1、工程概况

广东省某污水处理厂现状处理规模为6.0×104m3/d，一期工程3.0×104m3/d，于2005年8月份投入运行，二期工程3.0×104m3/d，于2011年1月份投入运行，出水执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准，现状污水处理工艺：进水→粗格栅及提升泵站→细格栅及旋流沉砂池→微曝氧化沟→二沉池→接触消毒池→出水。厂区污泥处理采用一体式带式浓缩脱水机，处理后污泥含水率不超过80%，外运处置。2022年污水处理厂启动提标扩容工程建设，处理规模从6×104m3/d提升至10×104m3/d，出水标准由一级B标准提升至准Ⅴ类地表水标准，其中COD、TP和NH3-N执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准，其余出水水质执行GB 18918—2002一级A排放标准及广东省地方标准DB44/26—2001《水污染物排放限值》中的第二时段一级标准中的较严值。

本次提标扩容工程无法征地，且厂内预留用地面积仅8 000 m2，现有预留用地仅能满足新建二沉池、深度处理工艺（磁混凝沉淀池-反硝化深床滤池）和污泥脱水间需求，氧化沟需采用原位提标扩容技术。

2、设计水质

考虑到该污水处理厂提标扩容工程将与厂外雨污分流改造工程同步实施，进水水质将会一定程度提高，且为改善受纳水体水质，该污水处理厂设计出水执行准Ⅴ类地表水标准，其中COD、TP和NH3-N执行GB 3838—2002中的Ⅴ类地表水标准，其余出水水质执行GB 18918—2002一级A排放标准及DB44/26—2001第二时段一级标准中的较严值。该污水处理厂改造前、后设计进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质

3、工艺路线分析

该污水处理厂进水主要为生活污水，实际进水水质均值的B/C≈0.37,C/N≈2.0,C/P≈17.2，进水可生化性较好，属于低碳氮比污水，污水处理需考虑同步脱氮除磷，同时兼顾COD的去除。

城镇污水处理厂提标扩容可从强化预处理、生化处理和深度处理等方面着手[1]，对于城镇污水处理厂而言，生化池为城镇污水处理厂占地面积最大的构筑物，大部分污染物的去除主要在生化系统内完成，因此，生化系统强化技术是实现生化系统原位提标扩容的关键。

目前污水处理厂常见的生化处理原位提标扩容工艺主要有高浓度复合粉末载体生物流化床技术（HPB技术）、MBBR工艺和MBR工艺。HPB技术可实现生化处理同步脱氮除磷，原位处理能力可稳定提升100%[2];MBBR工艺主要提高生化系统脱氮能力，原位扩容能力可达50%[3];MBR工艺原位扩容能力可提升100%[4]，但其电耗和药剂消耗较高。考虑本项目同步脱氮除磷并兼顾COD去除以及处理量原位提升66.7%的需求，同时考虑节约运行成本等因素，本项目生化处理推荐采用HPB技术进行原位提标扩容，解决本项目用地紧张问题。

HPB技术是对活性污泥法的强化，该技术采用微米级复合粉末载体在生化系统内形成全过程流化的泥膜共生系统，生物载体分离回收系统基于水力旋流分离原理，利用不同密度颗粒物的质量差进行分离，将剩余污泥中的载体及其附着的脱氮微生物回收后重新投加到生化系统，延长其污泥龄，其余悬浮聚磷菌及老化微生物从排泥口进入污泥脱水系统，缩短其污泥龄，从而形成“双泥龄”系统，同步提高生物脱氮除磷效率，增加单位池容处理效率，最终实现生化系统原位提标扩容[2,5]。

本项目预处理单元可以通过设备改造完成扩容要求。从用地和处理效果考虑，深度处理工艺采用占地省、出水效果好、运行稳定的“磁混凝沉淀池-反硝化深床滤池”工艺[6-7]，从而保障厂区出水稳定达标。

