龔曉露

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

生態(tài)文明建設已納入國家發(fā)展總體布局,污水處理廠的建設是踐行生態(tài)文明建設的重要舉措。我國污水處理廠特別是南方地區(qū)污水處理廠存在進水碳氮比低、運行能耗大等問題,隨著排放標準的不斷提高,污水處理能耗將進一步增大,如何采用低能耗的污水處理工藝,已成為污水處理的熱點議題。此外,建設年代較遠的污水處理廠受工藝限制,存在占地較大的情況,當需要進行擴建或提標改造時,面臨新建部分用地指標受限的問題。近年來,以多段AO串聯(lián)為特征的多段處理工藝逐漸得到應用,在天津張貴莊、上海泰和等大型污水處理廠取得了較好的效果,發(fā)揮了提質(zhì)增效的作用[1]。

本文通過對擴建工程存在的難點分析,設計采用了針對性強、去除率高、用地緊湊、能耗節(jié)約的多段AAO處理工藝,并在工程設計時將一座20萬m3/d規(guī)模的核心處理構筑物集約化建設,可為類似污水處理廠建設工程提供借鑒。

1 項目概況

上海海濱污水處理廠位于上海市浦東新區(qū),與老港垃圾填埋場相鄰。服務范圍主要包括浦東新區(qū)中部區(qū)域(S32以南、大治河以北區(qū)域),服務面積約為443 km2。廠區(qū)一期工程現(xiàn)狀規(guī)模為20萬m3/d,隨著地區(qū)污水量快速增長,需進行擴建。擴建工程規(guī)模為20萬m3/d,擴建后全廠總規(guī)模為40萬m3/d,為上海郊區(qū)最大的污水處理廠,也是目前全市第三大污水處理廠。污水處理廠進水受工業(yè)廢水和填埋場滲瀝液尾水影響,水質(zhì)濃度常年較高且可生化性較差,同時工程規(guī)模大但用地緊張,規(guī)劃面積約為9.7×104m2,單位處理量用地指標為0.485 m2/(m3·d-1)。工程于2020年10月啟動建設,2022年9月通水驗收,污水處理效果達到設計預期,取得了良好的工程效益。

2 設計水質(zhì)及工藝流程

2.1 設計水質(zhì)及標準

對現(xiàn)狀污水廠2013年1月—2019年6月的實際進水水質(zhì)進行了統(tǒng)計,污水廠進水中污染物組分較復雜,且各項進水指標均較高,其中CODCr質(zhì)量濃度甚至有連續(xù)超過污水納管標準規(guī)定的500 mg/L的情況。

根據(jù)《關于組織開展本市城鎮(zhèn)污水處理廠升級改造方案編制工作的通知》(滬水務〔2012〕662號)的文件要求,進水水質(zhì)需考慮如下取值要求:有機物(CODCr、BOD5)和SS采用全年85%的天數(shù)都不超過的值,營養(yǎng)物(TN、氨氮、TP)采用全年90%的天數(shù)都不超過的值。工程設計進水水質(zhì)的取值應結(jié)合地區(qū)污水處理廠的水質(zhì)特點和進水實際濃度情況,并考慮地區(qū)發(fā)展可適當留有發(fā)展余地。經(jīng)綜合研究,海濱污水處理廠擴建工程設計進水水質(zhì)最高值以污水排入下水道水質(zhì)標準限值為取值原則,并結(jié)合實際進水頻率分析和發(fā)展趨勢確定。

污水廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。污泥處理根據(jù)規(guī)劃要求脫水至含水率為80%后送至集中污泥處置中心進行干化焚燒處置。

設計進水水質(zhì)和出水水質(zhì)取值如表1所示。

表1 設計進水、出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 處理工藝的選擇

(1)污水處理水質(zhì)指標分析

通過對污水處理廠設計進出水水質(zhì)指標分析,確定生物處理的可行性,以及需優(yōu)先和重點控制的指標。

① CODCr/BOD5

擴建工程設計進水CODCr質(zhì)量濃度為500 mg/L,BOD5質(zhì)量濃度為170 mg/L,CODCr/BOD5≈2.9,污水生物降解性能較差。由于進水中含有一定量的垃圾滲濾液成分,生物可降解性較差,但考慮滲濾液排放標準的提高,進水的可生物降解性能可適當提高。

