以北京高碑店再生水廠污水區升級改造為例，分析大型污水處理廠升級改造方案及運行優化效果。為強化二級處理生物脫氮除磷效果，控制二沉出水TN濃度在20 mg/L以下，該升級改造工程主要包括：改造部分初沉池為預缺氧池與厭氧池、增設生物池內回流設施、轉換好氧池末端為消氧區、增設多點碳源投加等。此外，還探討分析了該升級改造工藝的運行優化措施，完善了升級改造工藝及其相關影響的系統性，最大程度發揮該升級改造工藝的潛力和效果，為其在大型污水處理廠升級改造中進行推廣復制提供實際案例支撐。

1 水區升級改造概況

1.1 升級改造背景

高碑店再生水廠是北京處理規模最大的城市污水處理廠，一期和二期工程分別于1993年和1999年正式運行，設計處理規模為100萬m3/d，占地68 hm2，流域面積約100 km2。

2010年高碑店再生水廠的再生水利用工程開工建設，目前高碑店廠再生水深度處理過程主要采用反硝化生物濾池-超濾膜過濾-臭氧脫色-紫外線消毒工藝，并于2016年9月陸續投產運行。在生產中水質監測結果表明，污水區二級出水TN仍較高，再生水處理單元的反硝化濾池脫氮壓力較大。2016年高碑店再生水廠二沉池出水水質為：TN 26.11 mg/L、NH3-N 1.14 mg/L、TP 0.33 mg/L。

為保障再生水水質穩定達標，同時降低再生水處理單元反硝化濾池的碳源消耗量，使出水達到北京市地方排放標準《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890-2012)B標準，有必要采取改進措施降低二沉池出水TN。本項目通過對污水區二級處理單元功能提升改造，增強生物池的脫氮除磷效果，使二沉池出水TN控制在20 mg/L以下，從而提高再生水出水水質保障度

1.2 升級改造內容

1.2.1 升級改造概況

為強化生物池的脫氮除磷效果，根據《北京市高碑店再生水廠及再生水利用工程-再生水處理廠工程初步設計說明》設計，高碑店廠二級處理改造工藝原設計采用MBBR填料工藝，但該方案施工復雜、建設周期長、投資大，且施工過程中需整個系列停運。最終結合前期《高碑店污水處理廠改造及再生利用工程方案比選》結果，篩選出具有生物脫氮除磷功能的改良型AAO工藝作為最終方案。

高碑店再生水廠污水區升級改造為改良型AAO工藝，工藝流程如圖1所示。主體改造工程為：①改造2組初沉池，分別作為生物池的預缺氧池及厭氧池，增設旁通側流，其中10%原水經旁通側流進入預缺氧池，去除污泥回流液中的硝酸鹽氮，而另外90%原水則經由初沉池進入厭氧池，強化生物除磷;②改造生物池內部構造，新增內回流設施，內回流比在150%~300%范圍可調;③改造好氧段末端5 m區域為消氧區，降低高DO內回流液對缺氧段反硝化脫氮的影響;④修建配套的升級改造供配電、控制設施，將老舊設備設施更新換代;⑤增設多點碳源投加：旁通側流(預缺氧池碳源)、乙酸鈉(外加碳源)及原初沉出水(缺氧池碳源)等。高碑店再生水廠污水區升級改造具體施工示意如圖2所示。

1.2.2 升級改造工藝參數

高碑店再生水廠污水區各構筑物隨著升級改造完成，相關工藝參數有所改變，主要涉及水力停留時間、內回流比、外加碳源投配率等。

(1)水力停留時間。本項目將污水區每系列2組初沉池改造為預缺氧池及厭氧池。初沉池HRT由3 h減至2 h;預缺氧池與厭氧池HRT增加1 h，即一期生物池HRT由10.5 h增至11.3 h，二期生物池HRT由8.9 h增至9.8 h，具體水力停留時間如表1所示。

