MBBR和MBR工藝在南方某用地受限污水處理廠擴建及提標改造中的應用

都雪晨,黃華玲,靳斌斌,張 鋒,謝益佳,李 璐

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司,湖北武漢 430074)

在廣東省環(huán)境保護廳《南粵水更清行動計劃(2017—2020年)》的背景下,為了緩解練江流域水污染現(xiàn)狀,大幅度削減污染物的排放,實現(xiàn)城市總體規(guī)劃中的環(huán)境保護目標,南方某城鎮(zhèn)污水處理廠亟需擴建及提標改造。該污水廠現(xiàn)狀預留用地有限,因此,需考慮節(jié)省占地的污水處理工藝,如多段AO、曝氣生物濾池、移動床生物膜反應器(MBBR)及膜生物反應器(MBR)工藝。多段AO工藝具有脫氮效率高、節(jié)省碳源、運行穩(wěn)定、占地面積較常規(guī)AAO小等優(yōu)點[1],多用于污水的二級處理;曝氣生物濾池工藝后端無需設置二沉池,節(jié)省占地、處理效率高,但加藥量較大且運行管理復雜,多用于污水的二級處理及深度處理;MBBR工藝具有無需新建反應池、節(jié)省占地、改造工期短、處理效率高等優(yōu)點,可實現(xiàn)污水廠原位提標改造[2];MBR工藝將生物處理與膜處理工藝相結(jié)合,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)二沉池及濾池,縮短工藝流程、節(jié)約用地并提高出水水質(zhì),但電耗較高,膜組件5～8年需進行更換[3],常用于用地受限情況下污水的深度處理。本工程經(jīng)過技術經(jīng)濟比選,采用MBBR及MBR組合工藝,在有限的用地中同時實現(xiàn)污水處理廠的擴建及提標改造。

1 污水處理廠現(xiàn)狀及設計難點

1.1 污水處理廠現(xiàn)狀

污水廠現(xiàn)狀規(guī)模為1.5萬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,出水排放標準執(zhí)行廣東省地方標準《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段一級標準和國家標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準中的較嚴值。具體設計進出水水質(zhì)如表1所示。

表1 一期工程設計進出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent of Phase Ⅰ Project

1.2 設計難點分析

污水廠總規(guī)模為4.5萬m3/d,一期已建設1.5萬m3/d,因此,本次工程需擴建3萬m3/d的污水處理設施。同時,設計出水水質(zhì)需執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中V類水標準(TN除外)。原規(guī)劃中該污水廠的總規(guī)模為3萬m3/d,廠內(nèi)預留用地僅按1.5萬m3/d的污水規(guī)模預留。因此,本工程的主要設計難點為需在有限的用地中同時完成擴建以及提標。

2 污水處理廠設計進出水水質(zhì)

通過對該廠一期實際進出水水質(zhì)進行數(shù)理統(tǒng)計分析綜合確定本次擴建及提標改造設計進水水質(zhì)。二期設計進水水質(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(jù)排水水體水質(zhì)目標確定,具體如表2所示。

表2 設計進出水水質(zhì)Tab.2 Designed Water Quality of Influent and Effluent

3 污水處理廠擴建及提標改造設計思路

本次工程進出水水質(zhì)較一期工程有較大變化,且需要在有限的用地內(nèi)同時完成污水廠擴建及提標。因此,設計思路為:(1)對一期工程處理能力進行校核,推測其在滿負荷且進水水質(zhì)達到設計值時是否能達到設計出水標準,充分挖潛現(xiàn)狀處理能力并利用現(xiàn)狀構(gòu)筑物進行改造升級;(2)二期新建工程采用占地規(guī)模節(jié)約的高效處理工藝,新增構(gòu)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

通過對污水處理廠生物池、二沉池、深度處理段處理能力進行理論計算得出如下校核結(jié)果。

污水處理廠一期工程在滿負荷及設計進出水水質(zhì)的條件下,污泥負荷、供氧量及生物池的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)容積均滿足要求。生物池的好氧區(qū)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考慮對生物池好氧區(qū)的加強,加強對CODCr及BOD5的去除效果。

在進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。基于充分利用現(xiàn)狀構(gòu)筑物的原則,可對一期砂濾池或生物池進行改造。提出如下兩種方案:(1)通過將砂濾池改造為曝氣生物濾池,進一步降低水中的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,即通過在一期好氧區(qū)內(nèi)投加生物填料以提高池內(nèi)生物量,從而增強處理效率。該方案最大的優(yōu)勢是無需新增用地,在不停產(chǎn)減產(chǎn)的情況下實現(xiàn)污水廠的提標。對兩種方案進行技術經(jīng)濟比較,結(jié)果如表3所示。

