濟(jì)南市某小區(qū)中水廠站改造工程實(shí)踐

李 辰， 李廣宏， 潘 軍， 周 凱， 黃青飛

(安徽舜禹水務(wù)股份有限公司，安徽合肥231131)

中水回用工程是目前解決水資源匱乏、實(shí)現(xiàn)污水回收利用的有效途徑[1]。針對(duì)不同的工況條件選擇合適的工藝方案，是污水處理、中水回用的重要因素。2012年4月12日，《國(guó)家節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)》的印發(fā)促進(jìn)了城市生態(tài)文明建設(shè)步伐，對(duì)建設(shè)加強(qiáng)節(jié)水型城市具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)城市用水效率的提高和城市中水項(xiàng)目的推廣具有極大的促進(jìn)作用。

濟(jì)南市水資源豐富，但過(guò)度開(kāi)采和低利用率導(dǎo)致水資源短缺的矛盾日益突出，某些泉水間歇斷?；蛲姟?shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)再生，提高水資源的利用率是解決濟(jì)南市水資源匱乏的有效途徑之一。目前，濟(jì)南市高層小區(qū)污水收集和處理工程以中水項(xiàng)目為主，很多中水站面臨著老舊廠站提標(biāo)改造的難題。如何有效提高出水指標(biāo)、減少基建投入、降低廠站后期運(yùn)行成本，成為中水廠站能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，污水能否持續(xù)循環(huán)回用的關(guān)鍵所在。

1 原中水站概況

1.1 工藝流程與設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

濟(jì)南市某小區(qū)中水站位于地下停車(chē)場(chǎng)內(nèi)，原有設(shè)計(jì)處理規(guī)模為200 m3/d。污水處理站采用“生物接觸氧化池+斜管沉淀池+機(jī)械過(guò)濾+活性炭過(guò)濾”的處理工藝，消毒采用二氧化氯，剩余污泥排至化糞池，工藝流程如圖1所示。

圖1 原中水站工藝流程Fig.1 Original process chart of the reclaimed water station

原廠站設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)(見(jiàn)表1)，出水作為小區(qū)綠化用水、道路保潔用水、道路噴灑降塵用水。

表1 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.1 Design quality of effluent

1.2 原廠站構(gòu)筑物

1.2.1 集水井

平面尺寸為3.0 m×2.0 m，有效水深為2.25 m，有效容積為13.5 m3。

機(jī)械細(xì)格柵柵寬B=0.4 m，柵條間隙b=3 mm，槽深H=3.2 m，安裝角度為70°，功率為0.5 kW。機(jī)械細(xì)格柵自帶柵渣筐，自動(dòng)收集固體雜質(zhì)并滲濾出雜質(zhì)中的部分水分后柵渣外運(yùn)處置。

一級(jí)提升泵型號(hào)為XWQ50-20-1200，設(shè)2臺(tái)，1用1備。性能參數(shù)如下：Q=20 m3/h，H=8 m，N=1.1 kW。

1.2.2 調(diào)節(jié)池

平面尺寸為5.2 m×3.8 m，有效水深為3.5 m，調(diào)節(jié)池有效容積為69.16 m3，設(shè)計(jì)流量調(diào)節(jié)時(shí)間為6.91 h。

二級(jí)提升泵型號(hào)為XWQ50-10-1200，設(shè)2臺(tái)，1用1備。性能參數(shù)如下：Q=10 m3/h，H=8 m，N=0.75 kW。

1.2.3 生物接觸氧化池

生物接觸氧化池平面尺寸為4.2 m×3.8 m，有效水深為3.5 m，總有效容積為55.86 m3，水力停留時(shí)間為5.58 h。選用彈性立體填料，填料填充率為85%。

在生物接觸氧化池好氧降解段中，通過(guò)曝氣系統(tǒng)將溶解氧控制在3 mg/L以上，曝氣設(shè)備采用鼓風(fēng)機(jī)和穿孔曝氣系統(tǒng)。

鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為GRB-50，設(shè)2臺(tái)，1用1備。性能參數(shù)如下：Q=3.21 m3/min，H=40.0 kPa，N=3.7 kW，n=1 600 r/min。

