朱大成, 柴春省, 閆廣強, 王宇健, 秦承剛
(1.山東省棗莊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 山東 棗莊 277800; 2.棗莊市工程質(zhì)量安全服務(wù)中心, 山東 棗莊 277800;3.滕州生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心, 山東 滕州 277500; 4.山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 山東 煙臺 264000)
BIOLAK-L 工藝是基于多級A/O 理論和非穩(wěn)定理論的污水處理工藝[1], 自20 世紀70 年代在德國首次投入工程應(yīng)用以來, 因其集厭氧、 曝氣、 沉淀、 穩(wěn)定于一體, 具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊, 建設(shè)費用低, 獨特的浮鏈式曝氣系統(tǒng)維護方便簡單, 生化系統(tǒng)污泥濃度高、 污泥負荷低、 泥齡長、 產(chǎn)泥量少等優(yōu)點[2], 曾經(jīng)在我國城鎮(zhèn)污水處理廠得到推廣應(yīng)用。 隨著國家對城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準的提高,原BIOLAK-L 工藝設(shè)計已不能滿足新排放標準的要求, 尤其是工藝運行不穩(wěn)定, 脫氮除磷效率低等問題亟需解決, 很多污水處理廠面臨提標改造的壓力。
本文對BIOLAK-L 存在的工藝缺陷進行了分析論證, 提出了充分利用現(xiàn)有構(gòu)筑物進行提標改造的工藝技術(shù)路線, 改造后出水各項指標均優(yōu)于新排放標準要求, 且減少了工程占地及改造工程量, 降低了投資費用及運行成本, 對類似城鎮(zhèn)污水處理廠的提標改造具有一定的借鑒性。
山東某城鎮(zhèn)污水處理廠接納城區(qū)居民生活污水和園區(qū)企業(yè)廢水, 其中約70%為生活污水, 30%為工業(yè)廢水, 設(shè)計規(guī)模為4 萬m3/d, 采用BIOLAK-L工藝及配備WOX 系統(tǒng)的浮鏈式曝氣設(shè)備, 于2008年投產(chǎn)運行, 設(shè)計尾水排放執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B 標準。
該廠位于南水北調(diào)東線重點保護區(qū)域, 為了滿足調(diào)水水質(zhì)需要, DB37/ 3416.1—2018《流域水污染物綜合排放標準第1 部分: 南四湖東平湖流域》要求其沿線污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002 一級A標準。 多年來, 該廠原處理工藝對BOD5、 NH3-N的去除效果能滿足一級A 標準, 而對TN、 TP 去除效率低, 難以達到新的排放要求, 因此實施脫氮除磷提標改造迫在眉睫。
污水處理廠原工藝流程見圖1, 污水先經(jīng)粗細格柵、 進水泵房、 旋流沉沙池預處理后, 與外回流污泥一同進入BIOLAK-L 工藝單元, 依次經(jīng)過厭氧、 好氧處理, 實現(xiàn)對COD、 氮、 磷的去除[3], 再經(jīng)二沉池進行泥水分離, 部分污泥經(jīng)吸泥機、 回流渠排到厭氧區(qū)首端, 沉淀池出水流經(jīng)穩(wěn)定池、 紫外線消毒池后排放, 剩余污泥通過污泥脫水機房脫水成餅后外運處置。
圖1 污水處理廠原工藝流程Fig.1 Original process flow of sewage treatment plant
