BMR反應(yīng)器與絮凝技術(shù)在雨水泵站排水應(yīng)急設(shè)施工程中的應(yīng)用

賈蒙蒙，徐 旭，任天奇，劉 月，趙 嬙，彭 程

(北京博匯特環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，北京 100102)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的不斷加快，市政工程的建設(shè)重要性也在不斷的提升[1]。

城市排水系統(tǒng)是處理和排除城市污水和雨水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是城市公用設(shè)施的重要組成部分[2]。隨著城市擴張，增加了城市匯水區(qū)徑流總量和老管網(wǎng)的排水負(fù)荷，而泵站和蓄水池的建設(shè)在防汛、灌溉、抗旱減災(zāi)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市內(nèi)澇防治等方面都發(fā)揮著重要作用[3]。在城市排水系統(tǒng)管道中，合流制和分流制是目前普遍采用的排水管道類型[4]。我國31省市區(qū)分布著合流制排水管道，但是超過70%的城市存在合流制污水溢流污染(CSO)問題，造成污水處理廠瞬時流量劇增，超負(fù)荷運行。由于季節(jié)性、來水異常等因素的影響，尤其是降雨天，初雨及中后期雨水的COD、SS濃度波動大，不僅增加了污水提升泵站能耗，還帶來溢流風(fēng)險[5]。在我國河道治理過程中，泵站放江導(dǎo)致受納河道區(qū)域性黑臭的問題也日益嚴(yán)重，已成為河道的主要污染源之一[6]。目前，91%的地區(qū)采取的解決方案是建設(shè)完全分流制，增加污水管道CCTV，在線修補設(shè)備；9%的地區(qū)采取的解決方案是建設(shè)完全合流制的管線，增加存儲池、高密度沉淀池等。而國外主要采用管理手段和控制雨洪的方式解決雨水放江問題，對污染物消減的控制也少有研究[7]，因此，如何在短時間內(nèi)對雨污水外排污染物的源頭進行處理與控制，解決CSO問題已成為我國亟待解決的水污染問題。

本工程由于現(xiàn)有雨水泵站不能滿足收納周邊雨污合流廢水，為了進一步達到水污染防治目標(biāo)，改善周邊水環(huán)境，因此，需進一步加快推進雨水泵站排水應(yīng)急凈化設(shè)施項目建設(shè)工作，采取切實有效的治理措施，降低泵站排水對周邊水體的污染，從而改善周邊水體的水質(zhì)。

本工程由于受場地(占地有限、不規(guī)則、項目部分所占地為涵洞頂部、不適宜開挖)、工期及財政資金等諸多因素的限制，短期內(nèi)建設(shè)常規(guī)污水處理廠基本不可能實現(xiàn)。采用短期內(nèi)應(yīng)急處理，同時不斷推進截污納管，最終實現(xiàn)雨污分流，是解決泵站污水溢流、改善河道水環(huán)境質(zhì)量的必由之路。因此，雨水泵站排水應(yīng)急凈化設(shè)施項目十分必要，勢在必行。本工程作為環(huán)境保護項目，它的建設(shè)對當(dāng)?shù)亟值牢廴矩?fù)荷的削減和區(qū)域環(huán)境改善所起作用是顯而易見的，還可為類似污水處理的工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本項目雨水泵站兩岸有居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等，項目區(qū)段主要收納周邊雨污合流廢水，污水以生活污水為主，而所配套的污水廠遠不能滿足其水量要求。尤其合流制系統(tǒng)在雨天或者進水高峰期，由于匯集的水量大，不可避免會造成溢流現(xiàn)象，無法完成污染物的輸出、轉(zhuǎn)移和凈化作用，導(dǎo)致污染物嚴(yán)重積累且惡性循環(huán)，水質(zhì)惡化并產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象，嚴(yán)重影響河道水體的功能和水生態(tài)系統(tǒng)的完整性，且河道流經(jīng)居民區(qū)，嚴(yán)重影響周邊的生活環(huán)境。

