西北某高濃度城市污水處理廠SBR工藝提標改造設計
序批式間歇活性污泥(SBR)工藝具有占地省、運行方便靈活等優點,但存在脫氮除磷效率不高、沉淀階段直接出水水質不穩定等問題,無法滿足高排放標準。隨著國家城市水環境提升、黃河流域高質量發展等行動計劃的加速,污水處理廠出水需要由一級B提標至一級A或更高標準排放,SBR工藝的污水處理廠均面臨提標改造。AAO工藝可較大限度地挖掘生物脫氮除磷的潛力,同時,預處理增加初沉池、深度處理采用微絮凝過濾可有效保障出水水質達標排放。本文以西北某污水處理廠提標改造為例,在實際進水水質濃度超出原設計水質濃度較多、預留用地受限、冬季低水溫的條件下,介紹SBR工藝污水處理廠提標改造方案,并對提標改造后運行效果進行分析,為該類型的污水處理廠提標改造提供參考。
01 工程概況
1.1 污水廠處理現狀
西北某污水處理廠主要承擔該市東部區域污水集中處理任務,設計規模為5.0×104m3/d,實際進水為4.0×104～5.0×104m3/d,生物處理采用SBR工藝,設計出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級B標準。
工藝流程為進水→粗格柵→提升泵房→細格柵→旋流沉砂池→SBR池→紫外線消毒→外排,尾水自流排入渭河。
1.2 實際進出水水質
近幾年實際進水水溫為10.2～25.3 ℃。
1.3 現狀存在問題
進水水質濃度遠超出原設計進水水質濃度；出水CODCr、BOD5大部分時段已經達到一級B,局部時段超標；SS、TN、氨氮、TP不能穩定達到一級B標準；出水消毒采用紫外線消毒,糞大腸菌群數經常不達標。
02 提標改造工藝
2.1進出水水質確定
結合當地正在分階段實行雨污分流改造、污染源排查等項目,并考慮當下污水處理廠運行情況,提標改造工程進水按照現狀進水水質85%的保障率進行統計,出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。主要進出水水質如表2所示。
2.2 提標改造思路及措施
2.2.1 提標改造整體思路
本廠實際進水水質濃度遠高于原設計指標,在提標改造中需結合實際水質、污水處理廠現有設施及用地,改造方案必須全廠工藝整體協同,分段改造、節約投資、節省用地。
進水中SS濃度過高,其中大部分為無機物,增加預處理措施對SS進行沉淀分離,以減輕后續生物處理的負荷,并防止無機SS對生物處理系統的不利影響。預處理系統改造在粗格柵+細格柵+旋流沉砂池基礎上增加初沉池。輻流式沉淀池較其他類型沉淀池具有沉淀效果好、排泥順暢、設備數量少、運行穩定可靠等優點,在國內實際應用案例較多,因此,預處理系統改造增設輻流式初沉池。
實際運行中進水在CODCr較高的情況下,大部分時間內出水CODCr能達到一級B標準,甚至更低,證明進水可生化性較,可通過生物處理去除大部分CODCr、BOD5、TN、氨氮等污染物。提標改造有兩種思路,一是現狀SBR池進行減量并按需擴建SBR池;二是改造現有SBR工藝為AAO工藝。本廠實際運行中SBR工藝脫氮除磷效率不高,間歇運行排水方式導致出水水質波動大,排空比水頭損失大、浪費能耗,不符合低碳節能政策,推薦改造為功能分區獨立、運行成本低、出水水質穩定、設備利用率高的AAO工藝,但需對現有的生物池池容進行復核。
增加深度處理設施,進一步去除SS;在生物除磷的基礎上,輔助化學除磷措施,保證出水TP達標排放。考慮到后續預留再生水回用,生物學指標通過加氯消毒方式去除,同時保證尾水中余氯含量。常見的污水深度處理工藝為微絮凝過濾或者混凝+沉淀+過濾的組合工藝。微絮凝過濾在原水中投加少量混凝劑后,經過混合設備快速混合后入過濾池單元,徽絮體尺寸小,慣性也小,增加同濾料表面的接觸機會,形成與濾料的全表面附著,提高了濾料的納污能力,該工藝具有適用面廣、處理費用低、安全實用特點。混凝+沉淀+過濾的組合工藝增加了沉淀單元,即通過混凝沉淀進一步去除二級生化處理系統未能去除的膠體物質和有機污染物,確保過濾效果,因而出水水質更優。采用將SBR池改造為AAO工藝,生物池出水經過二沉池后SS較低(≤20 mg/L)且穩定,廠區預留面積有限,深度處理可采用用地省、投資小的微絮凝過濾工藝,典型工藝為管式混合器+均質濾料濾池。污水處理廠改造后平面布置如圖2所示。