污水廠原設(shè)計進出水及2018 年度實際平均進出水水質(zhì)見表1, 可以看出該廠進水COD、 BOD5、TP、 SS 濃度低于設(shè)計標準, NH3-N、 TN 濃度略高于設(shè)計標準; 與GB 18918—2002 一級A 標準對比, 出水NH3-N 濃度能穩(wěn)定達標, 而COD 濃度不能實現(xiàn)穩(wěn)定達標, TN、 TP、 SS 濃度完全不能達標。
表1 設(shè)計進出水及實際進出水水質(zhì)(2018 年度)Tab.1 Design and actual influent and effluent water quality in 2018
(1) 生化處理的脫氮除磷效率低。 BIOLAK-L工藝理論上是依靠懸浮式曝氣鏈沿水流方向的前后擺動及其配備的WOX 系統(tǒng)對曝氣鏈的交替曝氣控制, 使得曝氣區(qū)形成多個A/O 區(qū)域[4], 實現(xiàn)生物硝化反硝化脫氮過程, 但實際運行中脫氮效果并不理想, 主要有以下幾方面原因: 一是與常規(guī)AAO 工藝相比, 該工藝的缺氧區(qū)和好氧區(qū)未嚴格分離且距離較近[5], 由于水的流動, 好氧區(qū)中的氧氣易帶入缺氧區(qū), 使其較難形成一個溶解氧濃度極低的缺氧脫氮環(huán)境, 因此該工藝雖然有一定的脫氮效果[6], 但出水TN 無法達到的一級A 標準。二是從流態(tài)分布上來看, BIOLAK-L 曝氣區(qū)的水流方式為推進式, 水中的有機物、 NH3-N 隨水流方向成漸減式分布, 即使其獨特曝氣方式在水流方向上能形成多個A/O 區(qū)域, 在進水首端好氧區(qū)域, 混合液中的有機物相對來說是最高的, 不利于硝化反應(yīng)的進行, 導致緊鄰的缺氧區(qū)域缺少硝態(tài)氮, 因此, 首端A/O 區(qū)段脫氮作用并不大, 中后端隨著有機物的降低硝化反應(yīng)非常顯著, 然而又因缺少反硝化碳源, 造成中后端的A/O 區(qū)段反硝化脫氮效率仍然不高。
BIOLAK-L 工藝雖然設(shè)置厭氧釋磷區(qū), 但其配備的WOX 系統(tǒng)對曝氣鏈交替曝氣的控制使得好氧區(qū)曝氣不充分, 無法有效實現(xiàn)聚磷菌對磷的貪婪吸收[3], 生化除磷效率低, 去除率僅在40%左右。
(2) 工藝設(shè)計的缺陷致使好氧區(qū)存在大面積短流, 是運行不穩(wěn)、 曝氣能耗高的主要因素。 污水從厭氧區(qū)一端進入好氧區(qū), 而好氧區(qū)混合液是沿好氧區(qū)和二沉池之間的整個隔墻均布進入沉淀池的, 好氧區(qū)勢必會形成如圖2 所示的短流區(qū)域,運行中好氧區(qū)能實際利用的有效容積遠小于設(shè)計值, 進而造成污水流經(jīng)區(qū)域的負荷偏高, 溶解氧不足, 造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、 曝氣能耗高。
圖2 改造前BIOLAK-L 工藝平面布置Fig.2 Layout of BIOLAK-L process before reconstruction
(3) 工藝設(shè)計的缺陷導致沒有合適的位點投加反硝化碳源, 無法解決因生化脫氮碳源不足導致的出水TN 超標[7-8]等問題。
(4) 二沉池運行不穩(wěn)定導致出水SS、 TP 濃度偏高。 BIOLAK-L 藝采用的是長邊進水, 長邊淹沒式出水的平流式二沉池, 與相同規(guī)模尺寸的常規(guī)平流式二沉池相比, 設(shè)計參數(shù)除表面負荷一致外,其長寬比、 長深比均低于常規(guī)平流式二沉池, 特別是弗羅德數(shù)遠低于常規(guī)平流式沉淀池[2], 說明其長邊進水的水流穩(wěn)定性較差, 造成二沉池的效率不高和泥水分離效果不佳。
(5) 穩(wěn)定池未設(shè)計排泥設(shè)備, 無法及時排除沉積在此處的污泥, 會導致污泥厭氧腐化上浮,造成一定時段內(nèi)出水COD、 SS、 TP 濃度超標。
