【視野】看荷蘭Garmerwolde污水處理廠提標改造

時間：2017-05-05 來源：上海市凈水技術協會 作者：

Garmerwolde污水處理廠原主體工藝采用AB法。為應對不斷增加的污水量和更加嚴格的排放標準，該廠進行了提標改造。2005年主要通過增加旁側流SHARON(2400kgN/d)以解決泥消化液處理問題，氨氮去除率95%以上，達到硝化階段節約能耗25%、反硝化階段節約外加碳源40%，減少50%的污泥產量。2013年新增獨立運行的SBR好氧顆粒污泥系統(Nereda®)，增加產能2.86萬m3/d，好氧污泥顆�；�后60%顆粒大于1mm、生物量可穩定達到8g/L以上、SVI5值穩定在45ml/g左右，出水TN≤7mg/L，TP≤1mg/L，比傳統活性污泥系統能耗降低58-63%、占地減少33%、運行費用節省50%。

1 基本概況和提標改造的必要性

1.1 基本概況

Garmerwolde污水處理廠位于荷蘭北部的格羅寧根市東北，規模約為7.4萬m3/d(2700萬m3/y，約23.5萬人口當量)，污水來源主要為市政污水。原工程主體采用AB法(見圖1)，活性污泥池有效容積為28400m3，沉淀池有效容積為24800m3。原工藝設計排放標準：TN≤12mg/L、TP≤1mg/L，出水排入附近河道。污泥消化產生的沼氣每年提供0.8兆瓦電力。

1.2 提標改造必要性及存在問題

隨著當地社會經濟的發展，現有污水廠的處理規模已經不能滿足需求，導致現有污水處理設施負荷過大，處理效率無法提升使得出水不能達到要求，特別是出水TN超標。據統計，該廠污泥脫水、濃縮等處置環節回流液提供了該廠氮負荷總量的大約34%，這對處理工藝的脫氮能力造成了顯現的難度，使得總氮控制目標的達成更加困難。

因此為應對不斷增長的污水排放量，必須新建污水處理設施;解決污泥消化液高濃度含氮廢水回流產生的沖擊影響問題。由于土地資源的有限和經濟效益的考慮，在提標改造中特別需要考慮經濟、高效、運行穩定、節約土地。

2 提標改造技術路線及實施

2.1 技術路線概述

AB法是吸附-生物降解工藝的簡稱，主要特征是A段在高負荷下(一般為普通活性污泥法的50-100倍)和較短的水力停留時間下(30-40min)，利用世代周期較短的原核細菌(泥齡0.3-0.5d)去除大量有機物，產泥量約占總系統的80%;B段在低負荷下(一般<0.15kgBOD/kgMLSS)和 2-5小時的水力停留時間下，利用較長泥齡(一般為15-20d)條件的長世代周期微生物去除剩余有機物;由于A段的生物量高，對水質、水量、pH、有毒有害物質的沖擊負荷具有良好的緩沖，A段和B段具有獨立的污泥回流系統[1]。由于AB法的工藝特點，具有有機物去除率高、系統運行穩定、抗沖擊負荷能力強、良好的脫氮除磷效果、節能等優點，但也存在著A段易產生硫化氫、大糞素等臭氣體影響周邊環境，A段有機物去除過多導致B段進水碳氮比偏低而影響脫氮，污泥產量過高造成后續污泥處置難度加大等缺點。

針對該廠原工藝存在的問題，在旁側流增加強化短程硝化反硝化(SHARON，Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite)反應器來處理污泥消化液，以減輕主處理工藝的氮負荷，達到新的更加嚴格的排放標準;另新增處理規模為2.86萬m3/d(占改造后總處理量的41%，約14萬人口當量)的好氧顆粒污泥處理系統來消納新增污水量。該污水處理廠的提標改造工藝流程見圖2。新建好氧顆粒污泥工藝的設計出水標準為COD≤125mg/L，BOD5≤20mg/L，TN≤7mg/L，TP≤1mg/L，SS≤30mg/L。

2.2 短程硝化反硝化系統

SHARON工藝是一種用來處理高濃度、低碳氮比含氨廢水的脫氮工藝，通過控制反應器水力停留時間、消化液溫度和pH等，在有氧條件下利用優勢的亞硝化細菌迅速將氨氮轉化為亞硝酸鹽，然后在缺氧條件下，以有機物為電子供體將亞硝酸鹽反硝化生成氮氣。具有工藝流程簡單、脫氮速度快、投資和運行費用低等優點。

該廠的SHARON系統設計規模為3200m3/d，設計負荷為2400kgN/d，反應器由兩個主反應池組成，有效容積4900m3(單體容積2450m3)，以序批式反應器方式進行，分進水、反應、沉淀、排水等過程，水力停留時間1.4-1.5天，進水NH4+-N濃度700-800mg/L，COD來源考慮為污泥干化濃縮液、工業廢物、甲醇等，出水進入集水井。

