設(shè)計(jì)案例 | 污水處理廠(chǎng)改造中如何克服低溫低碳困難
導(dǎo)語(yǔ)：目前，國(guó)內(nèi)污水處理廠(chǎng)處理工藝中微生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)，特別是水溫有一定要求。然而，北方地區(qū)冬季水溫偏低，在設(shè)計(jì)中如何應(yīng)對(duì)北方地區(qū)特殊氣候環(huán)境值得探討。同時(shí)，我國(guó)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水普遍面臨著碳源不足的問(wèn)題。本文以烏魯木齊市某污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造工程為例，介紹低溫低碳條件下污水處理廠(chǎng)的提標(biāo)改造方案。
作者簡(jiǎn)介
李建（1982— ），中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向?yàn)槭姓┡潘?/p>
一級(jí)A為主流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
2015年4月國(guó)務(wù)院發(fā)布“水十條”明確現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施要因地制宜進(jìn)行改造，要求2020年底前達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)或再生利用要求。隨后，北京、天津、浙江等發(fā)達(dá)城市頒布了地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)污水處理廠(chǎng)出水污染物排放要求更嚴(yán)格，尤其對(duì)氮、磷指標(biāo)提出了更高的要求，甚至優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)“城鎮(zhèn)水務(wù)統(tǒng)計(jì)年鑒（2020）”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，至2019年全國(guó)1522座污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠(chǎng)數(shù)量占比為77%，規(guī)模占比為87.63%。
污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造存在的共性問(wèn)題
漢中市污水處理廠(chǎng)及西安市第三、四、五針對(duì)陜西省生活污水氨氮、總氮高，C/N比較低的特點(diǎn)，在生物池投加MBBR填料，提高生物段處理效率，并新建纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池進(jìn)一步去除污水中SS，經(jīng)改造后，上述污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
成都第三、四、五、八污水處理廠(chǎng)將終沉池改造為MBR膜池，利用MBR膜的特性，使前端生化池形成超高濃度的活性污泥濃度，提高生化系統(tǒng)處理效率，達(dá)到出水水質(zhì)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求。
甘南州合作市污水處理廠(chǎng)提標(biāo)擴(kuò)建改造工程，改造前生物處理工藝為CASS工藝，改造時(shí)在CASS生物池后端增設(shè)兩級(jí)曝氣生物濾池進(jìn)一步脫氮除磷，濾布濾池進(jìn)一步去除SS，達(dá)到出水水質(zhì)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求。
從以上污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造實(shí)例可以看出目前污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造的重點(diǎn)及難點(diǎn)一是如何進(jìn)一步提高脫氮效率，二是如何解決污水處理廠(chǎng)進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低的問(wèn)題。
項(xiàng)目背景
新疆維吾爾自治區(qū)在2019年提出了實(shí)施城鎮(zhèn)污水處理“提質(zhì)增效”三年行動(dòng)方案，即三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有城市、縣市污水處理能力全覆蓋。烏市地處歐亞大陸腹地，屬溫帶大陸性氣候，其特點(diǎn)是寒暑變化劇烈，極端最高氣溫為42.1 ℃，冬季最低氣溫可達(dá)到-41.5 ℃。由于烏市特殊的地理?xiàng)l件，年氣溫變化較大，污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮秋冬季節(jié)水溫較低，氨氮、總氮高，C/N比較低等問(wèn)題。
烏市某污水處理廠(chǎng)總處理規(guī)模為40萬(wàn)m3/d，共分兩期建設(shè)，分別于1997年和2009年投產(chǎn)運(yùn)行。污水處理工藝采用AB兩段活性污泥法，工程建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且氮、磷不做處理。目前污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)不能滿(mǎn)足國(guó)家要求，需對(duì)其進(jìn)行提標(biāo)改造，由于資金問(wèn)題等污水處理廠(chǎng)提標(biāo)工程計(jì)劃分三期逐步實(shí)施。
