謝新立, 張曉寧
(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 濟(jì)南分公司, 山東 濟(jì)南 250014; 2.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 山西 太原 030001)
大同市某污水處理廠的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),隨著《山西省水污染防治工作方案實(shí)施情況考核規(guī)定》(晉水防辦發(fā)〔2017〕25號(hào)文)等的實(shí)施,出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)較一級(jí)A更為嚴(yán)格,原有水處理工藝難以滿足新的地方性標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,對(duì)污水處理廠各構(gòu)筑物現(xiàn)狀進(jìn)行全面評(píng)估,研究提標(biāo)改造方案,是保證污水廠出水水質(zhì)滿足新標(biāo)準(zhǔn)的必經(jīng)之路。
該污水處理廠占地面積為1.5 ha。以處理生活污水為主,設(shè)計(jì)處理能力為0.5×104m3/d。原設(shè)計(jì)污水處理工藝為浮動(dòng)生物床與人工濕地組合工藝,于2009年6月2日開(kāi)工建設(shè),2010年底正式投入運(yùn)行。污水處理廠于2016年進(jìn)行了改造,改造后的處理工藝為A/A/O+微絮凝過(guò)濾+人工濕地。
污水處理廠于2017年改造完成并投入試運(yùn)行,現(xiàn)有的主要工藝處理建(構(gòu))筑物包括粗細(xì)格柵間、污水提升泵房1座、配水井1座、調(diào)節(jié)池及初沉池1座、A/A/O生物池3座、二沉池2座、中間水池1座、混合反應(yīng)活性砂濾池1座(分2組)、人工濕地3組、污泥池1座、鼓風(fēng)機(jī)房及脫水機(jī)房1座,工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 工藝流程現(xiàn)狀Fig.1 Flow chart of current process
進(jìn)水井、粗細(xì)格柵槽、平流沉砂池和泵房吸水井均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),進(jìn)水井平面凈尺寸為1.5 m×1.0 m,深3.55 m;粗細(xì)格柵槽尺寸為5.9 m×1.0 m,深3.55 m;泵房吸水井尺寸為8.0 m×5.85 m,深5.55 m,有效水深為2.74 m。
回轉(zhuǎn)式粗格柵除污機(jī)、回轉(zhuǎn)式細(xì)格柵除污機(jī)各有2臺(tái),格柵寬均為300 mm。
旋流除砂器共3臺(tái),單臺(tái)參數(shù):處理水量180 m3/h,進(jìn)水壓力0.20 MPa,尺寸Φ0.478×1.410 m,平均除砂率90%。
提升泵3臺(tái),2用1備,其中1臺(tái)設(shè)變頻:額定流量,180 m3/h;額定揚(yáng)程,20 m;電機(jī)功率,18.5 kW。
用于初沉池氣提泵供氣的鼓風(fēng)機(jī)1臺(tái):風(fēng)量,1.43 m3/min;風(fēng)壓,80 kPa;電機(jī)功率,4.55 kW。
用于活性砂濾池供氣的鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái),1用1備,主要技術(shù)參數(shù):風(fēng)量,1.2 m3/min;風(fēng)壓,70 kPa;電機(jī)功率,3.0 kW;儲(chǔ)氣罐容積,≥0.6 m3。
乙酸鈉投加設(shè)備1套,主要技術(shù)參數(shù):結(jié)晶乙酸鈉投加濃度,30%;攪拌機(jī)功率,2.2 kW;計(jì)量泵流量,500~1 000 L/h;計(jì)量泵揚(yáng)程,20 m;計(jì)量泵功率,0.6 kW;乙酸鈉儲(chǔ)存罐,5 m3。
初沉池與調(diào)節(jié)池合建,根據(jù)進(jìn)水水質(zhì),初沉池也可作為調(diào)節(jié)池的一部分,靈活運(yùn)行。
2.2.1 初沉池
初沉池主要參數(shù):設(shè)計(jì)流量,208.3 m3/h;平面尺寸,12.86 m×5.0 m;水深,6.45 m;沉淀時(shí)間,1.83 h;表面水力負(fù)荷,3.5 m3/(m2·h)。
初沉池內(nèi)設(shè)鏈條式刮泥機(jī)1套:鏈條寬度,5.0 m;電機(jī)功率,1.1 kW。初沉池內(nèi)設(shè)氣提排砂泵2套,排砂泵出水排至砂水分離器:額定流量,1.43 m3/min;額定揚(yáng)程,8.0 m;電機(jī)功率,2.2 kW。
