城市污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)

2022-03-08 11:30:44 sunmedia 1076


摘 要 隨著我國城市水環(huán)境提升、黑臭河道治理等行動計(jì)劃加速,,污水廠一級A標(biāo)準(zhǔn)正全面推行,但同時(shí)也面臨著污水處理工藝流程延長,、藥耗能耗增加等嚴(yán)峻形勢,而工藝設(shè)計(jì)的合理選擇將直接關(guān)系到工程投資和運(yùn)行成本,,并影響污水廠高效低耗,、安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此,,文中總結(jié)了污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則,,論述了污水廠出水提標(biāo)至一級A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段,對比分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點(diǎn),,并對污水廠未來發(fā)展方向提出了建議,,以期為污水廠提標(biāo)改造工藝的選擇與設(shè)計(jì)提供借鑒。

根據(jù)污水處理的目標(biāo)與程度,,城市污水處理廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。(1)以去除懸浮物,、較大顆粒物為主的一級污水廠,,處理工藝一般為沉砂池、初沉池,,該類污水廠主要建于20世紀(jì)初期,,對污水中BOD5、SS的去除率分別約為30%與50%,,目前一級污水廠僅在特殊情況下采用或作為更高級污水廠分期建設(shè)的第一階段,。(2)以生物處理為主體的二級污水廠,即一般在預(yù)處理的基礎(chǔ)上新增曝氣反應(yīng)池和二沉池,該類污水廠在20世紀(jì)50年代以后得到快速發(fā)展,,可去除水中可生物降解的有機(jī)物,、懸浮固體以及部分營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)等,,尤其是對污水中COD,、BOD5的去除率可分別達(dá)到80%與90%[1-2],二級生物處理主要包括活性污泥法(AO工藝,、AAO工藝,、氧化溝OD工藝以及SBR工藝等)和生物膜法(生物濾池等),目前兩者共同覆蓋了我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施主體工藝的90%以上[3],。(3)以“混凝-沉淀-過濾”深度處理工藝為代表的三級污水廠,,該類污水廠在20世紀(jì)60年代末開始建設(shè),至90年代逐漸得到重視,,主要用來進(jìn)一步去除污水中剩余的懸浮固體,、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及其他微量有機(jī)物,三級污水廠出水大大降低了污染負(fù)荷,,對于控制水體富營養(yǎng)化,、改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。城市污水處理廠工藝流程如圖1所示,。

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近年來,,由于城市水環(huán)境綜合治理的需求不斷提升,作為城市水環(huán)境保護(hù)的末端屏障——污水處理廠的作用愈加凸顯,。相應(yīng)地,,污水廠的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高,城市污水處理廠提標(biāo)改造受到了更多重視[4],。污水處理廠提標(biāo)改造是指,,在其現(xiàn)有處理規(guī)模基本保持不變的情況下,,通過工藝改進(jìn)或增加深度處理設(shè)施[5],,使污水廠出水水質(zhì)滿足更高等級的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。本文從實(shí)際工程出發(fā),,論述了污水廠出水提標(biāo)至一級A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段,,對比分析了深度處理工藝主要構(gòu)筑物選型及特點(diǎn),以期為污水廠提標(biāo)改造工藝的選擇與設(shè)計(jì)提供借鑒,。

1 污水廠排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

目前,,我國現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)將基本控制項(xiàng)目的常規(guī)污染物標(biāo)準(zhǔn)值分為三級標(biāo)準(zhǔn),其中一級標(biāo)準(zhǔn)分為A標(biāo)準(zhǔn)和B標(biāo)準(zhǔn),。統(tǒng)計(jì)資料顯示,,截至2016年底,,我國已累計(jì)建成污水處理廠3 552座,出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)比例約27%,。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)相關(guān)規(guī)定,,污水廠出水水質(zhì)若要由一級B標(biāo)準(zhǔn)提升至一級A標(biāo)準(zhǔn),除了需要進(jìn)一步降低水中SS,、BOD5,、COD等物質(zhì)的濃度外,重點(diǎn)在于脫氮除磷,;另一方面,,污水廠一級A標(biāo)準(zhǔn)出水較地表Ⅴ類水體水質(zhì)還有一定的差距,若要滿足水體富營養(yǎng)化控制要求,,污水廠需采用深度處理工藝,,降低TN、TP排放,。此外,,隨著國家“水十條”的發(fā)布,水污染的防治力度切實(shí)加大,,部分地區(qū)制定了更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn),,將排入地表水體氮、磷等污染物的排放限值規(guī)定進(jìn)一步接近或達(dá)到地表Ⅳ類水體水質(zhì),,但結(jié)合我國實(shí)際發(fā)展情況,,大部分地區(qū)還應(yīng)以一級A標(biāo)準(zhǔn)為污水處理的主要目標(biāo),因地制宜地實(shí)施污水處理廠的升級改造,。

