西北某高浓度城市污水处理厂SBR工艺提标改造设计
序批式间歇活性污泥(SBR)工艺具有占地省、运行方便灵活等优点,但存在脱氮除磷效率不高、沉淀阶段直接出水水质不稳定等问题,无法满足高排放标准。随着国家城市水环境提升、黄河流域高质量发展等行动计划的加速,污水处理厂出水需要由一级B提标至一级A或更高标准排放,SBR工艺的污水处理厂均面临提标改造。AAO工艺可较大限度地挖掘生物脱氮除磷的潜力,同时,预处理增加初沉池、深度处理采用微絮凝过滤可有效保障出水水质达标排放。本文以西北某污水处理厂提标改造为例,在实际进水水质浓度超出原设计水质浓度较多、预留用地受限、冬季低水温的条件下,介绍SBR工艺污水处理厂提标改造方案,并对提标改造后运行效果进行分析,为该类型的污水处理厂提标改造提供参考。
01 工程概况
1.1 污水厂处理现状
西北某污水处理厂主要承担该市东部区域污水集中处理任务,设计规模为5.0×104m3/d,实际进水为4.0×104～5.0×104m3/d,生物处理采用SBR工艺,设计出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准。
工艺流程为进水→粗格栅→提升泵房→细格栅→旋流沉砂池→SBR池→紫外线消毒→外排,尾水自流排入渭河。
1.2 实际进出水水质
近几年实际进水水温为10.2～25.3 ℃。
1.3 现状存在问题
进水水质浓度远超出原设计进水水质浓度；出水CODCr、BOD5大部分时段已经达到一级B,局部时段超标；SS、TN、氨氮、TP不能稳定达到一级B标准；出水消毒采用紫外线消毒,粪大肠菌群数经常不达标。
02 提标改造工艺
2.1进出水水质确定
结合当地正在分阶段实行雨污分流改造、污染源排查等项目,并考虑当下污水处理厂运行情况,提标改造工程进水按照现状进水水质85%的保障率进行统计,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。主要进出水水质如表2所示。
2.2 提标改造思路及措施
2.2.1 提标改造整体思路
本厂实际进水水质浓度远高于原设计指标,在提标改造中需结合实际水质、污水处理厂现有设施及用地,改造方案必须全厂工艺整体协同,分段改造、节约投资、节省用地。
进水中SS浓度过高,其中大部分为无机物,增加预处理措施对SS进行沉淀分离,以减轻后续生物处理的负荷,并防止无机SS对生物处理系统的不利影响。预处理系统改造在粗格栅+细格栅+旋流沉砂池基础上增加初沉池。辐流式沉淀池较其他类型沉淀池具有沉淀效果好、排泥顺畅、设备数量少、运行稳定可靠等优点,在国内实际应用案例较多,因此,预处理系统改造增设辐流式初沉池。
实际运行中进水在CODCr较高的情况下,大部分时间内出水CODCr能达到一级B标准,甚至更低,证明进水可生化性较,可通过生物处理去除大部分CODCr、BOD5、TN、氨氮等污染物。提标改造有两种思路,一是现状SBR池进行减量并按需扩建SBR池;二是改造现有SBR工艺为AAO工艺。本厂实际运行中SBR工艺脱氮除磷效率不高,间歇运行排水方式导致出水水质波动大,排空比水头损失大、浪费能耗,不符合低碳节能政策,推荐改造为功能分区独立、运行成本低、出水水质稳定、设备利用率高的AAO工艺,但需对现有的生物池池容进行复核。
增加深度处理设施,进一步去除SS;在生物除磷的基础上,辅助化学除磷措施,保证出水TP达标排放。考虑到后续预留再生水回用,生物学指标通过加氯消毒方式去除,同时保证尾水中余氯含量。常见的污水深度处理工艺为微絮凝过滤或者混凝+沉淀+过滤的组合工艺。微絮凝过滤在原水中投加少量混凝剂后,经过混合设备快速混合后入过滤池单元,徽絮体尺寸小,惯性也小,增加同滤料表面的接触机会,形成与滤料的全表面附着,提高了滤料的纳污能力,该工艺具有适用面广、处理费用低、安全实用特点。混凝+沉淀+过滤的组合工艺增加了沉淀单元,即通过混凝沉淀进一步去除二级生化处理系统未能去除的胶体物质和有机污染物,确保过滤效果,因而出水水质更优。采用将SBR池改造为AAO工艺,生物池出水经过二沉池后SS较低(≤20 mg/L)且稳定,厂区预留面积有限,深度处理可采用用地省、投资小的微絮凝过滤工艺,典型工艺为管式混合器+均质滤料滤池。污水处理厂改造后平面布置如图2所示。
