高效沉淀+精密過濾工藝用于污水廠提標(biāo)改造工程

姚 雨，劉 麗，*，尹華升，劉晉陽，劉 軍，吳冀宣，龍燕平

(1.中國葛洲壩集團水務(wù)運營有限公司，湖南長沙 410000；2.湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410000)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水體納污能力嚴重不足，水環(huán)境污染問題形勢嚴峻。近年來，國家加大了對水污染的治理力度，出臺了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)和《水污染防治行動計劃》(水十條)等一系列標(biāo)準和政策，要求重點流域、區(qū)域的城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)滿足一級A標(biāo)準[1]。對于大部分城鎮(zhèn)污水處理廠來說，由于排水體制問題(主要是雨污分流不徹底)，SS和TP是制約大部分城鎮(zhèn)污水處理廠穩(wěn)定達到一級A標(biāo)準的主要因素[2]。絮凝沉淀和過濾工藝技術(shù)成熟可靠，通過投加絮凝劑沉淀(輔助化學(xué)除磷)以及濾網(wǎng)的攔截和篩濾作用，可有效去除污水中的TP、SS[3]。污水廠出水大大降低了污染負荷，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[4]。本提標(biāo)改造項目，通過對一期工程系統(tǒng)改造，解決預(yù)處理段攔渣效果差的問題，并解決一期氧化溝彎道沉泥問題，提高生化脫氮除磷效率；通過增加高效沉淀池+精密過濾器的組合工藝，既提高了高效除磷效果，出水穩(wěn)定達標(biāo)排放，又解決了污水廠占地緊張、征地困難、投資受限的普遍難題，工程實際運行效果良好。本文介紹了一期工程運行存在的問題、工藝流程、主要構(gòu)筑物和設(shè)計參數(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)分析，該工程對類似污水處理項目提標(biāo)改造的工藝選用具有指導(dǎo)意義

1 工程概況

1.1 工程背景

湖南某生活污水處理廠于2009年12月正式運行，規(guī)模為2萬m3/d，設(shè)計排放標(biāo)準為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準，主要處理縣城生活污水，主體工藝為改良型氧化溝工藝。為提高人民的生活環(huán)境，打造生態(tài)經(jīng)濟圈，改善河流水質(zhì)，政府出臺相應(yīng)環(huán)保政策，要求污水處理設(shè)施進行提標(biāo)改造，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準。本次提標(biāo)改造工藝采用“高效沉淀池+精密過濾器+聯(lián)合消毒”的工藝，運行穩(wěn)定，出水達標(biāo)排放，出水水質(zhì)優(yōu)于一級A標(biāo)準，且CDO滿足地方標(biāo)準《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準》(DB43/T 1546—2018)的二級標(biāo)準要求[5]。

1.2 規(guī)模和進出水水質(zhì)

湖南某縣城生活污水處理廠處理規(guī)模為2萬m3/d，高峰時滿足1 241 m3/h的處理能力。污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)老城區(qū)排水體制為合流制，截流倍數(shù)為1.0。旱季運行時，水量為1.7萬～2.0萬m3/d；進水水質(zhì)CODCr、SS、TN、TP分別為140～170、130～150、25～30、2.5～3.5 mg/L。雨季運行時，水量為2.0萬～2.4萬m3/d；進水水質(zhì)CODCr、SS、TN、TP分別為100～140、60～130、15～25、1.5～2.5 mg/L。廠區(qū)運行11年，實際進水水質(zhì)低于原設(shè)計水質(zhì)，一期工程出水水質(zhì)優(yōu)于一級B標(biāo)準。本次提標(biāo)改造后，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準。具體進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 進出水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent

