在廣東省環(huán)境保護廳《南粵水更清行動(dòng)計劃(2017-2020年)》的背景下,南方某城鎮污水處理廠(chǎng)亟需擴建及提標改造。該污水廠(chǎng)現狀預留用地有限,因此,需考慮節省占地的污水處理工藝,如多段AO、曝氣生物濾池、移動(dòng)床生物膜反應器(MBBR)及膜生物反應器(MBR)工藝。本工程經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比選,采用MBBR及MBR組合工藝,在有限的用地中同時(shí)實(shí)現污水處理廠(chǎng)的擴建及提標改造。

01 污水處理廠(chǎng)現狀及設計難點(diǎn)

1.1 污水處理廠(chǎng)現狀

污水廠(chǎng)現狀規模為1.5萬(wàn)m³/d,二級處理采用AAO生物池+二沉池,深度處理為砂濾池,消毒采用紫外線(xiàn),出水排放標準執行廣東省地方標準《水污染物排放限值》(DB 44/26-2001)第二時(shí)段一級標準和國家標準《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級B標準中的較嚴值。具體設計進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

1.2 設計難點(diǎn)分析

污水廠(chǎng)總規模為4.5萬(wàn)m³/d,一期已建設1.5萬(wàn)m³/d,因此,本次工程需擴建3萬(wàn)m³/d的污水處理設施。同時(shí),設計出水水質(zhì)需執行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中V類(lèi)水標準(TN除外)。原規劃中該污水廠(chǎng)的總規模為3萬(wàn)m3/d,廠(chǎng)內預留用地僅按1.5萬(wàn)m³/d的污水規模預留。因此,本工程的主要設計難點(diǎn)為需在有限的用地中同時(shí)完成擴建以及提標。02污水處理廠(chǎng)設計進(jìn)出水水質(zhì)通過(guò)對該廠(chǎng)一期實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行數理統計分析綜合確定本次擴建及提標改造設計進(jìn)水水質(zhì)。二期設計進(jìn)水水質(zhì)與一期相比,降低了BOD5、CODCr,提高了SS、TN、氨氮,TP維持不變。設計出水水質(zhì)則根據排水水體水質(zhì)目標確定,具體如表2所示。

03 污水處理廠(chǎng)擴建及提標改造設計思路

本次工程進(jìn)出水水質(zhì)較一期工程有較大變化,且需要在有限的用地內同時(shí)完成污水廠(chǎng)擴建及提標。因此,設計思路為：

(1)對一期工程處理能力進(jìn)行校核,推測其在滿(mǎn)負荷且進(jìn)水水質(zhì)達到設計值時(shí)是否能達到設計出水標準,充分挖潛現狀處理能力并利用現狀構筑物進(jìn)行改造升級;

(2)二期新建工程采用占地規模節約的高效處理工藝,新增構筑物盡可能采用組合體的形式布置。

3.1 一期工程提標改造方案

通過(guò)對污水處理廠(chǎng)生物池、二沉池、深度處理段處理能力進(jìn)行理論計算得出如下校核結果。

污水處理廠(chǎng)一期工程在滿(mǎn)負荷及設計進(jìn)出水水質(zhì)的條件下,污泥負荷、供氧量及生物池的厭氧區、缺氧區容積均滿(mǎn)足要求。生物池的好氧區容積偏小,約為理論計算值的70%。SS及TP均能達到設計出水水質(zhì)標準。因此,一期工程在改造上應重點(diǎn)考慮對生物池好氧區的加強,加強對CODCr及BOD5的去除效果。

在進(jìn)水可生化性較好的情況下,對CODCr和BOD5的去除一般采用活性污泥法或生物膜法?；钚晕勰喾ㄓ醒趸瘻?、AAO等工藝,生物膜法則有曝氣生物濾池、接觸氧化池、MBR等工藝。其中應用于深度處理的主要是生物膜法?；诔浞掷矛F狀構筑物的原則,可對一期砂濾池或生物池進(jìn)行改造。提出如下兩種方案：