污水處理廠提標改造工藝流程為：進水→粗格柵→提升泵房→細格柵→旋流沉砂池→輻流式初沉池→AAO生物池→周進周出二沉池→管式混合器→均質濾料濾池→消毒外排,尾水自流排入渭河。
2.2.2 二級處理能力復核
預處理采用初沉池去除部分污染物,其中CODCr的去除率取值為25%,BOD5的去除率取值為20%,SS的去除率取值為50%,TN、氨氮的去除率取值為3%,TP的去除率取值為5%,實際運行中初沉池對各污染物去除率如表3所示。據此確定生物池進水水質如下：CODCr≤413 mg/L,BOD5≤208 mg/L,SS≤430 mg/L,TN≤63 mg/L,氨氮≤49 mg/L,TP≤6.7 mg/L。
生物池中缺氧池、好氧池容積按照《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)中的厭氧/缺氧/好氧法進行核算。污泥質量濃度按4 000 mg/L,溫度冬季按照10 ℃,夏季按照25 ℃,計算最不利情況下缺氧池容積為18 031 m3,好氧池容積為30 091 m3；厭氧區停留時間取1.5 h,容積為3 437.5 m3；生物池總容積為51 559.5 m3。污泥質量濃度按4 500 mg/L,溫度冬季按照10 ℃,夏季按照25 ℃計算,最不利情況下缺氧池容積為16 027 m3,好氧池容積為26 748 m3；厭氧區停留時間取1.8 h,容積為3 409.1 m3；生物池總容積為46 184.1 m3。
污水處理廠內現狀SBR池1座共4格,總深度為6 m,原設計有效水深為5 m,超高為1 m,尺寸為62.3 m×35.0 m×5.0 m,總有效容積為43 750 m3。現狀SBR池有效池容不足,須增加現狀生物池的有效水深,充分利用超高。對原廠的豎向流程進一步精細計算,生物池有效水深增加0.5 m時前端無需再次提升。
2.3 提標改造工藝設計
2.3.1 預處理系統改造
在生物池前新增2座直徑φ=24 m的幅流式初沉池,最大表面水力負荷為3.2 m3/(m2·h),沉淀時間為1.18 h,出水堰負荷為2.55 L/(m·s),采用周邊傳動半橋式刮泥機。在初沉池進水管上設置超越管,當SS較低時,可超越初沉池運行,原水中的碳源可直接進入生物池,提高碳源利用率。
2.3.2 二級處理改造
(1)生物池
本次提標改造將SBR工藝改造為AAO工藝,設置厭氧、好氧、缺氧各功能區,控制生物池污泥濃度為4 500 mg/L,設置混合液回流系統；對工藝流程進一步挖潛,將現有生物池有效水深增加至5.5 m,增加生物池有效容積,保證足夠的水力停留時間,同時在生物池后增加泥水分離設施(二沉池)。
現狀SBR池布置如圖3所示,改造后生物池布置如圖4所示。
圖3 現狀SBR池平面布置
采用隔墻對現狀厭氧區進行分隔,減少其停留時間,將分隔出富裕容積調整為缺氧區,SBR主反應區采用隔墻分隔為缺氧區和好氧區,改造過程中充分利用池體現有結構,減少對池體結構的改動。
厭氧區增加攪拌器,每個系列增加6臺,單臺功率為2.0 kW；缺氧區增加推流器,每個系列增加4臺,單臺功率為5.5 kW；拆除池內原有的曝氣系統,在好氧區重新布置曝氣系統,池底采用直徑φ=200 mm微孔曝氣盤,材質為三元乙丙橡膠(EPDM),曝氣管道采用S304不銹鋼管；好氧區末端設回流泵將混合液回流至缺氧區,回流比為150%～300%,每個系列設置2臺,單臺參數：流量為1 530 m3/h,高度為0.6 m,功率為5.5 kW,均變頻。改造后厭氧區停留時間為1.8 h,缺氧區停留時間為8.47 h,好氧區停留時間為14.12 h；污泥質量濃度為4 500 mg/L,BOD5污泥負荷為0.063 kg BOD5/(kg MLSS·s),污泥齡為12.9 d,污泥產率系數為0.37 kg VSS/(kg BOD5),污泥回流比為100%。
