1 水区升级改造概况
1.1 升级改造背景
高碑店再生水厂是北京处理规模最大的城市污水处理厂，一期和二期工程分别于1993年和1999年正式运行，设计处理规模为100万m?/d，占地68 hm?，流域面积约100 km?。
2010年高碑店再生水厂的再生水利用工程开工建设，目前高碑店厂再生水深度处理过程主要采用反硝化生物滤池-超滤膜过滤-臭氧脱色-紫外线消毒工艺，并于2016年9月陆续投产运行。在生产中水质监测结果表明，污水区二级出水TN仍较高，再生水处理单元的反硝化滤池脱氮压力较大。2016年高碑店再生水厂二沉池出水水质为：TN 26.11 mg/L、NH3-N 1.14 mg/L、TP 0.33 mg/L。
为保障再生水水质稳定达标，同时降低再生水处理单元反硝化滤池的碳源消耗量，使出水达到北京市地方排放标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890-2012)B标准，有必要采取改进措施降低二沉池出水TN。本项目通过对污水区二级处理单元功能提升改造，增强生物池的脱氮除磷效果，使二沉池出水TN控制在20 mg/L以下，从而提高再生水出水水质保障度
1.2 升级改造内容
1.2.1 升级改造概况
为强化生物池的脱氮除磷效果，根据《北京市高碑店再生水厂及再生水利用工程-再生水处理厂工程初步设计说明》设计，高碑店厂二级处理改造工艺原设计采用MBBR填料工艺，但该方案施工复杂、建设周期长、投资大，且施工过程中需整个系列停运。最终结合前期《高碑店污水处理厂改造及再生利用工程方案比选》结果，筛选出具有生物脱氮除磷功能的改良型AAO工艺作为最终方案。
高碑店再生水厂污水区升级改造为改良型AAO工艺，工艺流程如图1所示。主体改造工程为：①改造2组初沉池，分别作为生物池的预缺氧池及厌氧池，增设旁通侧流，其中10%原水经旁通侧流进入预缺氧池，去除污泥回流液中的硝酸盐氮，而另外90%原水则经由初沉池进入厌氧池，强化生物除磷;②改造生物池内部构造，新增内回流设施，内回流比在150%~300%范围可调;③改造好氧段末端5 m区域为消氧区，降低高DO内回流液对缺氧段反硝化脱氮的影响;④修建配套的升级改造供配电、控制设施，将老旧设备设施更新换代;⑤增设多点碳源投加：旁通侧流(预缺氧池碳源)、乙酸钠(外加碳源)及原初沉出水(缺氧池碳源)等。高碑店再生水厂污水区升级改造具体施工示意如图2所示。
1.2.2 升级改造工艺参数
高碑店再生水厂污水区各构筑物随着升级改造完成，相关工艺参数有所改变，主要涉及水力停留时间、内回流比、外加碳源投配率等。
(1)水力停留时间。本项目将污水区每系列2组初沉池改造为预缺氧池及厌氧池。初沉池HRT由3 h减至2 h;预缺氧池与厌氧池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，具体水力停留时间如表1所示。
(2)内回流比。为增强反硝化脱氮效果，在各组曝气池好氧区末端加装内回流泵，单台能力为5 200 m?/h，从而增加混合液中硝酸盐氮回流，强化脱氮，内回流比介于100%~300%可调。
(3)外加碳源投配率。单系列均分别设置1套乙酸钠外加碳源投加系统，全厂共4套，每套加药设施均由2个50 m?的储药罐及2台计量泵组成。加药点分别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浓度从25 mg/L降至15 mg/L时，去除10 mg/L NO-3-N计算，实际运行中乙酸钠药剂投配浓度大约在30~50 mg/L。
2 升级改造脱氮除磷效果分析
2.1 强化脱氮效果
高碑店再生水厂污水区从2017年6月开始施工改造，截至2018年6月底，污水区8组初沉池、24组曝气池升级改造全部完成，配套内回流及碳源加药逐渐投入运行。通过一段时间实际运行，系统分析了高碑店再生水厂升级改造后生物池沿程TN、NO-3-N、NH3-N变化趋势如图3所示。
污水区升级改造后，生物池增设预缺氧池，外回流污泥混合液TN可由15~20 mg/L降至2~3 mg/L;生物池缺氧段增设内回流设施，生物池出水总氮可降至15 mg/L左右，生物脱氮能力大幅提高。
高碑店再生水厂污水区2016~2018年近3年二沉池出水TN变化如图4所示。2018年污水区功能性改造完成后二沉出水总氮均值为14.48 mg/L，较改造前同期平均降低了10.65 mg/L，降幅42%左右，满足升级改造后二沉池出水TN控制在20 mg/L以内的设计需求，高碑店厂再生水出水TN稳定达标。
2.2 强化除磷效果
高碑店再生水厂升级改造后，每个系列增设1组厌氧池，90%原水经由初沉池后进入厌氧池，为生物释磷提供碳源，改造后生物池的沿程正磷酸盐(SP)变化趋势如图5所示，厌氧池具有明显的释磷效果，生物除磷功能显著。生物池出水端再辅助化学除磷，出水水质稳定。