1.2.4 反應(yīng)沉淀池

設(shè)計(jì)采用斜板式沉淀池進(jìn)行固液分離，沉淀池平面尺寸為3.0 m×3.6 m，有效水深為3.2 m，水力停留時(shí)間為3.4 h。

反應(yīng)沉淀池中的污泥通過(guò)污泥泵排至化糞池，反應(yīng)沉淀池出水進(jìn)入中間水池。

設(shè)置污泥泵1臺(tái)，型號(hào)為XWQ40-8-1200-0.75，性能參數(shù)如下：Q=8 m3/h，H=8 m，N=0.75 kW。

1.2.5 中間水池

平面尺寸為0.8 m×3.6 m，有效水深為2.9 m，有效容積為8.35 m3，停留時(shí)間為0.83 h。

設(shè)置過(guò)濾設(shè)備進(jìn)水泵，型號(hào)為XWQ12-1200-2.2，共2臺(tái)，1用1備。性能參數(shù)如下：Q=12 m3/h，H=23 m，N=2.2 kW。深度回用水處理通過(guò)該進(jìn)水泵從中間水池吸水，進(jìn)入石英砂和活性炭過(guò)濾器，處理后出水進(jìn)入中水清水池，再通過(guò)回用水泵供應(yīng)至各個(gè)用水點(diǎn)。在中水清水池內(nèi)同時(shí)投加二氧化氯消毒，保證30 min后余氯大于1.0 mg/L、中水管網(wǎng)末端余氯大于0.2 mg/L。

石英砂機(jī)械過(guò)濾器：選用D1000過(guò)濾器1套，濾速為8 m/h。反沖洗周期為每累計(jì)工作16～24 h，反沖洗強(qiáng)度為16 L/(m2·s)，反沖洗時(shí)間為5 min。

活性炭吸附過(guò)濾器：選用D1000吸附器1套，濾速為8 m/h。反沖洗周期為每累計(jì)工作40～50 h，反沖洗強(qiáng)度為8 L/(m2·s)，反沖洗時(shí)間為15 min。

1.2.6 中水清水池

平面尺寸為3.8 m×3.5 m，有效水深為3.5 m，有效容積為46.55 m3。停留時(shí)間為4.65 h,過(guò)濾設(shè)備反沖洗水泵從該池內(nèi)吸水。

反沖洗水泵選用管道泵，型號(hào)為XWQ50-15-1400-4，設(shè)1臺(tái)。性能參數(shù)如下：Q=15 m3/h，H=32 m，N=4.0 kW。

消毒采用YF-100型二氧化氯發(fā)生器，以氯酸鈉和鹽酸為原料，采用化學(xué)法現(xiàn)場(chǎng)制作二氧化氯，及時(shí)使用，避免浪費(fèi)和危險(xiǎn)。設(shè)1臺(tái)，加氯量為100 g/h，功率為0.5 kW。

1.3 存在的主要問(wèn)題

① 生物接觸氧化池內(nèi)填料脫落嚴(yán)重，幾無(wú)正常菌群生長(zhǎng)，掛膜效果差。

② 以氯酸鈉和鹽酸為原料現(xiàn)場(chǎng)制作二氧化氯的方法比較復(fù)雜，所用化學(xué)藥品有一定危險(xiǎn)性，不宜在現(xiàn)場(chǎng)大量存放。

③ 原有污水深度處理工藝選擇石英砂機(jī)械過(guò)濾器和活性炭吸附過(guò)濾器，設(shè)備在安裝完成之后基本沒(méi)有正常運(yùn)行，過(guò)濾器內(nèi)部濾料板結(jié)嚴(yán)重，重新啟動(dòng)需要更換濾料或者設(shè)備，造價(jià)較高。此外，這2臺(tái)設(shè)備占地面積大，設(shè)備較多，反洗頻繁，操作控制復(fù)雜，維護(hù)量大，當(dāng)濾速變化頻繁時(shí)，出水SS會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

④ 由于污水收集量有限，因此原中水站設(shè)計(jì)規(guī)模偏大。原有儀器設(shè)備較多，裝機(jī)功率和運(yùn)行功率較高，采用市政用電直接導(dǎo)致后期運(yùn)維費(fèi)用的增加。

