩容需要再提升处理水量1万m³/d，总处理水量达到2万m³/d。在此背景下，本次工程需要考虑通过新型的占地较少的工艺在现状厂址进行扩容建设。本工程的要求水质标准如表1所示。

1. 设计进出水水质表
   Tab. 1 Design Water Quality in Influent And Effluent

1.2工程难点

本项目的主要难点包括：

1. 新建用地紧张。如图1所示，由于原有一期工程占地较大，厂内可用于二期扩容新建的用地严重不足，无法采用传统的活性污泥法进行扩建。因此采用新型节地的工艺势在必行。

1. 污水处理厂俯视图
   Fig.1 The vertical chart of the wastewater treatment plant

2. 进水水质、水量波动大。该厂涵盖水系多，涉及流域面广，对水质要求高；与此同时，该厂所在区域管网接口较为混乱，缺乏系统性，管道结构及功能性缺陷较为普遍，雨污系统混搭混接的情况存在，最终导致进水水质、水量波动较大，改造工艺需具有较强的抗冲击能力，以保证出水稳定达标。

③ 出水稳定达标。项目地处鄱阳湖生态区域，所在市位于长江经济带上游，为国际著名的山水文化休闲旅游城市，环境质量要求高，要求出水稳定达标。

综合以上工程难点，需寻求高效、稳定、快速、经济的处理技术进行扩建。

2工艺选择

针对该污水处理项目的占地和运行情况，在无法采用传统活性污泥法的情况下，需采用创新型的极限占地工艺。根据目前我国污水处理厂提标改造和新建的经验，常见的节地型工艺包括BFM工艺和MBR工艺两种^[4-8]，通过对比BFM工艺和MBR工艺（表2），确定本次扩容建设的主体思路。

2. BFM工艺与MBR工艺对比
   Tab. 2 Comparison of BFM and MBR

膜生物反应器（Membrane Bioreactor，简称MBR）是由膜分离单元与生物处理单元相结合的水处理技术，以膜组件取代二沉池（或滗水器），在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，通过保持低污泥负荷达到处理效果。污水进入到反应器中，经过处理后，在抽吸泵的吸力下，能够通过膜组件得到净化。但经过长时间的运行后，膜组件会逐步污染并堵塞，此时需要对膜进行反清洗，从而保证膜组件的过水能力。

BFM工艺是成熟稳定的极限省地型高效污水处理技术，涵盖生物处理和物理化学处理于一体。BFM-B段（高效生物膜区）通过向生化系统内投加悬浮载体，使微生物以生物膜形式附着于悬浮载体上，高效富集功能化菌种，从而强化污染物的去除。研究表明悬浮载体上硝化菌的相对丰度是活性污泥中的5~10倍，其能够保障系统的硝化性能稳定，并为反硝化的进行奠定了基础^[4]。该工艺不需要活性污泥，且无需进行污泥回流，所以可不设置二沉池，从而节省二沉池占地。此外，由于悬浮载体填充率高且对功能菌的富集能力强、生物膜活性强，所以BFM-B段的处理负荷更高，其占地远低于传统活性污泥法。对于氮素、易生物降解有机物可以实现稳定去除。

BFM-M段（强化膜水分离区）是针对BFM-B段出水脱落生物膜的特性而设立的强化磁混凝沉淀技术。其作用是替代传统工艺中的二沉池和深度处理的两段沉淀流程，以一段沉淀工艺保障出水SS和TP的稳定达标，并进一步降低难降解有机物的浓度。磁粉的有效投加，大大提高了沉降速度。BFM-M的负荷可达到传统高效沉淀池的2~5倍，实现了深度处理单元的节地降耗。BFM-M出水可直接排放至消毒池，最终出水达标排放。

BFM和MBR工艺是两种先进的节地型污水处理工艺，构筑物少，产泥量低，对SS处理效果好。从设备角度分析，BFM-B工艺采用悬浮载体，无需反冲洗装置；BFM-M工艺所用磁分离机和高剪机等设备专一性强，运行稳定，安装方便，操作简便。而MBR膜组件、反冲洗系统、产水系统、回流系统、加药系统等的采购和安装，较为繁琐，且操作复杂。从电耗上分析，MBR工艺产水泵和膜吹扫风机都属于用电负荷较大的用电设备，且MBR工艺回流比较高。从运行稳定性上分析，BFM工艺的脱氮除磷效果好于MBR工艺，对水质水量波动的适应性更强，尤其对于冬季低温、高盐水质具有极强的耐受性。从后期运行维护的角度，由于BFM工艺没有后期膜更换的费用，因此建造和维护成本更低。肇庆某市政污水厂设计处理水量3×10⁴ m³/d，采用BFM工艺，吨水占地0.067 m²，可实现出水COD、氨氮、TP和SS分别低于20 mg/L、1.5 mg/L、0.4 mg/L和5 mg/L的处理目标^[5]。

综上，结合本项目的难点及需求，拟采用BFM工艺进行新建，实现极限占地情况下的扩容。

3工程设计

3.1工艺流程

在本工程项目中，考虑到进水为典型城市污水，结合一期工程工艺，本次设计一级处理工艺采用粗、细两道格栅和技术成熟，占地面积较小的旋流沉砂池，生化段采用了先进高效的BFM工艺，深度处理工艺采用连续砂滤池，出水消毒工艺采用次氯酸钠消毒。

