李曉崴
(太原市城市排水管理中心,山西 太原 032100)
隨著國(guó)家水環(huán)境治理政策的相繼出臺(tái),河湖水質(zhì)提升已被提上日程,作為環(huán)保部水環(huán)境治理的主要手段之一,提高污水處理廠出水主要污染物指標(biāo)已迫在眉睫。目前,各省市已相繼出臺(tái)污水處理廠排放地方標(biāo)準(zhǔn),要求加快推進(jìn)污水處理廠的提標(biāo)改造,嚴(yán)格考核出水指標(biāo)。但是,升級(jí)改造工程往往受到場(chǎng)地的制約,只能在不增加反應(yīng)池有效容積上進(jìn)行。因此,整體占地少、脫氮除磷高效、運(yùn)行低能耗就成為污水處理廠水質(zhì)提標(biāo)改造的研究方向。在此環(huán)境下,生物懸浮填料工藝[3]應(yīng)運(yùn)而生,成為污水處理廠提標(biāo)改造時(shí)選擇最多的一種工藝。
太原市晉陽(yáng)污水處理廠位于晉源區(qū)姚村南側(cè),南峪沙河以南,汾河西堤以西,濱河西路以東。服務(wù)范圍北起汾河出山口,南至白石沙河北側(cè),西起西山邊山角下,東到濱河西路,服務(wù)面積為237.32 km2,服務(wù)人口為118.13 萬(wàn)人,處理后的水經(jīng)出水管排入汾河,現(xiàn)狀出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18919—2002)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)山西省2019 年11 月新頒布的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB14-1928-2019),2021 年1 月1 日起,城鎮(zhèn)生活污水處理廠出水化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)3 項(xiàng)指標(biāo)執(zhí)行新的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此,需對(duì)太原市晉陽(yáng)污水廠部分工藝段進(jìn)行提標(biāo)改造。
晉陽(yáng)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模32 萬(wàn)m3/d,分為系列一和系列二,系列一設(shè)計(jì)規(guī)模為20 萬(wàn)m3/d,污水處理工藝采用改良AAO 工藝;污水深度處理采用纖維濾池為主體的工藝。系列二設(shè)計(jì)規(guī)模為12 萬(wàn)m3/d,采用MBR 工藝。如圖1 所示。
圖1 改造前污水處理工藝圖
1.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)
表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)表 (單位:mg/L)
1.2.2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)
該污水處理廠“AA0 工藝”出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。
表2 污水處理廠AAO 工藝出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(單位:mg/L,除特殊注明外)
本工程“MBR 工藝”出水水質(zhì)執(zhí)行如下排放標(biāo)準(zhǔn),并且經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)出水水質(zhì)分析得出,該系列出水的氧量、氨氮、總磷三項(xiàng)指標(biāo)均滿足以下設(shè)計(jì)的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),那么也滿足“地表水V 類(lèi)”新出水標(biāo)準(zhǔn),所以本文所介紹的提標(biāo)改造工程只針對(duì)AAO 系列,后文所涉及的進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)也指的是AAO 系列的數(shù)據(jù)。
表3 污水處理廠MBR 工藝出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(單位:mg/L,除特殊注明外)
1.2.3 各污染物進(jìn)出水及保證率
改造前晉陽(yáng)污水處理廠各水質(zhì)進(jìn)水實(shí)際情況如表4 所示,從表中可以看出,SS 和TN 兩項(xiàng)進(jìn)水指標(biāo)較原設(shè)計(jì)值來(lái)說(shuō)有較大增加的情況,因此在本次改造中需要對(duì)原有的生物系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核,并相應(yīng)的調(diào)整了該進(jìn)水參數(shù)。