⑤ 原廠站出水難以達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。

2 改造原則與方法

2.1 改造原則

① 研究與分析現(xiàn)有污水處理站設(shè)計(jì)選型，對(duì)各種可行技術(shù)改造方案進(jìn)行比選，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的工藝。

② 改造方案應(yīng)盡可能減少對(duì)現(xiàn)有處理設(shè)施的影響。

③ 方案選擇應(yīng)考慮運(yùn)行管理的便捷性、運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約性。

④ 對(duì)不合理的地方進(jìn)行改造，以適應(yīng)新的處理要求和運(yùn)行控制要求。

⑤ 在滿足工藝要求的前提下，處理方案應(yīng)優(yōu)先考慮選用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備及技術(shù)，但要考慮設(shè)備選型的節(jié)能性。

2.2 方法與思路

該工程項(xiàng)目主控指標(biāo)為NH3-N、BOD5和SS，改造方案主要圍繞這些關(guān)鍵指標(biāo)和后期運(yùn)維費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 NH3-N指標(biāo)

《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求出水NH3-N不大于10 mg/L，根據(jù)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)類似的處理廠站的調(diào)研資料，NH3-N的去除可通過(guò)延長(zhǎng)好氧區(qū)生化停留時(shí)間、增加生物填料、提高M(jìn)LVSS等方式實(shí)現(xiàn)[2]。

應(yīng)業(yè)主方要求，在確保達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上盡量降低氮、磷等其他污染指標(biāo)，綜合原有的生化池有較大的空間余量。因此，改造中對(duì)原生物接觸氧化池進(jìn)行分區(qū)，采用A2/O處理工藝，分別營(yíng)造厭氧、缺氧、好氧環(huán)境，從而保證在氨氮達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低TN、TP[3]。

2.2.2 BOD5指標(biāo)

改造中采用的A2/O工藝有較長(zhǎng)的水力反應(yīng)時(shí)間，對(duì)一般污染物濃度不太高、含難降解性有機(jī)物較少的污水，能實(shí)現(xiàn)較高的有機(jī)物去除率，生化段后的深度處理單元進(jìn)一步保障了出水BOD5穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.2.3 SS指標(biāo)

對(duì)于SS，主要采用過(guò)濾去除。依據(jù)污水處理站的現(xiàn)狀，保留原工藝中的斜管沉淀池，廢除原工藝中的機(jī)械過(guò)濾和活性炭過(guò)濾，將斜板沉淀池后的中間水池改造為浸沒(méi)式微濾池[4-5]。不僅簡(jiǎn)化了污水處理流程，避免了過(guò)濾設(shè)備的反沖洗等運(yùn)行管理，還能保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.2.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

改造嘗試采用光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[6]，在市政用電提供水處理電能之外，增設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并配置蓄電池以確保一定時(shí)間的儲(chǔ)電功能。優(yōu)先使用光伏發(fā)電，在持續(xù)陰雨天氣光伏發(fā)電不能滿足電能需求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至市政用電，確保水處理系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性。

3 具體實(shí)施方案

3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

由于進(jìn)水水質(zhì)不明，因此進(jìn)水水質(zhì)參照《華北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南》和《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見(jiàn)稿)設(shè)計(jì)。同時(shí)，參考國(guó)內(nèi)多個(gè)農(nóng)村生活污水處理工程的實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)，綜合餐廚廢水、化糞池出水、洗浴廢水、地下水入滲等，設(shè)計(jì)本工程生活污水的進(jìn)水指標(biāo)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Designed quality of influent

出水水質(zhì)按照《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)綠化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

3.2 預(yù)處理工段

中水站原有預(yù)處理采用“機(jī)械細(xì)格柵+調(diào)節(jié)池”工藝，能滿足改造后水處理要求，本次不對(duì)其進(jìn)行改造。

3.3 生化處理工段

原中水站生化處理采用生物接觸氧化池工藝，彈性立體填料，曝氣采用鼓風(fēng)機(jī)和穿孔曝氣系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)水量校核，確定改造后廠站的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為50 m3/d。將原有的生物接觸氧化工藝改造為A2/O工藝，將穿孔曝氣系統(tǒng)改為管式曝氣，將內(nèi)部填料更換為高效生物復(fù)合填料。采用A2/O工藝可以提高系統(tǒng)的脫氮除磷能力，保證出水達(dá)標(biāo)。