BOD5設計去除率約為94%,采取生物脫氮除磷工藝后較容易滿足。CODCr設計去除率為90%,對于以生活污水為主并含有部分達標排放工業(yè)廢水的城市污水,一般CODCr出水質(zhì)量濃度能達到50 mg/L以下。擴建工程含有工業(yè)廢水和填埋場滲瀝液尾水,為應對地區(qū)發(fā)展的不確定性,預留高級氧化深度處理措施。

② TN/氨氮

擴建工程進水TN質(zhì)量濃度為52 mg/L,BOD5質(zhì)量濃度為170 mg/L,BOD5/TN≈3.3,碳源基本滿足生物脫氮的要求。通過合理碳源分配、控制工藝參數(shù),可以達到出水TN質(zhì)量濃度≤15 mg/L。但在污水處理工藝選擇時,仍需要對碳源合理利用來保證TN的達標排放。同時為進一步提高出水TN達標保證率,需要預留碳源投加設備。

氨氮設計去除率約為85.7%,進水氨氮的去除主要靠硝化過程來完成,氨氮的硝化程度將成為控制生化處理好氧單元設計的主要因素,必須進行完全硝化。

③ TP

擴建工程進水TP質(zhì)量濃度為8 mg/L,BOD5質(zhì)量濃度為170 mg/L,BOD5/TP≈21.3,僅生物除磷難以達到出水要求,需在深度處理階段增加化學輔助除磷確保TP達標。

(2)生物處理工藝的選擇

根據(jù)進出水設計水質(zhì)分析,擴建工程需選擇高效的生物脫氮除磷工藝,確保出水達標排放。多點進水多段AAO工藝由多個串聯(lián)的AO組成,污水按設定的比例從缺氧段進入生物反應池,回流污泥從反應池首端進入。該工藝具有脫氮效率高、污泥濃度高、碳源利用充分、抗沖擊負荷能力強和節(jié)能降耗等特點。海濱污水處理廠擴建工程進水BOD5/TN較低,且出水TN質(zhì)量濃度需達到15 mg/L以下,相較于傳統(tǒng)AAO工藝,采用多段AAO工藝,在提高處理效果基礎上,保證工藝可靠性,特別是解決水質(zhì)處于低碳高氮時的出水達標。

①脫氮效率高。多點進水多段AAO工藝的TN去除效率與AO段數(shù)和污泥回流比有關,AO分段數(shù)越多,即進水分段越多,污泥回流比越大,生物處理的脫氮效率越高。若多點進水多段AAO工藝分為3段,各段進水比例相同,污泥回流比取100%,則生物處理的脫氮效率為83%。常規(guī)AAO工藝需要污泥回流比為100%、混合液回流比為400%才可達到相同的脫氮效率。

②污泥濃度高。多點進水多段AAO工藝的進水分段進入生物反應池,污泥回流全部進入第一段厭氧區(qū),由此在生物反應池內(nèi)形成污泥濃度的梯度變化。前幾段的污泥濃度高于常規(guī)AAO工藝,使得污泥負荷降低,污染物降解徹底。若多點進水多段AAO工藝分為3段,各段進水比例相同,污泥回流比取100%,污泥回流質(zhì)量濃度為7 g/L,則各段生物池的污泥質(zhì)量濃度分別為5.3、4.2、3.5 g/L,生物反應池平均污泥質(zhì)量濃度為4.3 g/L,高于常規(guī)AAO工藝(3.5 g/L)。

③碳源充分利用。污水進水分段進入缺氧區(qū),使得碳源高效利用于反硝化脫氮,進水碳源利用效率更高,進而提高脫氮效率。

④抗沖擊負荷能力強。多點進水多段AAO工藝具有較高的污泥濃度和較低的污泥負荷,可根據(jù)污水處理廠進水水量水質(zhì)的波動,靈活調(diào)整進水點和進水流量分配比例,以達到穩(wěn)定的污染物去除效率,提高生物反應池的抗沖擊負荷能力。

⑤節(jié)能降耗。多點進水多段AAO工藝采用后置反硝化去除TN,一般情況無需設置混合液回流,降低回流能耗。進水分段進入缺氧區(qū),進水碳源利用效率更高,對于碳氮比較低的污水可顯著減少外部碳源投加量。

