準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)一體化設(shè)備在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的應(yīng)用及效果分析*

冉 陽(yáng)，于東盛，付崢嶸，馬滿(mǎn)英，童 鑫，葉青勇

(1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2 重慶三峽環(huán)保(集團(tuán))有限公司，重慶 401147；3 湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412007)

隨著現(xiàn)代城鎮(zhèn)化建設(shè)和生活水平的提高，岷江、沱江流域沿線的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)較為迅速，造成流域范圍內(nèi)大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水的隨意排放，此外，四川省鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)有的污水處理廠一般去除效率低，去除水量小等特點(diǎn)，再加上鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)污水處理廠配套設(shè)施和管理不完善，污水處理廠出水水質(zhì)較差。水質(zhì)較差的出水排入岷江、沱江流域后，導(dǎo)致沱江、岷江流域的水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重[1-4]。為了使岷江、沱江流域水質(zhì)提高，緩解水體污染及水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，2017年1月1日起四川省環(huán)保廳正式實(shí)施四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)(DB51/2311-2016)，與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)相比，對(duì)排入水體的各項(xiàng)污染物指標(biāo)要求更為嚴(yán)格，尤其是氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)，其中出水水質(zhì)中總氮≤10 mg/L，氨氮≤1.5(3)mg/L，總磷≤ 0.3 mg/L，達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，大多鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)也正規(guī)劃新建污水處理廠，以滿(mǎn)足更高要求的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)污水處理方法可以滿(mǎn)足(DB51/2311-2016)中對(duì)于COD，BOD5，SS指標(biāo)的要求，卻很難滿(mǎn)足氮磷指標(biāo)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。為使新建的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理與反硝化深床濾池一體化設(shè)備相結(jié)合的方法，可以改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠管理不當(dāng)、維護(hù)困難、施工速度慢等劣勢(shì)，還能確保污水處理廠出水穩(wěn)定，達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)排放[5-8]。本文著重介紹了準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)一體化設(shè)備應(yīng)用于新建鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的工藝流程及基本參數(shù)，形成準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)開(kāi)發(fā)一體化裝備，快速方便的應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村生活污水處理，并為準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)一體化設(shè)備應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建污水處理廠提供更多的技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 新建污水處理廠概況

1.1 設(shè)計(jì)水量及水質(zhì)

四川省瀘州市胡市鎮(zhèn)三街污水處理站(簡(jiǎn)稱(chēng)三街廠)和石洞鎮(zhèn)永壽社區(qū)污水處理站(簡(jiǎn)稱(chēng)永壽廠)為新建準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)模分別為600 m3/d、500 m3/d，處理對(duì)象為區(qū)域內(nèi)居民生活污水，考慮到兩污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)相近，同時(shí)為了滿(mǎn)足《四川省泯江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2311-2016)中城鎮(zhèn)污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)污水處理廠后最終出水水質(zhì)達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。本次三街廠和永壽廠的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)具體見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 1 Design of influent and effluent quality

1.2 處理工藝

我國(guó)大多數(shù)省市地區(qū)的污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的一級(jí)A/B排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著污水處理廠的提質(zhì)增效，原有的污水處理廠已不能滿(mǎn)足水質(zhì)水量的要求，需擴(kuò)建或改建為地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水排放標(biāo)準(zhǔn)。為了加強(qiáng)四川省泯江、沱江流域水污染防治，改善地表水水質(zhì)環(huán)境，大多鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)也正規(guī)劃新建污水處理廠，但由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠管理不完善，采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝+反硝化深床濾池的一體化設(shè)備深度處理工藝具有運(yùn)行管理方便、施工速度快、出水水質(zhì)高和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，因此農(nóng)村生活污水處理工藝選用以“曝氣沉砂池+A2/O帶高效沉淀段+反硝化深床濾池”為主體的三級(jí)生化處理工藝，并采用外加化學(xué)除磷保證出水總磷達(dá)標(biāo)排放，必要時(shí)考慮碳源投加[9-10]，最終保證出水水質(zhì)達(dá)到《四川省泯江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2311-2016)中城鎮(zhèn)污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)。

污水首先通過(guò)污水提升泵進(jìn)入粗機(jī)械格柵中去除大的漂浮物，再經(jīng)過(guò)細(xì)機(jī)械格柵進(jìn)一步去除細(xì)小漂浮物，依靠重力自流進(jìn)入曝氣沉砂池中去除污水中的泥沙，然后流進(jìn)調(diào)節(jié)池中調(diào)節(jié)水量、均合水質(zhì)，調(diào)節(jié)池中設(shè)有潛污泵，使污水提升至A2O一體化設(shè)備中，分別進(jìn)行厭氧、缺氧、好氧多級(jí)反應(yīng)，去除污水中大部分有機(jī)物、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)。A2O一體化設(shè)備三臺(tái)并聯(lián)，采用可調(diào)節(jié)進(jìn)水堰多點(diǎn)進(jìn)水，充分利用污水中的碳源，每臺(tái)設(shè)備帶有高效沉淀段，可有效進(jìn)行泥水分離，高效沉淀池清水進(jìn)入中間水池后經(jīng)水泵提升至反硝化深床濾池，最后經(jīng)紫外線消毒后回用或達(dá)標(biāo)排放[11-13]。具體工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