(1)通過(guò)將砂濾池改造為曝氣生物濾池,進(jìn)一步降低水中的BOD5及CODCr。但一期砂濾池池體總高度僅為4.40 m(排水槽頂端距離濾板高度僅1.75 m),不具備改造的條件,因此,只能對其拆除重建。

(2)將一期生物池改造為MBBR工藝,即通過(guò)在一期好氧區內投加生物填料以提高池內生物量,從而增強處理效率。該方案最大的優(yōu)勢是無(wú)需新增用地,在不停產(chǎn)減產(chǎn)的情況下實(shí)現污水廠(chǎng)的提標。對兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較,結果如表3所示。

根據上述比較,方案二在占地、工程投資及運行費用上均低于方案一,且方案一在建設期需拆除現狀砂濾池,對污水廠(chǎng)運行會(huì )產(chǎn)生影響。綜上,采用MBBR工藝對現狀生物池進(jìn)行原位升級改造,將生物池改為生物膜-活性污泥復合工藝。該方案具有無(wú)需新建反應池、節約占地、易于實(shí)施改造、工期短、活性污泥濃度高、處理效率高、節省曝氣量、增強污泥穩定性、降低運行費用和基建投資等優(yōu)點(diǎn),目前,已在國內多個(gè)污水廠(chǎng)的改造和新建項目上采用并取得了較好的效果。

3.2 二期擴建工程方案

在污水廠(chǎng)實(shí)際出水水質(zhì)保證率為95%的條件下,CODCr質(zhì)量濃度為38 mg/L,SS質(zhì)量濃度為18 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度為2.80 mg/L,TN質(zhì)量濃度為16.32 mg/L,TP質(zhì)量濃度為0.46 mg/L,對比二期設計出水水質(zhì)及現狀實(shí)際出水水質(zhì),CODCr、SS、氨氮較易達到出水標準,因此,確定二期提標改造工程的主要目標污染物為T(mén)N(質(zhì)量濃度≤15 mg/L)及TP(質(zhì)量濃度≤0.4 mg/L)。

TN的去除通常采用生物處理,TP則可通過(guò)生物處理輔以化學(xué)處理去除。擴建工程需在1.5萬(wàn)m³/d的污水規模預留用地上建設3萬(wàn)m³/d的污水處理設施,且出水水質(zhì)需達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中V類(lèi)標準(TN除外),傳統生物處理(含二沉池)+深度處理工藝占地較大,難以滿(mǎn)足擴建需求,因此,選擇高效澄清池+生物濾池(前置反硝化濾池+硝化濾池+后置反硝化濾池)工藝及AAO+MBR工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較,結果如表4所示。

根據上述比較,方案二雖然直接運行費用略高,但占地及工程投資均小于方案一,且MBR工藝對出水SS更有保障。此外,廠(chǎng)內二期預留用地僅為6368 m²,若采用方案一,則無(wú)多余用地建設預處理、碳源加藥間等生產(chǎn)構筑物,因此,采用方案二(AAO+MBR)作為擴建工程的污水處理工藝。該工藝流程短,處理效率高,節約用地的同時(shí)出水水質(zhì)優(yōu)于傳統深度處理,部分指標達到地表水Ⅳ類(lèi),可直接回用。同時(shí),膜池較高的混合液回流比可提高生物池污泥濃度,延長(cháng)污泥齡,提高處理效率的同時(shí)減少剩余污泥排放。

3.3 工藝流程

污水經(jīng)粗格柵及提升泵房提升后,通過(guò)配水井分配至一期與二期進(jìn)行處理,工藝流程如圖1所示。

3.4 平面布置及豎向設計

污水廠(chǎng)平面布置如圖2所示。二期預處理組合池、AAO+MBR組合池及碳源投加間位于廠(chǎng)區北側預留空地上,污泥濃縮池、貯泥池及脫水車(chē)間布置于一期砂濾池及機修間北側,二期紫外消毒渠位于一期紫外消毒渠北側預留用地。

