李鵬飛,韓建博,顧 鳳,周 波

(1.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院,江蘇南京 210049;2.肇慶市肇水水務(wù)發(fā)展有限公司,廣東肇慶 526040)

近年來,國家、地方對(duì)于污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求愈發(fā)嚴(yán)格,基于此背景,許多污水處理廠嚴(yán)格落實(shí)法律法規(guī)及新標(biāo)準(zhǔn)的要求,逐步開展提標(biāo)改造工作。由于部分污水處理廠建設(shè)年代久遠(yuǎn)、城市用地緊張等原因,提標(biāo)改造工作困難重重。提標(biāo)改造需綜合考慮工藝技術(shù)、投資費(fèi)用、占地面積等多項(xiàng)因素,所以如何在有限用地面積的條件下開展提標(biāo)改造工作至關(guān)重要[1-2]。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving-bed biofilm reactor,MBBR)是目前廣泛應(yīng)用的原位提標(biāo)技術(shù),它主要是向生物反應(yīng)器中投加懸浮狀載體填料,為微生物生長及繁殖提供載體,在載體表面附著生長的生物膜,用于去除污水中有機(jī)物、TN及TP等,移動(dòng)床生物膜主要包括泥膜復(fù)合工藝形式、純膜工藝形式[3]。純膜MBBR無需設(shè)置二沉池、具有負(fù)荷高、占地省、運(yùn)行費(fèi)用低、能夠?qū)崿F(xiàn)深度脫氮等優(yōu)勢,是實(shí)現(xiàn)原池利舊改造的有效途徑,具有較好的應(yīng)用前景。隨著磁混凝沉淀工藝的廣泛應(yīng)用,為純膜MBBR的固液分離提供了新的可能[4]。磁混凝沉淀工藝是用于去除TP和SS常用的強(qiáng)化處理技術(shù),即在傳統(tǒng)的絮凝沉淀和化學(xué)沉淀基礎(chǔ)上投加磁性介質(zhì),形成磁性絮團(tuán),提高整個(gè)絮體的比重,增強(qiáng)絮凝以達(dá)到高效沉淀和過濾的目的[5-6]。

本文以廣東省某城市污水廠為例,在少量增加占地的基礎(chǔ)上,將純膜MBBR+磁混凝沉淀應(yīng)用于城市污水廠提標(biāo)改造中,提出提標(biāo)改造的方案、工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果,旨在進(jìn)一步提升出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),為純膜MBBR+磁混凝沉淀工程化推廣運(yùn)用提供實(shí)例。

1 原城市污水處理廠概況及問題分析

1.1 原污水處理廠概況

廣東省某城市污水廠水質(zhì)來源主要為生活污水和少量的工業(yè)污水,其中紡織、印染、染整類工業(yè)污水居多,項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為3×104m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

1.2 原污水處理廠工藝流程

原污水處理廠采用升流式厭氧污泥床(UASB)+高負(fù)荷生物濾池+固體接觸池+生物絮凝沉淀池+紫外消毒渠工藝,污泥采用帶式濃縮脫水一體機(jī),具體工藝流程如圖1所示。

圖1 原工藝流程

1.3 原污水處理廠工藝問題分析

經(jīng)現(xiàn)場勘察及調(diào)研,得出該污水處理廠面臨以下問題:一是實(shí)際進(jìn)水氨氮、TN濃度高于設(shè)計(jì)進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn);二是現(xiàn)狀工藝流程脫氮機(jī)理不明晰,脫氮及除磷效果達(dá)不到預(yù)期要求;三是針對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求的進(jìn)一步提升,污水處理廠出水指標(biāo)TP、TN、SS、糞大腸桿菌難以滿足要求,仍需進(jìn)一步去除,尤其是TP及TN;四是UASB單元、高負(fù)荷生物濾池單元對(duì)污水中CODCr、氨氮、TP等水質(zhì)指標(biāo)的去除效率較差。基于此,該污水處理廠亟待提標(biāo)改造。

2 城市污水處理廠提標(biāo)改造概況

2.1 提標(biāo)改造設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

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)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的較嚴(yán)值。

