污水廠改造二級(jí)處理工藝比較分析

【摘要】隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國正面臨越來越嚴(yán)重的污染問題。清新的空氣、干凈的水已經(jīng)變成奢侈品。近年來，國家加強(qiáng)對(duì)污染的治理力度，力圖改善環(huán)境污染的現(xiàn)狀。早期建造的污水廠處理能力不能達(dá)到現(xiàn)有日益嚴(yán)格的排放要求，因此很多污水廠需要進(jìn)行提標(biāo)改造。由于各地區(qū)水質(zhì)污染情況等各不相同，處理工藝導(dǎo)致處理水準(zhǔn)也不盡相同。本文通過對(duì)二級(jí)處理工藝的介紹及對(duì)比分析，包括MBR工藝、CASS及AAO工藝，結(jié)合當(dāng)?shù)氐目陀^條件及實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的工藝流程改造模式，達(dá)到對(duì)目標(biāo)污水的預(yù)處理、以及對(duì)污水深度處理等工藝階段，解決工業(yè)廢水和生活污水污染的問題。

【關(guān)鍵詞】污水廠改造；二級(jí)處理；工藝；對(duì)比分析

通過對(duì)工程項(xiàng)目背景的介紹與分析，深入了解了目前遜克縣污水基本的情況及現(xiàn)狀，從而引出我們亟需要進(jìn)行改善的原因；對(duì)于此次污水廠如何改善的對(duì)策，我們根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合總體思路和改善原則，對(duì)現(xiàn)有處理設(shè)施進(jìn)行分析后制定了新建二級(jí)處理設(shè)施的方案，文中提出三種常用工藝流程，并逐一分析、優(yōu)比論證，選擇最適合的工藝對(duì)遜克縣污水處理廠進(jìn)行改造。

1、工程背景

遜克縣污水處理廠接納的污水由生活污水和工業(yè)廢水兩部分組成。其中生活污水按照綜合生活用水定額預(yù)測，工業(yè)廢水根據(jù)工業(yè)用地用水指標(biāo)確定。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》、《遜克縣邊疆鎮(zhèn)污水管網(wǎng)工程可行性研究報(bào)告》，遜克縣綜合生活用水定額（最高日）取160L/（人·d），日變化系數(shù)1.2；污水收集率按遠(yuǎn)期（2030年）考慮取90%。按照《遜克縣邊疆鎮(zhèn)總體規(guī)劃》人口規(guī)模預(yù)測，2015年遜克縣人口達(dá)到4.5萬人，2020年人口規(guī)?？蛇_(dá)5.1萬人，2030年人口規(guī)模可達(dá)6.5萬人。根據(jù)污水量預(yù)測可以看出，現(xiàn)狀污水量約6600m3/d，至2020年污水量約7600m3/d，至遠(yuǎn)期2030年，污水量約9800m3/d。

2、二級(jí)處理方案論證

根據(jù)總體改造原則和思路，本次改造項(xiàng)目二級(jí)處理工藝首先需要充分利用現(xiàn)有處理設(shè)施，現(xiàn)有設(shè)施處理能力不足的部分利用新建的二級(jí)處理設(shè)施處理，現(xiàn)有和新建處理設(shè)施并行聯(lián)合運(yùn)行達(dá)到處理要求。

2.1污水處理廠原有設(shè)施利用方案論證

遜克縣現(xiàn)有污水處理廠污水處理主工藝采用曝氣生物濾池（BAF）工藝，該工藝是一種發(fā)展較快的新型污水生物處理技術(shù)，根據(jù)水質(zhì)及使用條件的不同，該工藝可運(yùn)用于目標(biāo)污水的預(yù)處理、以及污水二級(jí)或深度處理等工藝階段。

2.2 新增二級(jí)處理簡介

根據(jù)本次改造原則，二級(jí)處理工藝需要采用具有脫氮除磷功能的生物處理工藝。生物脫氮除磷工藝都包含厭氧、缺氧、好氧三個(gè)不同過程的交替循環(huán)。傳統(tǒng)的工藝有活性污泥法工藝和生物膜法工藝，隨著膜技術(shù)的發(fā)展和完善，膜生物反應(yīng)器（MBR）開始引入城市污水及工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。每種工藝各有其特點(diǎn)，都可以作為遜克縣污水處理廠的改造工藝。