(3)深度處理工藝的選擇

高效沉淀池可通過混凝沉淀有效去除污水中的TP和SS,考慮進水TP僅生物除磷難以達到出水要求,設置高效沉淀池進行化學除磷,保障TP達標。深床濾池主要去除TN和SS,進水碳源基本滿足生物脫氮的要求,但為提高出水TN達標保證率,并為后續(xù)進一步升級改造預留余地,設置深床濾池。因此,深度處理采用高效沉淀池+深床濾池。

進水工業(yè)廢水占比高,且納入了老港填埋場三期和四期的垃圾滲濾液,特別是經(jīng)過處理后的垃圾滲濾液,所殘留的CODCr絕大部分為不可降解可溶性CODCr,無法通過生物降解去除。因此,將高級催化氧化技術作為降解溶解性不可生物降解CODCr、確保出水CODCr達標的主要手段。參考一期工程僅預留臭氧催化氧化池的土建,且考慮到擴建后污水成分會發(fā)生波動和不確定性,本次擴建工程臭氧催化氧化池僅建設土建部分,設備暫緩實施。

(4)集約化設計

工程用地面積為9.7×104m2,指標僅為國家標準的60%?？紤]到用地指標的局限,設計采用平流式初沉池和矩形周進周出二沉池,并且采用與生物反應池合建形式,形成初沉池、生物反應池和二沉池三聯(lián)體,同時池頂豎向疊合建設配電、控制和除臭設施,使土地資源最大化得到利用。總平面布置同樣考慮集約化設計,統(tǒng)籌銜接進出水、供配電設施、場地給排水等,分區(qū)布置預處理區(qū)、污水主處理區(qū)、深度處理區(qū)和污泥處理區(qū)。

根據(jù)本項目進出水水質(zhì)情況,各項控制指標的控制次序如表2所示。

表2 污水水質(zhì)各項控制指標控制次序Tab.2 Order of Various Indices Control of Wastewater Quality

2.3 工藝流程

本工程污水處理采用“預處理(曝氣沉砂)工藝+前處理工藝(初沉池)+生物處理主體工藝(多段AAO工藝)+深度處理工藝(混凝沉淀過濾)”組合式污水處理工藝路線,并輔以次氯酸鈉消毒工藝。該工藝具有良好的水質(zhì)適應能力、處理效果穩(wěn)定、切換模式靈活、運行能耗低等優(yōu)點[2]。污泥處理采用機械濃縮脫水一體化工藝。工程整體流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

3 工程設計

3.1 總平面布置和工程分組

擴建廠區(qū)總平面布置遵循功能分區(qū)、流程簡捷、負荷集中、交通順暢、便于養(yǎng)護等原則,由西向東共布置以下區(qū)域:(1)預處理區(qū),布置配水井、細格柵及曝氣沉砂池;(2)污水主處理區(qū),主要構筑物有初沉池、生物反應池、二沉池、鼓風機房、變電所;(3)深度處理區(qū),包括中間提升泵房及高效沉淀池、深床濾池、消毒氧化池、加藥加氯間、臭氧發(fā)生器間等;(4)污泥處理區(qū),主要布置儲泥池、污泥濃縮脫水機房及料倉等。

考慮到全廠40萬m3/d中一期已按5萬m3/d規(guī)模分組,且擴建工程用地面積較小,本次擴建工程的20萬m3/d中,預處理、深度處理按一座建設,二級處理按一座污水處理構筑物建設,分成兩組,每組10萬m3/d,每組處理單元均可獨立運行。

3.2 預處理單元設計

污水廠總進水管為壓力進水管,因此,不設置粗格柵和進水泵房。預處理單元包括配水井、細格柵及曝氣沉砂池,初沉池與生物反應池合建。

(1)細格柵:共設置2道,分別為6臺轉(zhuǎn)鼓式格柵除污機(格柵間隙為6 mm)以及6臺網(wǎng)板式細格柵(格柵間隙為3 mm)。

(2)曝氣沉砂池:分為2組共4格,高峰流量時水力停留時間為6.9 min,單格凈寬為4.0 m,設計有效水深為3.0 m,有效長度為30 m。

3.3 主處理單元設計

主處理單元包括初沉池、生物反應池和二沉池,以及輔助的鼓風機房。

(1)初沉池:去除進水中不可降解無機物,以減少后續(xù)生物反應池的負荷。設計為平流式沉淀池,分2組,每組處理規(guī)模為10萬m3/d,可單獨運行,每組分3格。高峰流量時表面負荷為3.47 m3/(m2·h),水力停留時間為0.92 h,有效水深為3.2 m。當進水濃度較高或雨季時,污水進初沉池;當平時進水濃度較低時可超越初沉池。

