AA/RPIR+磁混凝工藝在城市污水處理廠擴(kuò)能改造中的應(yīng)用

王 磊,俞 健,張敏君

(1.昆山建工環(huán)境投資有限公司,江蘇昆山 215300;2.昆山建邦環(huán)境投資有限公司,江蘇昆山 215300)

AA/快速生化污水處理技術(shù)(RPIR)工藝是將RPIR技術(shù)與AAO工藝相結(jié)合,采用RPIR取代傳統(tǒng)AAO工藝的好氧段及二沉池,進(jìn)而強(qiáng)化污水處理效果的新型工藝技術(shù)。AA/RPIR工藝的核心原理為RPIR技術(shù),其本質(zhì)屬于活性污泥法。國內(nèi)成功案例[1-2]指出AA/RPIR具有傳統(tǒng)工藝不具備的優(yōu)點:占地面積省、設(shè)備投資低、啟動快、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、出水穩(wěn)定、抗沖擊能力強(qiáng)等。磁混凝是一種高效的固液混合方法,磁粉的加入能加速絮凝體形成,從而促進(jìn)高效固液分離優(yōu)于常規(guī)混凝技術(shù)[3]。磁混凝工藝對于SS、TP等的去除效果也很優(yōu)異[4],同時因為其表面加載速率比一般絮凝高,占有的土地面積更小。國內(nèi)將AA/RPIR工藝與磁混凝工藝結(jié)合[5-8],能實現(xiàn)更小的占地面積及更好的脫氮除磷效果,同時降低能耗,實現(xiàn)了反應(yīng)、沉淀、出水一體化[5]。

1 工程介紹

1.1 擴(kuò)建背景

昆山某污水處理廠位于滬寧高速及312國道夾角地帶,總規(guī)模為12.5萬m3/d,一期工程(6.25萬m3/d)已于2015年9月建成投產(chǎn),采用AAO+高密度沉淀池+V型濾池污水處理工藝,尾水排入小瓦浦河后最終進(jìn)入?yún)卿两Ｔ擁椖课菜疂M足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn),2020年通過工藝改造提標(biāo)至《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)標(biāo)準(zhǔn),2021年開始通過強(qiáng)化管理措施達(dá)到“蘇州特別排放限制”標(biāo)準(zhǔn)。隨著該地工業(yè)園區(qū)不斷擴(kuò)增和人口的不斷增加,自2018年7月開始該污水廠水量一直處于超負(fù)荷狀態(tài),運(yùn)行壓力大,擴(kuò)能改造工程建設(shè)迫在眉睫。但是由于現(xiàn)場占地面積非常有限,常規(guī)的AAO工藝無法安置,而膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝又有能耗過大、運(yùn)行成本過高[9]等缺點,因此,綜合考慮最終確定采取AA/RPIR+磁混凝工藝進(jìn)行擴(kuò)能改造。

1.2 方案論證

1.2.1 原進(jìn)出水水質(zhì)

污水廠原設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。該廠進(jìn)水水質(zhì)波動較大,主要是雨季對污水水質(zhì)的稀釋作用引起,隨著該地區(qū)雨水管網(wǎng)配套設(shè)施的不斷完善,水質(zhì)會趨于穩(wěn)定。由表1中出水?dāng)?shù)據(jù)可知,一期水質(zhì)完全達(dá)到出水排放標(biāo)準(zhǔn)DB 32/1072—2018要求,另外除了TN有所波動外其余數(shù)據(jù)都達(dá)到了“蘇州特別排放限值”標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,本次擴(kuò)能改造完成后的重點就是通過管理手段保證TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時,氨氮去除效果良好,可以推斷出TN中硝態(tài)氮含量較高,因此,可以通過降低硝化末端DO,并適量投加碳源來提高反硝化速率。

表1 污水廠進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality of WWTP

1.2.2 進(jìn)水濃度累計頻率分析

為了進(jìn)一步明確現(xiàn)狀進(jìn)水情況,對現(xiàn)階段進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行濃度累計頻率分析,如圖1所示。從目前水質(zhì)情況來看,水質(zhì)變化幅度相對穩(wěn)定,設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)中CODCr、氨氮、TN及TP的覆蓋率均可以滿足實際進(jìn)水水質(zhì)的95%,但是進(jìn)水BOD5和SS的覆蓋率均低于80%,因此,需要強(qiáng)化對于BOD5以及SS的去除效果。為了保證設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)覆蓋率均提升至95%,本次改造將進(jìn)水BOD5和SS標(biāo)準(zhǔn)分別調(diào)整為180 mg/L和150 mg/L,其余進(jìn)出水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值均不變。

