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欄目導語

以作品為媒，讓圖紙說話，感受每一個工程項目背后的設(shè)計理念和思想。“設(shè)計案例”與國內(nèi)各大設(shè)計院所聯(lián)名合作，深入剖析我國市政給排水新改擴建工程項目設(shè)計過程中的理念和經(jīng)驗，相互啟迪，引領(lǐng)發(fā)展。

作者簡介

通信作者：景兆華(1983— ),男,高級工程師,主要從事市政給水排水設(shè)計及相關(guān)研究,E-mail:271474704@qq.com

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(yōu)點,但存在脫氮除磷效率不高、沉淀階段直接出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問題,無法滿足高排放標準。隨著國家城市水環(huán)境提升、黃河流域高質(zhì)量發(fā)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(zhì)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(zhì)濃度超出原設(shè)計水質(zhì)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(xiàn)狀

西北某污水處理廠主要承擔該市東部區(qū)域污水集中處理任務(wù),設(shè)計規(guī)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(shè)計出水執(zhí)行中的一級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(zhì)

圖1 實際進水水質(zhì)

表1 實際進出水水質(zhì)

近幾年實際進水水溫為10.2～25.3 ℃。

1.3 現(xiàn)狀存在問題

進水水質(zhì)濃度遠超出原設(shè)計進水水質(zhì)濃度；出水CODCr、BOD5大部分時段已經(jīng)達到一級B,局部時段超標；SS、TN、氨氮、TP不能穩(wěn)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(shù)經(jīng)常不達標。

02

提標改造工藝

2.1進出水水質(zhì)確定

結(jié)合當?shù)卣�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(xiàn)狀進水水質(zhì)85%的保障率進行統(tǒng)計,出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)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(zhì)如表2所示。

表2 設(shè)計進出水水質(zhì)

注:氨氮括號內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時的控制指標,括號外數(shù)值為水溫>12 ℃時的控制指標。

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(zhì)濃度遠高于原設(shè)計指標,在提標改造中需結(jié)合實際水質(zhì)、污水處理廠現(xiàn)有設(shè)施及用地,改造方案必須全廠工藝整體協(xié)同,分段改造、節(jié)約投資、節(jié)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(xù)生物處理的負荷,并防止無機SS對生物處理系統(tǒng)的不利影響。預處理系統(tǒng)改造在粗格柵+細格柵+旋流沉砂池基礎(chǔ)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(shè)備數(shù)量少、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,在國內(nèi)實際應用案例較多,因此,預處理系統(tǒng)改造增設(shè)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(nèi)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(xiàn)狀SBR池進行減量并按需擴建SBR池;二是改造現(xiàn)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(zhì)波動大,排空比水頭損失大、浪費能耗,不符合低碳節(jié)能政策,推薦改造為功能分區(qū)獨立、運行成本低、出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備利用率高的AAO工藝,但需對現(xiàn)有的生物池池容進行復核。

增加深度處理設(shè)施,進一步去除SS;在生物除磷的基礎(chǔ)上,輔助化學除磷措施,保證出水TP達標排放�？紤]到后續(xù)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(jīng)過混合設(shè)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(tǒng)未能去除的膠體物質(zhì)和有機污染物,確保過濾效果,因而出水水質(zhì)更優(yōu)。采用將SBR池改造為AAO工藝,生物池出水經(jīng)過二沉池后SS較低(≤20 mg/L)且穩(wěn)定,廠區(qū)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(zhì)濾料濾池。污水處理廠改造后平面布置如圖2所示。

圖2 污水處理廠改造后平面布置

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(zhì)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(jù)此確定生物池進水水質(zhì)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。

表3 初沉池去除率

生物池中缺氧池、好氧池容積按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)中的厭氧/缺氧/好氧法進行核算。污泥質(zhì)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(qū)停留時間取1.5 h,容積為3 437.5 m3；生物池總?cè)莘e為51 559.5 m3。污泥質(zhì)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(qū)停留時間取1.8 h,容積為3 409.1 m3；生物池總?cè)莘e為46 184.1 m3。

污水處理廠內(nèi)現(xiàn)狀SBR池1座共4格,總深度為6 m,原設(shè)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�，F(xiàn)狀SBR池有效池容不足,須增加現(xiàn)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(shè)計

2.3.1預處理系統(tǒng)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(shè)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(shè)置厭氧、好氧、缺氧各功能區(qū),控制生物池污泥濃度為4 500 mg/L,設(shè)置混合液回流系統(tǒng)；對工藝流程進一步挖潛,將現(xiàn)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(shè)施(二沉池)。

現(xiàn)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(xiàn)狀SBR池平面布置

圖4 改造后生物池平面布置

采用隔墻對現(xiàn)狀厭氧區(qū)進行分隔,減少其停留時間,將分隔出富裕容積調(diào)整為缺氧區(qū),SBR主反應區(qū)采用隔墻分隔為缺氧區(qū)和好氧區(qū),改造過程中充分利用池體現(xiàn)有結(jié)構(gòu),減少對池體結(jié)構(gòu)的改動。

厭氧區(qū)增加攪拌器,每個系列增加6臺,單臺功率為2.0 kW；缺氧區(qū)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(nèi)原有的曝氣系統(tǒng),在好氧區(qū)重新布置曝氣系統(tǒng),池底采用直徑φ=200 mm微孔曝氣盤,材質(zhì)為三元乙丙橡膠(EPDM),曝氣管道采用S304不銹鋼管；好氧區(qū)末端設(shè)回流泵將混合液回流至缺氧區(qū),回流比為150%～300%,每個系列設(shè)置2臺,單臺參數(shù)：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(qū)停留時間為1.8 h,缺氧區(qū)停留時間為8.47 h,好氧區(qū)停留時間為14.12 h；污泥質(zhì)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(chǎn)率系數(shù)為0.37 kg VSS/(kg BOD5),污泥回流比為100%。