2.2 提標(biāo)改造方案比選

基于原污水廠的實(shí)際情況(脫氮及除磷效果不佳)及業(yè)主提出的改造需求(充分利用原有池體、不新增用地、施工周期短、改造期間不影響正常生產(chǎn)等),因此,本工程改造方案從原位提標(biāo)的方向綜合考量。

在污水提標(biāo)擴(kuò)容項(xiàng)目中,提高生化段處理能力的直接方式為增加總生物量,可以通過以下兩種途徑實(shí)現(xiàn):一是擴(kuò)大池容,通過新建池體或改造其他構(gòu)筑物池體實(shí)現(xiàn),根據(jù)現(xiàn)場勘查情況,UASB厭氧池、高負(fù)荷生物濾池、固體接觸池、終沉池均具備池體改造條件;二是提高單位容積的生物量。在生物池內(nèi)增加生物載體填料(如MBBR),為微生物提供附著生長的載體。純膜MBBR工藝作為MBBR工藝的一種,具有負(fù)荷高、占地省、運(yùn)行費(fèi)用低、能夠?qū)崿F(xiàn)深度脫氮等優(yōu)勢。因此,純膜MBBR工藝可作為本方案比選工藝。

本工程處理的重點(diǎn)主要在于去除TN及氨氮,根據(jù)對(duì)各污染物指標(biāo)的分析及各工藝的比較,同時(shí)結(jié)合原工藝池體的特點(diǎn),提出兩個(gè)工藝方案并進(jìn)行比選:

(1)方案一(改造固體接觸池和終沉池):UASB厭氧池+高負(fù)荷生物濾池+兩級(jí)AO-MBBR(缺氧純膜MBBR池+好氧純膜MBBR池)+磁混凝沉淀工藝+接觸消毒池。

本方案沿用原“UASB厭氧池+高負(fù)荷生物濾池”工藝,同時(shí),為了提高增強(qiáng)有機(jī)物、TN、TP的去除效果,保證穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)及廣東省地標(biāo)兩者最嚴(yán)值,通過改造原固體接觸池及終沉池為缺氧純膜MBBR池及好氧純膜MBBR。深度處理段去除膠體、SS及TP,考慮采用用地省、效果好的磁混凝沉淀工藝,消毒采用次氯酸鈉接觸消毒方式。

為了提高生化池的停留時(shí)間且不額外增加占地,本方案將原廠中的終沉池改造為生化池,而純膜MBBR工藝無需設(shè)置二沉池,這為本方案的實(shí)施提供了可能性。純膜MBBR工藝通過載體填料上附著的活性生物膜處理污水中的有機(jī)物和TN,老化的生物膜會(huì)隨出水流出生化池。由于脫落的生物膜較輕,不易沉淀,通過后續(xù)設(shè)置磁混凝沉淀系統(tǒng),為純膜MBBR生化系統(tǒng)的固液分離(脫落的少量生物膜)提供了新的可能,保證出水SS及TP達(dá)標(biāo)排放。

(2)方案二(改造UASB厭氧池和高負(fù)荷生物濾池):AO生化池+固體接觸池+終沉池+中間提升泵房+高效沉淀池+濾布濾池+接觸消毒池。

考慮到本工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)在于脫氮,而除磷可通過加藥在深度處理階段去除,去除效果容易保證,故本方案生化處理工藝采用脫氮的AO工藝,同時(shí),為了保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo),本方案考慮外加碳源裝置。為了充分利用原池體并減少投資,本方案考慮將UASB池改造為缺氧池,將高負(fù)荷生物濾池改造為好氧池,沿用固體接觸池,固體接觸池作為AO工藝好氧池的一部分。本方案二級(jí)處理段采用脫氮的AO工藝,深度處理段主要用于去除膠體、SS及TP,故采用“高效沉淀池+濾布濾池”工藝,消毒采用次氯酸鈉接觸消毒方式。