表3 提標方案技術經(jīng)濟對比Tab.3 Technical and Economic Comparison of Upgrading Schemes

根據(jù)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(xiàn)狀砂濾池,對污水廠運行會產(chǎn)生影響。綜上,采用MBBR工藝對現(xiàn)狀生物池進行原位升級改造,將生物池改為生物膜-活性污泥復合工藝。該方案具有無需新建反應池、節(jié)約占地、易于實施改造、工期短、活性污泥濃度高、處理效率高、節(jié)省曝氣量、增強污泥穩(wěn)定性、降低運行費用和基建投資等優(yōu)點,目前,已在國內(nèi)多個污水廠的改造和新建項目上采用并取得了較好的效果[4]。

3.2 二期擴建工程方案

在污水廠實際出水水質(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(xiàn)狀實際出水水質(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TN(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則可通過生物處理輔以化學處理去除。擴建工程需在1.5萬m3/d的污水規(guī)模預留用地上建設3萬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類標準(TN除外),傳統(tǒng)生物處理(含二沉池)+深度處理工藝占地較大,難以滿足擴建需求,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工藝進行技術經(jīng)濟比較,結(jié)果如表4所示。

表4 擴建方案技術經(jīng)濟對比Tab.4 Technical and Economic Comparison of Extention Schemes

根據(jù)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,廠內(nèi)二期預留用地僅為6 368 m2,若采用方案一,則無多余用地建設預處理、碳源加藥間等生產(chǎn)構(gòu)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(jié)約用地的同時出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)深度處理,部分指標達到地表水Ⅳ類,可直接回用[5-6]。同時,膜池較高的混合液回流比可提高生物池污泥濃度,延長污泥齡,提高處理效率的同時減少剩余污泥排放[7-8]。

3.3 工藝流程

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

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Flow Chart of WWTP Process

3.4 平面布置及豎向設計

污水廠平面布置如圖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區(qū)北側(cè)預留空地上,污泥濃縮池、貯泥池及脫水車間布置于一期砂濾池及機修間北側(cè),二期紫外消毒渠位于一期紫外消毒渠北側(cè)預留用地。

圖2 污水處理廠平面布置Fig.2 Layout of WWTP Process

注:數(shù)值單位為m。圖3 污水處理廠豎向設計圖Fig.3 Vertical Layout of WWTP Process

污水廠豎向設計如圖3所示。廠坪標高為2.30 m,污水廠進水通過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自流排放,為洪水位的時候通過泵提升排放。

4 主要構(gòu)筑物設計參數(shù)

4.1 總配水井

采用管道配水的方式難以將進廠污水按設計規(guī)模均勻分配至一期、二期生產(chǎn)線,因此,新建總配水一座,均勻分配污水處理廠污水。設計流量Q=2 550 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(jié)約用地,將3座構(gòu)筑物采用組合池的形式布置,各構(gòu)筑物具體設計如下。

(1)細格柵

污水廠現(xiàn)狀一期工程采用回轉(zhuǎn)式細格柵,運行效果良好,因此,為方便運營管理,本期工程延用同類型細格柵,設計流量Q=1 700 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,前者可通過調(diào)節(jié)曝氣量控制污水在池內(nèi)的旋流速度,因而處理效果更加穩(wěn)定。但曝氣會去除部分有機物減少碳源,因此,當進水碳源缺乏且采用生物脫氮除磷工藝時,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。考慮到污水廠實際進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=1 700 m3/h,水力停留時間為80.5 s。在水力停留時間的選取方面,規(guī)范要求大于30 s即可,而污水廠一期現(xiàn)狀沉砂池在高峰流量時,除砂效果較差,反算此時的停留時間為30.3 s。根據(jù)現(xiàn)狀運行人員反饋,當停留時間大于1 min時,除砂效果較好。

(3)膜格柵

為進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)對膜的破壞風險。本工程采用內(nèi)徑流孔板格柵,設計流量Q=1 700 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(gòu)筑物是污水處理廠的核心處理構(gòu)筑物,采用組合池的形式布置,主要設計參數(shù)結(jié)合規(guī)范、設計經(jīng)驗及廠家設備性能綜合確定,具體如表5所示。