圖1 進(jìn)水累計頻率Fig.1 Cumulative Frequency of Influent

1.2.3 建設(shè)形式方案選擇

本次改造建設(shè)形式備選方案有:(1)地上單層加蓋(無檢修層);(2)半地下式布局(雙層加蓋);(3)全地下式布局(雙層加蓋)。由于地下污水廠工程投資大,運(yùn)行成本高,原一期工程現(xiàn)場建成部分地上設(shè)施難以與地下工程形式相協(xié)調(diào),本次改造最終還是確定采用地上單層加蓋作為建設(shè)形式,池頂僅設(shè)置檢修孔及觀察孔,其余覆土綠化。具體比選情況如表2所示。

表2 建設(shè)形式比較Tab.2 Comparison of Construction Forms

1.2.4 主體工藝及深度處理工藝

本工程主體工藝優(yōu)先采用效率高、運(yùn)行可靠、占地省的工藝。本工程深度處理的目的主要是通過降低SS值進(jìn)一步降低水中其余指標(biāo)。在綜合考慮水質(zhì)、造價和占地等問題后決定采用AA/RPIR作為主體工藝,采用磁混凝沉淀池+濾布濾池作為深度處理工藝。

1.3 工藝流程

該工程設(shè)計規(guī)模為6.25萬m3/d,總變化系數(shù)KZ=1.3,設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)參照DB 32/1072—2018,工藝流程圖如圖2所示。

注:PAC為聚合氯化鋁;PAM為聚丙烯酰胺。

1.4 擴(kuò)能改造主要構(gòu)筑物及設(shè)備

1.4.1 AA/RPIR池

AA/RPIR池總設(shè)計規(guī)模為6.25萬m3/d,變化系數(shù)為1.3,分為厭氧池2組、缺氧池2組、RPIR(好氧)池2組和兼氧脫氣池2組,其中好氧池單組尺寸為27.7 m×25.8 m×9.0 m,有效水深為7.5 m(其中,2.8 m為RPIR模塊,模塊高度范圍不計入好氧區(qū),模塊間0.5 m間距計入好氧反應(yīng)區(qū)),池頂覆土綠化面積為3 789 m2。好氧池至缺氧池回流比為400%,缺氧池至厭氧池為200%,RPIR表面負(fù)荷為1.5 m/h。主要新增設(shè)備:RPIR模塊158套(L×B×H=5.0 m×2.4 m×3.0 m),薄膜盤式微孔曝氣器6 464套單臺曝氣量為4 m3/h,缺氧池至厭氧池新增11 kW穿墻回流泵3臺(2用1備),好氧池至缺氧池新增11 kW穿墻回流泵7臺(6用1備),新增潛水推流器若干等。

1.4.2 磁混凝沉淀池

新建磁混凝沉淀池由混凝反應(yīng)器、高剪機(jī)、磁鼓等組成。設(shè)計規(guī)模為6.25萬m3/d,變化系數(shù)為1.3,沉淀池尺寸為34.2 m×13.8 m×8.0 m。沉淀池表面負(fù)荷為17 m/h,磁粉為2～4 mg/L,有效水深為7 m。主要設(shè)備有:混合攪拌器2臺,磁混凝攪拌器2臺,絮凝攪拌器2臺,刮泥機(jī)及高剪機(jī)各2臺,污泥回流泵2用1備,剩余污泥泵2用1備,排污泵1用1備等。

2 結(jié)果和討論

2.1 實際運(yùn)行情況

該擴(kuò)能項目自2022年8月正式通水,目前處理水量為4.3萬m3/d,出水水質(zhì)已經(jīng)完全達(dá)到了“蘇州特別排放限值”標(biāo)準(zhǔn)要求。分析2023年1月—3月數(shù)據(jù),進(jìn)出水水質(zhì)及污染物平均去除情況如表3所示。

表3 實際進(jìn)出水水質(zhì)及去除率Tab.3 Influent and Effluent Quality and Removal Rate

2.1.1 對污染物的去除效果

連續(xù)進(jìn)出水水質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 污染物濃度去除效果Fig.3 Removal Efficiency of Pollutants Concentration

(1)進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度在138～322 mg/L,平均值為229.07 mg/L;出水CODCr質(zhì)量濃度在10～20 mg/L,平均值為13.38 mg/L,完全達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)要求。CODCr平均去除率為94.2%,優(yōu)于同廠一期AAO工藝及同類項目[5-8],體現(xiàn)了該工藝對污染物良好的去除效果,尤其在面對進(jìn)水水質(zhì)波動時表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

(2)進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度在56.8～135 mg/L,平均值為96.05 mg/L;出水BOD5質(zhì)量濃度在2.0～3.1 mg/L,平均值為2.31 mg/L,滿足出水標(biāo)準(zhǔn)。BOD5平均去除率為97.6%,與同廠一期AAO工藝去除效果一致,優(yōu)于同類項目[5,8]去除效果,說明該工藝對進(jìn)水中的有機(jī)物具有良好的去除效果。