綜合考慮本項目的地質(zhì)條件、施工周期、運行年限、處理規(guī)模、占地面積、進出水水質(zhì)等條件，本工程設(shè)計采用“BMR反應(yīng)器+高密度沉淀器”主體工藝，新建應(yīng)急設(shè)備解決泵站溢流及水質(zhì)凈化問題，達到排水應(yīng)急設(shè)施的要求。其中，BMR反應(yīng)器采用搪瓷拼裝罐體，高密度沉淀器采用鋼制結(jié)構(gòu)一體化設(shè)備，纖維轉(zhuǎn)盤過濾器采用一體化設(shè)備。整套處理系統(tǒng)具有施工周期短、占地面積小、建設(shè)投資低等特點，可保證處理系統(tǒng)盡早投入運行。

本工程范圍包括從泵站收集點開始到應(yīng)急處理設(shè)備排放口為止的設(shè)備、管道及電氣自控等，含提升泵及管道、出口管道。場地由業(yè)主提供，污水工程的動力配線由業(yè)主將主電引至污水工程的電氣室。

2 設(shè)計基礎(chǔ)

2.1 設(shè)計進出水水質(zhì)

本工程污水處理規(guī)模為15 000 t/d，屬新建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施項目，出水主要指標(biāo)需滿足《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)；又因本項目處理后污水最終排放入汾江河，出水主要指標(biāo)還需滿足《汾江河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 44/1366—2014)。因此，本工程設(shè)計進出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.1 Design Influent and Effluent Water Quality

2.2 工藝流程

該污水處理廠污水中BOD5/CODCr≈0.28<0.3，污水可生化性較差，因此，設(shè)置BMR反應(yīng)器，輔以聚氨酯發(fā)泡生物填料，通過填料上的生物膜，提高生化反應(yīng)池內(nèi)的活性生物量，以提高污水可生化性。對于磷的去除，可通過BMR反應(yīng)器進行生物除磷，但由于生物除磷的效率有限，無法實現(xiàn)生化系統(tǒng)出水TP直接達到排放標(biāo)準(zhǔn)，通過化學(xué)除磷輔助予以去除。依據(jù)該項目污水水質(zhì)分析，以及本項目對污水處理程度的要求，最終確定采用“轉(zhuǎn)鼓過濾機+BMR反應(yīng)器+高密度沉淀器+纖維轉(zhuǎn)盤過濾器”工藝對污水進行處理。其中：對SS去除進行全流程控制，具有SS去除功能的單元包括BMR反應(yīng)器、高密度沉淀器、纖維轉(zhuǎn)盤過濾器；對BOD5去除主要由主生化處理單元BMR反應(yīng)器完成；對具有CODCr去除功能的單元包括BMR反應(yīng)器、高密度沉淀器、纖維轉(zhuǎn)盤過濾器；對具有NH3-N去除功能的單元為BMR反應(yīng)器；工藝流程中具有TP去除功能的單元包括BMR反應(yīng)器和高密度沉淀器，BMR反應(yīng)器以生物除磷為主，高密度沉淀器以化學(xué)除磷為主。由于本項目進出水水質(zhì)不考核TN，除磷主要是通過生物除磷以及在高密度沉淀器投加藥劑去除，加上項目占地有限及占地面積不規(guī)則，本項目采用2座好氧BMR反應(yīng)器。

工藝流程如圖1所示。雨水泵站粗格柵后的污水經(jīng)提升泵提升進入轉(zhuǎn)鼓過濾機(作細(xì)格柵用)，進一步去除水中漂浮物及細(xì)小顆粒懸浮物。出水自流進入BMR反應(yīng)器，CODCr、BOD5、NH3-N、SS及TP通過填料吸附及其表面附著生長的微生物代謝作用得到有效去除。出水自流進入高密度沉淀器，通過投加NFSSS納米絮凝劑使得CODCr、SS和TP進一步被去除，而后出水自流進入纖維轉(zhuǎn)盤過濾器，目標(biāo)污染物數(shù)值得到有效控制，出水消毒后達標(biāo)排放。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Process Flow