提標改造主要解決該廠排放標準提升到一級A標準的工藝技術(shù)問題, 出水TN、 TP 的提標是本次改造工程的重點和難點, 主要工藝技術(shù)路線如下:
(1) 改造現(xiàn)有生化系統(tǒng), 將BIOLAK-L 改造成AAO 工藝, 強化脫氮除磷效果, 主要包括以下幾個方面: ①保持厭氧區(qū)現(xiàn)狀繼續(xù)使用; ②從好氧區(qū)中隔出功能獨立的缺氧區(qū), 以解決原工藝多級A/O 分隔不明確, 工藝脫氮效率不高的問題; ③通過增設(shè)導流墻將剩余好氧區(qū)改造成廊道型推進式好氧區(qū), 解決原工藝好氧區(qū)短流嚴重、 負荷分布不均勻、 運行不穩(wěn)定、 曝氣能耗高等問題; ④維持現(xiàn)狀鼓風機及浮鏈式曝氣系統(tǒng)不變, 利用浮鏈式曝氣氧氣傳遞效率高[9]、 能耗低、 曝氣頭維修更換簡單等優(yōu)點, 同時可以降低工程投資; ⑤通過增設(shè)隔墻將二沉池分割出緩沖池, 增設(shè)內(nèi)回流系統(tǒng), 一是對混合液從好氧區(qū)通向二沉池起到緩沖穩(wěn)流的作用, 二是作為內(nèi)回流設(shè)備安裝池, 三是作為混合液回流至缺氧區(qū)前的消氧池; ⑥將二沉池改造為常規(guī)平流式二沉池, 解決原二沉池運行不穩(wěn)定, 出水SS、 TP濃度偏高問題; ⑦廢棄穩(wěn)定池, 保持原有污泥回流及排放系統(tǒng)不變。
(2) 新建高效混凝沉淀池、 纖維轉(zhuǎn)盤濾池等深度處理單元, 進一步降低出水TN、 TP、 SS 濃度。
提標改造工程設(shè)計進出水水質(zhì)見表2, 提標改造后工藝流程見圖3。
表2 改造工程設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.2 Design influent and effluent water quality of reconstruction project mg·L-1
改造工程設(shè)計規(guī)模為4 萬m3/d(平行2 組),Q平均=1 667 m3/h, 設(shè)計水溫為12 ~25 ℃, MLSS為4 000 ~5 000 mg/L, 污泥齡為20 d, 有機負荷為0.053 kg[BOD5]/(kg[MLSS]·d), 硝酸鹽負荷為0.035 kg[]/(kg[MLSS]·d), 生化池有效水深為4.5 m, 厭氧區(qū)、 缺氧區(qū)、 好氧區(qū)有效容積及水力停留時間分別為5 400 m3(3.2 h)、 9 000 m3(5.4 h)、 23 360 m3(14 h), 外回流比為50% ~100%,內(nèi)回流比為300%。
該廠BIOLAK-L 生化池為半地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 單組總長100 m、 寬60 m, 施工改造須在現(xiàn)有池內(nèi)增加隔墻、 開洞等涉及池體結(jié)構(gòu)改造, 對生化池原結(jié)構(gòu)施工圖進行核算, 結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)強度可以滿足增加鋼筋混凝土隔墻需要, 只需在施工的過程中做植筋澆筑處理。 改造后AAO 工藝平面布置如圖4 所示。
圖4 改造后AAO 工藝平面布置Fig.4 Layout of AAO process after reconstruction
(1) 厭氧區(qū)。 單組池長60.0 m、 寬10.0 m,HRT =3.2 h, 能滿足聚磷菌厭氧釋磷[10]需要, 利舊原有3 臺水下推流器。 主要工藝控制參數(shù)ρ(DO)≤0.2 mg/L, ORP=-160 ~-200 mV。