(2)內回流比。為增強反硝化脫氮效果，在各組曝氣池好氧區末端加裝內回流泵，單臺能力為5 200 m3/h，從而增加混合液中硝酸鹽氮回流，強化脫氮，內回流比介于100%~300%可調。

(3)外加碳源投配率。單系列均分別設置1套乙酸鈉外加碳源投加系統，全廠共4套，每套加藥設施均由2個50 m3的儲藥罐及2臺計量泵組成。加藥點分別位于各系列的回流污泥渠道的首端。外加碳源最大量按NO-3-N濃度從25 mg/L降至15 mg/L時，去除10 mg/L NO-3-N計算，實際運行中乙酸鈉藥劑投配濃度大約在30~50 mg/L。

2 升級改造脫氮除磷效果分析

2.1 強化脫氮效果

高碑店再生水廠污水區從2017年6月開始施工改造，截至2018年6月底，污水區8組初沉池、24組曝氣池升級改造全部完成，配套內回流及碳源加藥逐漸投入運行。通過一段時間實際運行，系統分析了高碑店再生水廠升級改造后生物池沿程TN、NO-3-N、NH3-N變化趨勢如圖3所示。

污水區升級改造后，生物池增設預缺氧池，外回流污泥混合液TN可由15~20 mg/L降至2~3 mg/L;生物池缺氧段增設內回流設施，生物池出水總氮可降至15 mg/L左右，生物脫氮能力大幅提高。

高碑店再生水廠污水區2016~2018年近3年二沉池出水TN變化如圖4所示。2018年污水區功能性改造完成后二沉出水總氮均值為14.48 mg/L，較改造前同期平均降低了10.65 mg/L，降幅42%左右，滿足升級改造后二沉池出水TN控制在20 mg/L以內的設計需求，高碑店廠再生水出水TN穩定達標。

2.2 強化除磷效果

高碑店再生水廠升級改造后，每個系列增設1組厭氧池，90%原水經由初沉池后進入厭氧池，為生物釋磷提供碳源，改造后生物池的沿程正磷酸鹽(SP)變化趨勢如圖5所示，厭氧池具有明顯的釋磷效果，生物除磷功能顯著。生物池出水端再輔助化學除磷，出水水質穩定。

高碑店再生水廠近3年再生水出水總磷均處于0.3 mg/L以下，如圖6所示。隨著2017年升級改造逐漸投入運行，增設厭氧池強化了生物除磷能力，2018年改造后除磷藥劑投配率較2016年改造前除磷藥劑投配率同期平均降低了5.94 mg/L，降幅達50%左右，高效節約了化學除磷藥劑，近3年投配率變化如圖7所示。

3 升級改造后工藝運行優化

隨著北京市黑臭水體截污治理工程的開展，高碑店再生水廠水量較歷史同期明顯增加，2018年汛期高碑店再生水廠日均處理水量達102萬m3/d，持續處于超負荷運行狀態。隨著高碑店再生水廠污水區升級改造工程的初步完成，為確保水質實時達標，主要從多點碳源優化投加、內外回流比優化控制、工藝配套設備設施優化等方面對該升級改造工藝進行運行優化分析，旨在提高出水水質保障度。

3.1 多點碳源配比優化

污水區升級改造完畢后，為了強化二級處理脫氮除磷，增設了多個碳源投加點，包括：旁通側流(預缺氧池碳源)、乙酸鈉(缺氧池外加碳源)及原初沉出水(缺氧池原水碳源)等。為優化提高脫氮效果，開展了多點碳源配比優化投加的正交試驗確保水質穩定達標前提下，最大限度利用原水碳源，減少外加碳源投加量，并確定脫氮效果較優的多點碳源配比，具體3×3正交試驗的相關因素與水平選取見表2。

在運行工況參數基本穩定前提下，通過連續3個月對上述3×3因素與水平開展生產性正交試驗，探究各因素各水平下每種試驗指標的二沉出水TN變化情況，利用正交試驗極差分析法計算極差R，探究較優碳源配比，具體如表3所示。