好氧區導流墻的設置結合原狀空氣主管的布置,充分利用原空氣主管,以減少單池改造時間、節約投資。在每序列缺氧區設置碳源投加點,可根據水質情況靈活開啟,確保反硝化脫氮效果。
(2)泥水分離
泥水分離采用周進周出沉淀池,新增2座直徑φ=42 m的沉淀池,最大表面水力負荷為1.04 m3/(m2·h),沉淀時間為4.0 h,出水堰負荷為2.53 L/(m·s),采用單管吸泥機。
2.3.3 深度處理設施
深度處理采用微絮凝過濾工藝。濾池采用均質濾料濾池,共分為8格,單格平面尺寸為8.2 m×7.0 m,單格過濾面積為57.4 m2,池體高度為4.55 m,峰值濾速為7.33 m/h,強制濾速為8.38 m/h。濾料采用均質石英砂,有效粒徑為0.95～1.15 mm,濾床厚度為1.2 m,采用長柄濾頭配水系統。
反沖洗間與濾池合建,平面尺寸為27.1 m×8.4 m,層高為8.0 m,在反沖洗間內設出水水質分析儀表間與值班間。反沖洗采用氣水聯合反沖洗和表面掃洗輔助系統,單獨氣沖強度為15 L/(m2·s),歷時2 min;氣水聯合沖洗時,氣沖強度為15 L/(m2·s),水沖強度為3 L/(m2·s),歷時4 min;單獨水沖強度為6 L/(m2·s),歷時8 min;表面掃洗強度為2 L/(m2·s),伴隨反沖洗整個過程;濾池反沖洗周期為12～16 h。
2.3.4 加藥及鼓風系統設施
(1)加藥系統
全廠投加聚合氯化鋁(PAC)輔助化學除磷,共設兩個投加點,在生物池出水堰后設第一投加點,實現同步除磷,并可提高活性污泥的沉降性能,投加量為20 mg/L,投加濃度為10%;在濾池總進水管管式混合器上設第二投加點,投加量為20～30 mg/L,投加濃度為10%。輔助投加聚丙烯酰胺(PAM),投加量為1 mg/L,投加濃度為0.3%。PAC投加點可根據實際的水質狀況、運行效果及藥劑費用,靈活單獨使用或共同使用。預處理系統在進水SS較高時,在沉砂池出水堰后投加PAC,保障初沉池的沉淀效果,投加量為10 mg/L,投加濃度為10%。
碳源采用成品醋酸鈉,濃度為20%,分兩處投加：在生物池缺氧區設置一處,最大投加量為135 mg/L；在濾池進水渠道設置一處,最大投加量為10 mg/L。
PAC和醋酸鈉投加均采用隔膜計量泵,變頻；PAM投加采用螺桿計量泵,變頻。新建加藥間一座,將PAC、PAM、醋酸鈉投加系統合建,平面尺寸為28.6 m×9.9 m,層高為6.6 m。
(2)鼓風系統
原廠內曝氣鼓風機為羅茨鼓風機,噪音大、能耗高,風量和風壓已不能滿足改造后生物池的要求。本次將其更換為高效、節能、低噪音的磁懸浮離心鼓風機,根據進出水水質重新核算生物池曝氣量,最大氣水比為7.33∶1,單組生物池曝氣量為4 200 m3/h。現狀進水量已趨于滿負荷,因此,鼓風機設置3臺,2用1備,均變頻。鼓風機房利用現狀鼓風機房。
2.3.5 消毒設施
原廠消毒為紫外線消毒,受進水水質波動大的影響,SBR池出水水質不穩定,尤其SS出水指標不穩定,導致紫外線燈管透光率差,實際運行消毒效果差且運行費高。本次設計采用消毒效果好、運行成本較低的液氯消毒,液氯投加點在接觸消毒池,最大投加量為8 mg/L,新建加氯間一座,平面尺寸為22.8 m×9.0 m,層高為6.0 m。
消毒池接觸時間按照30 min進行設計,平面尺寸為59.3 m×7.9 m,池深為4.2 m,出水計量設置1.80 m寬的巴氏計量槽一套。同時為了便于就近監測出水水質,及時上傳監測數據,在接觸池上新建在線監測用房兩間,一間用于環保部門安裝監測設備,一間廠區自用監測出水水質。