從處理效果來看，以上工藝系列均可滿足處理要求，但每種處理工藝均各有側(cè)重，在工程特點(diǎn)、使用范圍和適用條件上還是存在一定的差別?？紤]到生物膜法預(yù)處理要求高，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜，所以本次改造項(xiàng)目新建構(gòu)筑物不采用生物膜法處理工藝，結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)先行性的客觀要求和東北地區(qū)的項(xiàng)目案例，本工程擬對(duì)MBR工藝、活性污泥法中的AAO工藝、CASS工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.2.1 MBR工藝

MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor），是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，可將膜生物反應(yīng)器分為外置式和浸沒式。

反應(yīng)器不同于在生物反應(yīng)和沉淀后采用的膜法深度處理，在外置式系統(tǒng)中，膜完全獨(dú)立于生物反應(yīng)器，進(jìn)水進(jìn)入含有微生物的生物反應(yīng)器中，混合液被泵送入環(huán)路中的膜單元，滲透液排放，截留液回流至反應(yīng)池，限制膜操作的膜驅(qū)動(dòng)壓力和錯(cuò)流速率均由泵產(chǎn)生。

浸沒式系統(tǒng)的不同之處是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行分離而無需環(huán)路，膜驅(qū)動(dòng)壓力由高于膜的水頭提供。MBR膜有具獨(dú)特結(jié)構(gòu)的MBR平片膜，其占地面積小、智能化程度高和簡便操作的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了水處理系統(tǒng)固態(tài)和液體分離的能力，使水質(zhì)處理能力和容積負(fù)荷都有相當(dāng)程度上的增強(qiáng)作用，其再生水則可直接作為新生水源循環(huán)利用。典型的MBR膜生物反應(yīng)工藝見圖1。

2.2.2 CASS工藝

循環(huán)式活性污泥法工藝（Cyclic Activated Sludge System）簡稱CASS工藝，是間歇式活性污泥法的一種先進(jìn)變型，是目前國際上較多地應(yīng)用于大中型污水處理廠的間歇運(yùn)行的活性污泥法工藝。由于循環(huán)式活性污泥法工藝按照“注水-排水”以及“曝氣-非曝氣”順序完成處理過程，因此屬于序批式活性污泥法的一種變型工藝，CASS工作原理如圖2。

與傳統(tǒng)序批式SBR工藝不同，在循環(huán)式活性污泥法中，通過設(shè)置選擇器可以允許以任意進(jìn)水速率進(jìn)水而不會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹，故無需如傳統(tǒng)序批式SBR工藝設(shè)置進(jìn)水貯水池。通過嚴(yán)格控制溶解氧濃度可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，故無需設(shè)置缺氧攪拌階段。

其主要缺點(diǎn)：對(duì)自動(dòng)控制的依賴程度高；風(fēng)機(jī)動(dòng)力效率較低；由于變水頭運(yùn)行與后續(xù)深度處理構(gòu)筑物（如絮凝沉淀、過濾等）銜接困難。

2.2.3 AAO工藝

AAO工藝即厭氧（Anaerobic）-缺氧（Anoxic）-好氧（Oxic）活性污泥法。是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的一種污水處理新技術(shù)，是在厭氧/好氧除磷系統(tǒng)和缺氧/好氧脫氮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的。即將兩個(gè)系統(tǒng)組合起來，使污水經(jīng)過厭氧、缺氧及好氧三個(gè)生物處理過程，達(dá)到同時(shí)去除BOD5、磷及氮的目的。

目前，AAO工藝處理城市污水已在我國多個(gè)城市污水處理廠運(yùn)用，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。該工藝對(duì)污水處理有比較理想的效果，一般均能保持BOD590%的去除率，對(duì)氨氮、總氮、總磷的去除率也能保持在85%，AAO工藝流程框圖如圖3。

厭氧、缺氧和好氧活性污泥法生物脫氮由硝化與反硝化作用兩個(gè)生物反應(yīng)過程組成。

硝化作用指在好氧條件下，硝化菌將氨氮氧化成硝態(tài)氮（NO3-）的過程，硝化菌有強(qiáng)烈的好氧性，且對(duì)pH值的變化十分敏感，在硝化過程中，要將1克氮完全氧化成硝態(tài)氮，需要4.57克氧和7.1克堿度（以CaCO3計(jì)）。另外，由于硝化菌是一類自養(yǎng)型菌，與降解有機(jī)物（BOD5）的異養(yǎng)型菌相比，繁殖速度較慢，要使其在硝化過程中有良好的生長環(huán)境，必須適當(dāng)降低BOD5負(fù)荷，保持較長的污泥齡。