(2) 缺氧區(qū)。 平面尺寸為60.0 m×16.7 m, 采用具有推流和完全混合2 種流態(tài)[10]的跑道式溝型, 安裝水下推流式4 臺, 轉(zhuǎn)速為29 r/min; 推力為2 200 N, 功率為3.30 kW; 在硝化液回流至缺氧區(qū)處,增設(shè)碳源投加點, 設(shè)計碳源投加量為每去除1 mg硝態(tài)氮需投加20 mg 乙酸鈉(有效含量為20%)。 主要工藝控制參數(shù)ρ(DO)≤0.5 mg/L, ORP ≈-50 ~-150 mV, 內(nèi)回流比為100%~300%。
(3) 好氧區(qū)。 廊道型推進式, 平面尺寸為60.0 m×43.3 m, 相鄰隔墻間距為8.2 m, 繼續(xù)使用原浮鏈式曝氣系統(tǒng)。 主要工藝控制參數(shù)ρ(DO) = 0.5 ~3.2 mg/L, ORP ≈180 mV。
(4) 緩沖池。 平面尺寸為16.0 m × 8.0 m,HRT =0.7 h, 在緩沖池與好氧池隔墻一端底部緊貼池底增開混合液入口, 洞口尺寸為1.0 m×1.0 m, 每組緩沖池中安裝4 臺硝化液回流泵, 單臺泵Q =833 m3/h, H =1.0 m, P =5.5 kW, 最大回流比為300%。
(5) 二沉池。 將緩沖池和二沉池之間隔墻設(shè)計為穿孔配水花墻, 另一端平行安裝6 組15.0 m ×0.6 m×0.6 m 不銹鋼三角堰型出水槽。 每組池長×寬× 高=52.0 m×16.0 m×4.5 m, 平均水流速度為3.21 mm/s, 表面負荷為1.0 m3/(m2·h), 三角出水堰負荷為1.9 L/(s·m)。
(1) 高效沉淀池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 1 座, 平面尺寸為31.5 m×22.6 m, 分2 格。 設(shè)計參數(shù): Q平均=1 667 m3/h, Q最大=2 420 m3/h, 水力負荷為17.8 m3/(m2·h); 混凝池有效容積為36 m3, 反應(yīng)時間為2.6 min; 絮凝池有效容積為185 m3, 反應(yīng)時間為13.3 min; 沉淀區(qū)平面尺寸為12.0 m × 10.0 m, 有效水深為6.6 m, FeCl3(有效含量為30%)和PAM投加量分別為30 mg/L 和0.8 mg/L。 主要設(shè)備: 快速攪拌器2 套, D =1 270 mm, 軸長2 850 mm, P =5.5 kW, 轉(zhuǎn)速80 ~500 r/min; 絮凝攪拌器2 套, D =2 270 mm, 軸長4 200 mm, P =4.0 kW, 轉(zhuǎn)速40 r/min; 刮泥機2 套, D =10 m, N =0.75 kW; 回流污泥泵3 臺(2 用1 備), Q =10 ~95 m3/h, H =25 m,18.5 kW; 剩余污泥泵2 臺, Q =10 ~95 m3/h, H =25 m, N=18.5 kW。
(2) 纖維轉(zhuǎn)盤濾池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 1 座, 有效水深為4.5 m, 平面尺寸為14.8 m×8.3 m, 分2 格;設(shè)計進水ρ(SS)≤20 mg/L, 出水ρ(SS)≤10 mg/L,濾速≤15 m3/(m2·h), 濾盤直徑為3 m, 濾盤數(shù)量16 個, 有效過濾面積為201.6 m2。 主要設(shè)備: 反洗泵4 臺, Q =50 m3/h, H =7 m, N =2.2 kW。