表3分別對(duì)提標(biāo)改造的兩種工藝方案進(jìn)行對(duì)比。

表3 兩種工藝方案綜合特性對(duì)比

結(jié)合原廠現(xiàn)狀池體(UASB厭氧池、高負(fù)荷生物濾池、固體接觸池、終沉池)的勘查情況和工藝優(yōu)缺點(diǎn),可以得出:方案二對(duì)UASB厭氧池和高負(fù)荷生物濾池實(shí)施改造,UASB厭氧池、高負(fù)荷生物濾池的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,改造難度大,無法保證改造后的結(jié)構(gòu)安全性,并具有投資成本較高,運(yùn)行成本較高等特征;方案一對(duì)固體接觸池和終沉池實(shí)施改造,固體接觸池、終沉池的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,具有改造工程量小、施工難度小、施工周期短、投資成本低、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢,對(duì)污水廠的正常運(yùn)行影響較小。綜上比較,方案一無論從改造難度、占地、運(yùn)行成本、投資均優(yōu)于方案二,因此,采用方案一作為本工程提標(biāo)改造工藝,即UASB厭氧池+高負(fù)荷生物濾池+兩級(jí)AO-純膜MBBR+磁混凝沉淀+接觸消毒。

2.3 提標(biāo)改造內(nèi)容

提標(biāo)改造涉及的主要內(nèi)容如下。

(1)將原并聯(lián)的兩座固體接觸池改為串聯(lián),作為一級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng),設(shè)置一級(jí)缺氧純膜MBBR池、一級(jí)好氧純膜MBBR池。在各區(qū)域投加懸浮生物膜載體并設(shè)置進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng),在一級(jí)缺氧純膜MBBR池內(nèi)設(shè)置專用推流器,在一級(jí)好氧純膜MBBR池內(nèi)底部設(shè)置輔助曝氣系統(tǒng)。一級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面如圖2所示。

圖2 一級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面

(2)將原并聯(lián)的兩座生物絮凝沉淀池改為串聯(lián),作為二級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng),設(shè)置二級(jí)缺氧純膜MBBR池、二級(jí)好氧純膜MBBR池。在各區(qū)域投加懸浮生物膜載體并設(shè)置進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng),在二級(jí)缺氧純膜MBBR池內(nèi)設(shè)置專用推流器,在二級(jí)好氧純膜MBBR池內(nèi)底部設(shè)置輔助曝氣系統(tǒng)。二級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面如圖3所示。

圖3 二級(jí)AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面

(3)原兩座生物絮凝沉淀池改為串聯(lián)運(yùn)行,原進(jìn)出水管路做相應(yīng)改動(dòng)。

(4)原污泥回流泵房改造為中間提升泵房,原污泥回流取消。

(5)新建磁混凝沉淀系統(tǒng)一座,用于去除污水中TP及SS等。

(6)原消毒池不變,消毒方式改為次氯酸鈉接觸消毒。

2.4 提標(biāo)改造工藝流程

項(xiàng)目提標(biāo)改造后工藝流程如圖4所示。

注:提標(biāo)改造設(shè)施用實(shí)線框表示。

首先,污水依次進(jìn)入粗格柵、細(xì)格柵,用于去除污水中SS及顆粒物。污水依次通過UASB厭氧池將大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì),通過高負(fù)荷生物濾池生物膜的作用對(duì)有機(jī)物進(jìn)一步氧化分解,通過硝化反應(yīng)將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。其次,20%的高負(fù)荷生物濾池出水進(jìn)入一級(jí)缺氧MBBR池,后進(jìn)入一級(jí)好氧MBBR池,在缺氧狀態(tài)下通過反硝化反應(yīng),將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀欧?完成脫氮反應(yīng)。生物膜釋放出貯存在菌體內(nèi)的多聚正磷酸鹽,釋放出的能量可供生物活動(dòng)需要。在好氧狀態(tài)下發(fā)生硝化反應(yīng),將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮回流至缺氧池。一級(jí)好氧MBBR池出水與80%的高負(fù)荷生物濾池出水共同進(jìn)入二級(jí)缺氧MBBR池,后進(jìn)入二級(jí)好氧MBBR池,這兩個(gè)單元涉及的反應(yīng)原理同一級(jí)缺氧、好氧MBBR池。最后,通過磁混凝沉淀池去除SS和溶解性磷酸鹽,污水經(jīng)過次氯酸鈉消毒后達(dá)標(biāo)排放。

2.5 各工藝段去除目標(biāo)