污水处理厂提标改造工艺流程为：进水→粗格栅→提升泵房→细格栅→旋流沉砂池→辐流式初沉池→AAO生物池→周进周出二沉池→管式混合器→均质滤料滤池→消毒外排,尾水自流排入渭河。
2.2.2 二级处理能力复核
预处理采用初沉池去除部分污染物,其中CODCr的去除率取值为25%,BOD5的去除率取值为20%,SS的去除率取值为50%,TN、氨氮的去除率取值为3%,TP的去除率取值为5%,实际运行中初沉池对各污染物去除率如表3所示。据此确定生物池进水水质如下：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、好氧池容积按照《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)中的厌氧/缺氧/好氧法进行核算。污泥质量浓度按4 000 mg/L,温度冬季按照10 ℃,夏季按照25 ℃,计算最不利情况下缺氧池容积为18 031 m3,好氧池容积为30 091 m3；厌氧区停留时间取1.5 h,容积为3 437.5 m3；生物池总容积为51 559.5 m3。污泥质量浓度按4 500 mg/L,温度冬季按照10 ℃,夏季按照25 ℃计算,最不利情况下缺氧池容积为16 027 m3,好氧池容积为26 748 m3；厌氧区停留时间取1.8 h,容积为3 409.1 m3；生物池总容积为46 184.1 m3。
污水处理厂内现状SBR池1座共4格,总深度为6 m,原设计有效水深为5 m,超高为1 m,尺寸为62.3 m×35.0 m×5.0 m,总有效容积为43 750 m3。现状SBR池有效池容不足,须增加现状生物池的有效水深,充分利用超高。对原厂的竖向流程进一步精细计算,生物池有效水深增加0.5 m时前端无需再次提升。
2.3 提标改造工艺设计
2.3.1 预处理系统改造
在生物池前新增2座直径φ=24 m的幅流式初沉池,最大表面水力负荷为3.2 m3/(m2·h),沉淀时间为1.18 h,出水堰负荷为2.55 L/(m·s),采用周边传动半桥式刮泥机。在初沉池进水管上设置超越管,当SS较低时,可超越初沉池运行,原水中的碳源可直接进入生物池,提高碳源利用率。
2.3.2 二级处理改造
(1)生物池
本次提标改造将SBR工艺改造为AAO工艺,设置厌氧、好氧、缺氧各功能区,控制生物池污泥浓度为4 500 mg/L,设置混合液回流系统；对工艺流程进一步挖潜,将现有生物池有效水深增加至5.5 m,增加生物池有效容积,保证足够的水力停留时间,同时在生物池后增加泥水分离设施(二沉池)。
现状SBR池布置如图3所示,改造后生物池布置如图4所示。
图3 现状SBR池平面布置
采用隔墙对现状厌氧区进行分隔,减少其停留时间,将分隔出富裕容积调整为缺氧区,SBR主反应区采用隔墙分隔为缺氧区和好氧区,改造过程中充分利用池体现有结构,减少对池体结构的改动。
厌氧区增加搅拌器,每个系列增加6台,单台功率为2.0 kW；缺氧区增加推流器,每个系列增加4台,单台功率为5.5 kW；拆除池内原有的曝气系统,在好氧区重新布置曝气系统,池底采用直径φ=200 mm微孔曝气盘,材质为三元乙丙橡胶(EPDM),曝气管道采用S304不锈钢管；好氧区末端设回流泵将混合液回流至缺氧区,回流比为150%～300%,每个系列设置2台,单台参数：流量为1 530 m3/h,高度为0.6 m,功率为5.5 kW,均变频。改造后厌氧区停留时间为1.8 h,缺氧区停留时间为8.47 h,好氧区停留时间为14.12 h；污泥质量浓度为4 500 mg/L,BOD5污泥负荷为0.063 kg BOD5/(kg MLSS·s),污泥龄为12.9 d,污泥产率系数为0.37 kg VSS/(kg BOD5),污泥回流比为100%。
