金 濤,劉曉靜,馬文明,勞會妹,高文軍

(1.中建生態(tài)環(huán)境集團有限公司,北京 100037;2.中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州 730030)

近年來,我國城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準越來越嚴格,而冬季低溫運行期間主體生化處理工藝中活性污泥的硝化、反硝化速率、生物除磷效率顯著下降,常常遇到氨氮、TN、TP難以穩(wěn)定達標的問題[1-2]。河北省某縣污水處理廠位于潮河流域,密云水庫上游,原設計總規(guī)模為3.5萬m3/d,執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準(以下簡稱“國標A標準”)。隨著城市快速發(fā)展和人民生活水平的提高,該縣生活污水排放量持續(xù)增加,同時,排放水體水環(huán)境目標提高對污水處理廠出水提出更高要求。污水處理廠亟需進行擴容提標改造,擴大污水處理廠的處理能力至5.0萬m3/d,并將出水排放標準提高到北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)表1中的A標準(以下簡稱“京標A標準”)。本文以河北某縣污水處理廠擴容提標改造工程為例,重點介紹了低溫條件下高排放標準新建污水處理廠的工程設計和應用。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality

1 工程概況與工藝選擇

1.1 工程概況

河北省某污水處理廠擴容提標改造工程設計總規(guī)模為5.0萬m3/d,包括2部分:(1)老廠通過降產提標改造,處理能力由3.5萬m3/d降至2.0萬m3/d;(2)新廠擴建3.0萬m3/d處理能力。進水主要為生活污水,含少量經濟開發(fā)區(qū)工業(yè)廢水,其占比不超過10%。根據(jù)受納水體潮河的水環(huán)境功能目標的要求,擴容提標改造后污水處理廠出水水質標準要求達到京標A標準,主要指標CODCr、BOD5、氨氮、TP與《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)表1中Ⅲ類限值要求一致(TN除外,TN≤10 mg/L),具體設計進出水水質如表1所示,設計最低水溫為6 ℃。

1.2 老廠運行現(xiàn)狀

老廠現(xiàn)狀處理工藝為“百樂克工藝+二沉池+高效沉淀池+淺層砂濾池+接觸消毒”,百樂克工藝經過之前改造投加移動床生物膜反應器(MBBR)填料以增加缺氧區(qū)微生物量,改善冬季低溫條件下對TN的去除效果,新建高效沉淀池以保證出水TP達標[3]。目前老廠整體出水能夠達到國標A標準,主要存在以下問題。

(1)百樂克工藝冬季停留時間偏短,雖進行MBBR工藝改造緩解低溫條件下缺氧池容不足問題,但填料流化狀態(tài)不佳,造成局部填料堆積現(xiàn)象,特別是缺氧區(qū)出口不銹鋼攔截篩網部分。

(2)生物池內外回流系統(tǒng)、風機系統(tǒng)均不能變頻調節(jié),無法靈活調整運行參數(shù),現(xiàn)狀生化系統(tǒng)對原水碳源利用率較低,而為保證出水TN達標,外加碳源投加量偏大。

(3)現(xiàn)狀二沉池與百樂克池合建,造成二沉池長寬比、長深比、最大水平流速、弗勞德數(shù)遠低于常規(guī)平流沉淀池,表面負荷[1.35 m3/(m2·h)]較高,沉淀效果不佳[3]。

(4)淺層砂濾池因只設計了水反洗,未設置氣反洗,經過多年的運行,石英砂濾料污堵嚴重,基本喪失應有功能。

1.3 工藝選擇重難點

從現(xiàn)狀污水處理廠運行情況分析,新建污水處理廠在工藝選擇上存在以下重難點。

(1)冬季時間長、進水水溫低,嚴重影響系統(tǒng)硝化反硝化性能。污水處理廠冬季低水溫運行時間為12月底—次年3月底,進水溫度在6～8 ℃,最低水溫低至6 ℃。出水執(zhí)行國標A標準時,低溫期間出水氨氮、TN指標明顯存在較大浮動,通過對現(xiàn)狀污水處理廠進行分析,因百樂克工藝厭氧區(qū)停留時間為1.0 h,缺氧區(qū)停留時間為2.9 h,好氧區(qū)停留時間為10.2 h,實際運行中,常溫時尚可滿足出水標準要求,但低溫條件下微生物反應速率下降,設計停留時間不足導致出水水質波動[3]?，F(xiàn)提標至京標A標準,對出水氨氮、TN要求更加嚴格,難以保證其穩(wěn)定達標。