表4 晉陽(yáng)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)(參數(shù))(單位:mg/L)
根據(jù)對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量、總磷三項(xiàng)出水指標(biāo)的最新要求,又重點(diǎn)分析了這三項(xiàng)指標(biāo)的出水保證率,如表5 所示,通過(guò)實(shí)測(cè)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析,晉陽(yáng)污水處理廠一期工程目前AAO 系列出水指標(biāo)均能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),系列一(AAO 系列)出水化學(xué)需氧量、氨氮、總磷三項(xiàng)指標(biāo)在95%的保證率時(shí)可滿足“地表水V 類(lèi)”標(biāo)準(zhǔn)。
表5 晉陽(yáng)污水處理廠原出水水質(zhì)分析表(單位:mg/L)
按照山西省地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量、總磷三項(xiàng)出水指標(biāo)的最新要求,以及對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)分析得出SS、TN 兩項(xiàng)進(jìn)水指標(biāo)比原設(shè)計(jì)值有較大增加的現(xiàn)象,本次提標(biāo)改造的設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo)對(duì)SS 和TN 進(jìn)行了調(diào)整,設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)(參數(shù))分別如表6、表7 所示:
表6 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)表(單位:mg/L)
表7 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)表(單位:mg/L,除特殊注明外)
由于是對(duì)原有處理系統(tǒng)的改造,晉陽(yáng)污水處理廠提標(biāo)改造工程(AAO 系列)設(shè)計(jì)規(guī)模仍為20 萬(wàn)m3/d。參考近年來(lái)污水處理廠提標(biāo)改造工程方案,主要包括新增鼓風(fēng)機(jī)增大生物池好氧區(qū)的曝氣量[4]、增加生物池有效池容(包括生物池投加生物填料、增加污泥回流比提高污泥濃度等)、加大碳源投加量[5]調(diào)節(jié)生物池碳氮比、生物池工藝段后續(xù)增加進(jìn)一步去除污染物的措施等。
改造前,晉陽(yáng)污水處理廠出水總磷指標(biāo)滿足山西省地方標(biāo)準(zhǔn)保證率達(dá)95%,為確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo),設(shè)計(jì)加大除磷藥劑的投加量;原出水化學(xué)需氧量指標(biāo)達(dá)到山西省地方標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)保證率達(dá)95%,需進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)測(cè)定,該化學(xué)需氧量是否為可生物降解的溶解性化學(xué)需氧量,對(duì)于可生物降解的溶解性化學(xué)需氧量,可通過(guò)增加曝氣量去除;對(duì)于難降解型溶解性化學(xué)需氧量,須通過(guò)粉末活性炭吸附技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)[6],高級(jí)催化氧化技術(shù)等某些非常規(guī)手段去除。
當(dāng)處理廠的污水碳氮比較低時(shí),低碳源會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的反硝化進(jìn)行程度不全,最終會(huì)導(dǎo)致污水處理廠出水總氮含量超標(biāo)。在這種情況下,要降低出水總氮濃度可以在二級(jí)處理反應(yīng)池中添加外來(lái)碳源[7],使其出水達(dá)到出水要求。首先應(yīng)該考慮一些高碳低氮污水和工業(yè)廢水,例如化糞池出流水、糞便處理出水和啤酒廢水、食品工業(yè)廢水等作為外部碳源添加到污水處理系統(tǒng)中去。但是這些碳源是否可以作為添加物添加到污水處理廠中,還由地域條件所決定。經(jīng)了解,目前太原市晉陽(yáng)污水處理廠還沒(méi)有這個(gè)條件,因此需投加輔助碳源??紤]到甲醇購(gòu)買(mǎi)、使用、保存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程監(jiān)管流程復(fù)雜,操作難度大,危險(xiǎn)性高等因素以及當(dāng)?shù)氐囊簯B(tài)乙酸鈉可保證供應(yīng)的情況,本工程使用的是液態(tài)乙酸鈉[8]作為輔助外加碳源。
