基于数字智能化的城镇污水处理技术及方法探究

基于数字智能化的城镇污水处理技术及方法探究

牟华倩，雷双健

金华市水处理有限公司，浙江 金华 321016；杭州山屿源环保科技有限公司，浙江 杭州 310000

摘要 针对浙江省出台的DB 33/2169-2018《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》，介绍了浙江某城镇污水处理厂的多工艺模式（SBR、MSBR和倒置AAO）+物化法的工艺流程和主要构筑物参数，采用智能化运行模式，包括精确曝气系统、自动加药系统及在线监测仪表，精准调控工艺参数，汇总分析了出水主要污染物的去除效果，对整体运行效果进行分析评价。说明了在现执行排放标准高于设计标准的情况下如何实现出水达标排放和节能降耗。

关键词 DB 33/2169-2018；城镇污水处理厂；智能化运行；节能降耗

Research on urban sewage treatment technology and method based on digital intelligence

MOU Huaqian (Jinhua water treatment Co.,Ltd. Jinhua Zhejiang 321016)

Abstract:For the standard of DB 33/2169—2018 introduced in Zhejiang Province, multi-process modes (SBR, MSBR, and inverted AAO) + physical and chemical methods of a municipal sewage treatment plant in Zhejiang were introduced. Using intelligent operation mode, including precise aeration system, automatic dosing system and online monitoring instruments, precise control of process parameters. The process flow and main structure parameters summarized and analyzed the removal effect of the main pollutants in the effluent, and analyzed and evaluated the overall operation effect. Explained how to achieve effluent up to standard discharge and saving energy and reducing consumption when the current implementation discharge standard is higher than the design standard.

Keywords:DB 33/2169—2018; sewage treatment plant;intelligent operation; reduce energy and consumption

2016年浙江省某城市针对集中式污水处理厂提出了氨氮为1.0 mg/L和总磷为0.35 mg/L的地方标准，2018年该省又出台DB 33/2169-2018《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》[1]，总磷、总氮指标分别为0.3 mg/L、12 mg/L。浙江省某城镇污水处理厂设计日处理污水规模为24万吨，分三期建设，每期8万吨。工艺模式和设计排放标准分别为：一期SBR工艺，排放执行GB18918—2002一级B标准[2]。二期改良SBR工艺，执行GB18918—2002一级A标准。三期工程按GB18918—2002一级A排放标准设计，采用倒置AAO工艺。该厂引入精确曝气、PAC自动加药等过程动态控制系统，实现工艺智能优化。

建设年代久远的污水处理厂普遍存在涵盖多种生化工艺的现状，如何在排放标准不断提高，工艺相对落后的情况下精准调控工艺参数实现达标排放和节能降耗的文献鲜有报道。本文引用的案例涵盖SBR、MSBR和倒置AAO三种不同生化工艺，且引入智能控制技术，论述了该厂针对新出台的地方标准，结合2019年生产运行数据，对运行效果进行分析，为其他污水处理厂应对新标准提供实际运行经验。

1 水质标准与工艺流程

1.1水质标准

该污水处理厂设计进水水质指标和排放标准见表1。

表1 设计进水水质指标和排放标准

Tab.1 Design influent quality standard and effluent discharge standard

1.2工艺流程

多模式生化法+物化法工艺流程图见图1。纳管范围内排水户排放的生活污水及工业废水，经预处理达到纳管标准后，经市政污水管网收集和提升泵站提升进入该厂。预处理采用粗格栅+细格栅+曝气沉砂池工艺。二级生化处理采用一期SBR，二期改良SBR，三期AAO工艺。三级深度处理采用高密池+纤维转盘滤池+紫外/次氯酸钠消毒工艺。剩余污泥采用重力浓缩+板框/离心脱水+外运处置的方法。