好氧区导流墙的设置结合原状空气主管的布置,充分利用原空气主管,以减少单池改造时间、节约投资。在每序列缺氧区设置碳源投加点,可根据水质情况灵活开启,确保反硝化脱氮效果。
(2)泥水分离
泥水分离采用周进周出沉淀池,新增2座直径φ=42 m的沉淀池,最大表面水力负荷为1.04 m3/(m2·h),沉淀时间为4.0 h,出水堰负荷为2.53 L/(m·s),采用单管吸泥机。
2.3.3 深度处理设施
深度处理采用微絮凝过滤工艺。滤池采用均质滤料滤池,共分为8格,单格平面尺寸为8.2 m×7.0 m,单格过滤面积为57.4 m2,池体高度为4.55 m,峰值滤速为7.33 m/h,强制滤速为8.38 m/h。滤料采用均质石英砂,有效粒径为0.95～1.15 mm,滤床厚度为1.2 m,采用长柄滤头配水系统。
反冲洗间与滤池合建,平面尺寸为27.1 m×8.4 m,层高为8.0 m,在反冲洗间内设出水水质分析仪表间与值班间。反冲洗采用气水联合反冲洗和表面扫洗辅助系统,单独气冲强度为15 L/(m2·s),历时2 min;气水联合冲洗时,气冲强度为15 L/(m2·s),水冲强度为3 L/(m2·s),历时4 min;单独水冲强度为6 L/(m2·s),历时8 min;表面扫洗强度为2 L/(m2·s),伴随反冲洗整个过程;滤池反冲洗周期为12～16 h。
2.3.4 加药及鼓风系统设施
(1)加药系统
全厂投加聚合氯化铝(PAC)辅助化学除磷,共设两个投加点,在生物池出水堰后设第一投加点,实现同步除磷,并可提高活性污泥的沉降性能,投加量为20 mg/L,投加浓度为10%;在滤池总进水管管式混合器上设第二投加点,投加量为20～30 mg/L,投加浓度为10%。辅助投加聚丙烯酰胺(PAM),投加量为1 mg/L,投加浓度为0.3%。PAC投加点可根据实际的水质状况、运行效果及药剂费用,灵活单独使用或共同使用。预处理系统在进水SS较高时,在沉砂池出水堰后投加PAC,保障初沉池的沉淀效果,投加量为10 mg/L,投加浓度为10%。
碳源采用成品醋酸钠,浓度为20%,分两处投加：在生物池缺氧区设置一处,最大投加量为135 mg/L；在滤池进水渠道设置一处,最大投加量为10 mg/L。
PAC和醋酸钠投加均采用隔膜计量泵,变频；PAM投加采用螺杆计量泵,变频。新建加药间一座,将PAC、PAM、醋酸钠投加系统合建,平面尺寸为28.6 m×9.9 m,层高为6.6 m。
(2)鼓风系统
原厂内曝气鼓风机为罗茨鼓风机,噪音大、能耗高,风量和风压已不能满足改造后生物池的要求。本次将其更换为高效、节能、低噪音的磁悬浮离心鼓风机,根据进出水水质重新核算生物池曝气量,最大气水比为7.33∶1,单组生物池曝气量为4 200 m3/h。现状进水量已趋于满负荷,因此,鼓风机设置3台,2用1备,均变频。鼓风机房利用现状鼓风机房。
2.3.5 消毒设施
原厂消毒为紫外线消毒,受进水水质波动大的影响,SBR池出水水质不稳定,尤其SS出水指标不稳定,导致紫外线灯管透光率差,实际运行消毒效果差且运行费高。本次设计采用消毒效果好、运行成本较低的液氯消毒,液氯投加点在接触消毒池,最大投加量为8 mg/L,新建加氯间一座,平面尺寸为22.8 m×9.0 m,层高为6.0 m。
消毒池接触时间按照30 min进行设计,平面尺寸为59.3 m×7.9 m,池深为4.2 m,出水计量设置1.80 m宽的巴氏计量槽一套。同时为了便于就近监测出水水质,及时上传监测数据,在接触池上新建在线监测用房两间,一间用于环保部门安装监测设备,一间厂区自用监测出水水质。
