李文強(qiáng)

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092］

0 引 言

蘇州全市共有污水廠93座，處理能力為374萬m3/d，全面執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步提升蘇州地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，2018年9月，蘇州頒布《關(guān)于高質(zhì)量推進(jìn)城鄉(xiāng)生活污水治理三年行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施意見》，要求2021年1月1日起城鎮(zhèn)污水處理廠尾水優(yōu)于“蘇州特別排放限值”（以下簡(jiǎn)稱排放限值）。

蘇州某污水處理廠始建于2004年，一期工程于2006年初投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理能力為4.0萬m3/d。采用循環(huán)式生物反應(yīng)器處理工藝。2011年完成一期工程提標(biāo)改造工程至今，出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，目前運(yùn)行正常。

由于該廠按照一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造、運(yùn)行，現(xiàn)狀出水水質(zhì)無法穩(wěn)定達(dá)到“排放限制”要求，需要進(jìn)行提標(biāo)改造。而該廠的提標(biāo)擴(kuò)建工程的處于前期研究階段，進(jìn)度上無法保證2021年1月1日的考核要求，需要采取應(yīng)急性工程手段，提高處理能力，確保達(dá)標(biāo)排放。

1 污水廠現(xiàn)狀介紹

1.1 現(xiàn)狀工藝流程及布置

該廠現(xiàn)狀主體工藝采用循環(huán)式生物反應(yīng)池工藝，深度處理采用微絮凝過濾工藝，消毒采用紫外消毒，如圖1所示。主要處理構(gòu)筑物包括：粗格柵進(jìn)水泵房、細(xì)格柵旋流沉砂池、循環(huán)式生物反應(yīng)池、混合池、濾布濾池、紫外消毒池。污泥工藝采用濃縮脫水一體化，主要構(gòu)筑物包括儲(chǔ)泥池、濃縮脫水機(jī)房。

圖1 現(xiàn)狀處理工藝流程圖

該污水處理廠經(jīng)歷了2期建設(shè)，總占地面積3.0 hm2。如圖2所示，現(xiàn)狀構(gòu)筑物布置緊湊，可利用的建設(shè)用地不多，在現(xiàn)狀濾布濾池南側(cè)有一塊空地可用。

圖2 現(xiàn)狀平面布置圖

1.2 現(xiàn)狀處理水量及進(jìn)出水水質(zhì)

近2 a的處理水量如圖3所示。

圖3 近期處理水量

從上圖可以看出，該廠已經(jīng)處于滿負(fù)荷運(yùn)行，2 a平均水量為3.1萬m3/d，負(fù)荷率達(dá)到77.5%。且近期水量有上升的趨勢(shì)。

現(xiàn)狀設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 原工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) 單位：mg/L

污水處理廠2018年1月~2019年12月，原進(jìn)出水水質(zhì)及達(dá)標(biāo)率見表2、表3。

表2 2018年1月~2019年12月進(jìn)水水質(zhì) 單位：mg/L

表3 2018年1月~2019年12月出水水質(zhì) 單位：mg/L

從進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)可以看出，進(jìn)水COD、TP均比原設(shè)計(jì)值有較大提高，BOD、SS接近原設(shè)計(jì)值。NH3，TN較原設(shè)計(jì)值略微升高。結(jié)合進(jìn)水水量一起分析，可以看出該污水廠目前水力負(fù)荷和水質(zhì)負(fù)荷均已經(jīng)接近滿負(fù)荷。

從出水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)可以看出，所有數(shù)據(jù)均能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)。以新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，BOD、SS可以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。COD出水保證率較好。NH3-N出水存在一定風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)標(biāo)率為95%。TN出水與新標(biāo)準(zhǔn)存在一定差距，達(dá)標(biāo)率為86.2%。TP出水水質(zhì)最差，達(dá)標(biāo)率僅為60.5%。結(jié)合進(jìn)水情況，進(jìn)水TP超出設(shè)計(jì)值直接導(dǎo)致了出水TP無法進(jìn)一步滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。進(jìn)水COD雖然超出設(shè)計(jì)值也較多，但達(dá)標(biāo)率較好，說明COD組分中易生物降解部分占比高，達(dá)標(biāo)排放難度不大。NH3和TN的略高，仍有較高的保證率，說明現(xiàn)狀生反池運(yùn)行時(shí)序可以滿足使用要求，但也存在不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 該工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)