(2)生物反應池:采用分點進水多段AAO工藝。建設1座構筑物,分2組,每組處理規(guī)模為10萬m3/d。

針對進水水質(zhì)特點,生物處理工藝必須考慮工藝的成熟性、可靠性和穩(wěn)定性,同時還要考慮工藝的適應性和靈活性。

本次設計中,將污水生物處理工藝優(yōu)化為多段AAO工藝,從而更能適應污水廠進水水質(zhì)的波動變化,提高污水處理的穩(wěn)定性。海濱污水處理廠擴建工程進水BOD5/TN較低,且出水TN質(zhì)量濃度需達到15 mg/L以下,采用多段AAO工藝,在提高處理效果基礎上,保證工藝可靠性,特別是解決水質(zhì)處于低碳高氮時的出水達標。此工藝運行模式如下:污水分別進入缺氧池A1、缺氧池A2和缺氧池A3,需要強化除磷時,部分污水進入?yún)捬醭?外回流污泥進入缺氧池A1,好氧內(nèi)回流進入缺氧池A3,形成多段AAO工藝。

多段AAO處理流程如圖3所示,生物反應池主要工藝參數(shù)如表3所示。

圖3 多段AAO工藝功能分區(qū)布置Fig.3 Functional Area Layout of Multi-Stage AAO Process

表3 多段AAO工藝參數(shù)Tab.3 Designed Parameters of Multi-Stage AAO Process

本工程多段AAO除常規(guī)優(yōu)勢外,還有以下技術特點:

① 厭氧池保留進水點,可強化厭氧釋磷效果;

② 好氧內(nèi)回流在第三段AO中進行,第一段和第二段AO維持高污泥濃度,減小池容;

③多段AAO生物反應池的各池長度相等,寬度按比例分隔(圖4),池內(nèi)的進水、回流、空氣管、除臭管均設置渠道,互不干擾,便于維護管理[3]。

圖4 生物反應池多段AAO工藝布置Fig.4 Layout of Biological Reaction Tank with Multi-Stage AAO Process

(3)二沉池:設計采用平流式周進周出二沉池,與生物反應池合建,寬度基本相同。1座構筑物分2組,每組處理規(guī)模為10萬m3/d,每組分為8格,共16格。二沉池峰值流量考慮疊加濾池反沖洗水。最大表面負荷為1.30 m3/(m2·h),有效水深為4.5 m,設計流量下水力停留時間為3.45 h。

(4)鼓風機房:為生物反應池提供氧氣,保證生物系統(tǒng)正常運行。共設置單級離心鼓風機8臺,6用2備,單機流量為180 m3/min,設計氣水比為7.78。

3.4 深度處理單元設計

深度處理單元包括中間提升泵房及高效沉淀池、深床濾池、消毒氧化池、加藥加氯間等。

(1)高效沉淀池:通過混凝沉淀工藝輔助除磷。沉淀區(qū)分4組,每組處理規(guī)模為5萬m3/d,直徑為16 m,水深為7 m,高峰負荷為15.54 m3/(m2·h)。

(2)深床濾池:對沉淀池出水進行過濾,以進一步去除SS及附著在SS上的TP等污染物;通過投加碳源,可進一步去除TN。1座濾池,共分20格,高峰流量設計濾速為6.23 m/h。本次擴建工程設置乙酸鈉投加裝置作為應急補充,在進水碳源不足時投加。

(3)消毒氧化池:進水工業(yè)廢水占比高,且納入了老港填埋場三期和四期的垃圾滲濾液,特別是經(jīng)過預處理后的垃圾滲濾液,所殘留的CODCr絕大部分為不可降解可溶性CODCr,無法通過生物降解去除,因此,將高級催化氧化技術作為降解溶解性不可生物降解CODCr、確保出水CODCr達標的主要強化手段?？紤]到擴建后污水成分會發(fā)生波動和不確定性,為節(jié)省工程投資,本次擴建工程臭氧的土建部分建設,設備暫緩實施。消毒氧化池池容按臭氧催化氧化所需的50 min設計,近期投加次氯酸鈉以保證尾水糞大腸菌群消毒達標[4]。

