深圳市南山污水处理厂除磷脱氮工艺介绍

罗万申 　聂福胜
(中国市政工程西南设计研究院，四川成都 610081 )

　　摘要 深圳市南山污水厂是该市污水排海工程的重要组成部分，也是深圳市排水规划中最大的一座污水处理厂，根据环境珠江口海域环境要求，其出水指标要达到较高的除磷脱氮标准。本文简要介绍了该污水厂的工程概况、原污水水质及处理目标、工艺方案的选择、主要理构筑物的设计参数。
　　关键词 污水处理厂；除磷脱氮；MUCT工艺；Trans-Flo二沉池；设计

1 工程背景及概况

　　深圳市污水排海工程是将福田区皇岗路以西的城市污水，通过污水管道系统输送至南山污水处理厂，经一级（沉淀）处理后，用水泵加压送到妈湾的工作井、进入海洋放流管经扩散器排至珠江口伶汀洋海域。污水排海工程已于1997年正式投入运行，对减轻珠江口海域的水质污染发挥了积极的作用，而深圳市南山污水处理厂则是污水排海工程的重要组成部分。
　　深圳市污水排海工程实施十多年来，南山地区的污水水质和受纳海域的环境都发生了较大的变化。为了针对珠江口海域水环境现状和深圳市污水的水质情况，进一步核实受纳海域的环境容量、排海工程对珠江口污染负荷的实际贡献率及其允许排放量，深圳市给排水工程建设指挥部于1998年委托有关单位做了《深圳市污水排海工程环境影响回顾分析报告》，从环保角度对排海工程的建设、运行和污染控制提出建设性意见。该报告提出了污染物排放总量控制的概念，要求随着排海污水量的增加，排海工程应逐步增加对污水的处理程度，也就是说，南山污水处理厂要逐步实施除磷脱氮工程。
　　为此，中国市政工程西南设计研究院承担了南山污水处理厂的除磷脱氮工程及中水利用工程的设计工作。南山污水处理厂除磷脱氮工程总规模为73.6万m³/d ，包括中水利用及污泥处置在内的设计用地总面积为34.30 ha。

2 设计进出水水质指标

2.1 原污水水质
　　根据《深圳市污水排海工程环境影响回顾分析报告》进行的大量调查、统计资料，南山污水处理厂设计进厂污水水质为：
　　BOD₅　　　　　　　　　　　　　　 150 mg/L
　　COD_Cr　　　　　　　　　　　　　　300 mg/L
　　SS　　　　　　　　　　　　　　　 150 mg/L
　　无机氮（以NH₃-N为主）　 　　　 　40 mg/L
　　活性磷酸盐　　　　　　　　　　　　3.5 mg/L
2.2 处理后污水水质指标
　　依据《深圳市污水排海工程环境影响回顾分析报告》要求，为确保不致引起控制范围外的海域水质降级，排海工程的主要污染物要实行总量控制：
　　COD_Mn　　　　　　　　　　　　　　≤74 t/d
　　活性磷酸盐　　　　　　　　　　　　≤1.12 t/d
　　无机氮　　　　　　　　　　　　　　≤7.48 t/d
　　大肠菌群　　　　　　　　　　　　　≤3.19´10¹⁵个/d
　　按照排海工程的总规模（也就是南山污水处理厂的规模）为73.6万m³/d进行折算计算，处理后污水应达到的排放标准见表1。

表1 南山污水处理厂排放控制指标 污染物种类 污染物控制总量 污水排放浓度 COD_Mn 74.00（t/d） 100.54（mg/L） 活性磷酸盐 1.12（t/d） 1.52（mg/L） 无机氮 7.48（t/d） 10.16（mg/L） 大肠菌群 3.19×10¹⁵（个/d） 4.34×10⁶（个/L）

3 工艺方案

3.1 污水处理工艺方案
　　根据南山污水处理厂进厂污水水质和处理后污水排放指标，南山污水厂污水处理厂的重点处理项目为无机氮（以NH₃-N为主）和活性磷酸盐两项。重点处理项目要求的去除率见表2。

表2 重点处理项目要求的去除率 污染物种类 进水浓度
(mg/L) 出水浓度
(mg/L) 去除量
(mg/L) 去除率
(%) 无机氮
（以NH₃-N计） 40.0 10.0 30.0 75.0 活性磷酸盐 3.5 1.5 2.0 57.1