2 污水廠一級A提標(biāo)改造工藝

2.1 污水廠現(xiàn)狀問題分析

我國污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造工藝面臨的主要難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn),。

(1)已建生物反應(yīng)池脫氮除磷效率不高,原因?yàn)閇6-7]:①進(jìn)水C/N偏低,,導(dǎo)致反硝化脫氮時(shí)碳源不足,,除磷效果變差;②低溫條件限制,,尤其是冬季水溫低于12 ℃,,嚴(yán)重影響反硝化速率;③水力停留時(shí)間不足,,微生物降解作用不充分,,不利于脫氮除磷。

(2)二級生物處理本身較難保證出水SS,、TP及TN同時(shí)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

針對上述問題,,在實(shí)際工程中需采取強(qiáng)化二級生物處理工藝或增加深度處理工藝的方法進(jìn)行提標(biāo)改造,,以確保污水廠出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

此外,由于不同地區(qū)污水廠運(yùn)行現(xiàn)狀各不相同,,提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行污水廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)分析,,并結(jié)合一級A標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)要求,確定污水廠提標(biāo)改造主要污染物去除重點(diǎn)與優(yōu)先控制次序,。通常污水廠水質(zhì)提標(biāo)時(shí),,已建生物反應(yīng)池脫氮除磷能力可能不足,尤其是TN,,需要進(jìn)行生物反應(yīng)池改造強(qiáng)化生物脫氮,、增加后置反硝化脫氮工藝和碳源補(bǔ)充措施等;而對于TP,,目前普遍采用生物除磷和化學(xué)輔助除磷相結(jié)合,,用于化學(xué)除磷的藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽,兩者相比,,鐵鹽形成的礬花密實(shí),、沉降性能較好,但鐵鹽過量投加易引起出水色度增加,,影響紫外線投射率,,且三氯化鐵腐蝕性較強(qiáng),對設(shè)備防腐要求較高,,因此,工程設(shè)計(jì)中宜綜合比選確定,。

2.2 工藝選擇

(1)污水生物脫氮除磷原理

在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中,污水中氮的去除通過有機(jī)物氧化,、氨化,、硝化和反硝化過程實(shí)現(xiàn),認(rèn)為硝化與反硝化兩個(gè)過程相對獨(dú)立,;污水中磷的去除利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷,,在好氧條件下過量吸收磷,最后通過排除富磷污泥實(shí)現(xiàn),。在工程應(yīng)用中,,同一反應(yīng)池中生物脫氮與生物除磷過程易受各種因素影響(包括溫度、pH,、碳源,、溶解氧、污泥齡,、混合液或污泥回流比等),,并相互制約,實(shí)際上很難同時(shí)獲得較高的生物脫氮,、生物除磷效率,。因此,,在污水廠提標(biāo)改造時(shí),對現(xiàn)有二級生物處理工藝脫氮除磷效率進(jìn)行分析,,深入挖掘傳統(tǒng)工藝脫氮除磷能力,,減少后續(xù)工藝流程長度,是十分必要的,。不同工藝生物脫氮除磷特性如表1所示,。

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(2)提標(biāo)改造工藝選擇

污水廠二級處理出水中TN以氨氮、硝酸鹽氮為主[8],;TP以溶解態(tài)的正磷酸鹽為主[9],,是水質(zhì)進(jìn)一步提標(biāo)的主要去除對象。根據(jù)水質(zhì)提標(biāo)脫氮除磷要求,,工藝設(shè)計(jì)方案可分為3種:僅需脫氮,、僅需除磷以及需要同時(shí)脫氮除磷。工程上,,若要進(jìn)行生物脫氮或生物除磷,,一般要求進(jìn)水BOD5/TKN>4或BOD5/TP>17,才能保證碳源充足,;若要同步脫氮除磷,,所需C/N、C/P更高,,原因在于污水生物脫氮與生物除磷之間存在碳源競爭[10],,碳源不足可能成為限制生物脫氮除磷效率提高的關(guān)鍵因素。隨著厭氧氨氧化,、短程硝化反硝化和反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝研究的應(yīng)用,,污水處理過程中的碳源、能源消耗可大大減少,。

但上述工藝在國內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用的還較少,。因此,現(xiàn)階段我國污水處理廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)的一般原則仍然是優(yōu)先生物脫氮,、強(qiáng)化生物除磷,、輔助化學(xué)除磷,同時(shí)宜考慮碳源補(bǔ)充措施,。

2.3 工藝設(shè)計(jì)