2.3.6 原廠流程核算及挖潛
工藝改造中預處理增加初沉池,為了節能降耗,減少提升泵的設置,對現狀工藝流程進行了重新核算后,將細格柵出水堰提高,同時減小堰后水頭,保證堰后出水能夠自流至初沉池、生物池。出廠尾水為充分利用現有尾水外排系統,在二沉池后設置中間提升泵房。
2.3.7 供電系統改造
現狀有10/0.4 kV變配電室一座(MCC1),含高壓配電室、低壓配電室、柴油發電室、值班室。為充分利用現有設施,節約投資,電氣系統保留原10/0.4 kV變配電室及原有10 kV高壓系統、0.4 kV低壓系統(對部分低壓柜進行改造),保留原有1 000 kVA-10/0.4 kV變壓器,其配電及控制范圍為原有建(構)筑物用電設備、新增初沉池、初沉池污泥泵井、改造后AAO生物池、鼓風機房的用電設備。
根據廠內工藝流程及用電設備的負荷分布與加藥間合建10/0.4 kV分變配電室一座(MCC2),給新增建(構)筑物配電,配電及控制范圍為加藥間、二沉池、二沉池配水井及污泥泵房、中間提升泵房、均質濾料濾池、接觸消毒池、反沖洗設備間、廢水調節池、加氯間的用電設備。
2.3.8 改造施工順序
為減少施工期間的運行壓力,先行施工初沉池、二沉池、均質濾料濾池、中間提升泵房、接觸池等新建(構)筑物,待以上建(構)筑物通過驗收后,再分組對生物池進行改造,同時提高現有SBR池內的污泥濃度,必要時在SBR池投加PAC,實現污水處理廠改造期間不停產、不減產,減少施工過程中對環境產生的污染。
03 運行效果及經濟分析
實際運行中PAC常年投加量為8～12 mg/L,平均投加量為10 mg/L；PAM僅在1月-2月投加,投加量為1 mg/L。二沉池出水SS質量濃度維持在15～20 mg/L。實際運行中經生物處理后二沉池出水TP很低,深度處理段加藥量很少,采用微絮凝工藝未發生濾池板結等現象。
提標改造工程實施后,該污水廠目前已經滿負荷運行,出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準,運行效果如表4所示。
該改造工程總投資為6 798.71萬元,其中土建費用為2 917.27萬元,設備及工器具費用為2 214.30萬元,安裝費用為943.18萬元,改造后的水處理成本為0.81元/m3,實際運行成本為0.42元/m3。
04 結論
(1)污水處理廠提標改造,需充分結合現狀設施,對原廠水力流程、水池容積、停留時間等進行核算。從平面及豎向兩個方面挖潛,充分利用現有水頭及池容,節約能耗及投資。
(2)改造期間應先施工新建建(構)筑物,再分組改造SBR池及現狀設施,必要時通過投加藥劑、提高污泥濃度等措施,最大限度、因地制宜地采用不停產改造方式。
(3)針對進水CODCr、SS濃度高,且波動大的情況,通過設置初沉池等方式強化預處理,可減小生物處理系統進水水質的波動、減小后續構筑物的處理負荷。
(4)污水處理廠提標改造應針對項目的特點,經過進出水水質和存在問題分析,現有設施可利用程度的論證等技術經濟比選后確定。本廠因地制宜將SBR工藝改為AAO工藝,在現有SBR池型內設置隔墻形成厭氧、缺氧、好氧區,強化脫氮除磷能力,且污泥的沉降性能好,二沉池出水SS≤20 mg/L,為后續深度處理采用微絮凝過濾創造良好條件。
(5)當生物處理出水水質指標較好、后續化學除磷加藥量不大,用地有限時,采用微絮凝過濾工藝,用地省、投資省、運行費低,適用于污水廠提標改造。通過提標改造后出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。
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