2 改造重點難點及改造方案

2.1 改造重點難點

從污水處理廠實際運行情況來看，污水處理廠的出水水質(zhì)除了TP、SS和大腸桿菌不能達到新標(biāo)準外，其他指標(biāo)基本可以達到一級A標(biāo)準。但目前污水處理廠進水濃度尚未達到設(shè)計值，隨著城市化進程及雨污分流的推進，進水濃度將會在未來慢慢提高，現(xiàn)有運行情況不能保證污水廠未來滿負荷運行。因此，對氧化溝的處理能力進行核算，以推測污水處理廠在滿負荷狀態(tài)下是否能達到一級A標(biāo)準，便于采取有針對性的改造措施。在進水水質(zhì)確定的情況下，決定污水處理廠是否能處理達標(biāo)的主要指標(biāo)為供氧量和生物池容積。在設(shè)計濃度下(進水上限值)，經(jīng)核算氧化溝曝氣機參數(shù)及池容，能滿足提標(biāo)改造的要求。根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)，在沒有投加碳源設(shè)施的情況下，TN基本能達到一級A標(biāo)準。本次提標(biāo)改造中暫不考慮碳源投加設(shè)施，待水質(zhì)提高后根據(jù)水廠運行情況酌情增設(shè)碳源投加。但氧化溝運行至今，存在較多問題，局部需進行改造，以提高氧化溝運行效率，確保NH3-N和TN穩(wěn)定達標(biāo)排放。

根據(jù)實測，水質(zhì)TP、SS不能達到新標(biāo)準，單純依靠生物處理不能達到要求，需增設(shè)輔助化學(xué)除磷設(shè)施。本次項目主要考慮新增深度處理段，保證TP和SS穩(wěn)定達到新標(biāo)準要求。針對污水處理廠運行存在的問題，本次項目也一并改造。

(1)粗、細格柵?，F(xiàn)有設(shè)備柵隙較大、撈渣效果差、設(shè)備老化嚴重、故障率高、維修頻繁，影響處理效果。為保證本次提標(biāo)改造效果，需更換粗、細格柵，確保污水中的漂浮物在預(yù)處理段去除，提高處理效率。

(2)旋流沉砂池。一期旋流沉砂池底部砂礫沉積板結(jié)，導(dǎo)致水體中的砂礫進入后續(xù)氧化溝，影響氧化溝處理效率。提標(biāo)改造工程實施中疏通沉砂池，確保沉砂池處理效率。

(3)卡魯賽爾氧化溝。氧化溝2臺推流設(shè)備老化且頻繁故障，導(dǎo)致缺氧段混流效果較差，污泥沉積嚴重，反硝化反應(yīng)不徹底，脫氮效率低；且1臺倒傘曝氣機不能正常運行，維修頻次高，溶解氧偏低，污泥失去活性，影響COD和NH3-N的去除效果。需對氧化溝進行整改，提高生化段的處理效率，確保出水水質(zhì)長期穩(wěn)定達標(biāo)。

(4)消毒渠。紫外燈管為一級B標(biāo)準配置，需提高紫外燈管配置，以滿足一級A標(biāo)準要求。

(5)污泥處理系統(tǒng)。儲泥池有效容積為22.5 m3，容積太??；配套帶式脫水機，污泥脫水至80%。根據(jù)新環(huán)保要求，污泥需脫水至60%。

(6)產(chǎn)生的臭氣未進行治理，影響員工生產(chǎn)生活環(huán)境，且不滿足環(huán)保要求。

2.2 深度處理比選

因TP、SS不能達到新標(biāo)準，需增加深度處理段。常見的污水深度處理工藝為“沉淀+過濾”的組合工藝，通過投加藥劑完成SS、TP等污染物的去除。沉淀段一般采用傳統(tǒng)的混凝沉淀與高效沉淀，2種工藝原理一樣?；炷恋硎莻鹘y(tǒng)的沉淀工藝；高效沉淀是在混凝沉淀基礎(chǔ)上，對污泥回流、填料、攪拌設(shè)備及沉淀設(shè)備進行改進，利用較高的表面負荷達到高效的處理效果，且在占地面積及總投資上具有較大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的過濾一般采用V型濾池，此次采用的精密過濾器在其他項目應(yīng)用成熟穩(wěn)定。本項目提標(biāo)段無新征地可用，且政府投資較緊張，在有限的空地且投資緊張的前提下，本工程深度處理工藝主要對占地與投資對比分析，選擇占地小、投資節(jié)省的組合工藝，如表2所示。