图1 污水处理工艺流程总图

Fig.1 General diagram of sewage treatment process

2主要构筑物及参数

2.1生化池

一期SBR生物池为矩形钢筋砼结构，分为二座，采用完全混合式SBR生物池，设四个反应模块，每个模块包括二个池子，二个池子作为一个模块同时并列启动。在每个池前端设兼氧池，池内设有搅拌和穿孔管搅拌系统。主要设计参数：泥龄为15 d，MLSS为5500 mg/L(最低水位3.42m时)，4200 mg/L(最高水位5.5m时)，池总容积为49613 m3，兼氧池容积为3456 m3，曝气区容积为40320 m3，池水深为6.0 m，污泥回流比为20%。微孔曝气器共15840个，每个供气量为4 Nm3/个·h。污泥回流泵共8台，每台功率3kW。

二期MSBR池采用2组MSBR系统，设计尺寸为66.9×57.8×6.9(8.9)m，水深6~8 m。泥龄为8.55-12.81 d，MLSS为2200-4040 mg/L，污泥负荷为0.11-0.165 kgBOD5/kgMLSS▪d，污泥回流比为150%，混合液回流比为150%，浓缩污泥回流比为50%，水力停留时间14.32 h。MSBR运转周期分为6个时段，3个时段组成一个半周期，半周期持续120min，各时段的持续时间为时段1（曝气）：5 min；时段2（搅拌）：25 min；时段3（沉淀）：90 min。

三期为多模式AAO池，设计MLSS为3500 mg/L，污泥负荷为0.071 kgBOD5/kgMLSS▪d，污泥回流比为100-150%，混合液回流比为150-200%，停留时间为14.5 h。倒置AAO模式为70%-50%污水进入厌氧池，提供除磷所需碳源，30%-50%污水进入缺氧池，提供反硝化所需碳源，回流污泥进入缺氧选择池进行反硝化反应，去除其中的溶解氧及硝酸盐氮，然后进入厌氧区，保证厌氧区的厌氧效果，提高系统的除磷能力，形成分点进水倒置AAO法。

2.2高密池

二期高密池收集一期二期生化出水，共一座池，每座分为三组，尺寸为28.6×47.4×6.15m。混合时间53 s，絮凝时间13.4 min，设计表面负荷13.7 m3/m2▪h。PAFC作为液体除磷药剂，采用自动加药系统，投加量为300-600 L/h。PAM作为絮凝药剂，投加量约50 kg/d。

三期高密池收集三期生化出水，混合池尺寸为3.0×3.0×7.2 m，停留时间1.8 min，絮凝时间17.2 min，设计表面负荷12.0 m3/m2▪h。PAFC投加量为60-150 L/h。PAM作为絮凝药剂，投加量约25 kg/d。

2.3纤维转盘滤池

二期纤维转盘滤池收集二期高密池出水，共一座池，每座分为三组，尺寸为12.0×18.9×4.70 m。设计进水SS≤20 mg/L，出水≤10 mg/L，滤速≤15 m3/m2▪h，有效过滤面积806.4 m2，瞬时反洗面积0.25 m2。

三期纤维转盘滤池收集三期高密池出水，共一座池，每座分为两组，每组18片滤布，每组平均处理量45000 m3/d，高峰流量为58500 m3/d。

3智能化控制系统

3.1曝气控制系统

曝气控制系统（BACS, Bio-process Aeration Control System）是根据接收到的溶解氧设定值，自动对鼓风机、空气阀门等设备进行控制，最后使得当前溶解氧稳定在设定值周围，实现曝气量的精准控制，节省电耗[3-4]。

基于BACS对工艺类型具有选择性，该厂二三期好氧池采用该系统。

3.2自动除磷加药系统

自动除磷加药系统是后置化学除磷的实时自动控制装置。它主要由化学除磷实时控制模块、正磷酸盐分析仪、采样预处理系统、数字控制器、在线流量计、计量泵等组成。化学除磷实时控制模块是该系统的核心部件，利用内置的数学模型计算程序自动对进水流量和正磷酸盐测量值两个输入信号进行计算，将计算出的加药量作为输出控制信号对计量泵进行自动控制，并保证磷达标的情况下使处理药剂消耗量最小化[5]。

4运行效果分析

4.1进水水质情况

该污水处理厂来水主要为该市的生活污水并含有部分工业废水。2019年全年进水水质指标浓度见表2。

表2 2019年进水浓度

Tab.2 Influent concentration of 2019

表2数据表明，2019年度进水COD均值为213 mg/L，BOD为51.6 mg/L，B/C比值为0.24<0.3，BOD/TN比值为1.95<4，BOD/TP比值为17.4，进水可生化性较差、碳氮比偏低，投加50%浓度的乙酸作为外加碳源强化生物脱氮。碳磷比适中，除磷工艺以生物除磷为主，后置化学除磷为辅。