本次扩容后的工艺流程如图2所示。

2. 扩容后工艺流程图
   Fig.2 The flow chart after reconstruction

3.2主要构筑物及参数

① 预处理单元

一期工程粗格栅与进水泵房土建已按远期2万m³/d建设完成，设备按1万m³/d规模设计，本工程按1万m³/d新增设备。包括2台潜污泵，单台流量329 m³/h，扬程18m，功率30 kW；1台回转格栅除污机，栅条间隙10 mm，渠高9.1 m，功率 1.1kW，安装角度75°；2台手动闸阀，DN300；2台橡胶瓣止回阀，DN300；2台双法兰限位伸缩器，DN300。

一期工程已按1万m³/d建设一座细格栅及曝气沉砂池，本工程按1万m³/d新增一座细格栅及旋流沉砂池。池体尺寸23.2 m×5.6 m，高度2 m。包括：2套旋转式细格栅，栅条间隙5 mm，渠高2.0 m，功率0.55 kW，安装角度60°；1套无轴螺旋输送机，槽宽260 mm，输送长度4 m，输送角度0°，功率1.5 kW；1套螺旋压榨机，槽宽200 m，长2.5 m，功率1.5 kW；2套旋流除砂机，直径2430 mm，功率1.5 kW；2套气提鼓风机，风压39.2 kPa，流量2 m³/min，功率2.2 kW；1套旋流砂水分离器，螺旋直径220 mm，功率0.37 kW。

② BioFIMag系统

新建BFM生物池1座，共分为2个序列，池体采用钢砼结构，设计规模1万m³/d，对进水中 COD、BOD、NH₃-N、TN、TP 及 SS 进行有效去除，实现出水稳定达标，工艺系统中无需二沉池及污泥回流系统。

BFM-B段总停留时间5.5 h，内回流比150~200%，有效水深8 m，溶解氧浓度控制在2~6 mg/L。缺氧区和好氧区均采用两级运行的方式（图3）。尺寸26.5 m×13.5 m，高9 m。悬浮载体采用高密度聚乙烯材料制成，有效比表面积大于800 m²/m³。进出水拦截系统防止悬浮载体流失，使悬浮载体在固定区域发挥作用。底部曝气系统采用ABS材质，并配以专用搅拌系统，保障系统中悬浮载体充分流化。

BFM-M段尺寸11.7 m×11.5 m，高7.5 m。包含2台混合池立式搅拌器，采用无极变速，功率1.5 kW；2台磁种加载池立式搅拌器，采用无极变速，转速可调，功率2.2 kW；2台絮凝反应池立式搅拌器，采用无极变速，转速可调，功率2.2 kW；2套中心传动污泥浓缩机，直径5 m，功率1.1 kW；污泥回流泵2用1备，扬程12 m，功率3 kW；剩余污泥泵2用1备，扬程12 m，功率1.5 kW；污泥排放泵1用1备，扬程12 m，功率2.2 kW；高剪机2台，流量10 m³/h，功率1.5 kW；磁分离机2台，流量10 m³/h，功率4 kW；斜管及出水系统1套。

3. BFM段示意图
   Fig.3 Diagram of BFM

③ 鼓风机房与加药系统

鼓风机房与加药系统尺寸9 m×6 m，高6 m。本工程按1万m³/d的规模，新增设备3台罗茨风机，2用1备，流量18.5 m³/min，功率55 kW；1套PAC加药系统，配套PE储罐、磁翻板液位计、计量泵、安全阀、背压阀、Y 型过滤器、脉冲阻尼器、不锈钢支架及控制系统等；1套一体化PAM溶解加药装置，涵盖一体化三槽式设备、搅拌电机2台、PAM加药螺杆泵3台（2用1备、流量250 L/h、功率0.75 kW）和变频控制系统。

④ 连续砂滤池

原提标工程连续砂滤池土建已按远期2万m³/d建设完成，设备按1万m³/d规模设计，本工程按1万m³/d新增设备。滤砂300 t，粒径1~1.6 mm，高品度硅砂，至少95%含硅石两，表面饱满，干燥时比重不小于2.5，砂粒偏离度小于10%，灰埃含量小于0.5%，一致度系数小于1.4。连续砂滤器12套，过滤面积6 m³/套，不锈钢材质。混合搅拌器1套，功率5.5 kW。

⑤ 中途提升泵房

本项目中途提升泵房用来提升 BFM 池出水至连续砂滤池以满足后续污水处理流程及竖向的衔接要求。新增潜污泵1台，流量600 m³/h，扬程7 m，功率22 kW。手动闸阀、微阻缓闭止回阀和双法兰限位伸缩器各1台，规格均为DN350、PN10。

4结语

江西某污水处理厂扩容项目充分挖掘现有工程潜力，采用BioFIMag工艺在仅余 0.66 ha的土地上实现了1万m³/d的新建扩容，新建细格栅、沉砂池、鼓风机房、BioFIMag高密度生物膜区和强化膜分离区。该工艺投资运行成本低、改造周期短、运行高效稳定，改造后出水各项指标能够稳定排放标准，实现经济、社会、生态效益的共赢。

参考文献

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