反硝化作用為異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在缺氧條件下將硝態(tài)氮還原成氮?dú)獾倪^程，其總反應(yīng)式為：4NO3- +5C（有機(jī)碳）+2H2O→2N2+5CO2+4OH-反硝化菌為異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在缺氧條件下將硝態(tài)氮還原成氮?dú)?，主要利用廢水中的有機(jī)碳作為電子供體。因此，在反硝化過程中，廢水中必須要提供足夠量的有機(jī)碳，才能保證反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

厭氧、缺氧和好氧活性污泥法生物除磷是通過厭氧、好氧交替變化的條件下進(jìn)行的。在厭氧環(huán)境，聚磷菌受到壓抑，將儲(chǔ)于體內(nèi)的聚磷酸鹽分解，并以溶解態(tài)單磷酸鹽的形式釋放出來。在聚磷菌釋磷和聚磷過程中，均伴有有機(jī)物的降解反應(yīng)，廢水中的磷通過排放富磷剩余污泥來去除。

2.3二級(jí)處理主工藝比選

從上表可以看出，從出水水質(zhì)的角度MBR工藝最為理想，但是MBR工藝對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求較CASS工藝和AAO工藝要高得多，膜系統(tǒng)的日常維護(hù)量較大，包括膜組件的定期反洗和每半年至一年的化學(xué)清洗， 其次MBR工藝經(jīng)濟(jì)性明顯低于其余比選工藝，一方面MBR膜組件本身價(jià)格昂貴，并且存在3～5年的使用壽命限制到期必須跟換，另一方面MBR工藝運(yùn)行費(fèi)用高，需要兩套曝氣系統(tǒng)，一套用于為生物系統(tǒng)曝氣，另一套用于對(duì)膜面的沖刷，同時(shí)明顯高于AAO工藝的外回流比設(shè)定帶來更大的能量消耗。因此本項(xiàng)目不建議采用MBR工藝。

與AAO工藝相比，CASS工藝的優(yōu)點(diǎn)在于省去了二沉池，因此CASS工藝流程簡單，占地面積小，投資較低。然而CASS工藝對(duì)水量的變化較敏感，進(jìn)水高峰時(shí)會(huì)超過單格反應(yīng)池上限，進(jìn)水量小時(shí)反應(yīng)池不能充分利用。盡管與SBR工藝相比有所改進(jìn)，CASS反應(yīng)池仍舊按曝氣、沉淀、排水和閑置四個(gè)階段根據(jù)時(shí)間依次進(jìn)行，對(duì)污水廠工作人員的素質(zhì)和自動(dòng)控制水平要求較高。從國內(nèi)CASS工藝運(yùn)行的實(shí)際效果來看，冬季低溫天氣和高海拔地區(qū)對(duì)CASS工藝的影響較大，尤其表現(xiàn)為脫氮效果不佳，這主要與異養(yǎng)菌相比，硝化菌比生長速率慢，對(duì)溫度更敏感，而曝氣的順序?yàn)橄妊趸袡C(jī)物而后進(jìn)行硝化作用，CASS間歇曝氣設(shè)置及沒有內(nèi)回流限制了脫氮必須的硝化和反硝化過程。雖然AAO工藝在冬季同樣面對(duì)微生物活性下降的問題，對(duì)此本工程對(duì)AAO反應(yīng)池設(shè)置了多點(diǎn)進(jìn)水模式，在脫氮效果不佳時(shí)讓部分進(jìn)水直接進(jìn)入缺氧區(qū)為反硝化提供充足的碳源，同時(shí)可以靈活的根據(jù)進(jìn)水條件調(diào)節(jié)內(nèi)外回流比，為脫氮除磷創(chuàng)造最優(yōu)條件。

根據(jù)上述理論對(duì)比和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本工程新增部分采用AAO作為二級(jí)處理工藝。

結(jié)語：

城鎮(zhèn)污水處理工藝應(yīng)根據(jù)處理的規(guī)模、水質(zhì)特點(diǎn)、周圍環(huán)境及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和目標(biāo)值，全方位比較以及進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查或檢測之后擇優(yōu)確定。如水質(zhì)構(gòu)成有復(fù)雜或特殊的情況，應(yīng)對(duì)污水處理工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，必要時(shí)需展開研究。在項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)，因根據(jù)實(shí)際情況，不斷地優(yōu)化工藝流程。以上分析結(jié)果，我們將在對(duì)遜克縣污水廠實(shí)際處理的過程中，進(jìn)行進(jìn)一步分析和總結(jié)，希望對(duì)處理其它污水廠有借鑒的作用。

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