從上述進(jìn)出水水質(zhì)分析可以看出，COD、BOD、SS均有較高的保障率，但TN、NH3-N和TP存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和復(fù)核，NH3不夠穩(wěn)定的原因是曝氣管結(jié)垢，阻力增加，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓異常升高造成風(fēng)機(jī)停機(jī)頻繁，更換高揚(yáng)程風(fēng)機(jī)即可解決。TN的問題是CASS池運(yùn)行時(shí)序無法人為干預(yù)、現(xiàn)場(chǎng)無法精確投加外碳源導(dǎo)致的，該次將自控系統(tǒng)重新編程、改進(jìn)碳源投加系統(tǒng)，TN可以通過現(xiàn)場(chǎng)管理性手段確保達(dá)標(biāo)。針對(duì)NH3和TN的工程設(shè)計(jì)不再贅述。

TP是該工程不達(dá)標(biāo)的主要因素和難點(diǎn)，其達(dá)標(biāo)保證率僅為60.5%?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題：

（1）CASS池潷水器運(yùn)行速度不均，導(dǎo)致出水水量波動(dòng)大，高峰流量可達(dá)2 800 m3/h；

（2）現(xiàn)狀深度處理采用“微絮凝過濾”工藝，采用混合池+濾布濾池，混合池內(nèi)設(shè)置了2臺(tái)混凝攪拌器，加藥混合后形成微絮體直接進(jìn)入濾布濾池內(nèi)。當(dāng)除磷要求提高后，負(fù)荷增加，該工藝發(fā)生濾池堵塞、溢流，無法滿足穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的需求。

由于該廠經(jīng)歷了幾期工程建設(shè)，地下管線復(fù)雜、可利用用地面積較小。此外，工程研究開展時(shí)距離考核節(jié)點(diǎn)近，工期緊張，常規(guī)水處理構(gòu)筑物建設(shè)周期無法滿足要求。所以需要一種除磷效果佳、耐沖擊負(fù)荷、表面負(fù)荷高（占地面積小），且能夠采用一體化裝置成套運(yùn)行的工藝。

2 應(yīng)急提標(biāo)工程深度處理段設(shè)計(jì)[1-3]

2.1 工藝的選擇

一般來講，二沉池出水中SS和TP含量相對(duì)較低，由于水中膠體雜質(zhì)較少、凝聚碰撞的機(jī)會(huì)很少，比重又接近子水，不易形成絮體，形成的絮體松散、易碎。常規(guī)混凝沉淀工藝對(duì)于此類問題的解決方案是，增加藥劑投加量，或者增加晶核幫助形成比重較大的絮體（如磁混凝沉淀、加砂沉淀）。這都帶來了費(fèi)用的增加，或后續(xù)污泥處理的問題。氣浮工藝是將絮體“向上”去除，對(duì)于尺寸較小的顆粒也有較高的去除率。經(jīng)過綜合比選以及中試試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮到除磷效果、占地以及供貨和施工周期的影響，該次深度處理段采用混凝氣浮工藝，用于除磷和SS的去除。

混凝區(qū)內(nèi)，進(jìn)水與混凝劑通過機(jī)械攪拌混合，并在混凝區(qū)內(nèi)進(jìn)行水力擴(kuò)散，進(jìn)水中膠體顆粒脫穩(wěn)。水力絮凝區(qū)內(nèi)，脫穩(wěn)后的顆粒只需少量的絮凝劑便能形成穩(wěn)定的礬花?；炷托跄?，水將流入氣浮區(qū)。在該區(qū)域，在絮凝階段形成的礬花將附著在微氣泡上，并被氣泡帶到水面，實(shí)現(xiàn)固液分離。

氣浮所需要的微氣泡由空氣飽和加壓循環(huán)水在釋壓過程中產(chǎn)生。該循環(huán)水是利用一部分氣浮出水，通過循環(huán)泵加壓后，在壓力作用下形成氣水飽和液。

與傳統(tǒng)氣浮工藝和高效沉淀池相比，高速氣浮池的氣浮速度更快、絮凝時(shí)間更短，從而大大減少了占地面積及工程投資。另外，高速氣浮池還具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：

（1）優(yōu)異的出水水質(zhì)，出水懸浮物濃度、磷酸鹽含量低；（2）運(yùn)行所需藥劑較少，尤其是出水水質(zhì)要求高的情況下，藥劑節(jié)省的程度更高；（3）能快速啟動(dòng)和停運(yùn)，方便運(yùn)行管理。

2.2 工藝流程及水力高程布置

如圖4所示，該次將氣浮段設(shè)置在循環(huán)式生物反應(yīng)池末端，與原“混合池+濾布濾池”段并聯(lián)布置。二級(jí)生化處理后的污水通過水泵提升后進(jìn)入混凝氣浮工藝，處理后進(jìn)入紫外消毒池。原“混合池+濾布濾池”功能保留，改為低負(fù)荷運(yùn)行及深度處理保障段。