污水廠(chǎng)豎向設計如圖3所示。廠(chǎng)坪標高為2.30 m,污水廠(chǎng)進(jìn)水通過(guò)泵房提升至總配水井,水位標高為6.90 m,尾水經(jīng)紫外消毒后水面標高為2.40 m,在受納水體為常水位時(shí)自流排放,為洪水位的時(shí)候通過(guò)泵提升排放。

04 主要構筑物設計參數

4.1 總配水井

采用管道配水的方式難以將進(jìn)廠(chǎng)污水按設計規模均勻分配至一期、二期生產(chǎn)線(xiàn),因此,新建總配水一座,均勻分配污水處理廠(chǎng)污水。設計流量Q=2550 m3/h,總體尺寸L×B=5.50 m×4.00 m,高度H=5.20 m,分兩格,一期、二期各用一格。

4.2 細格柵、旋流沉砂池及膜格柵

為充分節約用地,將3座構筑物采用組合池的形式布置,各構筑物具體設計如下。

(1)細格柵

污水廠(chǎng)現狀一期工程采用回轉式細格柵,運行效果良好,因此,為方便運營(yíng)管理,本期工程延用同類(lèi)型細格柵,設計流量Q=1700 m3/h,設置2道格柵流槽,渠寬為1.50 m,柵條間隙為3 mm。

(2)旋流沉砂池

常用的沉砂池形式有曝氣沉砂池和旋流沉砂池,前者可通過(guò)調節曝氣量控制污水在池內的旋流速度,因而處理效果更加穩定。但曝氣會(huì )去除部分有機物減少碳源,因此,當進(jìn)水碳源缺乏且采用生物脫氮除磷工藝時(shí),盡量避免采用曝氣沉砂池。旋流沉砂池則具有占地面積小,處理效率高的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到污水廠(chǎng)實(shí)際進(jìn)水碳氮比較低且用地緊張,二期工程采用旋流沉砂池,設計流量Q=1700 m3/h,水力停留時(shí)間為80.5 s。在水力停留時(shí)間的選取方面,規范要求大于30 s即可,而污水廠(chǎng)一期現狀沉砂池在高峰流量時(shí),除砂效果較差,反算此時(shí)的停留時(shí)間為30.3 s。根據現狀運行人員反饋,當停留時(shí)間大于1 min時(shí),除砂效果較好。

(3)膜格柵

為進(jìn)一步保護后序膜處理單元,需在旋流沉砂池后設置一道超細格柵以進(jìn)一步降低污水中SS的含量,降低細小纖維狀物質(zhì)對膜的破壞風(fēng)險。本工程采用內徑流孔板格柵,設計流量Q=1700 m³/h,設置3道格柵流槽,渠寬為1.60 m,柵條間隙為1 mm。

4.3 AAO+MBR生物池

該構筑物是污水處理廠(chǎng)的核心處理構筑物,采用組合池的形式布置,主要設計參數結合規范、設計經(jīng)驗及廠(chǎng)家設備性能綜合確定,具體如表5所示。

污水廠(chǎng)進(jìn)水碳氮比(2.38∶1.00)較低,為了盡量減少碳源的消耗,保證脫氮效果,設計在滿(mǎn)足規范要求的情況下適當縮短了厭氧區的停留時(shí)間。根據MBR工藝特點(diǎn),適度增加反應池內污泥濃度,減少好氧區容積,以節約投資和占地。

4.4 MBBR生物池(一期生物池改建)

出水水質(zhì)標準提高后,一期生物池好氧段池容不足,因此,考慮向好氧區投加生物填料,將一期生物池改造為MBBR生物池。填料設計投加量為2.2097×105 m3,規格為Φ25 mm×10 mm,比表面積≥800 m2/m3,材質(zhì)為高密度聚乙烯(HDPE)。為保證填料在池內正常的流態(tài)化,需在好氧區增設輔助穿孔曝氣管,輔助曝氣量為20 m3/min。同時(shí),為避免填料隨水流流失需在好氧區進(jìn)出口增設進(jìn)出水攔截篩網(wǎng)。