2 深度處理工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

2.1 工藝設(shè)計(jì)

帶有高效沉淀段的A2O一體化設(shè)備二級(jí)生化處理后的出水水質(zhì)一般僅能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的一級(jí)A/B標(biāo)準(zhǔn)，需要在二級(jí)生化處理(A2O一體化設(shè)備)后增加深度處理的反硝化深床濾池。本次反硝化深床濾池設(shè)計(jì)規(guī)模為600 m3/d，小時(shí)最大處理能力25 m3，總變化系數(shù)為1.3，設(shè)計(jì)水溫20 ℃，反硝化深床濾池深度處理進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 深度處理設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 2 Design of influent and effluent quality

經(jīng)二級(jí)處理后的出水進(jìn)入中間水池，經(jīng)加藥泵補(bǔ)充碳源后由反硝化深床濾池上方進(jìn)入濾池，通過(guò)內(nèi)部填充的石英砂濾料過(guò)濾進(jìn)一步去除SS，同時(shí)石英砂濾料上有利于微生物的繁衍生長(zhǎng)，為反硝化細(xì)菌提供相對(duì)嚴(yán)格的厭氧環(huán)境和良好的生存環(huán)境。附著在濾料表面的反硝化細(xì)菌在相對(duì)厭氧環(huán)境下將硝基氮、亞硝基氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?N2)，而生成的N2能使微生物與水得到充分接觸，更有利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行。反硝化深床濾池內(nèi)部有氮?dú)馀艢夤?，?dāng)?shù)獨(dú)庠趦?nèi)部?jī)?chǔ)存較多時(shí)，水頭損失增加，不利用水體的流動(dòng)，通過(guò)裝置的自動(dòng)祛氮以維持處理裝置的正常運(yùn)行[14]。反硝化深床濾池也對(duì)磷的去除產(chǎn)生積極影響，可通過(guò)微生物代謝進(jìn)一步去除，當(dāng)水質(zhì)中磷含量超標(biāo)時(shí)，通過(guò)加藥泵化學(xué)除磷后然后進(jìn)入反硝化深床濾池。隨著濾料截留的SS和生物量的增加，濾床的水頭損失不斷增大，當(dāng)水頭損失達(dá)到設(shè)定值或氣/水反沖洗周期設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)氣/水反清洗，反沖洗水流入反沖洗廢水收集池得以處理，濾后水經(jīng)過(guò)收水系統(tǒng)收集流入清水池，并通過(guò)管道式紫外消毒后得以排放，深度處理工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 深度處理工藝流程Fig.2 Flow chart of wastewater treatment process

反硝化深床濾池的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

(1)反硝化濾池

(2)反沖洗系統(tǒng)

水沖強(qiáng)度：2～4 L/(m2·s)，按水沖強(qiáng)度最大時(shí)計(jì)算，單獨(dú)水洗時(shí)反洗強(qiáng)度最大為：

Q反=q水·F=4×6.37×3.6=89 m3/h，設(shè)計(jì)臥式反洗水泵Q=89 m3/h，揚(yáng)程H=8.5 m，功率為2.2 kW。氣沖強(qiáng)度：15～24 L/(m2·s)，按單獨(dú)氣沖強(qiáng)度最大時(shí)的空氣流量計(jì)算，氣沖強(qiáng)度為：Q反=q氣·F=24×6.37×3.6=550 m3/h，設(shè)計(jì)反沖洗羅茨鼓風(fēng)機(jī)Q=9.5 m3/min，升壓=65.5 kPa。

(3)反沖洗廢水池

反沖洗排水為重力排水，反洗排水管流速取0.8～1.0 m/s，則反洗排水管為DN200，反沖洗排水排入反沖洗廢水池中，反沖洗廢水池有效容積144m3，設(shè)計(jì)反沖洗排水泵兩臺(tái)(一用一備)，流量Q=10 m3/h，揚(yáng)程H=10 m，功率N=0.75 kW，經(jīng)泵提升回流至二級(jí)處理前段的調(diào)節(jié)池。

(5)加藥系統(tǒng)

碳源采用乙酸鈉，投加濃度為10%，按儲(chǔ)存3天設(shè)置儲(chǔ)罐，去除量為10 mg/L，按乙酸鈉投加，去除1 mg/L投加量為6 mg/L，則10%濃度乙酸鈉投加量為360 kg，約0.3 m3，按運(yùn)輸一次儲(chǔ)存3天，則儲(chǔ)存容積約0.9 m3；設(shè)計(jì)V=1 m3儲(chǔ)罐，PE材質(zhì)，配套304材質(zhì)攪拌器。計(jì)量泵投加量為15 L/h，投加泵選型為：流量Q=25 L/h，揚(yáng)程40 m，數(shù)量2臺(tái)，1用1備。

