1、工程概况
山东省北部某沿海地级市经济技术开发区现状生活污水主要通过泵站输送至开发区工业污水处理厂，该地区近年来进行了污水管网改造，生活污水收集量逐年增加，原工业污水处理厂的处理规模无法满足要求，因此开发区决定专门建设1座生活污水处理厂。该污水厂设计规模远期为1×104m3/d，近期为0.5×104m3/d，变化系数Kz=1.58，占地约2.29hm2，总投资约5055万元。污水厂效果图见图1。
2、进、出水水质及工艺选择
本工程主要收集开发区生活污水，为准确预测进水水质，选取该片区内几个典型小区与生活污水泵站的水样进行测定，通过取样分析以及《污水排入城镇下水道标准》（GB/T31962—2015）综合确定本次设计进水水质，同时根据当地环保要求，出水主要指标COD、TP、氨氮需达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅳ类标准，TN≤12mg/L，其余指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准。本次工程设计进、出水水质见表1。
由表1可知，本地区水质的典型特征是低碳高氮，TN较高，BOD5相对较低。经分析可能是由于该地区沿海，饮食中海鲜类食物较多，生活污水中TN及氨氮较高；同时地处工业园区，可能会有部分工业废水混入，导致TN较高；另外本片区雨污分流改造尚未全部完成，管网中地下水入渗及雨水混入导致进水BOD5较低。由于COD、TP的出水标准较为严格，故COD和TP也是本次设计的重点和难点。
结合上述水质分析，本次工艺选择如下：
①对COD和BOD5的去除。本工程进水B/C=0.4，可生化性较好。常规市政污水采用各类改良A2O工艺配合深度处理，出水COD能达到30~40mg/L左右。由于污水厂尾水的受纳水体属于当地的重点监控河流，需增设高级氧化处理工艺进一步去除COD，保障最终出水COD及BOD5稳定达标。
②对TN的去除。本工程设计进水TN为110mg/L，出水TN≤12mg/L，去除率要求大于89%。进水C/N=1.09，碳源明显不足。生化处理主工艺段需选择脱氮能力强、节省碳源的处理工艺，而根据Bardenpho工艺原理，多级AO的理论TN去除率可达90%~95%。研究表明，北京等地污水处理厂采用多级AO工艺，TN去除率为85%~88%；西安某污水厂单独应用多级AO，TN去除率约为80%。因此，本次生化主处理工艺选择多级AO，同时考虑进水TN波动，深度处理采用反硝化深床滤池作为TN达标的保障措施。
③对氨氮的去除。本工程氨氮去除率要求大于98.6%，在保证曝气量和好氧停留时间的情况下可以稳定达标。考虑冬季时生化池出水氨氮波动，在二沉池后增设接触氧化池进一步保障氨氮达标。
④由于生化池去除TP有限，后续深度处理采用除磷效果较好的磁混凝沉淀池。
⑤因为BOD5浓度低导致进水碳氮比较低，难以进行反硝化去除总氮，需额外投加碳源，本次选择25%的乙酸钠溶液作为外加碳源。⑥因进水水量及水质有一定波动，污水厂工艺流程中需设置多段超越管线，根据进水水质及实际运行情况进行灵活调整，从而降低污水厂的运行成本。
3、工艺设计
3.1 工艺流程
污水处理工艺流程见图2。
3.2 主要构筑物及设备设计参数
3.2.1 预处理构筑物（规模为1.0×104m3/d）
①粗格栅：去除污水中的较大漂浮杂物以保证后续处理构筑物的正常运行。池数1座，设计流量Qmax=658.3m3/h。主要设备为渠宽700mm、栅缝25mm的回转式粗格栅2台，互为备用。
②提升泵站：提升污水以满足后续污水处理流程竖向衔接的要求，实现重力流动顺序处理污水。池数1座，设计流量Qmax=658.3m3/h。近期设置3台水泵，2用1备，Q=220m3/h，N=18.5kW，远期增加2台。