(3)進(jìn)水SS質(zhì)量濃度在75～119 mg/L,平均值為97.31 mg/L;出水SS質(zhì)量濃度在5～9 mg/L,平均值為6.31 mg/L。SS平均去除率為93.5%,比同類項目[5,7-8]去除效果稍差,與AAO去除效果一致。部分運(yùn)營時段局部RPIR出水模塊會出現(xiàn)泡泥,如果配合濾布濾池將能進(jìn)一步提高SS去除效果。但由于目前出水已經(jīng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),出于節(jié)能降耗的目的,暫時未開啟濾布濾池,僅將之作為應(yīng)急池備用。

(4)進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在20.1～46.4 mg/L,平均值為32.60 mg/L;出水氨氮質(zhì)量濃度在0.111～1.31 mg/L,平均值為0.313 mg/L,在冬季低溫狀態(tài)下依然能達(dá)標(biāo)排放。氨氮平均去除率為99.0%,優(yōu)于同廠AAO工藝及其他同類項目[5-8],說明該項目RPIR池硝化效果極好。

(5)進(jìn)水TN質(zhì)量濃度在21.9～48.8 mg/L,平均值為34.90 mg/L;出水TN質(zhì)量濃度在4.68～9.89 mg/L,平均值為7.86 mg/L,C/N=6.6,即使在冬季低溫狀態(tài)下不投加外部碳源也能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因為RPIR模塊底部的非曝氣區(qū)域呈缺氧狀態(tài),不僅取代了部分二沉池的作用還可同步實現(xiàn)反硝化,達(dá)到高效脫氮的目的。TN平均去除率為77.5%,優(yōu)于同類其他項目[5-7],但是卻不如同廠一期AAO工藝去除效果。主要原因是:外管網(wǎng)缺水導(dǎo)致實際處理水量僅4.3萬m3/d,屬于低負(fù)荷運(yùn)行;RPIR池曝氣系統(tǒng)設(shè)備提供的DO濃度無法大幅度調(diào)低,回流至缺氧段DO偏高導(dǎo)致TN無法進(jìn)一步去除。隨之帶來的還有RPIR高能耗問題,雖然TN目前已經(jīng)實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,但出于節(jié)能降耗考慮廠區(qū)已經(jīng)計劃對設(shè)備進(jìn)行技改,通過增加變頻器、精確曝氣控制、備用低功率設(shè)備等方式來控制DO、降低能耗,提高TN去除效率。

(6)進(jìn)水TP質(zhì)量濃度在1.9～5.99 mg/L,平均值為3.96 mg/L;出水TP質(zhì)量濃度在0.03～0.18 mg/L,平均值為0.082 mg/L。此項工程通過將生化除磷和化學(xué)除磷相結(jié)合的方式來保障除磷效果。RPIR池出水TP實測值在0.39～0.99 mg/L,此時TP去除率已達(dá)到75.0%～90.2%,生化除磷效果較好。后續(xù)磁混凝沉淀池中由于磁種的重力作用加快了絮體的沉降速度,有效提高了處理效率,實現(xiàn)了高效除磷,配合加藥出水TP由原來的質(zhì)量濃度≤0.5 mg/L提標(biāo)到質(zhì)量濃度≤0.3 mg/L。TP平均去除率為97.9%,優(yōu)于其他同類項目[5-7],但是卻不如同廠AAO和同類項目4[8],如表3所示。由于TP已達(dá)標(biāo)排放,磁混凝的精確加藥控制會是下階段研究重點。

2.1.2 RPIR沿程分析結(jié)果

沿程各單元污染物濃度變化情況(圖4),圖中濃度為各單元出水口濃度 。

(2) 進(jìn)水TP經(jīng)過厭氧池沒有大幅度提高,可見污泥中的磷沒有得到充分釋放,而經(jīng)過缺氧池后TP的濃度卻出現(xiàn)大幅度降低,去除率達(dá)到了89%,證明了反硝化聚磷菌(DPB)的存在,該缺氧池能同步實現(xiàn)脫氮除磷。再經(jīng)過RPIR池,在好氧聚磷菌(PAO)作用下TP被污泥吸收質(zhì)量濃度降到了0.41 mg/L,已滿足出水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。最后經(jīng)過磁混凝后TP質(zhì)量濃度降到了0.03 mg/L,滿足蘇州特別排放限值管理要求。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.2.1 工程投資分析

在原廠址不增加建設(shè)面積的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)能改造,項目總投資額為13 599.4元(100%環(huán)保投資),其中工程費(fèi)用為11 530.6元。項目建設(shè)期2年,生產(chǎn)運(yùn)營期14年。