2021年1 月工程改造完畢并正式運行, 日均污水處理量約為3.8 萬m3, 出水水質(zhì)各項指標均優(yōu)于GB 18918—2002 一級A 標準。 主要工藝參數(shù)控制如下: MLSS 為6 500 ~9 000 mg/L(冬季春季)、 4 000 ~6 500 mg/L(夏季秋季), 高于工藝設(shè)計濃度; 內(nèi)外回流比分別為200%~300%、 50%~100%; 好氧區(qū)曝氣量的控制, 遵循推進式廊道內(nèi)污染物濃度沿水流方向成漸減式分布的特點, 對各廊道曝氣量采取相應(yīng)漸減式控制, 目標是將硝化反應(yīng)過程盡量控制在好氧區(qū)首端, 降低末端溶解氧使其質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L。 據(jù)統(tǒng)計, 曝氣電耗由改造前0.11 kW·h/m3降至0.07 kW·h/m3。 高效沉淀池混凝攪拌強度為80~120 r/min, 絮凝攪拌強度為15~20 r/min[11];藥劑投加量: 每去除1 mg 硝態(tài)氮約投加14 mg 乙酸鈉(有效含量為20%), 每去除1 mg 總磷投加24 mg FeCl3(有效含量為30%)和0.7 mg PAM。 2021 年度工程主要運行效果見表3。
表3 提標改造后污水廠運行效果Tab.3 Operation effect of sewage treatment plant after upgrading and reconstruction
改造前后進水TN、 TP 濃度變化不大, 改造后,出水TN 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在9.4 ~12.7 mg/L, 去除率由40%~58% 提高到73%~79%, 去除率顯著提高;出水TP 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.12 ~0.35 mg/L, 去除率由45%~65%提高到92%~96%, 其中新建深度處理對TP 去除率為85%~91%, 化學除磷效果穩(wěn)定高效, 生化系統(tǒng)除磷率為42%~56%, 效率較低。
二沉池改造后, 出水SS 質(zhì)量濃度由改造前的12 ~26 mg/L 下降到8.6 ~15.6 mg/L, 平均下降了6.3 mg/L, 去除效果顯著提高, 再經(jīng)過深度處理單元進一步去除, 完全達到GB 18918—2002 一級A 標準。
提標改造工程總投資3 268 萬元, 其中對BIOLAK-L 工藝的改造費用為1 039 萬元。 改造后生化曝氣電耗下降了0.04 kW·h/m3, 新增設(shè)備電耗0.08 kW·h/m3, 合計新增電耗0.04 kW·h/m3,新增電耗費用為0.027 元/m3。 新增藥劑費用0.14元/m3, 其中反硝化脫氮投加碳源費用0.08 元/m3,化學除磷投加PAM 和FeCl3藥劑費用0.06 元/m3。升級改造后污水處理直接成本增加0.167 元/m3,工程整體運行成本為1.06 元/m3。
(1) 將BIOLAK-L 工藝改造成AAO 工藝, 并增建高效沉淀池和纖維轉(zhuǎn)盤濾池深度處理單元, 實現(xiàn)脫氮除磷運行模式, 其工藝運行控制更加靈活方便, 生化脫氮更加高效穩(wěn)定, 出水ρ(COD)=21.2 ~34.4 mg/L、 ρ(BOD5)=2.0 ~3.4 mg/L, ρ(NH3-N)=0.8 ~2.1 mg/L, ρ(TN) =9.4 ~12.7 mg/L, ρ(TP)=0.12 ~0.35 mg/L, 各項指標均優(yōu)于一級A 的設(shè)計標準。
(2) 改造后的常規(guī)平流式二沉池對SS 的去除效果及運行的穩(wěn)定性優(yōu)于原長邊進出水式沉淀池,出水SS 濃度與改造前相比下降了30%, 有效保障了后續(xù)深度處理單元的穩(wěn)定經(jīng)濟運行。
(3) 二級生化出水TP 質(zhì)量濃度為1.2 ~ 2.6 mg/L, 經(jīng)深度處理單元對其化學除磷后穩(wěn)定在為0.35 mg/L 以下, 新建深度處理單元是確保提標改造出水TP 穩(wěn)定達到GB 18918—2002 一級A 標準的關(guān)鍵。