(2)進水碳氮比偏低,且百樂克工藝未做到充分利用原水中的碳源,導致碳源投加量大,運行成本增加。同時碳源不足也影響到生化系統(tǒng)的生物除磷效果,新污水處理廠生化處理工藝選擇要充分考慮原水碳源的利用,選擇強化脫氮除磷工藝[3-6]。

(3)本項目的設計進水TP質量濃度指標為6.0 mg/L,出水指標要求TP≤0.2 mg/L,去除率≥96.7%。當碳源充足時,強化脫氮除磷工藝生物除磷率可達75%以上[7],但仍達不到去除要求,需要考慮“生物除磷+化學除磷”相結合保障TP達標。

(4)本項目出水SS質量濃度指標要求達到5 mg/L以下。考慮到冬季低溫問題,常用的過濾處理工藝如濾布濾池工藝對SS的去除可以達到10 mg/L以下,但不能穩(wěn)定達到京標A對SS的更高要求,且濾布更換費用較高;活性砂濾池工藝單套活性砂過濾器處理能力小,需設計較多活性砂過濾器,且易出現(xiàn)氣提故障、跑砂以及板結等問題。因此,選擇出水效果好、應用廣泛的V型濾池過濾工藝對SS進行處理。

(5)本項目出水CODCr質量濃度指標要求達到20 mg/L以下,生化處理工藝可以實現(xiàn)CODCr≤50 mg/L,在經過深度處理加藥沉淀或過濾可以進一步去除少量CODCr,但冬季低溫條件下出水CODCr會存在波動情況,為保證CODCr穩(wěn)定達標,需要考慮保障措施。

1.4 工藝思路分析

(1)生化處理段。低溫條件下污水提標改造多數(shù)在原工藝上投加填料,增強對氮、磷的去除[8],但老廠在之前百樂克改造工程中投加填料運行維護不便[3]。因此,考慮優(yōu)先利用原水碳源、充分發(fā)揮生物除磷,新廠的生化處理工藝采用具有強化脫氮除磷功能的多段多級AO工藝,并按最低水溫6 ℃核算設計參數(shù),延長水力停留時間,維持較低的污泥負荷。通過增設預缺氧段、多點進水、多點投加碳源、多點內回流等措施,提高生化處理段脫氮效果,降低外回流中的溶解氧和硝態(tài)氮,保證充足的碳源,充分釋磷和吸磷,以充分發(fā)揮生物除磷功能。

(2)深度處理段。污水主要出水指標中氨氮、TN的去除在生化處理段完成,還有CODCr、TP、SS是工藝確定需要重點考慮的因素。目前,高效沉淀池和濾池的組合在污水深度處理工程中得到越來越多的應用[9-10]。本項目中,TP采用應用廣泛的高效沉淀池工藝通過投加藥劑絮凝沉淀保障達標,SS采用截留懸浮物能力強、應用廣泛、效果穩(wěn)定、投資運行費用低的V型濾池工藝保障達標。考慮到保證低溫條件下出水CODCr≤20 mg/L的難度,處理工藝末端設置臭氧氧化工藝,去除部分難生物降解的有機物。

綜上所述,在新建污水處理廠的工藝比選確定過程中,考慮工藝針對性、成熟穩(wěn)定性、運行便利性,最終確定采用“多段多級AO+高效沉淀池+V型濾池+臭氧接觸池”的工藝路線。