表5 主要設計參數(shù)Tab.5 Main Designed Parameters

污水廠進水碳氮比(2.38∶1.00)較低,為了盡量減少碳源的消耗,保證脫氮效果,設計在滿足規(guī)范要求的情況下適當縮短了厭氧區(qū)的停留時間。根據(jù)MBR工藝特點,適度增加反應池內(nèi)污泥濃度,減少好氧區(qū)容積,以節(jié)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(qū)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2.209 7×105m3,規(guī)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(nèi)正常的流態(tài)化,需在好氧區(qū)增設輔助穿孔曝氣管[9],輔助曝氣量為20 m3/min。同時,為避免填料隨水流流失需在好氧區(qū)進出口增設進出水攔截篩網(wǎng)。

4.5 紫外消毒渠

一期已建1座(1.5萬m3/d)紫外消毒池,本期由于出水標準提高,需更換紫外燈組,同時新建一座紫外消毒池(規(guī)模為3.0萬m3/d)。根據(jù)規(guī)范提供的參考值,當污水廠尾水為再生水時,紫外線劑量應為24～30 mJ/cm2。通過對一期土建進行復核,可將消毒渠二次澆注部分由720 mm擴寬至1 000 mm,消毒模架由之前的8個增加至10個,配置紫外線燈管數(shù)量由之前的64只提高到88只,則紫外線劑量由之前的20.2 mJ/cm2提高到26.4 mJ/cm2,滿足規(guī)范要求。二期新建紫外消毒渠土建尺寸與一期一致,共設21個紫外消毒模塊,每個模塊含紫外線殺菌燈數(shù)8支,紫外線劑量滿足規(guī)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,化學污泥為0.35 t/d,設計萬噸水產(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間之間設置2座貯泥池以平衡污水廠排泥的不均勻性,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個批次的泥量。

脫水機房面積為282.95 m2,安裝兩臺過濾面積為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個批次,每個批次4 h,單臺工作時間為16 h,兩臺同時使用。污泥調(diào)理采用生石灰+三氯化鐵組合方式進行調(diào)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行除臭,除臭風量Q=5 000 m3/h,功率N=10.2 kW;2號除臭設備對一期細格柵及沉砂池、一期粗格柵及進水泵房、一期厭氧池及二期總配水井進行除臭,除臭風量Q=8 000 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、污泥脫水車間進行除臭,除臭風量Q=12 000 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。

5 效果分析

5.1 用地指標分析

污水廠噸水占地面積為0.66 m2,根據(jù)最新出版的《城市污水處理工程項目建設標準》(建標 198—2022)中的相關要求,規(guī)模在5萬m3/d以下的污水處理廠,二級處理+深度處理用地指標不應超過1.55 m2/(m3·d-1),本污水廠用地面積較標準要求節(jié)約57.4%,實現(xiàn)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

污水廠自2020年運行以來平均處理水量為37 221萬m3/d,保證率為95%時處理水量為40 411萬m3/d,水量負荷率為89.8%,實際進出水水質(zhì)如表6所示。

表6 實際進出水水質(zhì)Tab.6 Actual Water Quality of Influent and Effluent

污水廠在水量水質(zhì)基本達到設計值的情況下,出水水質(zhì)可穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中V類標準(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類標準,當MBR工藝在膜通量為19.84 L/(m2·h)時運行較為穩(wěn)定。

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

表7 一期工程提標改造前后實際進出水BOD5及TNTab.7 Phase Ⅰ Actual BOD5 and TN of Influent and Effluent before and after Upgrading

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%。分析認為通過在好氧區(qū)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生長的生物膜具有較長的污泥齡,有利于世代時間較長的硝化菌生長繁殖,因此,BOD5和TN的去除率均有提升。

(2)電耗、藥耗分析

污水廠電費為0.275元/m3(噸水電耗為0.43 kW·h),藥劑費為0.088 5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

污水廠一期改造后工藝為MBBR生物池+二沉池+砂濾池,萬噸水產(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。

6 結(jié)論與建議

(1)在不改變生物池土建主體結(jié)構(gòu)的前提下,通過在好氧區(qū)投加生物填料將AAO生物池改造為MBBR生物池,進一步提高對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類標準(TN除外)。目前,工藝運行良好,出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

(2)本工程在預留用地極其有限的條件下,通過技術經(jīng)濟比選后采用MBBR工藝以及MBR工藝對污水處理廠進行提標及擴建,同時新建預處理及生物處理構(gòu)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(jié)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,出水水質(zhì)穩(wěn)定,可為同類型污水處理廠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間延長至80.5 s,實際運行中除砂效果較穩(wěn)定,建議水量波動較大的污水廠選用該池型時,停留時間至少大于1 min。

(5)目前進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。待后期服務范圍內(nèi)管網(wǎng)完善,進水濃度進一步提高后,需重點關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。