調(diào)節(jié)容積為1 623 m3,其中415 m3為初沉池所占容積。初沉池、調(diào)節(jié)池和新建生物池合建:平面尺寸,19.57 m×12.86 m;有效水深,6.45 m;池總深,7.15 m;有效容積,1 623 m3;總?cè)莘e,1 799 m3。
2.2.2 調(diào)節(jié)池
調(diào)節(jié)池主要設(shè)備為雙曲線渦流攪拌器4套,主要技術(shù)參數(shù):葉輪直徑,D=2 000 mm;電機(jī)功率,N=3 kW;功率密度,1 W/m3。
生物池之前設(shè)配水井1座。配水井為圓形,直徑為5.75 m,設(shè)1個(gè)進(jìn)水口、3個(gè)出水口。設(shè)手電兩用附壁式方閘門(mén)(0.4 m×0.4 m)3套。
現(xiàn)有的生物池共3座,分為2類(lèi)。
2.4.1 原有生物池
第一類(lèi)為污水廠最初建設(shè)的生物池2座,參數(shù)如下:平面尺寸,12.6 m×18.6 m;水深,5.7 m;超高,0.5 m;池深,6.2 m;有效容積,1 335.85 m3;水力停留時(shí)間,19.2 h。
單座缺氧區(qū)配套雙曲線渦流攪拌器4臺(tái),單臺(tái)主要技術(shù)參數(shù):葉輪直徑,1 000 mm;電機(jī)功率,N=1.5 kW;功率密度,8.9 W/m3。
單座好氧區(qū)配套328個(gè)微孔曝氣器,單個(gè)參數(shù)如下:盤(pán)片直徑,215 mm;單片充氧能力,≥0.16 kg O2/h;單片服務(wù)面積,≥0.29 m2;氧轉(zhuǎn)移效率,≥25%;充氧動(dòng)力效率,≥5 kg O2/(kW·h)。
好氧段末端設(shè)2臺(tái)混合液回流泵,庫(kù)房備用1臺(tái),其主要參數(shù):流量,200 m3/h;揚(yáng)程,11 m;電機(jī)功率,2.5 kW。
2.4.2 新建生物池
第二類(lèi)為上次一級(jí)A提標(biāo)改造新增的生物池,共1座,參數(shù)如下:平面尺寸,12.69 m×20.62 m;有效容積,1 491.5 m3;水力停留時(shí)間18.56 h,其中厭氧區(qū)1.52 h、缺氧區(qū)9.55 h、好氧區(qū)7.49 h;水深,5.7 m;超高,0.9 m;池深,6.6 m。
厭氧池設(shè)1臺(tái)雙曲線渦流攪拌器,其主要技術(shù)參數(shù)如下:螺旋槳直徑,500 mm;電機(jī)功率,N=0.75 kW;功率密度,7 W/m3。
缺氧池設(shè)2臺(tái)低速推流攪拌器,其主要技術(shù)參數(shù)如下:葉輪直徑,1 800 mm;電機(jī)功率,N=3.0 kW;功率密度,8.9 W/m3。
好氧池曝氣設(shè)備選用微孔曝氣器,共319個(gè),其主要技術(shù)參數(shù):盤(pán)片直徑,215 mm;單片充氧能力,≥0.14 kg O2/h;單片服務(wù)面積,≥0.27 m2;氧轉(zhuǎn)移效率,≥25%;充氧動(dòng)力效率,≥5 kg O2/(kW·h)。
好氧段末端設(shè)2臺(tái)混合液回流泵,同時(shí)工作,在庫(kù)房備用1臺(tái),共3臺(tái),單臺(tái)參數(shù):流量,70 m3/h;揚(yáng)程,0.8 m;電機(jī)功率,1.5 kW。
二沉池為污水處理廠最初建設(shè),為平流式沉淀池,2座并聯(lián)運(yùn)行,單池參數(shù):設(shè)計(jì)流量,208 m3/h;平面尺寸,28.0 m×5.0 m;有效水深,2.3 m;超高,2.3 m;池深,4.6 m;沉淀時(shí)間,2.3 h;表面負(fù)荷,0.74 m3/(m2·h);出口堰負(fù)荷,1.45 L/(s·m)。
配套桁架式刮吸泥機(jī)2臺(tái),其寬度L=5 m,總功率N=2.24 kW。
中間水池為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),單池平面尺寸為7.5 m×6 m,池深4.5 m,水深3.0 m。
配套提升泵3臺(tái),2用1備,其中1臺(tái)采用變頻調(diào)速,其主要技術(shù)參數(shù):額定流量,130 m3/h;額定揚(yáng)程,12 m;電機(jī)功率,7.5 kW。
混合池、反應(yīng)池、砂濾池采用合建形式,共建設(shè)2座,對(duì)稱(chēng)布置。
2.7.1 機(jī)械混合池
單組設(shè)計(jì)流量,105 m3/h;混合時(shí)間,115 s;單組平面尺寸,1.5 m×1.5 m;水深,1.5 m;超高,0.5 m;池深,2.0 m。
混合池?cái)嚢柙O(shè)備采用三葉軸流型推進(jìn)式攪拌器,共2套,其攪拌器直徑為0.5 m,攪拌器外緣線速度為5 m/s,電機(jī)功率為1.1 kW。
2.7.2 機(jī)械攪拌反應(yīng)池