在老廠提標改造中將原“百樂克工藝+二沉池+高效沉淀池+淺層砂濾池+接觸消毒”工藝改造為“AAO+二沉池+高效沉淀池”工藝。首先,通過在原百樂克池增加導流墻,并將原二沉池改造為缺氧區(qū),增加缺氧區(qū)停留時間,優(yōu)化生物反應池分區(qū),提高生化系統(tǒng)的能力;其次,將基本喪失功能的淺層砂濾池和接觸消毒池拆除,重新設計建設矩形二沉池;最后,利舊高效沉淀池,高效沉淀池出水接至新建污水處理廠V型濾池進一步處理。

2 工藝設計

本項目擴容提標改造總處理規(guī)模為5.0萬m3/d,包括2.0萬m3/d的老廠提標改造工程和3.0萬m3/d的新廠建設工程。下面以新廠為例對低溫條件下高排放標準污水處理廠的工程設計進行介紹。

2.1 工藝流程

新建污水處理廠采用“粗格柵及提升泵房+細格柵及曝氣沉砂池+多段多級AO+二沉池+高效沉淀池+V型濾池+臭氧接觸池+接觸消毒池”組合工藝,如圖1所示。預處理工藝為常規(guī)工藝,主要去除較大的懸浮物、漂浮物和砂粒等;生化處理工藝采用多段多級AO工藝,通過多點進水、設置預缺氧段、多級缺氧好氧交替,強化脫氮除磷效果,保障BOD5、氨氮、TN的穩(wěn)定達標;深度處理工藝采用“高效沉淀池+凈水間(V型濾池)+臭氧接觸池+次氯酸鈉消毒”。其中,高效沉淀池進一步去除TP、SS以及少量CODCr,V型濾池進一步去除SS,臭氧接觸池對CODCr起保障性作用,設置超越管道,正常運行時污水經V型濾池過濾后直接消毒排放,只有受到沖擊或者冬季低溫導致CODCr超標時啟用臭氧接觸池。二沉池剩余污泥和高效沉淀池化學污泥處理排放至污泥儲池,經預濃縮+板框壓濾后外運至堆肥車間進行好氧堆肥處理。

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Process Flow of WWTP

2.2 主要構筑物及設計參數(shù)

(1)粗格柵及提升泵房

粗格柵及提升泵房按3.0萬m3/d規(guī)模設計,總變化系數(shù)為1.38,設回轉式粗格柵2臺,功率為1.5 kW,柵條間隙為15 mm,格柵寬度為1 200 mm,格柵傾角為75°,配套1臺無軸螺旋輸送機。提升泵房設4臺潛污泵,3用1備,全部設置變頻。

(2)細格柵及曝氣沉砂池

細格柵及曝氣沉砂池按3.0萬m3/d規(guī)模設計,總變化系數(shù)為1.38,設內進流孔板格柵2臺,單臺過水量為2.0萬m3/d,功率為1.1 kW,孔徑為3 mm,網板有效寬度為1 200 mm,配套沖洗水泵及高排水型螺旋壓榨機。曝氣沉砂池設橋式吸砂機1臺,配套砂水分離器1臺,羅茨鼓風機2臺。