2.1.2 財務(wù)分析

建設(shè)前本項目單位總成本預(yù)計1.15元/m3,經(jīng)營成本預(yù)計0.72元/m3,測算收費(fèi)單價為1.65元/m3,測算借款償還期(不含建設(shè)期)為6.3年。

2.1.3 運(yùn)行成效分析

以“蘇州特別排放限值”標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn),用2023年1月—3月實際出水水質(zhì)推算該項目建成后的年污染物減排量如表4所示。由于出水標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)至優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(DB 32/1072—2018),該項目通過工藝調(diào)控等管理手段實現(xiàn)了CODCr、氨氮、TN、TP等指標(biāo)的有效減排。

表4 污染物減排量Tab.4 Discharging Reduction of Pollutant

2.1.4 運(yùn)行能耗分析

針對新增工藝能耗分析如表5所示。擴(kuò)能改造后新增RPIR工藝的噸水電耗占了全廠能耗的38%。與武漢某同類項目的噸水電費(fèi)0.13元[7]比較發(fā)現(xiàn),本項目調(diào)試期電費(fèi)噸水成本約0.216元,偏高,但武漢該項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 18918—2002,本項執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于此。運(yùn)營期穩(wěn)定后噸水耗電成本下降到0.206元,較深圳某同類項目的0.252元[8]偏低,且本項目出水標(biāo)準(zhǔn)要求的TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L是高于深圳該項目出水標(biāo)準(zhǔn)要求的。根據(jù)本項目目前的實際情況分析,外管網(wǎng)缺水造成的進(jìn)水的低負(fù)荷運(yùn)行(≤68.8%)是引起噸水能耗無法進(jìn)一步下降的主要原因。大多數(shù)大功率設(shè)備都在低效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn),尤其是曝氣風(fēng)機(jī)的開度無法進(jìn)一步調(diào)小造成RPIR末端DO質(zhì)量濃度維持在1.5 mg/L附近,而同廠執(zhí)行同樣出水標(biāo)準(zhǔn)的一期AAO工藝的生化池末端DO一般維持在1 mg/L附近。后期隨著處理水量回升,這部分噸水能耗將會有所回落。綜合以上,本項目的實際運(yùn)行能耗水平是優(yōu)于國內(nèi)同類其他項目的。

表5 能耗分析Tab.5 Analysis of Energy Consumption

2.1.5 運(yùn)行藥耗分析

本工程主要涉及的水處理藥劑如表6所示。經(jīng)過調(diào)試,磁混凝中PAC及PAM加藥量已減少到最初的1/6,PAC+PAM噸水耗藥本由工藝調(diào)整前的0.026元下降至0.004 6元;磁粉費(fèi)用計入建設(shè)期投資成本,其噸水藥劑成本按2023年預(yù)算水量均攤,由于該項目運(yùn)營期較短,目前暫未獲取磁粉損耗數(shù)據(jù);次氯酸鈉需按固定濃度投加確保出水糞大腸菌群穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。AA/RPIR工藝在脫氮方面的優(yōu)勢極為明顯,即使在溫度較低的冬季運(yùn)行,在沒有外加碳源(乙酸鈉)時,依然能實現(xiàn)出水TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L的管理目標(biāo)。與同類項目[16]相比,本項目將各項藥劑成本控制在較好范圍,占同類項目的1/10不到。另外,由于實際生產(chǎn)中測得RPIR池出水TP質(zhì)量濃度基本維持在0.3～1.0 mg/L,如能將其穩(wěn)定控制在0.3 mg/L以下,那么理論上磁混凝沉淀池除磷劑用量還能有進(jìn)一步的節(jié)省空間。

表6 藥耗分析Tab.6 Analysis of Chemicals Consumption

3 結(jié)論

(1)AA/RPIR與磁混凝沉淀工藝的結(jié)合有效節(jié)省了工程占地面積,建設(shè)面積在原來該污水廠5 200 hm2的基礎(chǔ)上僅增加了8.57 hm2,而處理水量卻提升了一倍。運(yùn)營期噸水耗電成本為0.206元,總噸水耗藥成本由調(diào)試期0.046 2元下降至0.024 8元,磁混凝PAC+PAM噸水藥耗則由0.026元下降至0.004 6元。

(2)該工藝對CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN的去除效果均達(dá)到了出水排放管理要求,其中CODCr質(zhì)量濃度≤30 mg/L、BOD5質(zhì)量濃度≤10 mg/L、SS質(zhì)量濃度≤10 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度≤1.5(3) mg/L、TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L。

(3)RPIR高效脫氮優(yōu)勢明顯,在冬季不外加碳源情況下,仍然能保證TN質(zhì)量濃度最高不超過9.89 mg/L。

(4)AA/RPIR具有良好的生物除磷效果,生化除磷占75.0%～90.2%,剩余部分基本由磁混凝加藥脫除直至達(dá)標(biāo)排放。