該系統于2005年運行，后期試驗了Mark van Loosdrecht教授研發的BABE®技術(Biological Augmentation Batch Enhanced)，有效解決了主處理工藝與旁側流工藝之間細菌差異性過大，菌種單一等問題，取得了提高旁側流短程硝化反硝化效果、強化主處理工藝硝化能力等效果。

2.3 好氧顆粒污泥系統(Nereda®)

好氧顆粒污泥技術作為近幾十年來新開發的污水處理技術，通過微生物的自凝聚作用使得好氧污泥顆�；�，使絮狀活性污泥成為顆粒狀。與普通活性污泥相比具有不易發生污泥膨脹、污泥含量高(可達到10g/L)、沉降性能好、抗沖擊負荷能力強、抗有毒有害物質侵擾、容積負荷率高、節地節能等特點[5]。經過近幾十年的實驗室和中試研究，在工業污水處理領域已經有較成熟的應用，近年開始已經在非洲、歐洲多地城鎮污水處理廠開始了應用。

新建的好氧顆粒污泥系統獨立平行于原有的AB法主處理工藝，由Royal HaskoningDHV公司設計，采用其Nereda®技術，該技術以SBR方式運行，一個典型運行周期示意如圖3所示，1為同時進出水(下進上出)，2為曝氣反應，3為沉淀。主要原理為：總體上，通過控制沉淀時間、進水時間、進水流速等在反應器中形成并控制選擇壓，來促進好氧顆粒污泥的形成、生長和穩定;在厭氧進水條件下，從反應器底部進水，同時出水由反應器上部溢流堰溢出，易生物降解COD在顆粒床中被聚糖菌(GAO)和聚磷菌(PAO)在體內訊速吸收儲存為聚糖類(PHA)等高分子聚合物，使得一般異養菌在厭氧條件下由于得不到氧而無法生長，同時聚磷菌釋放正磷酸鹽并強化聚磷菌在顆粒污泥中成為優勢菌種;進水階段結束后，反應器進入曝氣階段，由于大部分易降解碳源已被吸收，一般異氧菌得不到碳源仍無法生長，而在厭氧階段儲存有PHA的菌種得到較好生長，硝化菌在顆粒污泥表面進行氨氮的氧化，顆粒污泥粒徑所造成的溶解氧濃度梯度、傳質機制、結構特征等造成了局部的缺氧環境而產生同步硝化反硝化，同時厭氧條件下釋放的正磷酸鹽在好氧條件下被聚磷菌大量攝取，聚磷菌等之前攝取儲存的PHA碳源在曝氣階段被緩釋為各類反應提供部分碳源，從而使反硝化菌、硝化菌、聚磷菌等菌種協同工作，實現在反應器中同步去除COD、N和P;在曝氣結束后，反應器進入沉淀階段，被各菌種利用的COD、N、P等部分以細菌本體的形式隨顆粒污泥的增長或以礦化物的形式積留在顆粒污泥內部而被留在反應器內、部分在出水時以剩余污泥的形式被排出反應器。

Garmerwolde污水處理廠的好氧顆粒污泥系統主要由兩組SBR系統(圓形主體單體直徑41m、高7.5m、有效容積9600m3)和一個進水緩沖池(用于緩存暴雨期間污水量，有效容積4000m3)組成，利用在線監控系統進行運行控制，于2013年開始運行，旱季最大流量4200m3/h。SBR實際運行一個周期時間為(亦可以根據進水水質、產泥率、出水要求、顆粒污泥培養選擇壓等動態調整)：旱季，進水(同時出水)1h、曝氣5h、沉淀15-30min;雨季，進水(同時出水)1.5h、曝氣1h、沉淀15-30min，兩組SBR系統交替運行以保證連續處理，設計進水時間通常為0.5-1.5h，流速為2-10m/h，相關運行參數見表1。實際運行操作控制要點為：進水上升流速控制約為3-3.3m/h;通過在水面以下0.5m處(剛剛在出水堰以下)的磷酸鹽濃度來實時控制短流，當磷酸鹽濃度達到設計限定值后立刻停止進水;有效體積交換率受到進水推流模式影響，經驗值為65%，而在旱季為30-40%;曝氣階段DO濃度控制在1.9mg/L，當氨氮降低到設定值后減小曝氣量以強化反硝化速率;當總氮和總磷均達到要求后進入下一個周期。