2.3.1 已建處理單元改造

(1)初沉池改造

污水廠中初沉池主要用來降低懸浮固體(TSS的去除率為50%~70%,,圖2)的含量,保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行,,但另一方面,,初沉池對碳源也有一定比例的去除(BOD的去除率為25%~40%,圖2),,造成污水廠生物反應(yīng)池進(jìn)水碳源不足問題更加突出,,影響生物脫氮除磷效率,。目前,針對污水廠已建初沉池,,結(jié)合具體工程條件,若需要進(jìn)行改造,,其一是將初沉池改為厭氧區(qū)或(預(yù))缺氧區(qū),,增加生物反應(yīng)池水力停留時(shí)間;其二是利用初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA),,充分利用內(nèi)部碳源,,提高系統(tǒng)脫氮除磷效果。楊敏等[11]研究表明,,初沉發(fā)酵池宜在進(jìn)水BOD5/TN偏低(BOD5/TN<4),、SS/BOD5偏高(SS/BOD5>1.2)時(shí)設(shè)置,可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性,,減少外部碳源投加量,。

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(2)生物反應(yīng)池改造

污水廠提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析,,按設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)對已建生物反應(yīng)池池容進(jìn)行復(fù)核,,通過技術(shù)改造,充分發(fā)揮二級生物處理功能,,提高生物脫氮除磷效率,。目前,已建生物反應(yīng)池改造常用的方法有:①調(diào)整功能分區(qū),,若已建生物反應(yīng)池容積基本滿足要求,,可通過新增土建隔墻或結(jié)合初沉池改造的方式,將原池內(nèi)各段分區(qū)進(jìn)行調(diào)整,,或改為倒置AAO工藝,、五段Bardenpho工藝、UCT工藝等,;②MBBR工藝改造,,即一般在優(yōu)先保證厭、缺氧區(qū)容積的條件下,,通過好氧區(qū)投加懸浮填料富集微生物,,實(shí)現(xiàn)活性污泥法與生物膜法聯(lián)用,保證二級生物處理效果,,該方法比較適用于用地限制,、不增加反應(yīng)池容積的老廠改造;③擴(kuò)容減量改造,,通過核減已建生物反應(yīng)池處理規(guī)模,,減小負(fù)荷,、延長水力停留時(shí)間,同時(shí)另外新建生物反應(yīng)池,,滿足污水處理水量要求,。

2.3.2 增加深度處理工藝

目前,在污水廠二級生物處理出水之后增加深度處理工藝,,是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)的重要一步,。根據(jù)工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)分析及主要污染物控制目標(biāo),深度處理工藝設(shè)計(jì)一般可分為4類,,如圖3所示,。工程設(shè)計(jì)時(shí),若二級處理出水水質(zhì)指標(biāo)接近或可達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn),,且達(dá)標(biāo)率較高,、污水廠進(jìn)水水質(zhì)也趨于穩(wěn)定,可采用直接過濾(混凝-絮凝-過濾)或接觸過濾(混凝-過濾)工藝,;若二級處理出水中NH3-N,、TN較低,TP和SS指標(biāo)相對較高,,可采用混凝-絮凝-沉淀-過濾工藝,,出水經(jīng)消毒處理后,確保達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn),;其次,,若二級處理出水水質(zhì)相對一級A標(biāo)準(zhǔn)差距較大,NH3-N和TN也較高,,可采用曝氣生物濾池強(qiáng)化脫氮,,后續(xù)增加混凝-絮凝-沉淀-過濾-消毒工藝,確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),;最后,,若二級處理出水仍需進(jìn)行脫氮除磷,污水廠用地又十分緊張,,出水標(biāo)準(zhǔn)也較高(或高于一級A標(biāo)準(zhǔn)),,則可采用MBR工藝,出水經(jīng)消毒處理后達(dá)標(biāo)排放,。

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污水廠提標(biāo)改造方法還包括氣浮,、臭氧氧化、活性炭吸附等,,由于污水廠實(shí)際情況各不相同,,出水標(biāo)準(zhǔn)要求也不同,最終設(shè)計(jì)方案需通過綜合比選后確定(表2)。但工藝設(shè)計(jì)時(shí),,宜優(yōu)先考慮強(qiáng)化二級生物處理脫氮除磷效率,,減少后續(xù)工藝流程長度,否則可能會造成工程投資增大,、運(yùn)行成本增加,,也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。