轉(zhuǎn)鼓過濾機產(chǎn)生的柵渣外運，BMR反應(yīng)器和高密度沉淀器產(chǎn)生的剩余污泥和纖維轉(zhuǎn)盤過濾器反沖洗排水均進入污泥儲池進行暫存、重力濃縮，通過進料泵將污泥打進板框壓濾機中進行脫水，最終泥餅交由有污泥處置資質(zhì)的單位外運處置。

2.3 BMR系統(tǒng)

BMR系統(tǒng)是以生化反應(yīng)器為主，輔以多組附加模塊的集成系統(tǒng)，其包括預(yù)處理、生化處理、深度處理及污泥處理等過程。該系統(tǒng)針對中小規(guī)模的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠及應(yīng)急污水處理站進行研發(fā)。采用搪瓷罐拼裝罐體，其反應(yīng)主體不受厭氧、缺氧、好氧條件的限制，可設(shè)集成模塊化的沉淀模塊置于好氧反應(yīng)池內(nèi)。罐體形式可獨立設(shè)置，也可采用大環(huán)套小環(huán)的結(jié)構(gòu)形式。

BMR系統(tǒng)原理主要以AAO工藝為主體，輔以特殊生物填料，形成活性污泥法與生物接觸氧化法相結(jié)合的生化處理系統(tǒng)，提高污染物去除效率和抗負(fù)荷沖擊能力。BMR一體化裝置保留傳統(tǒng)AAO或MBBR生化工藝的穩(wěn)定可靠性，用于BOD5、CODCr、NH3-N、TN等污染物的去除，并能滿足包括嚴(yán)格的營養(yǎng)物限制在內(nèi)的不同出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

BMR一體化系統(tǒng)特點如下。(1)工藝靈活性：可以根據(jù)項目要求靈活選擇工藝。(2)質(zhì)量可靠性：基材采用專用鋼板，涂層形成惰性保護層，使用壽命可達到30年以上。(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：預(yù)制板通過螺栓連接，強度遠大于焊接結(jié)構(gòu)；預(yù)制板之間連接處采用專業(yè)防水膠進行密封。

2.4 NFSSS絮凝劑

NFSSS是具有一定黏性的液態(tài)復(fù)合型納米絮凝劑，可一步稀釋，操作簡便；無需單獨反應(yīng)器，節(jié)省基建成本；反應(yīng)時間短，絮凝效果好；節(jié)省沉淀時間，增大處理負(fù)荷；安全性高，對活性污泥無影響；具有輔助除磷功能。

NFSSS新型高效納米復(fù)合絮凝劑是一種基于納米技術(shù)的高科技廢水處理藥劑，通過利用金屬氧化物納米顆粒與特殊電荷有機載體結(jié)合，形成的以無機納米鐵為基礎(chǔ)材料的高效納米復(fù)合絮凝劑。其在極低劑量的條件下仍然具有高效的絮凝沉降速率，遙遙領(lǐng)先于市場上現(xiàn)有的傳統(tǒng)絮凝劑。

NFSSS絮凝劑的吸附電中和、網(wǎng)捕架橋作用，對活性污泥菌膠團的形態(tài)有影響；NFSSS絮凝劑的投加可使污泥被截留，產(chǎn)生較少的污泥流失，污泥膨脹也可逐步改善；污泥沉降時間也可由30～60 min降至1～10 min，使高密度沉淀器負(fù)荷得到提升，進而提升總體處理規(guī)模；NFSSS絮凝劑特別適用于污水處理廠提高負(fù)荷以及夏季由于CSO導(dǎo)致的系統(tǒng)不達標(biāo)難題。

NFSSS新型高效納米復(fù)合絮凝劑的工程應(yīng)用場景及案例如表2所示。

表2 NFSSS的工程應(yīng)用場景及案例Tab.2 Engineering Application Scenarios and Cases of NFSSS