3.4 深度處理工段

經(jīng)過(guò)二級(jí)生化處理工藝后，大部分污染物被去除。但考慮各種條件的限制，污水處理站出水全面穩(wěn)定達(dá)標(biāo)尚有一定困難，需要對(duì)二級(jí)生化出水再進(jìn)行處理，以滿足最后的出水要求。

改造中考慮采用膜處理工藝，目前常采用壓力式超濾膜或浸沒(méi)式超濾膜，其過(guò)濾孔徑一般小于0.1 μm，可確保出水SS達(dá)到5 mg/L、濁度在0.1 NTU以下，一般用于有回用水要求的水處理。采用浸沒(méi)式微濾膜工藝作為深度處理，將原工藝中的中間水池改造為膜池，廢除原有的石英砂機(jī)械過(guò)濾器、活性炭吸附過(guò)濾器和配套的過(guò)濾設(shè)備，例如進(jìn)水泵、反沖洗水泵、配套管線等。增加1臺(tái)抽吸泵，斜管沉淀池出水進(jìn)入浸沒(méi)式微濾池，經(jīng)過(guò)微濾膜過(guò)濾后通過(guò)抽吸泵送至中水清水池。改造充分利用了現(xiàn)有的構(gòu)筑物，不需要額外進(jìn)行土建施工，降低了工程投資。

3.5 消毒工藝

改造中考慮采用次氯酸鈉消毒，用加藥桶和計(jì)量泵對(duì)藥品進(jìn)行定量精準(zhǔn)投加，保證出水總余氯和總大腸菌群達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 污泥處置

污水處理站原設(shè)計(jì)將斜板沉淀池底部污泥通過(guò)污泥提升泵運(yùn)送至化糞池，保持原污泥處理系統(tǒng)不變。此外，改造中采用A2/O工藝，需要增加部分污泥回流，因此將輸送至化糞池的污泥部分回流至生化段的厭氧池。

3.7 改造后的工藝路線

① 對(duì)現(xiàn)有的生物接觸氧化池進(jìn)行改造，將其改造為A2/O池，并將原有的穿孔曝氣系統(tǒng)改為管式曝氣系統(tǒng)。

② 廢除原有的石英砂機(jī)械過(guò)濾器、活性炭吸附過(guò)濾器和配套的過(guò)濾設(shè)備，例如進(jìn)水泵、反沖洗水泵、配套管線等。

③ 將現(xiàn)有的中間水池改成浸沒(méi)式微濾池，增加1臺(tái)抽吸泵及配套管線。

④ 廢除二氧化氯發(fā)生器，增加1套次氯酸鈉投加系統(tǒng)。

⑤ 更換水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備及配套管線。

⑥ 對(duì)總體管線布置進(jìn)行調(diào)整。

維持現(xiàn)有構(gòu)筑物高程不變，格柵井出水經(jīng)一級(jí)提升泵提升后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，經(jīng)二級(jí)提升泵提升后進(jìn)入A2/O生化池。生化池出水由管道底部進(jìn)入斜板沉淀池，經(jīng)過(guò)斜板上清液由頂部堰口進(jìn)入浸沒(méi)式微濾池，微濾膜過(guò)濾后經(jīng)抽吸泵進(jìn)入中水清水池，消毒后由回用水泵供應(yīng)至各個(gè)用水點(diǎn)。改造后的中水站工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后中水站工藝流程Fig.2 Process chart of the reclaimed water station after renovation

3.8 改造后的構(gòu)筑物情況

根據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行校核，原設(shè)計(jì)中的機(jī)械細(xì)格柵、調(diào)節(jié)池斜板沉淀池和消毒清水池均可以滿足新條件下的處理要求，不做設(shè)計(jì)調(diào)整。

3.8.1 A2/O池

廠站原設(shè)計(jì)生物接觸氧化池為單一結(jié)構(gòu)池體，采用底部穿孔曝氣系統(tǒng)。該工程將原有的生物接觸氧化工藝改造為A2/O工藝，將穿孔曝氣系統(tǒng)改為管式曝氣系統(tǒng)，既提高了脫氮除磷能力，又提高了曝氣效率，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

