1、工程概况
南京某污水处理厂总设计规模20×104m3/d，占地约10.59hm2，污水厂服务范围内用地性质主要是居住、商业及科研用地。其中一期工程设计规模10×104m3/d，于2008年启动，采用旋流沉砂池+改良A2O+混凝沉淀池+纤维转盘滤池工艺，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准后排入石头河。随着2015年江北新区国家级高新区的设立，区域经济进入了发展的快车道，人口、商业的集聚和大量高新科技企业的引进，使现有污水处理能力达到饱和，为此启动扩建工程，设计规模10×104m3/d，厂址为现状污水厂厂区一期工程东侧的规划预留地，用地面积约3.4hm2，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准，扩建完成后污水厂的总规模达到20×104m3/d。
2、设计水质
本工程设计进、出水水质见表1。
目前江苏省除了沿太湖地区颁布了地方标准《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/1027—2018）外，其他地区仍然执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准。根据市环保局关于鼓励建设单位在一级A基础上进一步提高污水处理厂处理标准，减少尾水污染物排放总量要求的回复，考虑到石头河为长江的汇入支流，为响应长江大保护的需要，本次扩建工程出水采用一级A标准，同时在工艺设计上充分考虑具备出水水质再提升的能力。
3、工艺选择
结合本项目实际情况，以及污水排放标准逐渐趋严的大背景，污水处理的主体工艺需要满足以下原则：①脱氮除磷性能优越，尤其是脱氮性能无法通过化学方式弥补，生化系统自身的脱氮效率极为重要；②系统脱氮性能有较大提升潜力，满足未来可能更高的TN排放标准。
3.1 预处理工艺
一期工程采用旋流沉砂池，气提排砂，从实际使用情况看，沉砂及排砂效果不理想，提砂管易阻塞，导致沉砂池检修频繁，沉砂效果不理想对后续生化池的运行也产生了不利影响。张春艳等对旋流沉砂池和曝气沉砂池除砂效果的对比研究表明，旋流沉砂池所去除砂渣中，无机砂粒的粒径主要集中在0.15mm以上，所占比例为96.02%，而曝气沉砂池所去除砂渣中，无机砂粒的粒径主要集中在0.096mm以上，所占比例为99.16%，曝气沉砂池对粒径为0.1mm左右和0.055mm左右无机砂粒的去除率高于旋流沉砂池。石艳玲等对曝气沉砂池的运行效果评估表明，曝气沉砂池具有良好的除砂、洗砂和除油功能，对后续处理工艺的影响很小，其出水到达生物池入口时溶解氧在0.2mg/L以下，对厌氧段影响甚小，曝气对有机物的去除也十分有限，不会减少污水中的碳源。柯浪文等有关曝气沉砂池的预处理效果对COD去除效果的影响研究也表明，其可以有效去除黏附在砂粒上的有机污染物，不会破坏后续的厌缺氧环境。因此，与旋流沉砂池相比，曝气沉砂池可以较好地分离污水中的有机物和无机物，排砂中的有机物含量低，可减少进水中的碳源损失，在污水厂预处理中应用广泛。
综上，本次扩建工程采用曝气沉砂池，总设计规模20×104m3/d，Kz=1.30，曝气沉砂池后设置配水井，分别向一期和扩建工程配水，原一期10×104m3/d细格栅及旋流沉砂池经检修后作为备用保留。
3.2 二级处理工艺
根据相关研究，在A2O工艺好氧池后增加一级缺氧反应，可以使反硝化更加彻底，同时为了防止反硝化影响污泥在沉淀池的沉降，在后缺氧池后再增加一级好氧池，形成A2O-A/O工艺。罗景阳等研究发现，改良型A2O工艺中的预缺氧池有助于功能细菌的富集和代谢活性的增强，能大幅提高生化系统的硝化和反硝化速率。王舜和等在对多级AO与多模式A2O工艺在污水厂的应用对比研究中发现，多模式A2O工艺对COD、磷的去除效果占优，多级AO工艺脱氮效果占优。