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

3.1 預(yù)處理單元

(1)提升泵站與格柵

1座，利用原雨水泵站格柵、進水泵房及集水池。新增進水流量計1臺，量程為0～800 m3/h；提升泵2臺，1用1備，流量為625 m3/h，功率為55 kW。

(2)轉(zhuǎn)鼓過濾機

1套，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備，置于2座BMR反應(yīng)器中間走道板位置，其中最大過流量為912 m3/h，格柵間隙為2.5 mm，功率為1.1 kW。

3.2 BMR反應(yīng)器

2座，反應(yīng)器尺寸為φ14.51 m×9.0 m，材質(zhì)為合金專用鋼板，搪瓷雙面鍍層，內(nèi)部設(shè)有聚氨酯發(fā)泡填料。曝氣系統(tǒng)和出水裝置2臺，繞絲篩管2套以及雙曲面攪拌器2套，功率為5.5 kW；反應(yīng)器還配有工作橋和旋轉(zhuǎn)爬梯。

3.3 高密度沉淀器

1套，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備、配套支撐，主體碳鋼防腐，反應(yīng)器有效水深為6.6 m，分為絮凝區(qū)φ6.0 m×6.95 m，停留時間為17.9 min；推流過度區(qū)φ6.8 m×6.95 m，停留時間為23.0 min；沉淀緩沖區(qū)φ8.4 m×6.95 m，沉淀區(qū)φ12.5 m×6.95 m，停留時間為77.7 min。絮凝區(qū)配有中心導(dǎo)流筒1套，絮凝攪拌器1套，電機功率為11 kW，絮凝劑投加環(huán)1套；沉淀區(qū)設(shè)有斜管填料，斜管上流速為10.14 m3/(m2·h)，上部出水配有出水堰板及澄清水槽；反應(yīng)器還配有刮泥機1套，直徑φ9 m，功率為1.5 kW；回流污泥泵2臺，1用1備，流量為40 m3/h，揚程為20 m，功率為7.5 kW；氣動隔膜泵1臺，流量為15～20 m3/h，氣源壓力為0.8 MPa，氣量為2 m3/min；以及工作橋和旋轉(zhuǎn)爬梯。

3.4 過濾裝置

纖維轉(zhuǎn)盤過濾器1套，處理能力為625 m3/h，濾速≤10 m3/(m2·h)，有效過濾面積為92.4 m2。主體304不銹鋼，成套供貨，含過濾系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、箱體、控制箱等，驅(qū)動電機功率為1.5 kW。

3.5 輔助單元

加藥間1座，彩鋼房結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)有碳源藥劑投加系統(tǒng)、除磷藥劑投加系統(tǒng)、絮凝劑投加裝置、消毒劑投加裝置。

當(dāng)來水CODCr低于60 mg/L時，需補充碳源，碳源藥劑投加量為0.60 t/d，除磷藥劑投加量為0.74 t/d，絮凝劑投加量為0.30 t/d，消毒劑投加量為0.05 t/d。

污泥脫水間1座，彩鋼房結(jié)構(gòu)，本污水處理最大干污泥量為1 290.47 kg/d，設(shè)有廂式板框壓濾機1臺，過濾面積為100 m2，過濾壓力≤0.8 MPa，功率為6.2 kW；洗布泵(立式多級離心泵)1臺，流量為12 m3/h，揚程為363 m，功率為(11+11) kW；清洗水箱1臺，容積為3 m3，配套磁翻板液位計；空壓機1臺，排氣量為1.65 m3/h，排氣壓力0.8 MPa，功率為11 kW；吹脫氣罐為2 m3，承壓為0.8 MPa，氣源壓力為0.8 MPa；冷干機1臺，處理氣量為1.6 Nm3/min，功率為0.585 kW；其他還配套PLC控制柜、動力柜、電動單梁起重機及閥門等。

鼓風(fēng)機房1座，內(nèi)部設(shè)有鼓風(fēng)機2臺，流量為35 m3/min，功率為55 kW，附帶配套控制箱。

污泥除臭設(shè)施1套，包括低溫等離子除臭設(shè)備，處理能力為5 000 Nm3/h，功率為2.2 kW；風(fēng)機1臺，功率為5.5 kW；煙囪1臺，尺寸φ450 mm×12 000 mm。