4、工程设计

4.1工艺流程

经过对污水处理厂现状建构筑物的复核，现状粗格栅及提升泵房、细格栅及旋流沉砂池进行设备改造后可达到10.0×104m3/d设计规模，氧化沟经HPB技术原位提标扩容后处理能力可从6.0×104m3/d提升到10.0×104m3/d，新建4.0×104m3/d二沉池和10.0×104m3/d深度处理及污泥脱水系统，同时对其他生产辅助用房予以改造，可完成全厂提标扩容改造。

提标扩容工程工艺流程见图1。

图1 提标扩容工程工艺流程

4.2预处理改造

现有预处理单元主要包括粗格栅及提升泵房和细格栅及旋流沉砂池。

现有粗格栅3条，单条粗格栅处理量为1 000～2 000 m3/h，栅条净距为25 mm，池深为8.9 m，栅槽宽度为1 400 mm，栅前水深为1 m，安装角度为75°。现状运行过程中粗格栅栅条净距过大，拦截效果不好，本次提标扩容工程将栅条净距全部更改为17 mm，以提高栅条的拦截效果。

现状提升泵共有4台小泵，3用1备，Q=625m3/h,H=12 m,N=30 kW;2台大泵，1用1备，Q=1 250 m3/h,H=12 m,N=58 kW。现有提升泵已不能满足扩容后10.0×104m3/d的水量要求，本次改造将4台小泵进行更换，更换后3用1备，Q=1 400 m3/h,H=12 m,N=75 kW，变频控制。

现状机械细格栅3台，单台处理量为1 200～2 400 m3/h，栅条净距为5 mm，池深为1.4 m，栅槽宽度为1 500 mm，栅前水深为0.9 m，安装角度为60°。考虑细格栅设备运行时间长，故障率高，本次进行更换。

现状旋流沉砂池2座，单座池内径为4 870mm，池高为5.0 m，有效水深为1.3 m，有效容积为24.2 m3；旋流除砂器2台，单台处理水量为3 170m3/h,N=1.5 k W，考虑到该设备故障率高，本次进行更换。

4.3氧化沟原位改造设计

4.3.1氧化沟现状

本项目现有氧化沟2座，共4组，单座氧化沟平面尺寸为83.05 m×44.00 m，有效水深为5.25 m，单组处理规模为1.5×104m3/d，有效容积为7 918m3，污泥浓度为4～5 g/L,BOD5负荷为0.05 kg[BOD5]/（kg[MLSS]·d），设计污泥龄为20.73 d。单组氧化沟分为厌氧区、缺氧区和好氧区，总HRT为12.67 h，其中厌氧区HRT为1.67 h，设有1台潜水推流器，N=2.2 kW，搅拌功率为2.11 W/m3，溶解氧质量浓度小于0.2 mg/L；缺氧区HRT为2.83 h，设有2台潜水推流器，N=2.2 kW，搅拌功率为2.49 W/m3，溶解氧质量浓度为0.2～0.5 mg/L；好氧区HRT为8.17 h，设有2台潜水推流器，N=4.0kW，底部安装管式曝气器，共560根，单根设计通气量为6.64 m3/h，设计气水比为5.95∶1，末端溶解氧质量浓度不超过2 mg/L。

现有氧化沟主要存在以下问题：配水调节闸门运行不稳定，影响进水和外回流污泥（外回流比为50%～100%）分配；推流搅拌器故障率高且搅拌功率低，导致氧化沟内部分区域平均流速低于0.3 m/s，在厌氧区和缺氧区部分区域出现1.5 m厚的污泥沉积；在好氧区廊道拐弯处出现0.5 m厚的污泥沉积，曝气器损坏导致曝气不均匀，供氧效率低，能耗增加；同步脱氮除磷效率低，难以满足本次提标扩容要求；在现状低浓度、低碳氮比进水条件下，常出现污泥膨胀问题。现状氧化沟平面布置及污泥沉积情况见图2。