表1 好氧顆粒污泥系統相關運行參數表

好氧顆粒污泥系統的接種污泥來自于另一個好氧顆粒污泥污水處理廠的剩余污泥(SVI30=140mL/g，無明顯顆粒污泥)。系統的實際運行根據顆粒化程度和處理效果分為兩個階段：(1)第一階段為啟動階段(2013年9月-2014年2月)，為確保出水水質達到階段值(TN≤15mg/L，TP≤1mg/L)，容積負荷率逐漸提升、單個運行周期時間不斷縮減，同時好氧污泥顆�；�率穩步提升。實踐表明，在某些情況下啟動階段容積負荷率必須適當降低。為確保在該階段出水TP達到標準，須在干燥或者大雨氣候下于運行周期結束后添加絮凝劑以輔助除磷。在該階段末期，出水TN和TP平均值已經可以達到6.9mg/L和0.9mg/L。SVI5和SVI30分別從接種污泥的145mL/g和90mL/g降到70mL/g和50mL/g，生物量從3kg/m3增長到6.5kg/m3，顆�；�率從30%增長到大于80%。(2)第二階段為正常運行階段(2014年3月-12月)，容積負荷率逐漸達到設計值，系統穩定運行，顆粒化正常，相關出水水質達到標準(見表2)。Fe(Ⅲ)/P(摩爾質量比)為0.18，TP去除率達到90%。在正常雨量和干燥天氣下，TP完全由生物去除，不添加絮凝劑。SVI5和SVI30穩定在45mL/g和35mL/g，生物量增長到大于8kg/m3，80%的顆粒污泥粒徑大于0.2mm，60%的顆粒污泥粒徑大于1mm。Fish測試表明有大量的PAO菌種存在于好氧顆粒污泥中，而很難發現GAOs菌種。運行中，利用選擇壓來促進好氧顆粒污泥的形成，同時排出絮體，剩余污泥中僅發現有少量0.2mm左右的顆粒污泥。系統中的混合液污泥如圖4所示。

表2 好氧顆粒污泥系統進出水水質

圖4 系統中的混合液污泥形態

3 改造效果

3.1 短程硝化反硝化系統

該廠的短程消化反硝化系統(SHARON)氨氮去除率達到95%以上，對污泥消化液、污泥濃縮液及污泥干化處理出水等進行了有效處理，降低了主處理工藝的氮負荷。SHARON通過將氨氮氧化為亞硝酸鹽節約了25%的曝氣能耗、亞硝酸鹽的反硝化節約了40%的外加BOD、在高溫下進行亞硝酸鹽的反硝化減少了50%的污泥產量、操作簡單、工藝穩定度高。

全規模的升級工藝BABE®技術試驗表明，該技術可以克服傳統SHARON的部分缺點，是一種無剩余污泥的高效氮處理工藝。但Garmerwolde污水廠自2005年以來仍一直采用SHARON裝置。

3.2 好氧顆粒污泥(Nereda®)

通過新建好氧顆粒污泥技術處理設施，該廠處理能力提高了40%(新增14萬人口當量)，取得了較好的效果，實際平面圖見圖5。實際運行中，好氧顆粒污泥系統的流量負荷在旱季達到總流量負荷的60%。

在荷蘭氣候條件下，出水水質能滿足要求(7mgTN/L和1mgTP/L)，在夏冬季節生物量能保持在較高水平(>8g/L)、SVI5穩定在45mL/g，溫度對于好氧顆粒污泥的影響比傳統活性污泥小。由于好氧顆粒污泥較高的生物量，處理設施的容積負荷率大大增加，好氧顆粒污泥系統處理相同水量所需的容積比普通活性污泥法減少33%(原處理工藝負荷為0.8m3/m3.d，好氧顆粒污泥系統為1.2m3/m3.d)。

該廠原AB法電耗約為0.33kW.h/m3(污泥處置電耗除外)，好氧顆粒污泥法的能耗約為0.17kW.h/m3(污泥處置電耗除外)，節能約49%。好氧顆粒污泥系統的電能消耗量為13.9kW.h/(PE150.year)，這比當地的普通活性污泥法少約58-63%。

該廠好氧顆粒污泥系統建造費用約2000萬歐元(0.07歐/m3)。原AB法運行費用約為0.07歐元/m3，好氧顆粒污泥系統運行費用約0.03歐元/m3，節省約50%。

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圖5 Garmerwolde污水廠處理廠鳥瞰圖

4 結語

Garmerwolde污水處理廠2005年通過對原AB法增加旁側流SHARON工藝、并在該系統添加碳源、進行強化短程硝化反硝化系統，減輕了主處理工藝的氮負荷;并于2013年新建了平行于AB法的好氧顆粒污泥系統，擴大了污水處理廠規模，節省了占地空間，滿足新的環境標準，實現水質穩定達標排放，更為好氧顆粒污泥技術在市政污水處理廠的運用提供了實踐經驗。