水質(zhì)檢測間1座，內(nèi)部設(shè)有取樣泵(單相漩渦自吸泵)1臺，流量為1 m3/h，揚程為15 m，功率為0.37 kW；COD在線分析儀1臺，測量范圍為0～100 mg/L；NH3-N在線分析儀1臺，測量范圍為0～10 mg/L；TP在線分析儀1臺，測量范圍為0～1 mg/L；TP在線分析儀1臺，測量范圍為0～1 mg/L，輸出4～20 mA；數(shù)據(jù)采集儀1臺，功率為0.09 kW。

4 工程設(shè)計特點分析

(1)本項目雨水泵站在汛期時進水水質(zhì)也會受到一定影響：一是部分泥沙隨地面排水進入管道，導(dǎo)致有機物含量降低；二是稀釋作用，導(dǎo)致污染物負(fù)荷降低[8]。

在達標(biāo)出水要求前提下，高密度沉淀器起著關(guān)鍵作用，進水水質(zhì)中的SS是影響高密度沉淀器運行的主要因素。若高密度沉淀器受上游污水裝置非正常排污沖擊，則造成污泥上浮、解體、污泥細(xì)碎、沉降性能差，導(dǎo)致二沉池排泥，大量污泥進入高密度沉淀器，使泥水不能有效分離，高密度沉淀器出水渾濁[9]。高密度沉淀器由于其絮凝沉淀作用，對SS、CODCr、TP也有一定的去除效果[9]，為了防止雨季低負(fù)荷運行及解決溢流污染問題，選擇在高密度沉淀器投加NFSSS新型高效納米復(fù)合絮凝劑，如果有效解決，可處理2～4倍的雨污水。

污泥沉降是污泥膨脹和合流制污水溢流污染的限制性因素。污泥沉降性能表現(xiàn)在兩方面：一是污泥體積指數(shù)；二是污泥沉淀后上清液中的SS濃度[10]。投加NFSSS納米絮凝劑，針對季節(jié)性污染、污泥膨脹出水差、瞬時沖擊溢流污染、水量增加超負(fù)荷等問題，能達到明顯的處理效果，對脫氮除磷具有一定的輔助促進作用。本工程投加NFSSS絮凝劑對污泥濃度和SS的影響如圖2所示。

圖2 NFSSS對污泥濃度和SS的影響Fig.2 Effect of NFSSS on Sludge Concentration and SS

由圖2可知，投加藥劑為10～20 μL/L時，MLSS污泥濃度快速增加，在NFSSS為20 μL/L時，MLSS污泥濃度平均保持在3 705 mg/L，同時SVI快速下降并保持穩(wěn)定；當(dāng)投加藥劑為10 μL/L時，SS去除率有顯著提高，平均去除率為69.56%；當(dāng)NFSSS投加量為20 μL/L時，SS下降幅度減弱且趨于穩(wěn)定，MLSS污泥濃度保持穩(wěn)定，此時確定為藥劑投加最大量。在投加藥劑第12 d時，污泥濃度顯著增加，SS有所上升，此時可判斷污泥回流量最大，應(yīng)減少污泥回流量的增加，污泥回流量一般為水量的5%～10%，雖然污泥回流的目的在于加快絮凝顆粒增長的速度及增大絮凝顆粒的密度[11]，污泥回流量的增加可充分利用污泥中的絮體，提高沉淀效率，但也要控制合適的污泥回流比。