目前,大部分天數(shù)的出水氨氮指標(biāo)能滿足該工程的出水要求,但個(gè)別天的差別仍較大,因此,考慮冬季極端氣溫下,在生物池投加硝化菌使出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
由于進(jìn)出水水質(zhì)的改變,提標(biāo)改造工程需要對(duì)污泥量進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算,經(jīng)核實(shí)現(xiàn)狀工程污泥脫水設(shè)備現(xiàn)狀設(shè)備偏小,無(wú)法滿足高峰污泥量要求。需將原脫水機(jī)進(jìn)行局部更換。
設(shè)計(jì)采用“好氧區(qū)增加填料+低溫硝化菌保障措施”的主體改造思路對(duì)晉陽(yáng)污水處理廠AAO 系列進(jìn)行提標(biāo)改造,通過(guò)泥膜共生系統(tǒng),提高生物池專(zhuān)性微生物量和專(zhuān)性細(xì)菌數(shù)量,以解決目前工藝氨氮去除效果受停留時(shí)間所限的問(wèn)題。
2.2.1 生物池改造
改造前AAO 共2 個(gè)系列,單系列好氧池為3 廊道結(jié)構(gòu),改造將目前前兩個(gè)廊道打通,改造為完全混合池型,增加推流器,使填料在池內(nèi)循環(huán)往復(fù)。在進(jìn)水及出水側(cè)安裝篩網(wǎng),用以阻攔濾料,具體的生物池增加的懸浮填料系統(tǒng)如表8 所示。
表8 AAO 系列生物池增加懸浮填料系統(tǒng)
通過(guò)增加生物懸浮填料后的生物池容積對(duì)比表如表9 所示,從表9 中可以看出改造后好氧區(qū)在不改變池容的條件下,通過(guò)添加填料從而彌補(bǔ)了污水處理廠好氧池HRT 不足的問(wèn)題,提高了生物除磷脫氮效果。
表9 改造前后池容對(duì)比表
此次改造在生物池增加了7 800 個(gè)供氣量Q=3~5 m3/hr 的曝氣頭??紤]到總供氣量的增加,該污水處理廠為全地下式污水處理廠,鼓風(fēng)機(jī)房設(shè)置在好氧池上部,構(gòu)筑物尺寸無(wú)法增大,因此無(wú)法通過(guò)增加鼓風(fēng)機(jī)數(shù)量的方式進(jìn)行調(diào)整,只能對(duì)原有風(fēng)機(jī)進(jìn)行部分更換。同時(shí)考慮用電負(fù)荷,本次提標(biāo)改造工程選擇更高效、占地更小的空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī),將原有8 臺(tái)AAO 系列生物鼓風(fēng)機(jī)(6 用2 備)風(fēng)機(jī)中的2 臺(tái)進(jìn)行更換,類(lèi)型為磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)增大單機(jī)風(fēng)量Q=15 000 m3/h,風(fēng)壓P=8 m H2O,功率P=410 kW。更換2 套AAO 系列空氣過(guò)濾器,類(lèi)型為卷簾式空氣過(guò)濾器,Q=40 000 m3/h。
目前廠區(qū)采用設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)及曝氣量進(jìn)行連鎖控制,運(yùn)行中進(jìn)水水質(zhì)、水量存在波動(dòng),風(fēng)機(jī)及好氧池各段風(fēng)量調(diào)配不及時(shí),造成氨氮及化學(xué)需氧量去除效果受到影響,同時(shí)回流污泥中DO 含量較高,造成缺氧區(qū)DO 濃度較難控制,影響TN 去除效果,造成缺氧池池容及外加碳源的浪費(fèi),鑒于此,本次改造過(guò)程中,在好氧區(qū)中增加必要的過(guò)程分析儀表和自動(dòng)閥門(mén),采用精確曝氣系統(tǒng)保證系統(tǒng)溶氧的穩(wěn)定,確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
2.2.2 污泥處理系統(tǒng)
考慮到污泥量的增加,將原有污泥濃縮機(jī)配置由原來(lái)的5 臺(tái)(4 用1 備)調(diào)整為5 用。晉陽(yáng)污水處理廠為全地下式污水處理廠,構(gòu)筑物尺寸無(wú)法增大,因此無(wú)法通過(guò)增加離心脫水機(jī)數(shù)量的方式進(jìn)行調(diào)整,只能將其中兩臺(tái)脫水機(jī)進(jìn)行更換,進(jìn)泥泵等原設(shè)計(jì)留有一定余量,可繼續(xù)利用。但需對(duì)脫水系統(tǒng)配電及自控系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)整。因此分別更換2 臺(tái)污泥脫水機(jī),更換為臥式離心脫水機(jī),性能為Q=100 m3/h,固體通量G≥3 000 kg/h,功率P=170 kW。