表2 占地及投資對比分析Tab.2 Comparative Analysis of Land Covering and Investment

通過2種工藝占地與投資比選分析，深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”組合工藝，既解決了污水廠征地難、占地小的難題(占地節(jié)省50%)，在保證出水穩(wěn)定達標(biāo)排放的前提下，工程總投資節(jié)省40%。

2.3 改造方案

針對現(xiàn)狀問題及改造的要求，本工程改造方案如下。

(1)更換粗、細格柵，保證撈渣效果。

(2)疏通旋流沉砂池，且以后運行中風(fēng)機與抽砂泵根據(jù)工藝運行狀況設(shè)置自控運行模式，確保砂礫不沉積且抽入砂水分離器。

(3)針對氧化溝缺氧段污泥沉積、推流效果差及設(shè)備損壞的問題，在缺氧段彎道處新增1臺推流器、更換損壞的推流器2臺。這樣加大了缺氧段攪拌與混合，提高了缺氧段水流流速，防止污泥沉淀，確保反硝化的順利進行，提高了缺氧段的脫氮效率，保證處理后TN穩(wěn)定達到新標(biāo)準15 mg/L以下的要求。針對氧化溝溶解氧不足的問題，更換老化的倒傘曝氣機1臺，并設(shè)置變頻控制，更換曝氣機后，確保溶解氧控制在2～3 mg/L，逐步培養(yǎng)污泥濃度，提高污泥活性和氧化溝的處理效率，確保COD和NH3-N在設(shè)計負荷下達到新標(biāo)準要求。

(4)提高紫外燈管配置，以滿足一級A標(biāo)準要求。并配套氯酸鈉輔助加藥設(shè)施，確保紫外設(shè)備不穩(wěn)定時，啟動輔助加藥設(shè)施。

(5)新增污泥儲存池，改造脫泥設(shè)備，污泥脫水至60%。

(6)新增除臭系統(tǒng)，改善廠區(qū)生產(chǎn)生活環(huán)境，滿足環(huán)保要求。

(7)因TP、SS不能達到新標(biāo)準，需增加深度處理段。深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”的工藝，高效沉淀具有絮凝沉降效果好、沉淀分離速度快、污泥濃度高、出水水質(zhì)好[7]等優(yōu)點，且利用污泥回流減少藥劑投加，降低運行成本。精密過濾器工藝具有占地面積小、可連續(xù)運行、自動化控制程度高、投資少、運行費用低等優(yōu)點。精密過濾器采用連續(xù)進水，連續(xù)反沖洗的方式運行，清洗水采用過濾后的出水。原水自流進入濾筒內(nèi)表面，依靠重力作用，透過濾網(wǎng)，從濾筒外表面排出，實現(xiàn)了濾網(wǎng)過濾，原水中的SS被截留在濾網(wǎng)內(nèi)表面，通過清洗后排出[8]。通過分析，深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”組合工藝，既解決了污水廠征地難、占地小的難題(通過對比分析，占地節(jié)省30%～40%)，又保證了各項出水指標(biāo)穩(wěn)定達標(biāo)排放。

2.4 工藝流程

工藝流程如圖1所示。一期工程建設(shè)至今已運行11年，考慮到提標(biāo)的要求，對粗格柵、細格柵、氧化溝、二沉池進行改造及更換部分設(shè)備，確保出水穩(wěn)定達標(biāo)運行。二沉池出水進入新建的中間提升泵站，污水提升進入高效沉淀池，經(jīng)高效沉淀池和精密過濾器后，進一步去除TP及SS，出水經(jīng)聯(lián)合消毒后，達標(biāo)排放。廠區(qū)污泥經(jīng)污泥處理脫水至60%以下外運填埋。廠區(qū)產(chǎn)生的臭氣進行收集后，統(tǒng)一進行生物除臭處理。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