一期工程二级处理采用改良A2O工艺，出水效果比较稳定。考虑到为了应对不同的进水水质，满足不同条件下污染物的去除需求，并具备进一步提升二级出水水质的能力，本次扩建工程二级处理采用多模式A2O工艺，其可根据进水水质及出水水质要求，灵活调整运行模式为改良A2O工艺、改良A2O-AO多级工艺。
3.3 深度处理工艺
杜创、李采芳等对反硝化深床滤池在污水厂提标中的应用效果研究表明，反硝化滤池能够进一步提高出水水质。反硝化滤池分为上向流和下向流，上向流以反硝化曝气生物滤池为代表，下向流以反硝化深床滤池、连续砂反硝化滤池为代表，考虑到本次反硝化滤池处在整个工艺流程的最后位置，兼具过滤作用，其出水经消毒后即排放，同时，考虑到各类反硝化滤池进水配水对碳源利用的影响，选择下向流V型反硝化滤池，其主要针对硝酸盐氮进行生物脱氮，对残留的悬浮物进行截留，同时具有反硝化脱氮、除磷及去除悬浮物的功能，构造如图1所示。
一期工程深度处理工艺采用混凝沉淀池+纤维转盘滤池，主要去除TP和SS，其工艺自身不具备水质再提升的能力。因此，本次扩建工程深度处理需统筹兼顾一期工程的水质再提升。考虑到V型反硝化滤池的出水TN可以控制在5mg/L，分流一期5×104m3/d，使扩建工程的V型反硝化滤池处理规模设计至15×104m3/d，其高质量的出水与一期纤维转盘滤池5×104m3/d出水混合后再排放，可控制TN在10mg/L以下，且满足后期出水水质进一步提升的需求。
3.4 除臭工艺
考虑到高新区建设标准要求较高，污水厂周边一定范围内有大型居住社区，对空气质量有较高期望和要求，因此，本工程参考相关研究采用“全过程”除臭+生物滤池除臭组合工艺，通过全过程源头治理，加上生物滤池除臭重点强化治理，进一步优化厂区空气环境。
3.5 工艺流程
最终确定的污水处理工艺流程见图2。
4、核心单元设计
4.1 细格栅及曝气沉砂池
设细格栅及曝气沉砂池1座，设计规模20×104m3/d，Kz=1.30。设3道转鼓式细格栅，每道格栅宽Ø2.6m，栅条间隙6mm，栅前水深1.2m，细格栅平面尺寸10.8m×9.50m，高度为1.70m。配备中压冲洗水泵4台（3用1备），Q=9.1m3/h，H=700kPa，N=3kW；无轴螺旋输送机1台，Q=6m3/h，L=11m，N=3kW。曝气沉砂池1座，2组，水平流速0.1m/s，水力停留时间4.2min，平面尺寸31.2m×9.50m，池深5.5m。配备桥式吸砂机2台，单台L=3.8m，N=0.55kW；排砂潜污泵2台，Q=20~35m3/h，H=70kPa，N=2.2kW；砂水分离器1台，Q=27~35L/s，N=0.75kW；电动调节堰门2台，单台B×H=3900mm×500mm，N=1.1kW，手电两用，不锈钢；罗茨风机2台（1用1备），Q=20~40m3/min，H=40kPa，N=37kW。
4.2 多模式A2O生化池
设多模式A2O生化池2座，单座设计规模5×104m3/d，分为预缺氧区（预选择区）、厌氧区（厌氧/缺氧过渡区）、缺氧区、（缺氧/好氧过渡区）好氧区、好氧区/后缺氧区转换区、后好氧区，其中预缺氧区、厌氧区、缺氧区上方进行混凝土封盖，同时在混凝土顶板上方设置了30cm的绿化种植层。单座总平面尺寸75.1m×78.6m，有效水深7m，总水力停留时间19h，其中预缺氧0.5h、厌氧1.5h、缺氧5.55h、好氧10.05h、后缺氧0.7h、后好氧0.7h；混合液浓度4gMLSS/L，BOD5污泥负荷0.048kgBOD5（/kgMLSS·d）；总氮负荷0.02kgTN/（kgMLSS·d）；总磷负荷0.018kgTP/（kgMLSS·d）；污泥回流比50%～100%，混合液内回流比200%～300%；实际污泥产率0.80kgDS/kgBOD5，气水比（6~8.64）∶1，污泥龄13.5d。在预缺氧区、厌氧区、缺氧区、后缺氧区共设置23台双曲面搅拌器，D=2500mm，N=5.5kW，n=34r/min；混合液内回流泵4台（3用1备），Q=2083.3m3/h，H=10kPa，N=11kW；板条式微孔曝气器（好氧区）380套；精确曝气系统1套，配套10台菱形电动调节阀、流量计及控制仪表。