各工藝段設(shè)計(jì)處理目標(biāo)如表4所示。

表4 各工藝段設(shè)計(jì)處理目標(biāo)

3 提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)

3.1 原有處理構(gòu)筑物改造

3.1.1 一級(jí)AO-純膜MBBR池(原固體接觸池改造)

(1)構(gòu)筑物。利用固體接觸池改造成一級(jí)AO-純膜MBBR池,長×寬×高=32.0 m×10.0 m×4.5 m,有效水深為4.1 m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。進(jìn)水比例為20%,回流比為200%。好氧MBBR區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度為2～6 mg/L;一級(jí)缺氧、好氧純膜MBBR水力停留時(shí)間均為0.54 h;一級(jí)缺氧、好氧純膜MBBR生物膜面積分別為1.384 6×105、2.142 9×106m2;填料有效比表面積≥800 m2/m3,填料填充比>50%,填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm,填料材質(zhì)為高密度聚乙烯(HDPE);填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;一級(jí)缺氧、好氧純膜MBBR池有效容積均為675 m3,曝氣量為30 m3/min。

(3)主要設(shè)備。MBBR專用推流器,N=5.5 kW,6臺(tái);專用進(jìn)水?dāng)r截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據(jù)池體定制),1套;專用出水?dāng)r截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據(jù)池體定制),1套;MBBR專用曝氣器,1套,穿孔曝氣管,ABS材質(zhì);硝化液回流泵,2臺(tái),Q=500 m3/h,H=8.0 m,N=15 kW。

3.1.2 二級(jí)缺氧純膜MBBR池(原生物絮凝沉淀改造)

(1)構(gòu)筑物。利用生物絮凝沉淀改造成二級(jí)缺氧純膜MBBR池,尺寸為Ф28 m×5.6 m,有效水深為5.3 m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。進(jìn)水比例為80%,缺氧區(qū)有效生物膜面積為553 850 m2;填料填充比>50%;填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm、有效比表面積≥800 m2/m3,填料材質(zhì)為HDPE,填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;有效容積為3 419 m3,平均水力停留時(shí)間為2.74 h,硝化液回流比為200%。

(3)主要設(shè)備。MBBR專用推流器,N=5.5 kW,20臺(tái);專用進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據(jù)池體定制),1套。

3.1.3 二級(jí)好氧純膜MBBR池(原生物絮凝沉淀改造)

(1)構(gòu)筑物。利用生物絮凝沉淀改造成二級(jí)好氧純膜MBBR池,尺寸為Ф28 m×5.6 m,有效水深為5.3 m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。缺氧區(qū)有效生物膜面積為1 082 000 m2;填料填充比為50%以上;填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm、有效比表面積≥800 m2/m3,填料材質(zhì)為HDPE,填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;有效容積為3 419 m3,平均水力停留時(shí)間為2.74 h,溶解氧質(zhì)量濃度為2 mg/L,硝化液回流比為200%;曝氣量為110 m3/min。

(3)主要設(shè)備。MBBR專用曝氣器,1套,穿孔曝氣管,ABS材質(zhì);專用進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據(jù)池體定制),1套;硝化液回流泵為2臺(tái),Q=2 500 m3/h,H=3 m,N=45 kW。

3.1.4 中間提升泵房(原污泥回流泵房改造)

(1)構(gòu)筑物。用于提升MBBR池出水至磁混凝沉淀池,保證后續(xù)處理水能夠自流。尺寸為Ф5.45 m×5.4 m,有效水深為4.4 m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)規(guī)模為3×104m3/d。

(3)主要設(shè)備。潛水泵:Q=907 m3/h,H=10 m,N=37 kW,3臺(tái),2用1備,均變頻。

3.1.5 鼓風(fēng)機(jī)房及變配電間(利舊改造)

(1)構(gòu)筑物。利用原鼓風(fēng)機(jī)房及變配電間,更換內(nèi)部設(shè)備。平面尺寸為10 m×6 m,高度為4 m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)規(guī)模為3×104m3/d;曝氣量為140 m3/min。

(3)主要設(shè)備。磁懸浮風(fēng)機(jī),Q=70 m3/min,H=5.5 m,N=75 kW,3臺(tái),2用1備,均為變頻。

3.2 新建處理構(gòu)筑物

3.2.1 新建磁混凝沉淀系統(tǒng)