4.5 紫外消毒渠

一期已建1座(1.5萬(wàn)m3/d)紫外消毒池,本期由于出水標準提高,需更換紫外燈組,同時(shí)新建一座紫外消毒池(規模為3.0萬(wàn)m3/d)。根據規范提供的參考值,當污水廠(chǎng)尾水為再生水時(shí),紫外線(xiàn)劑量應為24～30 mJ/cm2。通過(guò)對一期土建進(jìn)行復核,可將消毒渠二次澆注部分由720 mm擴寬至1000 mm,消毒模架由之前的8個(gè)增加至10個(gè),配置紫外線(xiàn)燈管數量由之前的64只提高到88只,則紫外線(xiàn)劑量由之前的20.2 mJ/cm2提高到26.4 mJ/cm2,滿(mǎn)足規范要求。二期新建紫外消毒渠土建尺寸與一期一致,共設21個(gè)紫外消毒模塊,每個(gè)模塊含紫外線(xiàn)殺菌燈數8支,紫外線(xiàn)劑量滿(mǎn)足規范要求。

4.6 泥處理設施

本工程設計絕干泥量為6.28 t/d,其中剩余污泥為5.93 t/d,化學(xué)污泥為0.35 t/d,設計萬(wàn)噸水產(chǎn)泥量為1.39 t。污泥處理工藝流程為濃縮池+貯泥池+板框壓濾機,設計泥餅含固率為40%。

設計采用2座池徑為10 m的污泥濃縮池,固體負荷為40 kg/(m2·d)。

本工程在污泥濃縮池及污泥脫水車(chē)間之間設置2座貯泥池以平衡污水廠(chǎng)排泥的不均勻性,單座平面尺寸為4 m×4 m,有效水深為3.5 m,總有效容積為112 m3,可存放壓濾機1～2個(gè)批次的泥量。

脫水機房面積為282.95 m2,安裝兩臺過(guò)濾面積為250 m2的板框式壓濾機,總功率N=10.3 kW,單臺設備處理能力為每批次0.6～1 t。壓濾機1 d運行4個(gè)批次,每個(gè)批次4 h,單臺工作時(shí)間為16 h,兩臺同時(shí)使用。污泥調理采用生石灰+三氯化鐵組合方式進(jìn)行調理。生石灰投加量按每噸干污泥100 kg考慮,三氯化鐵溶液(有效含量為10%)投加量按每噸干污泥50 kg考慮。

4.7 除臭設施

除臭設施采用離子除臭工藝,共設3套除臭設備。其中,1號除臭設備對二期細格柵及沉砂池、膜格柵及二期厭氧進(jìn)行除臭,除臭風(fēng)量Q=5000 m3/h,功率N=10.2 kW;2號除臭設備對一期細格柵及沉砂池、一期粗格柵及進(jìn)水泵房、一期厭氧池及二期總配水井進(jìn)行除臭,除臭風(fēng)量Q=8000 m3/h,功率N=14.55 kW;3號除臭設備對二期污泥濃縮池、貯泥池、污泥脫水車(chē)間進(jìn)行除臭,除臭風(fēng)量Q=12000 m3/h,功率N=16.9 kW。處理后的臭氣經(jīng)排放管排放至15 m高空。

05 效果分析

5.1 用地指標分析

污水廠(chǎng)噸水占地面積為0.66 m2,根據最新出版的《城市污水處理工程項目建設標準》(建標 198-2022)中的相關(guān)要求,規模在5萬(wàn)m3/d以下的污水處理廠(chǎng),二級處理+深度處理用地指標不應超過(guò)1.55 m2/(m3·d-1),本污水廠(chǎng)用地面積較標準要求節約57.4%,實(shí)現了土地利用率的大幅度提高。