圖4 改造后工藝流程圖

混凝氣浮工藝的水頭損失分為兩段，混凝段水頭損失為10 cm，氣浮段水頭損失55 cm，工藝段之間管道的水頭損失5 cm。如圖5所示，總水頭損失可以控制在70 cm以內(nèi)。比常規(guī)的混凝+過濾組合工藝水頭損失小，有利于與現(xiàn)狀工藝結(jié)合。

圖5 混凝氣浮段水力高程圖（單位：m）

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

設(shè)計(jì)規(guī)模4.0萬m3/d；設(shè)計(jì)最大處理水量2 400m3/h。

2.3.2 水質(zhì)

（1）設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)：

SS≤20 mg/L，TP≤0.5 mg/L。

（2）設(shè)計(jì)出水水質(zhì)：

SS≤10 mg/L，TP≤0.3 mg/L

2.3.3 混凝段

設(shè)置2套混凝反應(yīng)器，單套最大處理能力1200m3/h?？偼Ａ魰r(shí)間15 min。

（1）混凝攪拌器：N=3.7 kW，輸出轉(zhuǎn)速76.3 rpm；

（2）一級(jí)絮凝攪拌器：N=1.5 kW，輸出轉(zhuǎn)速7.75 rpm；

（3）二級(jí)絮凝攪拌器：N=1.1 kW，輸出轉(zhuǎn)速3.7 rpm；

（4）三級(jí)絮凝攪拌器：N=1.1 kW，輸出轉(zhuǎn)速3.7 rpm。

2.3.4 氣浮段

設(shè)置2套一體化氣浮裝置，單套最大處理能力1 200 m3/h。

回流比：10%；

分離區(qū)表面負(fù)荷：≥25 m3/m2·h。

2.3.5 平面尺寸

兩套混凝氣浮處理裝置總平面尺寸20.3 m×21.0 m，占地426.3 m2。

混凝段平面尺寸4 m×15 m，氣浮段平面尺寸4 m×16 m。

3 運(yùn)行效果

3.1 效果分析

該次應(yīng)急改造工程自2020年11月投運(yùn)以來，混凝氣浮段在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行的工況下，出水水質(zhì)可穩(wěn)定優(yōu)于“蘇州特別排放限值”的要求，出水水質(zhì)匯總?cè)鐖D6所示。

圖6 混凝氣浮段TP進(jìn)出水值

可以看出，進(jìn)水在0.5~0.8 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，出水可以穩(wěn)定維持在0.3 mg/L以下，45d平均值為0.15 mg/L。平均去除率達(dá)74.6%。說明該深度處理工藝對(duì)于TP的去除效果穩(wěn)定且可靠，且對(duì)于總磷出水標(biāo)準(zhǔn)較高（＜0.3 mg/L）的情況下效果較好。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該工程投資為主要直接運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)。投入運(yùn)行至今，平均電耗為0.044 kW·h/m3，電價(jià)按0.6元/（kW·h）計(jì)，平均電費(fèi)為0.026元/m3；PAC藥劑主要為粉劑制備后投加，平均用量為0.02 kg/m3，單價(jià)2.3元/kg，PAC藥劑費(fèi)為0.047元/m3。PAM藥劑為固體顆粒制備后投加，平均用量為1.35×10-4kg/m3，單 價(jià)20元/kg，PAM藥劑費(fèi)為0.0027元/m3；管理依托廠內(nèi)現(xiàn)有定員，故人工費(fèi)未單獨(dú)計(jì)算。該工藝運(yùn)行費(fèi)用為0.076元/m3。其中藥劑費(fèi)占比65.4%，電費(fèi)占比34.6%。

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

總結(jié)該次應(yīng)急改造工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）混凝氣浮工藝?yán)m(xù)接在常規(guī)生化處理工藝后，可以實(shí)現(xiàn)TP穩(wěn)定達(dá)到0.3 mg/L以下，平均值0.15 mg/L；

（2）該工藝表面負(fù)荷高、占地面積小。采用一體化裝置，可實(shí)現(xiàn)快速安裝、啟動(dòng)，適合工期緊張、可利用地緊湊的工程；

（3）混凝氣浮工藝總水頭損失可控制在0.7m以內(nèi)，有利于與常規(guī)深度處理工藝并聯(lián)布置，提升處理能力；

（4）混凝氣浮工藝在水量波動(dòng)情況下也可以穩(wěn)定運(yùn)行，但需要相應(yīng)調(diào)整投藥量和回流比；

（5）噸水直接運(yùn)行費(fèi)用為0.076元/m3，其中藥劑費(fèi)占比65.4%，電費(fèi)占比34.6%。