污水處理廠(chǎng)現(xiàn)狀
根據(jù)多年運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)除氮、磷外，CODCr、BOD5、SS等均達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
原污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模共40萬(wàn)m3/d，污水處理工藝為AB兩段活性污泥法，污水處理工藝流程如圖所示。
污泥處理采用機(jī)械濃縮、一級(jí)中溫消化、機(jī)械脫水方案，沼氣用于沼氣發(fā)電機(jī)及燃?xì)忮仩t，通過(guò)沼氣儲(chǔ)柜調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣量后，多余沼氣自動(dòng)點(diǎn)燃沼氣火炬在大氣中燃燒，污泥處理工藝流程如圖所示。
污水處理廠(chǎng)以下存在問(wèn)題。
（1）污水處理廠(chǎng)由外資公司特許經(jīng)營(yíng)，經(jīng)營(yíng)年限為23年，經(jīng)營(yíng)期至2028年；外資公司經(jīng)營(yíng)期內(nèi)污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)考核指標(biāo)不作改變。因此，提標(biāo)工程的實(shí)施不能在原廠(chǎng)進(jìn)行，且不能影響原廠(chǎng)的正常運(yùn)行。
（2）污水處理廠(chǎng)采用AB法，對(duì)CODCr、BOD5去除效果較好，對(duì)TN幾乎沒(méi)有去除效果；其出水C/N值小，可生化性較差，碳源嚴(yán)重不足。為確保提標(biāo)工程出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需投加大量碳源使反硝化脫氮正常進(jìn)行；合理選擇碳源，降低運(yùn)行成本是本次提標(biāo)工程的重點(diǎn)。
提標(biāo)工程設(shè)計(jì)方案
為了便于整體協(xié)調(diào)、操作及管理，節(jié)省投資，提標(biāo)工程廠(chǎng)址確定在污水處理廠(chǎng)北側(cè)，和現(xiàn)狀污水廠(chǎng)毗鄰相建。
進(jìn)出水質(zhì)
提標(biāo)工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)結(jié)合現(xiàn)狀污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)出水水質(zhì)取值；出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，取值如表所示。
碳源選擇
本工程需投加大量碳源使反硝化脫氮正常進(jìn)行，可保證出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。因此，外加碳源選擇時(shí)需考慮經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)兼顧安全性。本工程選擇甲醇作為碳源具有運(yùn)行成本較低的特點(diǎn)，但甲醇遇熱源和明火有燃燒和爆炸的危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)采取甲醇儲(chǔ)罐埋地、甲醇投加間及甲醇儲(chǔ)罐設(shè)置甲醇泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，甲醇系統(tǒng)距周邊建筑物距離滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求等措施，確保甲醇系統(tǒng)安全運(yùn)行。
工藝方案
針對(duì)烏市地處高緯度寒冷干旱地區(qū)的特點(diǎn)和污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求，本工程工藝方案不但具有占地省，投資小，經(jīng)濟(jì)、安全可靠的特點(diǎn)，而且該工藝在冬季低溫環(huán)境下依然有較好的處理能力，能夠保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)穩(wěn)定。選擇“兩級(jí)曝氣生物濾池+高密度沉淀池”工藝，污水及污泥處理工藝流程如圖所示。
兩級(jí)曝氣生物濾池設(shè)置主要目的是去除NH4-N和TN，是一種高效的上流式生物膜污水處理工藝。兩級(jí)曝氣生物濾池包括硝化生物濾池及反硝化生物濾池。硝化生物濾池設(shè)置在前端，當(dāng)污水通過(guò)濾床時(shí)，氨氮被硝化菌氧化成硝酸鹽；反硝化生物濾池設(shè)置在后端，當(dāng)污水通過(guò)濾床時(shí)，硝酸鹽被還原成N2。
混凝池、絮凝池與高密池沉淀池合建，設(shè)置在高密度沉淀池前端。在混凝池、絮凝池分別投加混凝劑及絮凝劑，可加快混合及絮凝的速度；經(jīng)過(guò)反應(yīng)后的污水從高密池斜板底部流入，并向上流動(dòng)，沉淀池出水在頂部翻過(guò)收水堰至集水槽出水。