③细格栅及曝气沉砂池：进一步去除污水中细小悬浮物，降低生物处理负荷，以保证后续处理流程的正常进行。池数1座，设计流量Qmax=658.3m3/h。旋转细格栅渠宽1000mm、栅缝5mm，共两条；曝气沉砂池1座，分两格，停留时间4.5min，配备桁车式吸泥机1台（单格宽2m）。
3.2.2 调节构筑物（规模为0.5×104m3/d）
因污水厂服务区域雨污分流改造未全部完成，管网中可能混入部分工业废水，影响运行，且污水厂排放水体标准较高，故增加调节事故水池，提高安全系数。池数为近期、远期各1座，总尺寸为38m×22m×6.9m。其中事故水池（与调节池合建）分两格，停留时间16h，设置排水泵2台，Q=70m3/h，N=5.5kW。调节池的停留时间为8h，设置排水泵3台，Q=70m3/h，N=5.5kW。
3.2.3 二级生化处理构筑物（规模为0.5×104m3/d）
①综合生化池：集厌氧、多级AO+二沉池+后置生物接触氧化池于一体，利用生化池内各类微生物降解污水中的有机物、氮和磷。池数为近期、远期各1座。单座设计流量Qave=210m3/h，总尺寸为66m×25m×6.3m。综合生化池示意见图3，工艺参数见表2。
生化池内回流设计如下：为提高释磷效率，设从一级缺氧池至预缺氧池/厌氧池的回流，采用PP泵（1台），回流比为100%；为提高脱氮效果，设从一级好氧池至一级缺氧池的回流，采用PP泵（1台），回流比为400%。
二沉池设计如下：尺寸为10m×25m×5.8m，HRT=5.6h，表面负荷为0.875m3（/m2·h），配备刮吸泥机1台，污泥泵1台，Q=105m3/h，N=3.0kW。
接触氧化池设计如下：HRT=2.8h，配备组合生化填料V=366m3，穿孔曝气管1套。其进水渠前设置超越渠道，当前段氨氮出水达标时可进行超越。
②乙酸钠投加系统：平均进水量约为5000m3/d，平均进水COD为300mg/L、BOD5为120mg/L。进水TN为110mg/L，未加碳源时平均去除40mg/L，出水按照11mg/L计算，则外加碳源去除TN约为59mg/L，要实现完全反硝化，需满足BOD5/TN≥3，而1mg乙酸钠产生0.52mgBOD5，因此乙酸钠投加量约为340mg/L。反硝化滤池设计投加量为30mg/L，多级AO池根据理论计算及污水厂运行实践，确定三级缺氧池的碳源投配比为2∶1∶1。因此，需纯乙酸钠约1.70t/d，需25%的乙酸钠溶液6.81t/d。
③鼓风机房：因污水厂水量及水质存在波动，磁悬浮鼓风机采用大小机型搭配设计。鼓风机1数量1台，Q=30m3/min，P=65kPa，N=50kW；鼓风机2数量2台，1用1备，Q=58m3/min，P=65kPa，N=75kW。根据生化池中溶解氧浓度调节鼓风机的运行台数和送风量。当进水流量低或TN浓度较低时，启动鼓风机1，变频控制；当进水流量高或TN浓度较高时，启动鼓风机2，变频控制。
3.2.4 深度处理构筑物（规模为0.5×104m3/d）
①磁混凝沉淀池：利用可循环的磁种，增强絮凝反应，沉淀去除水中悬浮物和总磷。土建按照1×104m3/d建设，设备按照近期0.5×104m3/d实施。总尺寸为16.4m×8.1m×6.30m，1座2格，由T1池、T2池、T3池、高效澄清池组成。表面负荷qave=8.33m3（/m2·h）。配套搅拌机、刮吸泥机、高剪机、磁分离器等设备。