4.3.2氧化沟改造设计

采用HPB技术对氧化沟进行原位提标扩容改造，改造后氧化沟单座处理规模由3.0×104m3/d提升到5.0×104m3/d，总规模提升到10.0×104m3/d，改造过程不改变原有土建和功能分区，主要工程量为氧化沟内常规设备改造和新建HPB技术配套设施。改造后氧化沟出水堰水位上升10 cm，有效水深为5.35 m，混合液污泥浓度为6～8 g/L，总HRT为7.6 h，其中厌氧区为1.0 h，缺氧区为1.7 h，好氧区为4.9h,BOD5负荷为0.056kg[BOD5]/（kg[MLSS]·d），脱氮速率为0.07 kg[NO3--N]/（kg[MLSS]·d），设计污泥龄为16.09 d。氧化沟具体改造平面示意如图3所示。

图2 现状氧化沟平面布置

图3 氧化沟改造平面示意

A1～A5：更换潜水推流器A6～A9：好氧区新增潜水搅拌器B1：曝气器改为可提升管式曝气器C1：新增供气干管D1～D4：更换闸门及内回流门E1：原外回流管改为扩容水量进水管F1：新增外回流管G1：新增出水槽

(1）配水设计

由于新增二沉池处理规模与现状二沉池不同，现状2座氧化沟出水流量如何按4∶6分配至新旧二沉池是本项目的难点之一。综合考虑现状水力高程的限制，本次改造生化池至二沉池的配水采用“闸门+出水堰”形式，即在生化池至新建二沉池的新建配水管道上设置闸门和出水堰，通过出水堰来分配流量，保障二沉池稳定运行。此外，生化池扩容部分进水通过原污泥外回流管进入，污泥外回流则全部通过新增管道实现，生化池内部过水孔洞则通过结构扩孔实现过流能力的增加。

(2）流化设计

现状氧化沟内推流器和闸门设备运行时间长，故障率高，本次提标扩容工程予以全部更换，同时在好氧区前后端污泥易沉积位置增设潜水搅拌机。单组氧化沟厌氧区更换1台潜水推流器，N=4.5kW，搅拌功率为4.32 W/m3；缺氧区更换2台潜水推流器，N=3.5 kW，搅拌功率为3.95 W/m3；好氧区更换2台潜水推流器，N=4.5 kW，增设4台潜水搅拌器，N=4.5 k W。改造后氧化沟内平均流速大于0.3 m/s。

(3）曝气系统设计

现有曝气盘老化脱落且曝气效率低，本次提标扩建工程予以全部更换。考虑曝气器检修维护便利性，本次曝气系统更换为可提升管式曝气器，单组共720根，单根直径为64 mm，单根设计通气量为8～10 m3/h，设计气水比为6∶1。经核算，单组氧化沟现有DN 300 mm曝气主管设计流速超过15 m/s，不满足规范要求，本次改造在利旧的条件下，新增DN 300 mm的曝气主管。

(4) HPB技术配套系统设计

a．复合粉末载体。载体当量粒径为20～50μm，比表面积为60～80 m2/g，莫氏硬度不超过5，堆积密度为500 kg/m3。调试周期约2个月，调试期间载体投加量为430 m3，用于调试前期污泥浓度提升，调试投加周期为25～30 d。日常稳定运行期载体投加量不超过5 mg/L。

b．载体投加位置。鉴于复合粉末载体的比重较大，为加强载体流化和防止载体在池底沉积，设计时将其投加点和回收载体投加点均设于搅拌强度更高的好氧区。本项目氧化沟载体投加点位于好氧区首端，在氧化沟上增设DN 40 mm载体投加管，投加管末端增设球阀进行控制；剩余污泥经生物载体分离回收系统后的回收载体投加点位于好氧区首端，在氧化沟上增设DN 100 mm回收载体投加管，回收载体投加管末端增设闸阀进行控制。

c．载体投加系统。1套，包括自动上料系统1套，N=4.1 k W；载体配药罐2个，V=10 m3，自带电动搅拌机和磁翻板液位计；加药离心泵3台，2用1备，Q=3.2 m3/h,H=20 m,N=1.1 kW。调试期间配药质量分数为5%～10%，日常运行期配药质量分数为2.5%。

d．载体分离回收系统。1套，一体化设备，平面尺寸为7.10 m×5.20 m，主要实现载体的高效回收利用和构建双泥龄，优化种群分布，富集功能性微生物，提高脱氮除磷处理效率。含配套预处理系统、调节系统、旋分装置、提升泵、阀门、管道系统和电气自控系统等，装机功率为63.5 kW，运行功率为42.3 kW，与剩余污泥泵联动运行，每天运行时间约为8 h。载体分离回收系统原理如图4所示。