　　由此可见，南山污水处理厂的处理程度应该全面满足对营养盐去除的要求，相比之下去除无机氮的要求更严。
　　因此，在综合考虑国家现行产业技术政策对污水处理工艺的限制、环境要求达到的污染物去除率、运转经济性、工程的分期建设、污泥处置等因素后，南山污水处理厂宜采用强化二级处理工艺。在工程设计中主要研究了具有生物除磷脱氮功能的MUCT、Step Feeding和A/A/O等工艺后，经过技术经济比较，决定采用具有生物除磷脱氮功能的MUCT工艺。
　　MUCT工艺示意图见图1。

　　南山污水处理厂采用的MUCT工艺与常规的MUCT工艺的区别在于：
　　（1）厌氧区和缺氧区表分成多格，采用串联的完全混合单元，以期获得较高的效率。
　　（2）原污水不是全部进入厌氧池，而是根据除磷和脱氮的实际需要，使得原污水中的碳源一部分进入厌氧池用于除磷、另一部分进入缺氧池用于脱氮。
　　（3）可以在不同的季节，也可以根据不同的进水碳氮比，将一个或二个缺氧单元转换为好氧单元（即将图1中的Ax3和/或Ax4单元转化为好氧单元Ae），即使是在冬季也能保证硝化效果，以便达到令人满意的脱氮目的。
　　MUCT工艺，在分期建设和运转管理方面更具有如下的灵活性：
　　（1）对于不同的进水水质，MUCT可以调节分配至厌氧段和缺氧段的进水比例，以便同时为生物除磷和生物脱氮提供最优的碳源。
　　（2）在不同季节，可以对缺氧区和好氧区的比例进行季节性的调整，增加了运转管理方面的灵活性。
　　（3）污泥回流采用的是二级回流，回流污泥在第一个缺氧单元内就消耗掉了溶解氧和硝态氮，再将污泥回流至厌氧段，就能做到硝态氧的零回流，保证了厌氧池的厌氧状态，从而可以减小厌氧池的容积、提高生物除磷效果。
　　（4）根据实际水质情况，也可以直接将活性污泥回流至厌氧段，此时可以省掉第二级回流、节省能耗，使MUCT按A/A/O方式运行，甚至污泥二级回流设施可以缓建。
　　（5）不再像UCT工艺那样需要根据进水TKN/COD比值对回流硝酸盐量进行实时控制。
3.2 污泥处理方案
　　南山污水处理厂除磷脱氮工程实施后，剩余污泥产量将比单纯的一级处理有所增加，利用现有污泥脱水间，采用更换或增加污泥脱水设备的方法已无法满足污泥处理要求。现阶段的污泥处理工艺仍然采用生污泥直接脱水的方式，仅为今后的污泥处置与综合利用工艺提供预留场地，但是现有污泥处理方案必须能够适应今后可能出现的污泥处置方式。因此污泥处理设计的总体思路是，在污泥消化或其他污泥处置工艺实施之前，污泥处理采用直接脱水的方式；当污泥消化或其他污泥处置措施实施时，为了减少待处置污泥的体积，将一步化污泥机械脱水处理改为污泥机械浓缩和机械脱水分段进行的方式运行，即一部分仍然作为污泥脱水机使用，而将另一部分污泥脱水机改为污泥浓缩机使用（必要时增加部分新的机械），这样就可以满足近远期工程的不同需要。
　　南山污水处理厂的污水处理及污泥处理工艺流程见图2。