4.3 二沉池
设二沉池4座，单座设计规模2.5×104m3/d，采用周进周出辐流式沉淀池，池径40m，水力负荷0.83m3（/m2·h），最大水力负荷1.08m3（/m2·h），有效水深4.0m，停留时间4.0h。配中心传动单管吸泥机4套，单套Ø40m，N=0.75kW，含工作桥及配套出水三角堰（不锈钢）、浮渣挡板（不锈钢）、挡水裙板（不锈钢）、配水孔管挡板、排渣堰门。
4.4 高效沉淀池
设高效沉淀池2座，单座5×104m3/d，由机械混合池、机械反应池、斜板沉淀池组成，PAC投加量为60～100mg/L，PAM投加量为0.5～1mg/L。单座平面尺寸32m×24m，其中混合反应池停留时间2.3min，内置混合搅拌机1台，D=1.8m，N=4.0kW，配变频控制，搅拌均匀度>90%；机械反应采用3级絮凝；斜板沉淀池清水区上升流速1.3mm/s，设置1台中心传动刮泥机，D=21m，N=1.1kW；污泥回流泵2台（1用1备），Q=80m3/h，H=10kPa，N=1.6kW，变频。
4.5 中间提升泵房及V型反硝化滤池
设中间提升泵房1座，设计规模15×104m3/d，尺寸为37.88m×8.15m×8.09m，与V型反硝化滤池合建，调蓄时间15min。主要设备：潜污轴流泵5台（3用2备），Q=2708m3/h，H=38kPa，N=55kW，变频；快速混合搅拌器2台，N=7.5kW，不锈钢材质，用于投加碳源，碳源为乙酸钠原液（浓度20%），投加量50mg/L。
设V型反硝化滤池1座，设计规模15×104m3/d，总平面尺寸57.3m×42.38m，共设8格，单格过滤面积116.2m2，正常滤速6.72m/h，强制滤速7.68m/h，最高时滤速8.74m/h，采用恒水位过滤，反冲洗周期约16h，反硝化容积负荷0.896kgN/（m3·d）。采用黏土烧结球形陶粒滤料，滤料颗粒密度1.4~1.9g/cm3，有效粒径2.5mm，不均匀系数≤1.50，滤料厚度1.80m；承托层采用级配砾石，18mm×25mm砾石厚200mm，9mm×18mm砾石厚100mm；采用气水联合反冲洗，气冲洗强度100m3（/m2·h），水冲洗强度20m3（/m2·h），单独气冲时间约2min，气水联合反冲洗时间约8~14min，单独水冲洗时间约6~10min。设废水池1座，池容826m3，叠于反洗风机房下方，内置废水排污泵2台（1用1备），Q=530m3/h，H=130kPa，N=30kW；潜水搅拌器2台，N=4kW。清水池1座，池容468m3，内置反冲洗水泵3台（2用1备），Q=1162m3/h，H=90kPa，N=45kW。反冲洗风机房1座，位于废水池上方，内设罗茨风机3台（2用1备），Q=5810m3/h，P=65kPa，N=160kW。中间提升泵房及V型反硝化滤池的平面布置如图3所示。
4.6 除臭系统
“全过程”除臭由微生物培养系统和除臭污泥投加系统构成，在一期及扩建工程的生化池缺氧区各设置40台培养箱，并配套空气管路，通过生物池上的供气管为培养箱供气，培养箱规格Ø1200mm×2000mm，材质为碳钢热浸锌防腐，单台培养箱供气量3~7m3/h；除臭污泥投加泵分别设置于一期及扩建污泥回流泵房内，将回流污泥回流至进水泵房前端，各配置2台（1用1备），1台变频，Q＝250m3/h，H=100kPa，N=18.5kW。
扩建工程共设1套生物滤池除臭系统，负责处理细格栅及曝气沉砂池和生化池预缺氧、厌氧、缺氧区的臭气。细格栅及曝气沉砂池采用不锈钢骨架+钢化玻璃除臭罩进行密封，面积227m2。生化池预缺氧、厌氧、缺氧区直接采用混凝土加盖密封进行臭气收集，密封范围4600m2，除臭风量27000m3/h。滤池尺寸为10.5m×8m×3.3m，滤料深1.8m，设计接触时间≥20s。配套风机Q=27000m3/h，N=45kW，P=3.5kPa；循环喷淋水泵2台（1用1备），Q=60m3/h，H=200kPa，N=7.5kW；增湿水泵1台，Q=30m3/h，H=200kPa，N=4kW。