3 提標(biāo)改造工程內(nèi)容

3.1 現(xiàn)有設(shè)施改造

3.1.1 粗格柵改造

新增回轉(zhuǎn)式粗格柵2臺，寬度為0.8 m，柵縫為15 mm，渠高為6.0 m，去除污水中粗大的漂浮物，保護水泵的正常工作。

3.1.2 細格柵改造

新增回轉(zhuǎn)式細格柵2臺，寬度為1.0 m，柵縫為3 mm，渠高為2.0 m，進一步去除污水中較小的漂浮物。

3.1.3 氧化溝改造

更換損壞的推流器并在彎道處新增1臺攪拌器，加強混合攪拌推流，提高脫氮效率。對老化的倒傘曝氣機進行更換，并設(shè)置變頻控制，保證好氧段氧氣利用率，保證COD、NH3-N的降解及TN、TP的去除。

3.1.4 二沉池出水堰調(diào)整

二沉池出水不均衡，對出水堰板進行調(diào)整，保證出水均衡穩(wěn)定。

3.2 新增深度處理工程

3.2.1 中間提升泵站

1座，鋼砼結(jié)構(gòu)。設(shè)計規(guī)模為2萬m3/d，總變化系數(shù)為1.49，尺寸為6.6 m×7.2 m×4.5 m。安裝軸流泵3臺，2用1備，泵參數(shù)Q=621 m3/h，H=6.0 m，功率N=15 kW。

3.2.2 高效沉淀池

1座，鋼砼結(jié)構(gòu)。為混凝區(qū)、絮凝區(qū)、沉淀區(qū)一體的高效沉淀池，通過投加化學(xué)藥劑，進一步去除水中TP和SS。設(shè)計規(guī)模為2萬m3/d，總變化系數(shù)為1.49，混合區(qū)停留時間為1.50 min，反應(yīng)區(qū)停留時間為11.4 min，沉淀區(qū)平均時表面負荷為8.8 m3/(h·m2)，污泥回流比為3%～5%，聚鐵投加10%濃度50～80 mg/L，PAM投加2‰濃度2～4 mg/L。構(gòu)筑物尺寸為22 m×12 m×7 m。設(shè)置混合攪拌器1臺，N=5.5 kW，葉輪直徑為1.0 m；絮凝攪拌器1臺，N=2.2 kW；中心傳動刮泥機1臺，N=0.55 kW，直徑為11.0 m；回流污泥泵及排泥泵各1臺，Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

3.2.3 精密過濾器

進一步去除水中污染物，使得出水達標(biāo)排放。設(shè)計規(guī)模為2萬m3/d，總變化系數(shù)為1.49，過濾精度為20 μm，轉(zhuǎn)筒直徑為1.6 m，長為2.7 m，過濾功率為1.5 kW，清洗功率為2.2 kW。設(shè)置2套精密過濾器，1用1備，通過自控命令交替運行使用。精密過濾設(shè)備由旋轉(zhuǎn)濾筒、驅(qū)動裝置、清洗裝置、機箱及控制裝置組成，主體結(jié)構(gòu)采用316 L不銹鋼主材，尺寸為11.8 m ×7.85 m×2.6 m。

3.2.4 聯(lián)合消毒池改造

更換一期紫外燈管設(shè)備，并設(shè)置次氯酸鈉輔助消毒裝置備用。配置64根燈管和配套的穩(wěn)流器及自控設(shè)備。配置15 m3次氯酸鈉儲罐，配套加藥泵，并設(shè)置圍堰。

3.2.5 巴氏計量槽

設(shè)計規(guī)模為2萬m3/d，總變化系數(shù)為1.49，寬為0.3 m，尺寸為1.25 m×11.8 m×2.5 m。設(shè)置不銹鋼巴氏計量槽1套，超聲波流量計1套。

3.2.6 污泥儲存池

接納剩余污泥及化學(xué)污泥，絕干污泥為3 t/d，含水率為99.2%，污泥量為375 m3/d，尺寸為6.6 m×6.6 m×5.0 m。設(shè)置立式攪拌器1套，轉(zhuǎn)子泵2臺，Q=60 m3/h，H=8.0 m，N=3.7 kW。