好氧區(qū)導流墻的設(shè)置結(jié)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(jié)約投資。在每序列缺氧區(qū)設(shè)置碳源投加點,可根據(jù)水質(zhì)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(shè)施

深度處理采用微絮凝過濾工藝。濾池采用均質(zhì)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(zhì)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(tǒng)。

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(nèi)設(shè)出水水質(zhì)分析儀表間與值班間。反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖洗和表面掃洗輔助系統(tǒng),單獨氣沖強度為15 L/(m2·s),歷時2 min;氣水聯(lián)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(tǒng)設(shè)施

(1)加藥系統(tǒng)

全廠投加聚合氯化鋁(PAC)輔助化學除磷,共設(shè)兩個投加點,在生物池出水堰后設(shè)第一投加點,實現(xiàn)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(shè)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(jù)實際的水質(zhì)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(tǒng)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(qū)設(shè)置一處,最大投加量為135 mg/L；在濾池進水渠道設(shè)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(tǒng)合建,平面尺寸為28.6 m×9.9 m,層高為6.6 m。

(2)鼓風系統(tǒng)

原廠內(nèi)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(jié)能、低噪音的磁懸浮離心鼓風機,根據(jù)進出水水質(zhì)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(xiàn)狀進水量已趨于滿負荷,因此,鼓風機設(shè)置3臺,2用1備,均變頻。鼓風機房利用現(xiàn)狀鼓風機房。

2.3.5 消毒設(shè)施

原廠消毒為紫外線消毒,受進水水質(zhì)波動大的影響,SBR池出水水質(zhì)不穩(wěn)定,尤其SS出水指標不穩(wěn)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(shè)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(shè)計,平面尺寸為59.3 m×7.9 m,池深為4.2 m,出水計量設(shè)置1.80 m寬的巴氏計量槽一套。同時為了便于就近監(jiān)測出水水質(zhì),及時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù),在接觸池上新建在線監(jiān)測用房兩間,一間用于環(huán)保部門安裝監(jiān)測設(shè)備,一間廠區(qū)自用監(jiān)測出水水質(zhì)。

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(jié)能降耗,減少提升泵的設(shè)置,對現(xiàn)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(xiàn)有尾水外排系統(tǒng),在二沉池后設(shè)置中間提升泵房。

2.3.7 供電系統(tǒng)改造

現(xiàn)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(fā)電室、值班室。為充分利用現(xiàn)有設(shè)施,節(jié)約投資,電氣系統(tǒng)保留原10/0.4 kV變配電室及原有10 kV高壓系統(tǒng)、0.4 kV低壓系統(tǒng)(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(gòu))筑物用電設(shè)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(shè)備。

根據(jù)廠內(nèi)工藝流程及用電設(shè)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(gòu))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(zhì)濾料濾池、接觸消毒池、反沖洗設(shè)備間、廢水調(diào)節(jié)池、加氯間的用電設(shè)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(zhì)濾料濾池、中間提升泵房、接觸池等新建(構(gòu))筑物,待以上建(構(gòu))筑物通過驗收后,再分組對生物池進行改造,同時提高現(xiàn)有SBR池內(nèi)的污泥濃度,必要時在SBR池投加PAC,實現(xiàn)污水處理廠改造期間不停產(chǎn)、不減產(chǎn),減少施工過程中對環(huán)境產(chǎn)生的污染。

03

運行效果及經(jīng)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(zhì)量濃度維持在15～20 mg/L。實際運行中經(jīng)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(fā)生濾池板結(jié)等現(xiàn)象。

提標改造工程實施后,該污水廠目前已經(jīng)滿負荷運行,出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)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。

表4 提標后的出水水質(zhì)

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(shè)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(jié)論

(1)污水處理廠提標改造,需充分結(jié)合現(xiàn)狀設(shè)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(xiàn)有水頭及池容,節(jié)約能耗及投資。

(2)改造期間應先施工新建建(構(gòu))筑物,再分組改造SBR池及現(xiàn)狀設(shè)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(chǎn)改造方式。

(3)針對進水CODCr、SS濃度高,且波動大的情況,通過設(shè)置初沉池等方式強化預處理,可減小生物處理系統(tǒng)進水水質(zhì)的波動、減小后續(xù)構(gòu)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(jīng)過進出水水質(zhì)和存在問題分析,現(xiàn)有設(shè)施可利用程度的論證等技術(shù)經(jīng)濟比選后確定。本廠因地制宜將SBR工藝改為AAO工藝,在現(xiàn)有SBR池型內(nèi)設(shè)置隔墻形成厭氧、缺氧、好氧區(qū),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(xù)深度處理采用微絮凝過濾創(chuàng)造良好條件。

(5)當生物處理出水水質(zhì)指標較好、后續(xù)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(zhì)穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

推薦參考

本文原標題為《西北某高濃度城市污水處理廠SBR工藝提標改造設(shè)計》，發(fā)表在《凈水技術(shù)》2023年第4期“城鎮(zhèn)給排水工程設(shè)計案例專欄”，有刪減，歡迎水業(yè)學者、科研與技術(shù)人員參考引用，文獻引用格式如下：

景兆華,王向舉,劉海茹,等.西北某高濃度城市污水處理廠SBR工藝提標改造設(shè)計[J].凈水技術(shù),2023,42(4):169-175.

JING Z H,WANG X J,LIU H R,et al.Design of SBR process for upgrading and reconstruction of an urban WWTP with high concentration wastewater in northwest China[J].Water Purification Technology,2023,42(4):169-175.