2.3.3 污泥處理工藝改造

污水廠提標(biāo)改造由于設(shè)計(jì)規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)基本不變,,新增污泥主要為化學(xué)除磷過程中產(chǎn)生的化學(xué)污泥,,其產(chǎn)量相對剩余污泥較小,可沿用污水廠已建污泥處理設(shè)施,。但近年來國內(nèi)環(huán)保要求愈加嚴(yán)格,污泥處置方式也已發(fā)生轉(zhuǎn)變,,因此,,污水廠水質(zhì)提標(biāo)的同時(shí),還應(yīng)注重老廠現(xiàn)狀污泥處理設(shè)施的改造。

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并配套除臭裝置等,,以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置出路的要求,。Hao等[18]的研究表明,剩余污泥填埋及污泥農(nóng)用方式越來越受到限制,,污泥脫水,、干化后直接焚燒的處置方式具有較明顯的優(yōu)勢,對工程實(shí)踐具有重要參考意義,。

2.4 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

(1)高效沉淀池

高效沉淀池是一種集混凝,、絮凝和沉淀于一體的新型沉淀池,由于該池具有占地小,、水力負(fù)荷高,、污染物去除效果好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于污水廠提標(biāo)改造深度處理工藝中,。高效沉淀池一般包括快混區(qū),、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)3部分,通過投加化學(xué)藥劑,,可有效去除COD,、SS和TP,去除率可分別達(dá)60%,、80%與90%,。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50335—2016),高效沉淀池主要設(shè)計(jì)參數(shù):混合時(shí)間宜為0.5~1.0 min,,絮凝時(shí)間宜為8~15 min,,沉淀池表面負(fù)荷宜為10~20 m3/(m2·h),污泥回流比宜為3%~6%,。近年來,,出現(xiàn)了磁粉或微砂等介質(zhì)強(qiáng)化高效沉淀池,,通過投加磁粉或微砂,可提高絮體密實(shí)度,,縮短沉降時(shí)間,,減少化學(xué)藥劑的投加量,但工程應(yīng)用時(shí)還需重點(diǎn)關(guān)注流失磁粉或微砂對后續(xù)污泥處理處置的影響,。

(2)過濾工藝

過濾單元作為污水廠深度處理工藝的核心,,是保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。目前,,工程上過濾工藝的可選方案包括纖維濾布濾池,、V型濾池、微過濾器,、反硝化深床濾池以及曝氣生物濾池等(表3),。其中,前三者一般僅有過濾功能,,以去除SS為主,;而反硝化深床濾池、曝氣生物濾池兼有過濾和生物脫氮功能,,尤其是曝氣生物濾池,,通過設(shè)計(jì)不同的池型,可對BOD5,、SS,、NH3-N、TN等產(chǎn)生較好的去除效果,。工藝設(shè)計(jì)時(shí),,宜將曝氣生物濾池置于化學(xué)除磷之前,保證進(jìn)水磷酸鹽等營養(yǎng)充足,;此外,,硝化濾池還要特別注意控制進(jìn)水氨氮濃度,保證冬季硝化細(xì)菌的正常生長,。

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注:*根據(jù)提供產(chǎn)品解決方案的廠商不同,,濾料形式及濾床厚度各有區(qū)別,并直接影響濾池的性能

3 結(jié)論

(1)城市污水廠未來將更加注重污水的深度處理以及再生回用,,污水廠提標(biāo)改造需結(jié)合不同地區(qū)的現(xiàn)狀差異,,充分研究、因地制宜,,確定合理的出水標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)方案,,發(fā)揮污水廠的最大工程效益。

(2)城市污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造應(yīng)先對其現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析,并結(jié)合水質(zhì)提標(biāo)要求,,確定目標(biāo)去除污染物,,以便在后續(xù)工藝設(shè)計(jì)中予以重點(diǎn)考慮;深度處理工藝設(shè)計(jì)需進(jìn)行方案綜合比選,。對于TP超標(biāo),,化學(xué)除磷是必要的措施;對于TN超標(biāo),,宜優(yōu)先考慮已建生物反應(yīng)池改造,,減少后續(xù)工藝流程長度,必要時(shí)還可增加后置反硝化脫氮工藝,,并設(shè)外加碳源補(bǔ)充措施,。此外,在提標(biāo)改造過程中,,還應(yīng)重視老廠污泥,、臭氣的處理,以新帶老,,實(shí)現(xiàn)污水廠水、泥,、氣同步治理達(dá)標(biāo),。

(3)城市污水廠正面臨新形勢下的技術(shù)升級挑戰(zhàn),以厭氧氨氧化,、反硝化除磷為代表的新型生物處理工藝的工程應(yīng)用成為迫切需求,。為此,通過技術(shù)升級提高生物處理效率,,實(shí)現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì),,并減少藥耗、能耗成本,,探索能源的可持續(xù)性,,對污水廠未來發(fā)展具有重要意義。

來源:《凈水技術(shù)》作者:錢林 薛哲驊等

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