高碑店再生水厂近3年再生水出水总磷均处于0.3 mg/L以下，如图6所示。随着2017年升级改造逐渐投入运行，增设厌氧池强化了生物除磷能力，2018年改造后除磷药剂投配率较2016年改造前除磷药剂投配率同期平均降低了5.94 mg/L，降幅达50%左右，高效节约了化学除磷药剂，近3年投配率变化如图7所示。
3 升级改造后工艺运行优化
随着北京市黑臭水体截污治理工程的开展，高碑店再生水厂水量较历史同期明显增加，2018年汛期高碑店再生水厂日均处理水量达102万m?/d，持续处于超负荷运行状态。随着高碑店再生水厂污水区升级改造工程的初步完成，为确保水质实时达标，主要从多点碳源优化投加、内外回流比优化控制、工艺配套设备设施优化等方面对该升级改造工艺进行运行优化分析，旨在提高出水水质保障度。
3.1 多点碳源配比优化
污水区升级改造完毕后，为了强化二级处理脱氮除磷，增设了多个碳源投加点，包括：旁通侧流(预缺氧池碳源)、乙酸钠(缺氧池外加碳源)及原初沉出水(缺氧池原水碳源)等。为优化提高脱氮效果，开展了多点碳源配比优化投加的正交试验确保水质稳定达标前提下，最大限度利用原水碳源，减少外加碳源投加量，并确定脱氮效果较优的多点碳源配比，具体3×3正交试验的相关因素与水平选取见表2。
在运行工况参数基本稳定前提下，通过连续3个月对上述3×3因素与水平开展生产性正交试验，探究各因素各水平下每种试验指标的二沉出水TN变化情况，利用正交试验极差分析法计算极差R，探究较优碳源配比，具体如表3所示。
通过对正交试验结果极差分析可知，在多点碳源投加对出水总氮影响因素中，乙酸钠投加量因素影响最大，原初沉出水闸开度影响次之，旁通侧流因素影响最小。升级改造多点碳源优化投加，较优配比为A1-B2-C2组合，即旁通流量800 m?/h(8%)，原初沉出水闸开启5 cm(5%)，乙酸钠投配率为30 mg/L，脱氮效果最佳。
3.2 内外回流比优化
高碑店再生水厂升级改造后污水区生物池停留时间仍较短，一期生物池HRT为11.3 h，缺氧段占比约25%，二期生物池HRT为9.8 h，缺氧段占比约17%。升级改造后增设内回流设施，并将好氧段末端5 m区域转换为消氧区。在进水水质稳定，其他工况条件不变情况下，加开内回流泵前后，二沉出水TN由23.4 mg/L降至14.8 mg/L，平均降幅约37%，TN变化趋势如图8所示。
高碑店再生水厂为保障生物池硝化反应完全，控制好氧段的溶解氧水平较高，实际末端DO控制在2~4 mg/L。为避免高DO的硝化液回流至缺氧段破坏反硝化环境，需对内回流比设定合理优化。理论上内回流比越大，脱氮效果越好，通过设定不同内回流比下生产试验得出，由于受实际反硝化能力的限制，内回流比为200%时，回流至缺氧池的硝氮不能被完全反硝化，将内回流比调整为100%时，一方面减少了硝化液回流携带的DO量对缺氧反硝化脱氮的影响，另一方面回流的硝氮量又满足实际反硝化脱氮需求，因此脱氮效果更好。不同内回流比下二沉出水TN情况如图9所示。
3.3 工艺配套设备设施优化
高碑店再生水厂污水区升级改造完毕后，实际运行管理中发现相关改造的设备设施存在一定问题：①改造后预缺氧池与厌氧池存在浮泥，外加碳源混合不均;②初沉池数量减少1/3，排泥能力不足易跑泥;③二沉池负荷加大易冒泥;④原供电设施配电容量不足，部分新增的内回流泵无法正常运行等问题。故升级改造工艺的配套设备设施存在进一步优化改进空间。
本项目根据现场实际及工艺需求，针对核心问题开展创新优化，主要包括：①优化生物池搅拌器：通过在厌氧池末端及曝气池进水渠加装浅层搅拌器，改善水力条件，促进外加碳源混合均匀，全面解决浮泥问题，有效改善池容;②更新初沉排泥系统：校核更新2组最不利点初沉排泥泵组，将流量由60 m?/h增至90 m?/h;排泥泵前后直径150 mm变径管线更换为200 mm直管线，减少堵塞;调整初沉排泥自控系统间歇时间，即保证浓度，又降低初沉泥位;③改造二沉池吸泥机：加大二沉池回流污泥虹吸量，促进外循环，降低二沉池泥位，减少超负荷运行时二沉跑泥对后续工艺的影响;④增设内回流临电保障工程：克服了改造后供电不足难题，通过跨区域引临时电解决内回流泵供电问题等。通过对升级改造配套设备设施存在问题梳理优化，系统性完善了升级改造工艺相关影响因素，为进一步提高升级改造的潜力与效果提供有力支撑。
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4 结论
高碑店再生水厂升级改造项目创新性地将初沉池改造为预缺氧池及厌氧池，百万吨级自主创新工艺改造成果得以实现成功应用，与原升级改造MBBR填料工艺相比，提前3年完成改造，节约大量改造投资成本，高效地强化了生物脱氮除磷，使二沉出水TN稳定在20 mg/L以下，大幅降低再生水处理单元反硝化滤池碳源投加，再生水出水水质稳定达标。
升级改造完毕后持续开展工艺运行优化，全过程进行精细化运行调控，相关优化措施均列入日常工艺调控序列，系统性完善了升级改造工艺相关影响因素，最大程度发挥升级改造工艺的潜力和效果，为其在大型污水处理厂升级改造中进行推广复制提供实际案例支撑。