(3)多段多級AO池

多段多級AO池按3.0萬m3/d規(guī)模設計,變化系數(shù)取1.1,分2座,單座尺寸為92.1 m×28.0 m×8.0 m,有效水深為7.0 m,主要功能區(qū)包括預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二好氧區(qū)。總停留時間為25.58 h,其中預缺氧區(qū)為0.5 h,厭氧區(qū)為0.9 h,第一缺氧區(qū)為3.79 h,第一好氧區(qū)為8.3 h,第二缺氧區(qū)為3.79 h、第二好氧區(qū)為8.3 h。設計最低水溫為6 ℃,污泥質量濃度(MLSS)為4 000 mg /L,設計污泥負荷為 0.036 kg BOD5/(kg MLSS·d),平均氣水比為8.7∶1.0。設計最大外回流比為100%,通過污泥回流泵回流至預缺氧區(qū);設計最大內回流比為300%,通過回流渠插板閥調整第一、第二缺氧區(qū)回流量,建議控制第一缺氧區(qū)與第二缺氧區(qū)回流量分配比為6∶4。進水分配渠中設置的插板可將進水按30%、35%、40%、45%、50%的比例分配到第二缺氧區(qū),其余污水進入預缺氧區(qū),以達到調整各段進水量的目的。分別在厭氧區(qū)進口端、第一缺氧區(qū)、第二缺氧區(qū)設置碳源投加點,以便工藝運行時靈活調整外部碳源投加。單座多段多級AO池的預缺氧區(qū)設潛水攪拌機1臺,厭氧區(qū)分3格,每格設潛水攪拌機1臺;第一、第二缺氧區(qū)各設潛水推流器2臺;第一、第二好氧區(qū)設φ270 mm盤式微孔曝氣盤1 774個;第二好氧區(qū)末端設混合液回流泵3臺(變頻控制,1臺冷備)。

(4)配水井及污泥泵房

配水井及污泥泵房按3.0萬m3/d規(guī)模設計,變化系數(shù)取1.38,尺寸為8.85 m×8.2 m×5.7 m。配水井設旋轉調節(jié)堰門2臺,控制向2座二沉池進行配水。污泥泵房設污泥回流泵3臺(變頻控制,1臺冷備)、剩余污泥泵3臺(變頻控制,1臺冷備)。

(5)二沉池

二沉池為中進周出輻流式沉淀池,按3.0萬m3/d規(guī)模設計,變化系數(shù)取1.38,2座,單座尺寸為φ32 m×5.0 m。設計平均表面水力負荷為0.78 m3/(m2·h)。池內設φ32 m全橋式周邊傳動刮泥機1臺。

(6)中間提升泵房

中間提升泵房按3.0萬m3/d規(guī)模設計,變化系數(shù)取1.38,尺寸為10.0 m×7.3 m×6.6 m。設4臺潛水提升泵,3用1備,全部設置變頻。

(7)高效沉淀池

高效沉淀池按3.0萬m3/d規(guī)模設計,變化系數(shù)取1.38,尺寸為22.9 m×22.5 m×7.0 m。分2個序列獨立運行,包括混合區(qū)、絮凝區(qū)、斜管分離沉淀濃縮區(qū),沉淀區(qū)平均表面水力負荷為6.3 m3/(m2·h),PAC設計最大投加量為30 mg/L,PAM設計最大投加量為2 mg/L,設計污泥回流比為3.5%。單序列設混合攪拌器1臺,槳葉直徑為1 000 mm;絮凝反應攪拌器1臺,配套導流筒,槳葉直徑為2 100 mm;中心傳動刮泥機1臺,直徑為11 m。污泥泵間內設污泥回流螺桿泵3臺(變頻控制,2用1備),污泥排放螺桿泵3臺(2用1備)。

(8)凈水間

凈水間為V型濾池工藝,按5.0萬m3/d規(guī)模設計(含老廠工藝處理出水2.0萬m3/d),變化系數(shù)取1.38,尺寸為42.6 m×7.1 m×4.55 m。分2個序列運行,共8格,單格面積為49 m2,正常濾速為5.3 m/h,強制濾速為6.07 m/h。反沖洗程序為氣洗時間為2 min[強度為15 L/(m2·s)],氣水聯(lián)合洗時間為4 min[氣洗強度為15 L/(m2·s),水洗強度為3 L/(m2·s)],水洗時間為6 min[強度為6 L/(m2·s)],全程表面掃洗[強度為2 L/(m2·s)]。反沖洗設備間內設反沖洗水泵3臺(臥式離心泵,2臺變頻,2用1備),反沖洗羅茨鼓風機2臺(1用1備)。