4 主要构筑物设计

　　南山污水处理厂分二套系统进行建设，第一套系统规模为35.2万m³/d，目前已建成一级处理部分，第二套系统的建设规模为38.4万m³/d，包括一级处理在内的整个系统都需要建设。下面主要介绍第二套系统主要构筑物——MUCT生化池、Tans-Flo二沉池和污泥处理构筑物的设计。
4.1 MUCT生化池
　　MUCT生化池设计规模为38.4万m³/d，峰值系数采用1.2，共设2组，每组分2座。单座尺寸L×B×H=99.65m×104.80m×7.20m，有效水深6.50m。
　　主要设计参数如下：
　　·停留时间t=8.27 h（其中厌氧段t₁=1.11 h，缺氧段t₂=2.34 h，好氧段t₃=4.82 h）
　　·污泥负荷F_w=0.135 kgBOD₅/kgMLSS·d
　　·混合液浓度N_w=3～3.5 gMLSS/L
　　·污泥泥龄：夏季θ=10 d，冬季θ=15 d
　　·一级污泥回流比：RAS1=77%、二级污泥回流比：RAS2=105%
　　·曝气池混合液回流比：R₃＝250%
　　·最大需气总量：Q_max=2070 m³/min、最大气水比：7.8:1
　　MUCT生化池包括厌氧段、缺氧段和好氧段。每座池分为完全混合的2格厌氧单元和4格缺氧单元以及推流式好氧单元。通过变频调速泵来调整各段混合液及污泥的回流比以适应各种水质条件下对除磷、脱氮的处理效率的要求。同时在最后两格缺氧单元布置了曝气管以增强曝气池硝化功能的灵活性，在推流式曝气池按需氧量分布情况布置曝器。
4.2 二沉池
　　经过对矩形池与圆形池的技术经济比较，矩形沉淀池具有池子个数少、日常的运转管理方便，水头损失小（0.65 m）、可以降低污水处理的能耗，布置紧凑、占地面积较小等优点。但是传统的矩形沉淀池存在着出水堰上负荷较大、指型槽会妨碍机械刮泥等不利因素，因此采用Trans-Flo这种新型平流式矩形二沉池。
　　Trans-Flo矩形二沉池的进水槽和出水槽均设在沿着沉淀池长度方向的同一侧，其工作原理类似于周进周出圆形二沉池，能够较好地解决矩形沉淀池的出水堰上负荷较大的问题，并且这种池型可以采用较大的表面负荷。
　　二沉池设计规模为38.4万m³/d，峰值系数K_Z=1.3，设计表面负荷q=1.00 m³/m²·h。
　　二沉池共2组，每组9格，单格宽度11.00 m，沉淀区长度为81.00 m。有效水深3.60 m，总深4.00 m。单组沉淀池平面尺寸为88.05´102.26 m。刮泥采用链式刮泥机，排泥采用穿孔管排泥，在污泥回流比R=0.77的情况下，排泥浓度为0.6～0.8%。
4.3 紫外线（UV）消毒系统
　　污水厂出水采用紫外线消毒技术，处理水量为38.4万m³/d，峰值系数为1.3。
　　紫外线消毒系统设计进水水质按二级生物处理出水考虑，设计最不利悬浮物浓度为20 mg/L，紫外线设计穿透率为60%。消毒后出水指标按照《污水海洋处置工程污染控制标准》（GWKB 4-2000）中规定的粪类大肠菌群的排放浓度限值为20个/mL进行设计。
　　紫外线消毒设备采用引进设备，带灯管外套自动清洗系统。
4.4污泥浓缩脱水间
　　除磷脱氮工程实施后，污水厂最终规模将达到73.6万m³/d，总剩余污泥量为100000 kgDS/d（100 tDS/d）。
　　浓缩脱水间内设卧螺式离心浓缩脱水机（Q=85 m³/h，N=110+30kW）8台，近期（38.4万m³/d规模）安装4台，对污泥进行一步化直接浓缩脱水，出泥含固率≥22%。上述8台污泥脱水机在现阶段按一步化直接浓缩脱水的方式运行，为适应今后进行污泥稳定处理或污泥处置的需要，到时也可改成浓缩与脱水二段式运行。
　　根据深圳市现有污水厂的管理运行方式，夜间或暴雨时不便外运污泥，若以传统泥棚的方式解决污泥存储问题，不但会造成二次污染而且还会增加工作量。因此，本设计采用储泥罐系统。共设输泥泵及储泥罐4套，近期安装2套，单罐储量200 m³。

5 工艺设计特点

　　（1）在整个工艺设计过程中，始终贯穿技术先进、安全可靠、运行管理方便的思想。既要做好大系统，又要处理好每一个构筑物的细节，可操作性强。
　　（2）采用了以MUCT生化单元为主体的除磷脱氮工艺。该工艺对污水水质（碳氮比）的变化适应能力强，运行管理灵活，既可按MUCT方式运行，也可以A/A/O工艺和改良A/A/O工艺运行。
　　（3）在大型污水厂中首次采用Trans-Flo式的矩形平流式沉淀池，其原理类似于周边进水周边出水的圆形沉淀池，但矩形池具有池子个数少、运转管理点少、水头损失小（0.65 m）、布置紧凑、占地面积较小等优点。
　　（4）污泥处理方式灵活，近远期结合好。在污泥存储方面采用了储泥罐系统新技术。
　　（5）本工程在出厂水消毒方面做了积极的探索，在国内大型污水厂中率先采用UV消毒系统。

第一作者 罗万申，男，中国市政工程西南设计研究院总工程师，教授级高级工程师。
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