3.5 污泥處理單元設計

污泥處理單元主要布置有儲泥池、污泥濃縮脫水機房及料倉等。

污泥濃縮脫水機房規(guī)模為20萬m3/d污水處理對應的污泥量(53.3 t DS/d),包括初沉污泥24.3 t DS/d、剩余污泥20.0 t DS/d和化學污泥9.0 t DS/d,混合污泥含水率為99.0%。采用離心濃縮脫水一體機6臺,5用1備,污泥脫水至80%后由泵送或車運至臨近的污泥處置中心進行干化焚燒處置。

4 設計特點

(1)安全韌性,污水處理保障率高

海濱污水處理廠接納浦東中部地區(qū)污水以及上海老港基地滲濾液尾水,進水濃度高、波動大、成分復雜。污水處理針對性采用三段式處理工藝,實現(xiàn)工藝高效性、運行穩(wěn)定性、調(diào)整靈活性和出水保障性。

(2)綠色低碳,降低污水處理能耗

采用的三段式強化脫氮除磷多段AAO工藝,高效利用寶貴的進水碳源,設置多點進水可調(diào)節(jié)各段進水比例,降低內(nèi)回流比及其能耗。配合鼓風機和曝氣量精準調(diào)控,實現(xiàn)全方位的節(jié)能降耗,降低運行成本。

(3)集約節(jié)約,充分利用有限的土地

工程用地面積為9.7×104m2,指標僅為國家標準的60%。總平面集約布置,處理流線清晰,惡臭單元集中,人車路線合理。為使土地資源最大化利用,主處理構筑物集約緊湊化設計了初沉池、生反池和二沉池三聯(lián)體合建,整座池體總尺寸達到241.9 m×167.6 m,3個單體寬度設計相同,池頂統(tǒng)一覆土種植綠化,外觀整齊美觀,且便于巡檢維護(圖5)。

圖5 主處理構筑物照片F(xiàn)ig.5 Picture of Main Treatment Structure

5 運行效果

擴建工程于2022年8月開始調(diào)試及試運行,處理水量在2022年12月開始達到19萬m3/d,為設計規(guī)模的95%,2022年9月—2023年1月的實際進出水水質(zhì)如表4所示。通過表中數(shù)據(jù)分析,擴建工程出水水質(zhì)穩(wěn)定,各項水質(zhì)指標均優(yōu)于設計標準。進水TN質(zhì)量濃度為13.20～54.80 mg/L,出水質(zhì)量濃度為0.93～13.80 mg/L,最大去除率達到83.92%;進水TP質(zhì)量濃度為1.75～12.50 mg/L,出水質(zhì)量濃度為0.01～0.49 mg/L,最大去除率達到98.40%。污水處理廠進水水質(zhì)波動較大,但出水水質(zhì)穩(wěn)定,系統(tǒng)脫氮除磷效果顯著。

表4 實際進出水水質(zhì)Tab. Fig.4 Actual Quality of Influent and Effluent

6 經(jīng)濟分析

擴建工程總投資為112 763萬元,其中建安費用為95 801萬元。經(jīng)營成本為1.6元/m3,包括水電藥劑費、職工薪酬、折舊費、修理費等,其中電費和藥劑費成本為0.66元/m3。相比于同類型項目,海濱污水處理廠具有經(jīng)濟性,僅內(nèi)回流能耗每年可節(jié)省約150萬kW·h。

7 結(jié)語

(1)針對進水碳氮比低、運行能耗大的污水處理廠,可采用多點進水多段AAO工藝,提高污染物生物去除效率,降低運行能耗,提高應對沖擊負荷的能力。

(2)對于用地受限的污水處理廠,統(tǒng)籌銜接進出水、供配電設施、場地給排水等,集約分區(qū)布置處理設施。同時可采用初沉池、生物反應池和二沉池三聯(lián)體形式,進一步減少構筑物占地。

(3)海濱污水處理廠擴建工程實際運行結(jié)果表明,擴建工程出水水質(zhì)處理效果好,各項水質(zhì)指標均優(yōu)于設計標準,設計方案可供類似大規(guī)模污水廠工程參考借鑒。