(9)臭氧接觸池、接觸消毒池及巴氏計量槽

臭氧接觸池、接觸消毒池及巴氏計量槽合建,按5.0萬m3/d規(guī)模設計(含老廠出水2.0萬m3/d),變化系數(shù)取1.38,尺寸為35.5 m×21.0 m×7.0 m。臭氧接觸池最高日最高時接觸氧化時間為43 min,接觸消毒池最高日最高時接觸消毒時間為31 min。臭氧接觸池分2組,每組分3段,采用豎向流設計,設計臭氧最大投加量為50 mg/L,各段投加比例為2∶1∶1。臭氧發(fā)生間設氧氣源臭氧發(fā)生器3臺,其中2臺最大臭氧產量為60 kg/h,1臺最大臭氧產量為10 kg/h,根據(jù)水質情況,對臭氧投加量進行調整或者超越臭氧接觸池。

(10)污泥儲池及脫水機房

污泥儲池按5.0萬m3/d規(guī)模設計,1座2格,尺寸為12.9 m×6.6 m×5.5 m,脫水機房設計污泥處理量為1 190 m3/d,含水率為99.3%,每天運行12～16 h,壓濾后泥餅含水率低于60%。污泥儲池設潛水曝氣攪拌機2臺。污泥自儲池進入脫水機房,經疊螺濃縮機預濃縮后進入調理池投加PAC調理,板框壓濾機壓濾后,外運進行好氧堆肥處理。脫水機房設污泥切割機2臺,疊螺濃縮機2臺,單臺處理量為350 kg DS/h,疊螺濃縮機配套進料螺桿泵3臺(變頻控制,2用1備);預濃縮污泥調理池設框式攪拌機2臺;高壓隔膜板框壓濾機2臺,配套液壓儲泥斗2個,單臺壓濾機面積為250 m2,配套3臺進料螺桿泵(變頻控制,2用1備)、1臺壓榨水泵和2臺洗布水泵(變頻控制,1用1備)。此外,板框壓濾機配套空氣壓縮系統(tǒng),用于反吹和閥門儀表用氣。脫水機房內設PAC投加裝置和PAM投加裝置,PAC投加量不超過絕干污泥量的10%,PAM投加量不超過絕干污泥量的2‰。

3 運行效果

該項目新建廠區(qū)部分從2021年5月開工建設,于2021年12月通水調試運行,并于2022年2月出水達標。2021年12月底—2022年3月底,進水溫度均在8 ℃以下,進水溫度在12 ℃以下持續(xù)到6月初,表2為2022年2月—6月的實際進出水水質情況,該階段內最低進水溫度為6.5 ℃。由圖2～圖6可知,在低溫條件下污水處理廠運行效果穩(wěn)定,期間進水CODCr質量濃度為110.1～304.7 mg/L、氨氮質量濃度為12.4～49.4 mg/L、TN質量濃度為26.2～55.2 mg/L、TP質量濃度為0.4～5.4 mg/L、SS質量濃度為63.2～167.0 mg/L,出水CODCr、氨氮、TN、TP、SS質量濃度分別為(13.8±2.6)、(0.3±0.1)、(7.1±1.2)、(0.10±0.05)、(3.2±1.1) mg/L,各項出水指標均達到京標A標準。整個處理系統(tǒng)對CODCr、氨氮、TN、TP、SS的平均去除率分別達到93.3%、99.0%、82.5%、96.5%、97.2%。多段多級AO工藝在低溫下保障了生化系統(tǒng)的去除效果,通過設置預缺氧段、多點進水、多點投加碳源等措施,強化了氮磷的去除,生化系統(tǒng)對TN的平均去除率達到82.5%,在該階段實現(xiàn)了對TN的去除目標。通過多段多級AO的生物除磷和高效沉淀池的化學除磷相結合,強化了TP的去除,平均去除率達到96.5%。V型濾池很好地實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的SS去除。從5月中旬開始,隨著水溫的提升,臭氧系統(tǒng)根據(jù)出水水質情況調整開啟頻次以降低運行成本,經過V型濾池處理達標的出水超越臭氧接觸池,直接投加次氯酸鈉消毒后外排。