通過對正交試驗結果極差分析可知，在多點碳源投加對出水總氮影響因素中，乙酸鈉投加量因素影響最大，原初沉出水閘開度影響次之，旁通側流因素影響最小。升級改造多點碳源優化投加，較優配比為A1-B2-C2組合，即旁通流量800 m3/h(8%)，原初沉出水閘開啟5 cm(5%)，乙酸鈉投配率為30 mg/L，脫氮效果最佳。

3.2 內外回流比優化

高碑店再生水廠升級改造后污水區生物池停留時間仍較短，一期生物池HRT為11.3 h，缺氧段占比約25%，二期生物池HRT為9.8 h，缺氧段占比約17%。升級改造后增設內回流設施，并將好氧段末端5 m區域轉換為消氧區。在進水水質穩定，其他工況條件不變情況下，加開內回流泵前后，二沉出水TN由23.4 mg/L降至14.8 mg/L，平均降幅約37%，TN變化趨勢如圖8所示。

高碑店再生水廠為保障生物池硝化反應完全，控制好氧段的溶解氧水平較高，實際末端DO控制在2~4 mg/L。為避免高DO的硝化液回流至缺氧段破壞反硝化環境，需對內回流比設定合理優化。理論上內回流比越大，脫氮效果越好，通過設定不同內回流比下生產試驗得出，由于受實際反硝化能力的限制，內回流比為200%時，回流至缺氧池的硝氮不能被完全反硝化，將內回流比調整為100%時，一方面減少了硝化液回流攜帶的DO量對缺氧反硝化脫氮的影響，另一方面回流的硝氮量又滿足實際反硝化脫氮需求，因此脫氮效果更好。不同內回流比下二沉出水TN情況如圖9所示。

3.3 工藝配套設備設施優化

高碑店再生水廠污水區升級改造完畢后，實際運行管理中發現相關改造的設備設施存在一定問題：①改造后預缺氧池與厭氧池存在浮泥，外加碳源混合不均;②初沉池數量減少1/3，排泥能力不足易跑泥;③二沉池負荷加大易冒泥;④原供電設施配電容量不足，部分新增的內回流泵無法正常運行等問題。故升級改造工藝的配套設備設施存在進一步優化改進空間。

本項目根據現場實際及工藝需求，針對核心問題開展創新優化，主要包括：①優化生物池攪拌器：通過在厭氧池末端及曝氣池進水渠加裝淺層攪拌器，改善水力條件，促進外加碳源混合均勻，全面解決浮泥問題，有效改善池容;②更新初沉排泥系統：校核更新2組最不利點初沉排泥泵組，將流量由60 m3/h增至90 m3/h;排泥泵前后直徑150 mm變徑管線更換為200 mm直管線，減少堵塞;調整初沉排泥自控系統間歇時間，即保證濃度，又降低初沉泥位;③改造二沉池吸泥機：加大二沉池回流污泥虹吸量，促進外循環，降低二沉池泥位，減少超負荷運行時二沉跑泥對后續工藝的影響;④增設內回流臨電保障工程：克服了改造后供電不足難題，通過跨區域引臨時電解決內回流泵供電問題等。通過對升級改造配套設備設施存在問題梳理優化，系統性完善了升級改造工藝相關影響因素，為進一步提高升級改造的潛力與效果提供有力支撐。

4 結論

高碑店再生水廠升級改造項目創新性地將初沉池改造為預缺氧池及厭氧池，百萬噸級自主創新工藝改造成果得以實現成功應用，與原升級改造MBBR填料工藝相比，提前3年完成改造，節約大量改造投資成本，高效地強化了生物脫氮除磷，使二沉出水TN穩定在20 mg/L以下，大幅降低再生水處理單元反硝化濾池碳源投加，再生水出水水質穩定達標。

升級改造完畢后持續開展工藝運行優化，全過程進行精細化運行調控，相關優化措施均列入日常工藝調控序列，系統性完善了升級改造工藝相關影響因素，最大程度發揮升級改造工藝的潛力和效果，為其在大型污水處理廠升級改造中進行推廣復制提供實際案例支撐。