一期工程生化池为敞开式设计，本次在预缺氧、厌氧、缺氧区采用玻璃钢弧形盖板进行密封收集臭气。一期工程生化池共设2套生物滤池除臭系统：一套用于处理一期一组生化池的预缺氧、厌氧、缺氧区及一期污泥回流泵房的臭气，滤池Q=20000m3/h，尺寸为10.3m×6m×3.3m，滤料深1.8m，设计接触时间≥20s，配套风机Q=20000m3/h，N=30kW，P=3kPa；循环喷淋水泵2台（1用1备），Q=40m3/h，H=200kPa，N=5.5kW；增湿水泵1台，Q=20m3/h，H=200kPa，N=3kW。另一套用于处理一期另一组生化池的预缺氧、厌氧、缺氧区的臭气，滤池Q=18000m3/h，尺寸9.3m×6m×3.3m，滤料深1.8m，设计接触时间≥20s，配套风机Q=18000m3/h，N=30kW，P=3kPa；循环喷淋水泵2台（1用1备），Q=40m3/h，H=200kPa，N=5.5kW；增湿水泵1台，Q=20m3/h，H=200kPa，N=3kW。
5、设计特点
①多模式A2O生化池。
多模式A2O生化池能够根据进水水质变化及出水水质要求，灵活调整运行模式，可以兼顾强化脱氮除磷及除碳要求：针对目前进水BOD5浓度低、C/N比约2.35的现状，在碳源不足、进水TN高的情况下，为了降低外加碳源消耗，实现低碳运行，通过多点进水，强化二级脱氮，按改良A2O-A/O方式运行；在进水水质达到或超过设计水质的情况下，为降低能耗，按改良A2O方式运行。
②V型反硝化滤池。
a.采用生物陶粒滤料，有效粒径为2.5mm，比表面积大，可获得更高的生物浓度及更大的滞留能力，延长过滤周期。V型反硝化滤池的生产运行表明，其具有良好的反硝化去除TN能力，反硝化所需的C/N比平均为4.25，TN去除率达到了70%，同时适量的碳源投加不会增加出水COD。b.滤池主体结构与V型滤池相同，进水采用V型槽淹没配水，克服了常规深床滤池进水配水跌水造成碳源无效消耗的问题，可实现低碳运行。c.V型滤池在水处理中应用广泛且成熟，大大缩短了运行人员的适应期，有利于工程应用的大面积推广。
③“全过程”除臭+生物滤池除臭组合工艺。
采用臭气源头系统治理加上局部重点强化除臭组合工艺，能够大大减少池面除臭加盖面积，除臭效果良好。对污水处理厂厂界上风向10m范围内及下风向周界外10m范围内的空气质量监控点的长期监测数据显示，氨的浓度范围在0.01～0.05mg/m3、硫化氢的浓度范围在未检出～0.001mg/m3、臭气浓度<10，均满足并优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）及《恶臭污染物排放标准》（GB14554—1993）中污水处理厂厂界废气二级标准。
6、运行效果及技术经济分析
本工程于2019年10月底完成调试和竣工环保验收，至今已运行2年多，污水处理监测结果见表2。可见，出水各项指标都达到并优于一级A标准，除TN外，其余指标已达到地表水Ⅲ类标准。同时，因二级生物处理效果较好，目前深度处理V型反硝化滤池仅起过滤作用。
项目总投资39896.14万元，其中工程费用34993.72万元，单位运行总成本1.44元/m3，单位经营成本1.06元/m3。实际运行中次氯酸钠药耗为0.037kg/m3、聚合氯化铝PAC药耗为0.040kg/m3、电耗为0.28～0.30kW·h/m3。
7、结论
本工程污水处理采用曝气沉砂池+多模式A2O+高效沉淀+V型反硝化滤池+次氯酸钠消毒工艺，处理效果良好。该工艺可满足当前出水水质要求，而且具备水质进一步提升的潜力，可用于污水厂新建、扩建及改扩建工程中。（来源：南京市市政设计研究院有限责任公司）