(1)構(gòu)筑物。新建磁混凝沉淀池基礎(chǔ)1座,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),長×寬=28 m×16 m。磁混凝沉淀系統(tǒng)采用一體化設(shè)備形式,安裝于基礎(chǔ)上。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)?；旌铣赝Ａ魰r(shí)間為1.9 min;磁種加載池停留時(shí)間為2.4 min;絮凝反應(yīng)池停留時(shí)間為4.15 min;分流區(qū)沉淀池的表面負(fù)荷為14.47 m3/(m2·h),最高表面負(fù)荷為21.0 m3/(m2·h)。

(3)主要設(shè)備。反應(yīng)系統(tǒng)箱體2套,12 m×3 m×3.1 m;立式混合池?cái)嚢杵?臺(tái),P=3 kW;立式混合池?cái)嚢杵?臺(tái),P=4 kW;沉淀池箱體4套,13 m×3 m×3.1 m;刮泥機(jī)4套,13 m×3 m×3.1 m,N=0.18 kW;磁分離機(jī)2臺(tái),Q=20 m3/h,N=2.2 kW;剪切機(jī)2臺(tái),Q=20 m3/h,N=1.5 kW;集水槽及斜管4套;污泥回流泵5臺(tái),4用1備,Q=30 m3/h,H=12 m,N=7.5 kW;剩余污泥泵5臺(tái),4用1備,Q=30 m3/h,H=12 m,N=7.5 kW;污泥排放泵3臺(tái),2用1備,Q=40.0 m3/h,H=20 m,N=4 kW;高壓沖洗機(jī)1套,H=0～8 000 kPa,P=1.8 kW,配高壓水槍及管道。

4 運(yùn)行效果及分析

2020年年底完成改造并進(jìn)行長達(dá)4個(gè)月的試運(yùn)行,2021年5月完成環(huán)保驗(yàn)收。經(jīng)過2年的運(yùn)行,結(jié)果表明,出水BOD5質(zhì)量濃度≤2.97 mg/L,CODCr質(zhì)量濃度≤18 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度≤1.94 mg/L,TN質(zhì)量濃度≤14.76 mg/L,SS質(zhì)量濃度≤6 mg/L,TP質(zhì)量濃度≤0.19 mg/L,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到國家及廣東省地方現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。改造后的污水廠進(jìn)出水水質(zhì)如表5所示。

表5 2022年7月—2023年6月進(jìn)出水水質(zhì)

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該項(xiàng)目工程總投資為2 339.60萬元,其中工程費(fèi)為1 854.81萬元(其中純膜MBBR池改造部分約為1 069.81萬元,新增磁混凝沉淀池部分約為400萬元,其他輔助設(shè)施改造部分約為385萬元)。對(duì)2022年全廠運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),本工程年電耗約為276萬kW·h,PAC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)年投加量約為1 544 t,PAM年投加量約為10.9 t,乙酸鈉年投加量約為975.8 t,次氯酸鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)年投加量約為147.3 t,脫水污泥(含水率為80%)年產(chǎn)生量約為3 418 t。經(jīng)核算,該工程單位處理水經(jīng)營成本約為0.57元/m3。

6 總結(jié)

(1)廣東某污水處理廠提標(biāo)改造采用“純膜MBBR+磁混凝沉淀”為核心的工藝路線,節(jié)省面積約為2 600 m2,與活性污泥法相比,可節(jié)約30%～50%的用地,解決了原廠區(qū)可用土地少及出水排放標(biāo)準(zhǔn)高的問題,實(shí)現(xiàn)了污水廠原位提標(biāo)的目的,適用于占地受限型污水處理廠的改擴(kuò)建或新建。

(2)廣東某污水處理廠經(jīng)提標(biāo)改造后,出水水質(zhì)穩(wěn)定,且達(dá)到國家及廣東省地方現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)該項(xiàng)目工程總投資為2 339.60萬元,其中工程費(fèi)為1 854.81萬元。經(jīng)核算,本工程單位處理水經(jīng)營成本約為0.57元/m3。