图4 载体分离回收系统原理

4.4二沉池设计

污水处理厂现有周进周出圆形二沉池4座，单座处理规模为1.5×104m3/d，直径为30.00 m，池体高度为4.85 m，有效水深为4.35 m，表面水力负荷为0.88 m3/（m2·h），固体负荷为169.85～212.31kg/（m2·h）。改造后单座处理规模和表面水力负荷不变，固体负荷为254.78～339.7 kg/（m2·h）。本次提标扩容新建2座周进周出圆形二沉池，单座处理规模为2.0×104m3/d，直径为35.00 m，池体高度为5.05 m，有效水深为4.50 m，表面水力负荷为0.87m3/（m2·h），固体负荷为249.58～332.77 kg/（m2·h）。

从改造前、后二沉池的固体负荷来看，均高于GB 50014—2021《室外排水设计标准》规定上限200 kg/（m2·h）。但从原理和实际生产效果来看，复合粉末载体可有效改善活性污泥的沉降性，大幅提高二沉池的固体负荷。因此，采用HPB技术时，二沉池固体负荷上限可提高至400 kg/（m2·h）。

4.5 HPB生化系统不停水改造

HPB技术改造主要涉及生化池，与生化系统联动运行的主要有预处理、二沉池、鼓风机房和污泥脱水机房等建构筑物，施工时应重点考虑各建构筑物的施工时序。本次生化系统改造共耗时60 d，且通过以下施工时序实现了不停水、不减产改造。

(1）新建4.0×104m3/d二沉池和10.0×104m3/d污泥脱水机房；新建HPB技术配套10.0×104m3/d复合粉末载体投加系统和载体分离回收系统；鼓风机房内风机改造；预处理改造。

(2）通过运行复合粉末载体投加系统和载体分离回收系统，向二期氧化沟中一组进行复合粉末载体投加，该组氧化沟处理能力可由1.5×104m3/d提升到3.0×104m3/d，二期氧化沟可实现分组改造，二期氧化沟改造完后，处理能力可达到6.0×104m3/d，一期氧化沟原处理水量3.0×104m3/d可切换到二期氧化沟，从而对一期氧化沟进行整体改造。氧化沟改造期间，先进行淤泥清理，后拆除老旧推流器、闸门、曝气盘和内回流门，在原有位置安装更换后的推流器、闸门和内回流门，以及在好氧区前端和末端拐弯处安装新增潜水搅拌机，同步进行风管改造和可提升管式曝气器的安装。

(3）氧化沟原污泥回流管改为扩容部分进水管；新增污泥外回流管；新增生化池至新建二沉池连接管；氧化沟上新增载体投加管和载体污泥回收管。

4.6新建深度处理

(1）磁混凝沉淀池。新建1座，分2组，设计规模为10.0×104m3/d，变化系数为1.3，构筑物尺寸为28.10 m×24.20 m×7.95 m，有效水深为7.20m。每组磁混凝沉淀池设置3格反应池，反应时间为7 min，分别投加混凝剂、磁粉和PAM，形成絮体后进入澄清池。混凝池设1台搅拌机，N=5.5kW；磁粉加载池设1台搅拌机，N=7.5 kW；絮凝池设1台搅拌机，N=7.5 kW；每组磁混凝沉淀池设置1座澄清池，构筑物尺寸为12.00 m×12.00 m×7.95 m，澄清池设有进水区、沉淀区、斜板分离区、底部污泥区，沉淀池设计表面负荷为18.43m3/（m2·h），峰值流量表面负荷为23.96 m3/（m2·h）。每座澄清池配备1套中心传动刮泥机，直径为12 m；整座磁混凝沉淀池设6台污泥回流泵（渣浆泵），4用2备，Q=65 m3/h,H=15 m,N=5.5 kW，变频；设2台剩余污泥泵（渣浆泵），1用1备，Q=60 m3/h,H=20 m,N=7.5 kW；设2套磁混凝高剪机和2套高效磁分离机；设1套PAC加药成套设备，设计投加量为30 mg/L；设1套阴离子PAM投加系统成套设备，设计投加量为1 mg/L。