3.2.7 污泥脫水系統(tǒng)改造

絕干污泥為3 t/d，污泥脫水至60%，外運填埋。設(shè)置高壓隔膜板框機1臺，型號為200 m2；前端未設(shè)置污泥濃縮池，污泥含水率太高，加大了板框機運行時間、板框機配套調(diào)理罐及進料泵的選型參數(shù)，為了提高污泥含固率，將污泥含水率從99.5%降低至97%～98%，設(shè)置預(yù)脫水疊螺機1臺，從而節(jié)省投資；設(shè)置污泥調(diào)理罐1套、進料泵2臺、壓榨水泵2臺。

3.2.8 除臭系統(tǒng)

收集預(yù)處理段、污泥儲存池、污泥脫水機等多處臭氣，采用生物除臭裝置進行除臭，確保廠區(qū)臭氣達標(biāo)排放。處理量為10 000 m3/d，設(shè)置生物除臭裝置1套，主體設(shè)備玻璃鋼材質(zhì)。

4 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

項目總投資為2 058.07萬元，第一部分工程費為1 638.38萬元，包括建安費和設(shè)備費。提標(biāo)工程單位電耗為0.11 kW·h/m3，直接運行成本為0.19元/m3。本提標(biāo)改造工程采用“高效沉淀+精密過濾器”的工藝，具有投資較低、占地節(jié)省、工藝運行穩(wěn)定的特點。

5 運行效果

5.1 改造前后出水指標(biāo)分析

本工程已完工并投入運行，有運行數(shù)據(jù)可知，提標(biāo)工程采用“高效沉淀+精密過濾”的工藝，出水運行穩(wěn)定，去除效率高，COD、NH3-N、TN、SS、TP去除效率平均值分別為85%、75%、70%、95%、90%。近半年工程運行穩(wěn)定，處理效果佳，運行操作簡便，設(shè)備故障率低，處理后出水水質(zhì)達標(biāo)排放。其中，COD達到《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準》(DB43/T 1546—2018)二級標(biāo)準要求。提標(biāo)后，污染物向河流排放量進一步削減，COD、NH3-N、TN、SS、TP削減總量年平均值分別為985.5、80.3、116.8、824.9、17.52 t，環(huán)境效益進一步提高。COD、NH3-N、TN、SS、TP及大腸桿菌通過提標(biāo)改造工程后的數(shù)據(jù)變化，分別如圖2～圖7所示。

圖2 CODCr運行數(shù)據(jù)變化Fig.2 Variation of CODCr

圖3 NH3-N運行數(shù)據(jù)變化Fig.3 Variation of NH3-N

圖4 TN運行數(shù)據(jù)變化Fig.4 Variation of TN

圖5 SS運行數(shù)據(jù)變化Fig.5 Variation of SS

圖6 TP運行數(shù)據(jù)變化Fig.6 Variation of TP

圖7 大腸桿菌運行數(shù)據(jù)變化Fig.7 Variation of Fecal Coliform

5.2 除臭效果分析

臭氣通過管道收集，經(jīng)生物除臭裝置進行集中處理后，效果穩(wěn)定，H2S、NH3等排放氣體滿足《惡臭污染物排放標(biāo)準》(GB 14554—1993)[6]，廢氣滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)。

6 結(jié)語

(1)對于TP、SS超標(biāo)的污水處理廠，提質(zhì)工程可以采用“高效沉淀池+精密過濾器”的深度處理工藝，能大幅節(jié)約占地面積(占地節(jié)省50%)，同時，節(jié)省投資額(投資節(jié)省40%)。目前，該工藝已在湖南多個水廠的提標(biāo)改造中應(yīng)用。

(2)項目總投資為2 058.07萬元，提質(zhì)改造工程直接運行成本為0.19元/(t污水)。

(3)本項目出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準，其中，COD達到《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準》(DB43/T 1546—2018)二級標(biāo)準。項目的穩(wěn)定運行對其他水廠提標(biāo)改造具有指導(dǎo)意義。