根據(jù)現(xiàn)有情況對(duì)池體進(jìn)行改造，在原池體內(nèi)增設(shè)隔墻(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))，并根據(jù)設(shè)計(jì)需要提前預(yù)埋套管。

將原有曝氣系統(tǒng)全部拆除，再根據(jù)不同區(qū)域的需求在池底重新布置曝氣管。

表3 生化池參數(shù)Tab.3 Parameters of biochemical pool

3.8.2 浸沒(méi)式微濾池

直接將原設(shè)計(jì)中間水池作為浸沒(méi)式微濾池，平面尺寸為0.8 m×3.6 m，有效水深為3.5 m，拆除原池中的過(guò)濾設(shè)備進(jìn)水泵，增加抽吸泵。安裝曝氣系統(tǒng)，對(duì)膜組件進(jìn)行空氣擦洗，防止膜污染。

3.8.3 消毒裝置

拆除現(xiàn)有的二氧化氯發(fā)生器，新增次氯酸鈉加藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確投加。

3.8.4 管線

根據(jù)改造工程實(shí)施狀況，敷設(shè)各專業(yè)管線，拆除原有廢除管線并修復(fù)損壞管線。改造后的主要處理構(gòu)筑物情況見(jiàn)表4。

表4 主要處理構(gòu)筑物Tab.4 Main treatment structures

4 運(yùn)行效果

4.1 出水水質(zhì)

項(xiàng)目改造完成后已運(yùn)行一年多，并完成項(xiàng)目驗(yàn)收。其出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)要求，浸沒(méi)式微濾膜通過(guò)自控設(shè)置定期氣洗和離線藥洗。實(shí)踐表明，改造不僅達(dá)到回用水的要求，更對(duì)其中氮、磷等污染物實(shí)現(xiàn)了針對(duì)性的去除。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后中水站每小時(shí)處理水量為2.5 m3，每天運(yùn)行24 h，日處理水量為50 m3。

4.2.1 電費(fèi)

根據(jù)裝機(jī)容量(8.79 kW)、運(yùn)行容量(5.84 kW)、運(yùn)行時(shí)間(24 h/d)和電價(jià)(0.54元/kW·h)，計(jì)算得到每年的電費(fèi)支出為75.69元。改造后采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可節(jié)省電費(fèi)27 625.5元。

4.2.2 藥劑費(fèi)與人工費(fèi)

次氯酸鈉投加量為0.3 g/m3(以有效氯計(jì))，每天需投加藥劑15 g，需要10%濃度的次氯酸鈉溶液150 g，藥劑費(fèi)總計(jì)1.5元/d。

中水處理系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，無(wú)需專人管理，僅需1個(gè)管理人員兼職即可，人工費(fèi)為20元/d。計(jì)算得出每噸水的藥劑和人工費(fèi)成本為0.43元。

4.2.3 節(jié)省的水費(fèi)

按自來(lái)水單價(jià)4.35元/m3計(jì)算，每噸中水可節(jié)省3.92元的自來(lái)水費(fèi)支出，每天可節(jié)省196.0元。中水站的改造和實(shí)施運(yùn)營(yíng)，一方面避免了小區(qū)生活污水排放對(duì)環(huán)境的危害；另一方面，經(jīng)中水站處理后的水可作為小區(qū)綠化澆灌用水，提高了水資源的利用率，每年可節(jié)約市政用水量18 250 m3，節(jié)省水費(fèi)約10.26萬(wàn)元。光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用使中水站的運(yùn)行成本大大降低，每年可節(jié)約市政用電量約51 158.4 kW，節(jié)省電費(fèi)約2.76萬(wàn)元，具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

① 在不破壞原有中水站土建基礎(chǔ)的條件上，采用“A2/O+浸沒(méi)式微濾膜”工藝代替原有的“生物接觸氧化池+機(jī)械過(guò)濾+活性炭過(guò)濾”工藝。既保證了出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時(shí)針對(duì)性地去除了氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物，取得了省投資、提水質(zhì)的雙重效果。

② 將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到城市小區(qū)中水項(xiàng)目，拓寬了中水站改造的新思路，大大節(jié)省了廠站后期運(yùn)行費(fèi)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和一定的推廣價(jià)值。