2.3.6 原厂流程核算及挖潜
工艺改造中预处理增加初沉池,为了节能降耗,减少提升泵的设置,对现状工艺流程进行了重新核算后,将细格栅出水堰提高,同时减小堰后水头,保证堰后出水能够自流至初沉池、生物池。出厂尾水为充分利用现有尾水外排系统,在二沉池后设置中间提升泵房。
2.3.7 供电系统改造
现状有10/0.4 kV变配电室一座(MCC1),含高压配电室、低压配电室、柴油发电室、值班室。为充分利用现有设施,节约投资,电气系统保留原10/0.4 kV变配电室及原有10 kV高压系统、0.4 kV低压系统(对部分低压柜进行改造),保留原有1 000 kVA-10/0.4 kV变压器,其配电及控制范围为原有建(构)筑物用电设备、新增初沉池、初沉池污泥泵井、改造后AAO生物池、鼓风机房的用电设备。
根据厂内工艺流程及用电设备的负荷分布与加药间合建10/0.4 kV分变配电室一座(MCC2),给新增建(构)筑物配电,配电及控制范围为加药间、二沉池、二沉池配水井及污泥泵房、中间提升泵房、均质滤料滤池、接触消毒池、反冲洗设备间、废水调节池、加氯间的用电设备。
2.3.8 改造施工顺序
为减少施工期间的运行压力,先行施工初沉池、二沉池、均质滤料滤池、中间提升泵房、接触池等新建(构)筑物,待以上建(构)筑物通过验收后,再分组对生物池进行改造,同时提高现有SBR池内的污泥浓度,必要时在SBR池投加PAC,实现污水处理厂改造期间不停产、不减产,减少施工过程中对环境产生的污染。
03 运行效果及经济分析
实际运行中PAC常年投加量为8～12 mg/L,平均投加量为10 mg/L；PAM仅在1月-2月投加,投加量为1 mg/L。二沉池出水SS质量浓度维持在15～20 mg/L。实际运行中经生物处理后二沉池出水TP很低,深度处理段加药量很少,采用微絮凝工艺未发生滤池板结等现象。
提标改造工程实施后,该污水厂目前已经满负荷运行,出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准,运行效果如表4所示。
该改造工程总投资为6 798.71万元,其中土建费用为2 917.27万元,设备及工器具费用为2 214.30万元,安装费用为943.18万元,改造后的水处理成本为0.81元/m3,实际运行成本为0.42元/m3。
04 结论
(1)污水处理厂提标改造,需充分结合现状设施,对原厂水力流程、水池容积、停留时间等进行核算。从平面及竖向两个方面挖潜,充分利用现有水头及池容,节约能耗及投资。
(2)改造期间应先施工新建建(构)筑物,再分组改造SBR池及现状设施,必要时通过投加药剂、提高污泥浓度等措施,最大限度、因地制宜地采用不停产改造方式。
(3)针对进水CODCr、SS浓度高,且波动大的情况,通过设置初沉池等方式强化预处理,可减小生物处理系统进水水质的波动、减小后续构筑物的处理负荷。
(4)污水处理厂提标改造应针对项目的特点,经过进出水水质和存在问题分析,现有设施可利用程度的论证等技术经济比选后确定。本厂因地制宜将SBR工艺改为AAO工艺,在现有SBR池型内设置隔墙形成厌氧、缺氧、好氧区,强化脱氮除磷能力,且污泥的沉降性能好,二沉池出水SS≤20 mg/L,为后续深度处理采用微絮凝过滤创造良好条件。
(5)当生物处理出水水质指标较好、后续化学除磷加药量不大,用地有限时,采用微絮凝过滤工艺,用地省、投资省、运行费低,适用于污水厂提标改造。通过提标改造后出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。
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