②反硝化深床滤池：通过滤池的反硝化及过滤作用，进一步去除SS和TN。设计流量Qave=208.3m3/h，总尺寸为15.9m×14.9m×6.70m，1座3格，单格尺寸为5.8m×2.9m×6.70m。滤池清水池、废水池与远期滤池合用。有效滤料总体积92m3，单格过滤面积16.82m2，总过滤面积50.46m2，设计滤速4.13m/h，强制滤速6.20m/h，硝态氮去除负荷为0.81kg/（m3·d）。
③臭氧催化氧化池+循环泵房：本工艺段内臭氧与污水充分混合，利用池内催化剂作用在混合污水中产生羟基自由基，进一步去除水中难降解有机物，设计最高去除COD为10mg/L。总尺寸为16.8m×4.35m×7.4m，停留时间2.0h，臭氧池内配备均相催化反应器1台，循环泵房配备Q=60m3/h、N=7.5kW、H=240kPa的卧式离心泵3台（2用1冷备）。臭氧设计投加量为14~28mg/L。
④臭氧发生间：总平面尺寸为19.8m×7m，房高5.50m。采用臭氧发生器2台（1用1备），臭氧产生量为3kg/h，N=25.5kW。
⑤接触消毒池+巴氏计量槽：存储中水及消毒，并进行出水计量。设计规模为1.0×104m3/d，消毒剂采用次氯酸钠。总尺寸为18.0m×6.5m×4.4m，停留时间0.7h。
4、运行效果及技术经济分析
4.1 运行效果及分析
该工程于2019年7月1日开工，2021年6月18日完成竣工验收，2021年8月开始系统的试运行和调试，采用24h连续运行。2021年—2022年，本工程平均进水量为4200m3/d。2021年8月—2022年7月平均进、出水水质监测数据见表3。
①由表3可知，污水厂现状出水水质良好，COD、NH3-N、TP已经稳定达到地表水Ⅳ类标准，TN稳定在12mg/L以下。目前污水厂已经通过相关部门验收，获得了良好的社会效益和环境效益。
②进水水质的最大特点是低碳高氮，进水TN高达110mg/L，而BOD5较低。选择脱氮效率较高的多级AO工艺，能保证在生化段最大程度进行反硝化脱氮。从运行反馈来看，生化池出水TN基本降至12mg/L以下，减轻了后续深度处理脱氮负荷，降低了生产成本。
③深度除磷采用磁混凝沉淀池，从运行效果来看，出水水质良好。在部分时段进水TP超过设计指标的情况下，通过增加投药量等措施可以保证出水TP达标。
④进水虽然为生活污水，但是出水指标较严格。从近一年污水厂运行数据来看，磁混凝沉淀出水COD约30mg/L，不能稳定达标，需通过臭氧催化氧化作用进一步降解COD，在投加设计臭氧量的情况下，可以保证出水COD稳定达标。
⑤鉴于污水厂水质、水量存在一定波动，因此在设计过程中，深度处理各单体均设置了超越管线，可根据运行情况灵活选择。从实际运行情况来看，这些措施对降低污水厂能耗、节约生产成本效果显著。
4.2 工程投资及运行费用
工程总投资5055万元，单位总成本8.7元/m3，单位经营成本7.08元/m（3按照最不利设计水质计算），其中药剂费3.78元/m3，电费1.3元/m3，污泥处理费0.1元/m3，管理维修费1.9元/m3。自正式运行以来，根据进水水质、水量变化，及时调整工艺参数，合理超越某些深度处理单体，运行成本得到有效降低。根据该污水厂近一年的运行数据统计，现平均运行成本约4.2元/m3。
5、结论
①对于低碳高氮污水的处理，应尽量选用脱氮效率高的生化处理工艺（多级AO、Bardenpho等），使TN在生化池尽可能达标，后续反硝化深度处理可作为保险措施，降低运行成本。
②磁混凝沉淀池对TP去除效果显著，在高排放标准下，可作为污水厂TP达标排放的深度处理措施。
③一年的运行实践表明，本工艺技术成熟、处理效果稳定，而且操作灵活、运行可靠，对相关类型的污水处理有很好的借鉴意义。（来源：山东省城建设计院，山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，诸城市市政公用事业服务中心）