圖2 進出水CODCr濃度及去除率Fig.2 Influent and Effluent CODCr and Removal Rate

圖3 進出水氨氮濃度及去除率Fig.3 Influent and Effluent Ammonia Nitrogen and Removal Rate

圖4 進出水TN濃度及去除率Fig.4 Influent and Effluent TN and Removal Rate

圖5 進出水TP濃度及去除率Fig.5 Influent and Effluent TP and Removal Rate

圖6 進出水SS濃度及去除率Fig.6 Influent and Effluent SS and Removal Rate

2022年2月—6月同一時間段內,選取新建廠區(qū)多段多級AO工藝和老廠百樂克工藝外加碳源的投加量進行分析。由圖7可知,老廠本次提標改造完成前仍執(zhí)行國標A標準,其TN出水質量濃度指標要求≤15 mg/L,廠內控標準為≤12 mg/L,其外加碳源投加量為(60.5±5.3)mg/L;新建廠區(qū)執(zhí)行京標A標準,其TN出水指標要求≤10 mg/L,廠內控標準為≤8 mg/L,其外加碳源投加量為(38.2±4.1)mg/L。雖然新建廠區(qū)執(zhí)行的出水標準更加嚴格,但采用多段多級AO工藝后外加碳源投加量比百樂克工藝更少,其原因首先是多段多級AO工藝可以更充分地利用原水中的碳源,其次是老廠百樂克工藝缺氧區(qū)停留時間短(2.9 h),反硝化脫氮更依賴于易利用的外加乙酸鈉碳源,原水中的碳源無法得到有效利用。

圖7 不同工藝的外加碳源投加量Fig.7 External Carbon Dosage of Different Processes

4 經濟分析

該項目中新建污水處理廠設計規(guī)模為3.0萬m3/d,其中,凈水間(含)之后處理單元(包括凈水間、臭氧接觸池、接觸消毒池、巴氏計量槽)因需提標強化處理老廠來水2.0萬m3/d,設計規(guī)模為5.0萬m3/d。新建污水處理廠工程投資為15 295.60萬元,總用地面積為31 748.23 m2。

新建污水處理廠直接運行成本為1.36元/m3,其中,藥劑材料費為0.44元/m3,水電費為0.69元/m3,污泥處置費為0.09元/m3,工資及福利費為0.14元/m3。

5 結論

(1)低溫條件下,采用“多段多級AO+二沉池+高效沉淀池+V型濾池+臭氧接觸池+接觸消毒池”組合處理工藝,出水效果良好,可以穩(wěn)定達到京標A標準,展現(xiàn)了系統(tǒng)較強的抗低溫沖擊能力,為類似低溫條件下高排放標準污水處理廠設計提供一定參考。

(2)生化法作為最經濟的污水處理方法,如何充分發(fā)揮污水處理廠生化處理段的作用是污水處理廠設計成敗的關鍵。通過合理的參數(shù)設計,作為主體工藝的多段多級AO在低溫運行期間,比百樂克工藝原水碳源利用率高,特別是進水溫度為6.5 ℃時,仍可保證較好的脫氮除磷效果,在出水達標過程中發(fā)揮了至關重要的作用。

(3)“高效沉淀池+V型濾池+臭氧接觸池”深度處理工藝各單元功能目標明確,充分發(fā)揮各自的工藝優(yōu)勢,可以實現(xiàn)對TP、SS、CODCr的精準去除,在高排放標準污水處理廠深度處理領域具有較好的應用前景。

(4)低溫運行期間,臭氧系統(tǒng)兼具去除部分難生物降解有機物和消毒功能,進水溫度回升后,為降低污水處理廠的運維難度及運行成本,消毒工藝采用次氯酸鈉接觸消毒為主。