2.2 運(yùn)行參數(shù)

深度處理的反硝化深床濾池采用一體化設(shè)備，自動(dòng)化控制程度高，變水位調(diào)控運(yùn)行，重洗周期根據(jù)水質(zhì)情況實(shí)時(shí)確定。反洗水量為89 m3/h，反洗進(jìn)水管為DN125，實(shí)際流速為1.4 m/s；反洗氣量為550 m3/h，反洗進(jìn)氣管為DN100，實(shí)際風(fēng)速為15 m/s。

3 運(yùn)行效果與討論

準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)新建項(xiàng)目完工后，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的調(diào)試工作，2019年12月開(kāi)始污水處理廠進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期，通過(guò)2020年1月至2020年6月連續(xù)六個(gè)月對(duì)各處理工藝水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到月平均進(jìn)出水水質(zhì)，采用A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝+反硝化深床濾池一體化設(shè)備的深度處理工藝使出水水質(zhì)達(dá)到四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)(DB51/2311-2016)，其中CODCr，NH3-N，TN，TP去除率分別為88.44%～95.95%，99.19%～99.49%，91.28%～96.15%，97.82%～99.33%。對(duì)運(yùn)行條件下去除效果深入分析，論證本項(xiàng)目長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的可行性，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，總經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以期為新建鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn)提供一種工藝技術(shù)選擇。

3.1 三街廠的去除效果

由圖3可知，三街廠出水水質(zhì)中CODCr，NH3-N，TP每次均能達(dá)到地表準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水排放標(biāo)準(zhǔn)，但運(yùn)行前期出水TN濃度不能達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水排放標(biāo)準(zhǔn)。大量試驗(yàn)證明，在運(yùn)行條件下通過(guò)加藥系統(tǒng)向反硝化深床濾池中投加乙酸鈉和二級(jí)生化處理工藝A2/O的缺氧池中投加葡萄糖補(bǔ)充碳源，可使出水中TN濃度小于12 mg/L。此外，A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)A2/O在二沉池存在污泥漂浮的問(wèn)題，同時(shí)也解決了高效除磷的問(wèn)題，使脫氮除磷處理效率提高。A2/O一體化設(shè)備中高效沉淀池的設(shè)置在自動(dòng)精準(zhǔn)控制下能實(shí)時(shí)監(jiān)控TP濃度，必要時(shí)投加液體鋁鹽，使出水平均TP小于0.3 mg/L。

圖3 三街廠的去除效果Fig.3 Removal effect of Sanjie plant

3.2 永壽廠的去除效果

由圖4可知，永壽廠采用的A2/O的生化處理工藝加反硝化深床濾池的深度處理工藝，水量在500 m3/d的污水處理規(guī)模下，出水水質(zhì)可以達(dá)到DB51/2311-2016的要求，TN去除效果較好且運(yùn)行穩(wěn)定，可能的原因是反硝化深床濾池采用2～3 mm的均質(zhì)石英砂，較大的比表面積能顯著提升了濾料的固體截留能力，同時(shí)濾料為反硝化細(xì)菌提供了掛膜介質(zhì)，生成的N2為微生物與水的充分接觸起到一定作用，提高了反硝化深床濾池的脫氮除磷能力。因此，A2/O的生化處理工藝加反硝化深床濾池的深度處理工藝解決了傳統(tǒng)污水處理法難使總氮和氨氮以及總磷達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，并能長(zhǎng)期維持出水水質(zhì)地表準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 永壽廠的去除效果Fig.4 Removal effect of Yongshou plant

4 結(jié) 論

(1)本次鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建污水處理廠采用的A2/O一體化設(shè)備的生化處理工藝加反硝化深床濾池一體化的深度處理工藝，水量在500～600 m3/d的污水處理規(guī)模下，出水水質(zhì)可以達(dá)到DB51/2311-2016的要求，且運(yùn)行穩(wěn)定，克服了傳統(tǒng)污水處理法使總氮、氨氮和總磷達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。

(2)A2/O一體化設(shè)備采用可調(diào)節(jié)進(jìn)水堰，并設(shè)置多點(diǎn)進(jìn)水，充分利用污水中的碳源，同時(shí)A2/O一體化設(shè)備加高效沉淀池的生化處理工藝，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)A2/O在二沉池存在污泥懸浮的問(wèn)題，可有效進(jìn)行泥水分離，還解決了高效除磷的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了脫氮除磷效果。

(3)反硝化深床濾池一體化設(shè)備內(nèi)部填充2～3 mm的均質(zhì)石英砂，較大的比表面積提升了濾料的固體截留能力，內(nèi)部填充的濾料為反硝化細(xì)菌提供了掛膜介質(zhì)，生成的N2有利于微生物與水的充分接觸，提高反硝化深床濾池對(duì)氮磷的去除。