4.2 COD去除效果

2019年全年COD的去除效果见表3。

表3 COD去除效果

Tab.3 COD removal efficiency

由表2可知，该污水处理厂COD平均出水浓度为24.3 mg/L，去除率为88.0%。其中，一期、二期、三期出水浓度分别为31.4 mg/L、32.3 mg/L、25.6 mg/L，去除率分别为84.5%、84.1%、87.4%。

厌氧环境下，反硝化聚磷菌能将VFA输入细胞最终转化为PHA储存在菌体内[6]；好氧环境下，好氧细菌对污染物进行降解，好氧池和厌氧池共同承担了COD的去除[7]；缺氧环境下，反硝化菌需以COD为电子供体实现反硝化脱氮过程从而对COD有一定去除效果[8]。三期倒置AAO池HRT充足，厌、缺、好氧池均可实现充分的COD降解过程，出水可稳定达到浙江地标30 mg/L。因一二期HRT偏短，设计标准落后，无法稳定达标现有标准，尤其在低温季节，微生物活性降低，生物代谢速率、耗氧速率明显减慢。

该厂采取降低一二期日处理量至6-7万吨，提高三期日处理量至8.5-9万吨，生化段出水混合经过深度处理可实现达标排放。

4.3 NH3-N去除效果

2019年全年NH3-N的去除效果见表4。

表4 NH3-N去除效果

Tab.4 NH3-N removal efficiency

由表3可知，该污水处理厂NH3-N平均出水浓度为0.35 mg/L，去除率为98.1%。一期、二期、三期生化段出水浓度分别为0.46 mg/L、0.49 mg/L、0.34 mg/L，去除率分别为97.5%、97.4%、98.2%。由于氨氮的去除主要依靠硝化细菌在好氧段的硝化作用，好氧池的水力停留时间直接影响硝化反应及氨氮的去除能力

[8]。亚硝化菌和硝化菌将NH3-N转化为NO2-、NO3-，同时，在异养反硝化菌作用下，NH4+-N也可作为电子受体接受NO3--N给出的电子，已达到氨氮的去除[9]。

对好氧HRT最短的一期SBR工艺采取增加污泥浓度和曝气量的方法，以增加硝化菌数量和氧气浓度，提高硝化反应速率。二期改良SBR工艺好氧HRT为5h，按设计指标运行很难达到地方标准，因此采用增加污泥浓度提高硝化菌数量，增长SRT，以提高好氧硝化速率，采用精确曝气，DO设定4-6 mg/L，随污染物浓度变化鼓风机会自动调节风量，强化曝气但又不过曝，实现节能降耗。

三期倒置AAO工艺采用精确曝气系统，由于好氧池前端的污染物浓度较高，微生物的新陈代谢速率比较快，所需空气量较高；而好氧池的中后段可降解的有机物和氨氮浓度变低，所需空气量相应降低。因此按水流方向，整个生物池所需空气量应该是递减分布的。前端DO设定2.5 mg/L，末端设定2.0 mg/L。以三期运行为例，精确曝气系统运行效果如图2所示。

图2 BACS控制曲线

Fig.2 BACScontrol curve

由图2 可知，人工调整气量运行时，总风量长期维持不变且高于BACS计算值，浪费电耗、消耗碳源且污泥长期过曝易解体。在BACS控制下，人工设定DO值，风量会随进口氨氮仪表数据变化而实时调节，确保足量且不过量溶解氧含量。MLSS和DO控制秋冬季11-3月与春夏季4-10月控制参数见表5。