2.2.3 增加MBR 系統(tǒng)抗沖擊能力
由于MBR 已滿負(fù)荷運(yùn)行,考慮改造期間可能會(huì)分?jǐn)偹?,且現(xiàn)在廠區(qū)接近滿負(fù)荷運(yùn)行,后期極可能超負(fù)荷運(yùn)行的現(xiàn)狀??紤]增加MBR 膜組器及備用部分膜片的方式提高M(jìn)BR 系統(tǒng)的抗沖擊能力,同時(shí)在冬季低溫時(shí),利用MBR 出水水質(zhì)好的特點(diǎn),適當(dāng)增加MBR 運(yùn)行負(fù)荷,確保雙系統(tǒng)均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
2.2.4 加藥系統(tǒng)改造
加藥系統(tǒng)主要是由于進(jìn)水TN 及TP 指標(biāo)增高,造成碳源及除磷藥劑的投加量的增加;同時(shí)考慮在尾水增加次鈉氧化保障氨氮的手段。
經(jīng)核算目前碳源及除磷藥劑投加系統(tǒng)可以滿足水質(zhì)提高后的使用要求,無(wú)需對(duì)碳源投加及除磷藥劑投加系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。但目前廠區(qū)缺乏對(duì)加藥過(guò)程的自動(dòng)控制,藥劑投加量無(wú)法隨進(jìn)水水質(zhì)變化而變化,造成加藥浪費(fèi)或出水水質(zhì)波動(dòng),因此本次提標(biāo)改造增加相應(yīng)過(guò)程儀表及精確加藥系統(tǒng)。
2.2.5 冬季低溫保障措施
冬季極端低溫情況下,氨氮出水指標(biāo)受水溫影響較大,設(shè)計(jì)通過(guò)增加低溫硝化菌措施,確保氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。即:當(dāng)水溫低于15℃時(shí),投加專(zhuān)用菌株,增加氨氮硝化速率。
本次提標(biāo)改造設(shè)計(jì)中,投加的含有專(zhuān)用菌株的硝化菌是一種高濃度液體,含有亞硝酸菌屬和硝酸菌屬。在8 ℃溫度的污水中仍然有效,可有效避免污水生物系統(tǒng)硝化作用的失敗,其他品種的硝化菌當(dāng)水溫降到15 ℃以下時(shí),硝化就會(huì)被抑制。
為盡量避免提標(biāo)改造工程對(duì)太原市節(jié)能減排總體目標(biāo)及污水廠出水水質(zhì)的影響,施工時(shí)采取不停水改造及分階段措施施工。2019 年12 月晉陽(yáng)污水處理廠完成提標(biāo)改造,對(duì)改造前2018 年1~6 月和改造后2020 年1~6 月每隔10 d 的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定后的平均值見(jiàn)表10??梢?jiàn),改造后使得各項(xiàng)出水水質(zhì)較改造前更加穩(wěn)定,通過(guò)采取增加懸浮填料及投加低溫硝化菌保障措施后,出水化學(xué)需氧量、氨氮、總磷平均濃度分別為21.33 mg/L、0.93 mg/L、0.20 mg/L,較改造前都明顯降低,穩(wěn)定達(dá)地表水V 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),其余指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。
表10 晉陽(yáng)污水處理廠提標(biāo)改造前后進(jìn)、出水水質(zhì)平均值(單位:mg·L-1)
在保持處理規(guī)模、占地面積不變的條件下,太原市晉陽(yáng)污水處理廠完成了提標(biāo)改造工程,進(jìn)一步提高了化學(xué)需氧量、氨氮、總磷這三項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的出水標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō)是一個(gè)難題,同類(lèi)型的提標(biāo)改造案例基本沒(méi)有,但是通過(guò)研究我們得出以上改造方案技術(shù)可行。該案例不新增用地,土建工程量少,施工周期短,充分利用現(xiàn)有構(gòu)筑設(shè)施,有效解決了提高污水廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。通過(guò)污水廠改造前后運(yùn)行效果的分析可知,改造后出水化學(xué)需氧量、氨氮、總磷濃度都明顯降低,能夠穩(wěn)定達(dá)到山西省《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB14-1928-2019)。實(shí)踐證明,污水處理廠采取增加懸浮填料及投加低溫硝化菌的工藝方案實(shí)施提標(biāo)改造工程,技術(shù)可行,工程實(shí)施難度較低,經(jīng)濟(jì)性較高,對(duì)同類(lèi)型污水處理廠項(xiàng)目的提標(biāo)改造具有一定借鑒及參考意義。