(2）反硝化深床滤池。新建1座，设计规模为10.0×104m3/d，变化系数为1.3，构筑物尺寸为57.00 m×26.60 m×7.80 m，有效水深为6.30 m。滤池分8格，每格滤池过滤面积为77 m2，设计滤速为6.76 m/h，强制滤速为7.73 m/h。滤池滤料厚度为2.4 m。反冲洗采用气冲-气水联合-水冲方式，单独水洗强度为9 L/（m2·s），联洗水洗强度为3 L/（m2·s），气洗强度为14 L/（m2·s），反洗时间气-气水-水分别为5、4和6 min，过滤周期为24～48 h。滤池采用石英砂滤料，粒径为2～4 mm，共计1 405m3；承托层采用鹅卵石，粒径为4～32 mm，三级级配，共计345 m3；滤砖采用HDPE外壳，配气管采用SS304材质；设反冲洗潜污泵3台，2用1备，Q=960 m3/h,H=10 m,N=45 kW；设反洗风机2台，1用1备，Q=115 m3/min,H=78.4kPa,N=185 kW,1台变频；设反洗废水提升潜污泵2台，Q=500 m3/h,H=15 m,N=33 k W；设1套乙酸钠加药装置，设计投加量为30 mg/L。

5、改造后运行效果

本项目于2023年2月完成厂区提标扩容改造，2023年3月～10月处理水量稳定达到8～10万m3/d，生化系统出水COD、BOD5、NH3-N和TN等指标直接达到厂区出水标准，深度处理进一步去除TP和SS，后端反硝化深床滤池可作为水质冲击时厂区出水保障措施，日常运行过程中作为砂滤池使用，且运行期间生化池未出现污泥沉积和污泥膨胀问题。提标扩容工程完成后，2023年3月～10月厂区主要构筑物运行效果见表2。

2023年3月～10月污水处理厂实际运行水量水质数据表明，本项目采用HPB技术进行原位提标扩容后，其处理水量稳定达到设计处理能力，在实际进水均值C/N≈2的情况下厂区无需投加碳源，出水水质稳定达到且优于设计出水水质。

6、经济分析

本次提标扩容工程投资约为1.6亿元，改造后直接运行成本为0.341元/m3，其中电耗为0.210元/m3（电费以0.7元/k W·h计），除磷药剂PAC、阴离子PAM和磁粉药剂费用为0.034元/m3，污水消毒次氯酸钠药剂费用为0.022元/m3，污泥调理药剂FeCl3、阳离子PAM和石灰药剂费用为0.055元/m3，复合粉末载体日常补充费用为0.020元/m3。

表2 改造后主要构筑物运行效果

7、结语

(1）本项目针对城镇污水处理厂无法征地且厂区预留用地紧缺的情况，采用HPB技术对氧化沟实现了原位提标扩容，解决了污水处理厂提标扩容中的用地紧张问题。

(2）本项目采用HPB技术实现氧化沟处理，规模增加66.7%，在低碳氮比进水情况下氧化沟出水COD、BOD5、NH3-N和TN等指标直接达到厂区出水准Ⅴ类地表水标准，后续磁混凝沉淀池和反硝化深床滤池仅需去除部分TP和SS，同时反硝化深床滤池可作为水质冲击时厂区出水保障措施，对同类工程具有一定示范作用。

(3）本项目优先针对扩建二沉池、新建污泥脱水间和HPB技术配套系统进行施工，优化施工时序，实现生化系统不停水、不减产改造，且改造时间短，解决了污水处理厂改造过程中污水不下河问题，具有显著的社会效益。

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文章来源:文武,巢真,华磊,等.某污水处理厂氧化沟原位提标扩容改造设计[J].工业用水与废水,2024,55(06):80-86.