表5 MLSS和DO控制参数

Tab.4 Control parameters of MLSS and DO

4.4 TN去除效果

2019年全年TN的去除效果见表6。

表6 TN去除效果

Tab.6 TN removal efficiency

由表6可知，该污水处理处理厂一期、二期、三期二级处理出水浓度分别为9.99 mg/L、6.58 mg/L、7.23 mg/L，去除率分别为61.9%、74.8%、72.3%。一期SBR工艺没有明确的厌、缺、好氧阶段，进水阶段存在微量曝气，反硝化细菌和聚磷菌共同竞争污水中的碳源，进水协同曝气增加了混合作用，也消耗了部分碳源，尤其该厂进水碳氮比较低，反硝化效率不高，因而春夏季节期间一期生化池出水TN无法达到省标10 mg/L。此外，秋冬季节受低温天气影响，反硝化菌活性减弱，反硝化速率降低，11月平均浓度超过浙江省地方标准12 mg/L。

为此，该厂采取的应对措施为：①加大一期碳源投加量，提高进水BOD/TN比，增强生物反硝化脱氮反应。②二期三期多点进水，碳源投加点选择在缺氧池进水端，缺氧池进水比例提高至70%，为反硝化碳作用提供充足碳源，强化生物脱氮作用。③三期污泥回流至缺氧池，提高反硝化菌浓度，使反硝化菌聚磷菌可以充分存储PHA，有利于反硝化过程的进行。

4.5 TP去除效果

2019年全年TP的去除效果见表7。

表7 TP去除效果

Tab.7 TP removal efficiency

该厂采用生物除磷+后置化学除磷工艺，由表7可知，出水TP浓度全年均值为0.1 mg/L，平均去除率为96.5%。一二三期生化段出水TP浓度分别为：0.77 mg/L、0.97 mg/L、0.66 mg/L；去除率分别为74.5%、68.4%、77.7%。进水碳磷比达到生物除磷理论值，二期三期厌氧段进口不投加外加碳源，进水比例30%，完全依赖源水碳源实现生物除磷。经检测，二期三期厌、缺氧池内DO值为0.1-0.2 mg/L，传统专性好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌共同作用，在好/缺氧环境中实现过量吸磷，在厌氧环境中，将胞内聚磷酸盐以磷酸盐的形式释放到污水中，并合成PHA作为电子供体。

化学除磷过程引入自动加药系统，实现降耗约20%。以二期运行为例，自动加药控制曲线如图3所示。

图3 TP自动加药控制曲线

Fig.3 TP automatic dosing control curve

由图3可知，人工投加除磷药剂时，根据出水TP数据调整投加量，存在过量投加和调整滞后的问题。自动加药系统利用深度处理入口端磷酸盐仪表在线数据，实时调整药剂投加量，实现出水TP相对稳定在目标值0.15 mg/L附近，实现达标排放和节能降耗。

5 生产运行成本分析

2019年该厂生产成本（含电耗、水耗、药耗、污泥处置成本）为0.621元/吨，较上一年度节约11%。其中，电耗成本为0.248元/吨，碳源（乙酸）成本为0.153元/吨，液体除磷药剂成本为0.045元/吨，PAM成本为0.018元/吨，污泥处置成本为0.124元/吨。

6 结  论

该厂涵盖三种生化工艺模式（SBR、MSBR和倒置AAO），2019年全年数据表明，出水COD、NH3-N、TN、TP浓度分别为24.3 mg/L、0.36 mg/L、7.10 mg/L、0.10 mg/L，出水水质DB 33/2169-2018标准。

一期SBR和二期MSBR生化池设计标准为GB 18918-2002一级B和一级A，生化段出水COD、TN无法稳定达标，通过减少污水处理量，增加碳源、提高曝气量和污泥浓度的措施，与三期AAO工艺出水混合后实现达标排放。引入精确曝气、自动加药系统实现单位生产成本0.621元。

参考文献：

[1]DB 33/2169-2018,城镇污水处理厂主要水污染物排放标准[S].浙江:2018.

[2] GB18918—2002, 城镇污水处理厂污染物排放标准[S]. 北京:中国环境出版社,2002.

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[5]贾玉柱,  赵月来, 刘成钰, 等. P-RTC化学除磷智能实时控制系统在污水厂的应用[J].中国给水排水, 2019, 35(8):

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第一作者：牟华倩，女，1988年生，硕士，工程师，研究方向为水处理技术。

第二作者：雷双健，男，1988年生，硕士，工程师，一级建造师，注册环保工程师，主要从事废水净化处理。