5.2 運行效果分析

(1)水質(zhì)分析

污水廠(chǎng)自2020年運行以來(lái)平均處理水量為37221萬(wàn)m³/d,保證率為95%時(shí)處理水量為40411萬(wàn)m³/d,水量負荷率為89.8%,實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表6所示。

污水廠(chǎng)在水量水質(zhì)基本達到設計值的情況下,出水水質(zhì)可穩定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中V類(lèi)標準(TN除外),部分出水水質(zhì)指標達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中Ⅳ類(lèi)標準,當MBR工藝在膜通量為19.84 L/(m2·h)時(shí)運行較為穩定。

為了檢驗一期生物池改造為MBBR工藝后的運行效果,對其改造前后實(shí)際進(jìn)出水中BOD5及TN進(jìn)行分析,結果如表7所示。

一期工程改造完成后,在95%保證率的情況下,BOD5的去除率由71.02%提升至92.24%,TN的去除率由16.60%提升至57.23%。分析認為通過(guò)在好氧區投加生物填料一方面提高了活性污泥的濃度,另一方面填料表面附著(zhù)生長(cháng)的生物膜具有較長(cháng)的污泥齡,有利于世代時(shí)間較長(cháng)的硝化菌生長(cháng)繁殖,因此,BOD5和TN的去除率均有提升。

(2)電耗、藥耗分析

污水廠(chǎng)電費為0.275元/m³(噸水電耗為0.43 kW·h),藥劑費為0.0885元/m³(主要使用藥劑聚合硫酸鐵、乙酸鈉、生石灰、三氯化鐵、次氯酸鈉及檸檬酸)。

(3)產(chǎn)泥量分析

污水廠(chǎng)一期改造后工藝為MBBR生物池+二沉池+砂濾池,萬(wàn)噸水產(chǎn)泥量為1.09 t;二期工程新建工藝為AAO+MBR膜工藝,萬(wàn)噸水產(chǎn)泥量為0.64 t,約為前者的58.7%。因此,MBR膜工藝較MBBR工藝更能有效減少剩余污泥排放量。

06 結論與建議

(1)在不改變生物池土建主體結構的前提下,通過(guò)在好氧區投加生物填料將AAO生物池改造為MBBR生物池,進(jìn)一步提高對BOD5的去除,出水水質(zhì)全面提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中V類(lèi)標準(TN除外)。目前,工藝運行良好,出水水質(zhì)穩定達標。

(2)本工程在預留用地極其有限的條件下,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比選后采用MBBR工藝以及MBR工藝對污水處理廠(chǎng)進(jìn)行提標及擴建,同時(shí)新建預處理及生物處理構筑物均采用組合池的形式布置,噸水占地面積為0.66 m²,較最新標準要求用地節約57.4%,大幅提高土地利用率。

(3)MBR膜工藝較MBBR工藝更能有效減少剩余污泥排放量,前者排放的剩余污泥量約為后者的58.7%。當MBR工藝在膜通量為19.84 L/(m2·h)時(shí),出水水質(zhì)穩定,可為同類(lèi)型污水處理廠(chǎng)的設計改造提供參考與借鑒。

(4)二期設計中將旋流沉砂池水力停留時(shí)間延長(cháng)至80.5 s,實(shí)際運行中除砂效果較穩定,建議水量波動(dòng)較大的污水廠(chǎng)選用該池型時(shí),停留時(shí)間至少大于1 min。

(5)目前進(jìn)水濃度尚未完全達到設計值,尤其是BOD5及SS,因此,產(chǎn)泥量較低。待后期服務(wù)范圍內管網(wǎng)完善,進(jìn)水濃度進(jìn)一步提高后,需重點(diǎn)關(guān)注沉砂池的運行效果,合理優(yōu)化深度處理的加藥量,降低泥處理費用。