(2)本工程高密度沉淀器進水處設(shè)有1套管道混合器，此處投加除磷藥劑，可以減少除磷藥劑的使用量。廢水在生化處理的過程中已去除水中大部分磷，并將偏磷、有機磷轉(zhuǎn)化為可通過混凝處理的正磷，大大提高除磷效果和減少除磷劑投加量，以及減少污泥中的磷含量，但是由于投加大量的化學(xué)藥劑促使磷酸鹽沉淀，廢水除磷的過程會產(chǎn)生大量的污泥沉淀。因此，選用NFSSS絮凝劑促進除磷，不僅能增強沉降效果，解決污泥膨脹問題，還能提高污泥濃度形成部分厭氧區(qū)域，微生物在厭氧環(huán)境中釋放部分磷，在高密度沉淀器混合水流作用下，提高除磷效果，而高密度沉淀器自身也有一部分污泥回流，使得NFSSS絮凝劑循環(huán)使用，有利于節(jié)約藥劑的使用量。

(3)本項目選用工藝流程可靠，土建工作量小，占地面積省，在有限的可用地面積上完成了1.5萬m3/d污水處理的規(guī)模，選用的處理工藝抗負(fù)荷沖擊能力強，能適應(yīng)進入有機物濃度的變化，運行維護成本低。

(4)本項目選用的BMR反應(yīng)器為搪瓷拼裝罐體，投資少、外形美觀、施工簡單、周期短。

(5)本項目由于場地限制，且產(chǎn)生的污泥較少，經(jīng)過板框壓濾機壓濾后，污泥餅含水率為75%，在壓濾機下方出泥口，采用50 kg編織袋袋裝堆放，委托給有污泥處置資質(zhì)的企業(yè)外運處置。

(6)本項目建設(shè)范圍內(nèi)產(chǎn)生惡臭的單元主要為污泥脫水間，臭氣氣量小、污染物濃度低，結(jié)合項目現(xiàn)場用地緊張及項目位于公園休閑活動區(qū)附近的實際情況，采用氧化法中的低溫等離子工藝以減少對周圍環(huán)境的影響。

(7)本項目通過工藝的科學(xué)組合，合理的參數(shù)設(shè)計，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了雨污水協(xié)同處理的問題，既滿足了污染減排、達到排放標(biāo)準(zhǔn)，又降低了工程費用和運行成本。

5 運行效果

項目自建成運行以來，出水穩(wěn)定達標(biāo)，進出水水質(zhì)如表3所示。

表3 驗收水質(zhì)情況一覽表Tab.3 List of Acceptance for Water Quality

6 經(jīng)濟分析

本工程運行費用主要為人員工資、電費、藥劑費、污泥清運費、日常檢測和維修費，各部分費用如表4所示。

表4 污水處理運行費用分析Tab.4 Operation Cost Analysis of Sewage Treatment

該應(yīng)急項目包括環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。環(huán)境效益：通過本工程的實施，隨著污水系統(tǒng)的完善，將改變部分污水未經(jīng)處理隨意排入河道的現(xiàn)象，大大改善城市居民的生活環(huán)境。社會效益：隨著該項目的建設(shè)，可改善區(qū)域投資環(huán)境，使工業(yè)企業(yè)不再因水污染而影響發(fā)展，吸引更多的外商投資，促進城市經(jīng)濟發(fā)展。經(jīng)濟效益：盡管污水治理工程并不直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益，但項目的實施將對當(dāng)?shù)氐牡乇硭|(zhì)保護有著廣泛的影響，污水治理工程的實施改善了當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)，環(huán)境條件的改善而使地價增值；同時，將減少細(xì)菌的滋生地，減少疾病，從而降低醫(yī)藥費開支，提高城市衛(wèi)生水平；另外，也將大大改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，從而促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。

7 結(jié)語

(1)本應(yīng)急工程選用“BMR反應(yīng)器+高密度沉淀器”工藝，輔助投加NFSSS新型高效納米復(fù)合絮凝劑，能較好達到出水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，對類似應(yīng)急工程項目具有一定的參考意義。

(2)本項目由于占地有限，與周圍已建設(shè)施統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局，在保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)的前提下，選用的處理工藝流程簡單，布置緊湊，大大節(jié)省了土建費用，投資少，運營費用低，操作管理簡單方便，產(chǎn)生了良好的示范作用，達到了預(yù)期目標(biāo)。