提標(biāo)工程方案優(yōu)點(diǎn)：核心工藝采用兩級(jí)曝氣生物濾池具有占地小、運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥量小、可處理低污染負(fù)荷水質(zhì)、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、耐低溫、易掛膜、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。同時(shí)，兩級(jí)曝氣生物濾池結(jié)合高密池設(shè)置在二級(jí)處理系統(tǒng)后作為深度處理單元實(shí)施時(shí)不影響現(xiàn)狀污水處理廠(chǎng)正常運(yùn)行，且可以高效去除污水中NH4-N、TN、TP和SS。
主要建、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)
（1）兩級(jí)曝氣生物濾池
前置硝化濾池共16格，單格面積為173 m2，濾料粒徑為4.0 mm，濾料層厚度為3.5 m，平均濾速為3.7 m/h，峰值強(qiáng)制濾速為4.5 m/h，氨氮負(fù)荷為0.9 (kg·d)/m3；后置反硝化濾池8格，濾料濾徑為4.5 mm，濾料層厚度為3.5 m，平均濾速為5.1 m/h，峰值強(qiáng)制濾速為8.1 m/h，濾料硝酸鹽負(fù)荷為1.29 (kg·d)/m3。
（2）高密度沉淀池
高密度沉淀池共8座，每座高密度沉淀池前端各設(shè)置一座混凝池和絮凝池。單座混凝池容積為36 m3，單座絮凝池容積為252 m3，單座高密池直徑φ=13 m，斜管長(zhǎng)度為1.04 m，斜管安裝角度為60°，斜板投影面積為128 m2，沉淀區(qū)水力負(fù)荷為8.2~11.5 m/h。
PAC和PAM制備及投加系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置在加藥間，藥劑通過(guò)投藥泵投加至混凝池及絮凝池，濃度10%PAC投加量為1.2kg/m3，PAM投加量為0.6~1.2 mg/L，制備濃度2 g/L。
（3）甲醇投加系統(tǒng)
甲醇儲(chǔ)存系統(tǒng)：設(shè)置2個(gè)90 m3甲醇儲(chǔ)罐，可儲(chǔ)存6 d用量，甲醇儲(chǔ)罐設(shè)置在全地埋鋼筋混凝土池內(nèi)，池中填砂，池內(nèi)設(shè)集水井并配置液位監(jiān)測(cè)儀，可監(jiān)測(cè)甲醇儲(chǔ)罐泄漏。
甲醇投加系統(tǒng)：投加間設(shè)在地上，設(shè)置4臺(tái)計(jì)量泵，單臺(tái)投加量為659 L/h，房間內(nèi)易泄露甲醇的部位設(shè)置甲醇檢測(cè)報(bào)警器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)泄漏情況，當(dāng)甲醇蒸汽在空氣中的濃度達(dá)到其爆炸下限的2.0%~2.5%時(shí)（即濃度為1.5%），便發(fā)出聲光信號(hào)報(bào)警，以提示運(yùn)維人員盡快進(jìn)行排險(xiǎn)處理。
（4）污泥系統(tǒng)
為減少泥渣對(duì)外排放，減少環(huán)境污染，將高密池排放的濃縮排泥水，通過(guò)離心脫水機(jī)分離為泥餅及濾液，泥餅外運(yùn)填埋，濾液可排放至廢水排放系統(tǒng)，通過(guò)提升泵回流至本廠(chǎng)進(jìn)水。本工程配置3套脫水機(jī)，2用1備，單臺(tái)處理量為30~40 m3/h。
運(yùn)行效果
提標(biāo)工程于2015年年底完成，現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行6年，其出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且個(gè)別污染物指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
兩級(jí)曝氣生物濾池結(jié)合高密池工藝對(duì)污水中NH4-N、TN及TP去除效果顯著，去除率如下：NH4-N≥92%，TN≥75%，TP≥85%。
此外，烏市寒冷干燥，溫度變化大，水溫變化對(duì)CODCr的去除影響顯著。夏季水溫較高，污泥活性好，CODCr的去除效果好，出水濃度穩(wěn)定在10~12 mg/L；但在冬季水溫下降后，出水CODCr濃度上升至20 mg/L左右。這是由于冬季生物活性下降，對(duì)難降解污染物的處理效果變差。
結(jié)論
提標(biāo)工程在現(xiàn)狀污水處理廠(chǎng)后端增加“兩級(jí)曝氣生物濾池+高密度沉淀池”，采用兩級(jí)曝氣生物濾池具有占地小、運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥量小、可處理低污染負(fù)荷水質(zhì)、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、耐低溫、易掛膜、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。同時(shí)，兩級(jí)曝氣生物濾池結(jié)合高密池設(shè)置在二級(jí)處理系統(tǒng)后作為深度處理單元實(shí)施時(shí)不影響現(xiàn)狀污水處理廠(chǎng)正常運(yùn)行，且可以高效去除污水中NH4-N、TN、TP和SS。
該工藝可以有效應(yīng)對(duì)烏市地處高緯度寒冷干旱地區(qū)的特點(diǎn)，在冬季低溫環(huán)境下依然有較好的處理能力，能夠保障出水水質(zhì)穩(wěn)定且達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求，為低溫低碳條件下污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造工程提供了借鑒。
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