單組設(shè)計(jì)流量,105 m3/h;反應(yīng)時(shí)間,10 min;單格平面尺寸,1.5 m×1.5 m;水深,4.0 m;超高,0.5 m;池深,4.5 m;攪拌機(jī)槳板邊緣線速度,ν1=0.50 m/s、ν2=0.35 m/s。
攪拌設(shè)備采用豎軸式框式攪拌器,每格1臺(tái),單座反應(yīng)池共2臺(tái)。其主要技術(shù)參數(shù):葉輪直徑,1.3 m;軸上槳板數(shù),4;槳板長(zhǎng)度,1.0 m;槳板寬度,0.1 m;電機(jī)功率,0.75 kW。
機(jī)械攪拌反應(yīng)池出水口設(shè)1套手動(dòng)鑄鐵閘門(mén)(φ500)。
2.7.3 活性砂濾池
單格設(shè)計(jì)流量,52.5 m3/h;過(guò)濾速度,8.75 m/h;強(qiáng)制濾速,11.6 m/h;單格過(guò)濾面積,6.0 m2;砂床高度,2.0 m。
主要設(shè)備包括4套活性砂過(guò)濾器、2套手動(dòng)鑄鐵方形閘門(mén)(φ250),過(guò)濾器總高度為6.2 m,單套空氣消耗量,150 L/min。
污泥池1座,平面尺寸為7.1 m×6.5 m,池深為5.1 m,有效水深為3.0 m。
配套污泥回流泵3臺(tái),2用1備,主要計(jì)算參數(shù):額定流量,130 m3/h;額定揚(yáng)程,12 m;電機(jī)功率,7.5 kW。
配套剩余污泥泵2臺(tái),1用1備,主要技術(shù)參數(shù):額定流量,12 m3/h;額定揚(yáng)程,15 m;電機(jī)功率,1.1 kW。
污泥脫水及鼓風(fēng)機(jī)房為一層磚混結(jié)構(gòu),中間采用隔墻分割,軸線尺寸為14.4 m×7.5 m。
設(shè)鼓風(fēng)機(jī)3臺(tái),2用1備,主要技術(shù)參數(shù):風(fēng)量,14.32 m3/min;風(fēng)壓,70 kPa;電機(jī)功率,24 kW。
設(shè)疊螺式污泥脫水機(jī)1臺(tái),主要技術(shù)參數(shù):處理量,60~100 kg DS/h;電機(jī)總功率,2.13 kW。
表流式人工濕地面積為5 600 m2,池深1.5 m,填料及種植土厚度為1.0 m。污水從人工濕地表面流過(guò),水深在0.3~0.6 m。氧通過(guò)自由擴(kuò)散補(bǔ)給,污水中所含的溶解性和顆粒性污染物與介質(zhì)中的微生物和植物根系接觸,被進(jìn)一步降解。冬季氣溫較低時(shí),將枯萎的植物收割,覆蓋在人工濕地表面保溫,或者采用冰層保溫。
紫外線消毒渠為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),平面尺寸為5.78 m×1.28 m,渠深為1.0 m。
本次提標(biāo)改造工程建設(shè)內(nèi)容一方面為通過(guò)合理改造污水處理廠的現(xiàn)有生化處理設(shè)施及深度處理設(shè)施,使出水達(dá)到提標(biāo)目的;另一方面為針對(duì)污水處理廠目前存在的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行改造,使其運(yùn)行更加順暢。針對(duì)污水處理廠現(xiàn)有的處理工藝、運(yùn)行情況和存在的問(wèn)題,確定提標(biāo)改造思路如下[1]:
① 污水廠目前采用A/A/O+微絮凝過(guò)濾+人工濕地工藝,2017年改造完成至今運(yùn)行狀況良好,本次改造的主要目標(biāo)是提升出水CODCr、NH3-N、TP三項(xiàng)指標(biāo)。
② 污水廠現(xiàn)有的一級(jí)處理各構(gòu)筑物及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,不需要進(jìn)行改造。本次改造的重點(diǎn)是計(jì)算、核實(shí)生物池現(xiàn)有容積,以盡可能利用現(xiàn)有設(shè)施、減少改造投資為原則,合理改造生物池內(nèi)部結(jié)構(gòu),使最終出水CODCr、NH3-N、TP達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。
③ 水廠所在地屬于嚴(yán)寒地區(qū),冬季氣候寒冷,目前設(shè)置在室外的各個(gè)水處理單元在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮池壁及池頂保溫,冬季A/A/O生化池中微生物活性降低,影響出水水質(zhì),且極端天氣可能有結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。本次改造針對(duì)現(xiàn)狀,對(duì)配水井、生物池的池壁及池頂進(jìn)行保溫改造,提高水溫,以保障冬季生物池運(yùn)行效果;對(duì)混合、反應(yīng)、活性砂濾池池壁進(jìn)行保溫改造,防止結(jié)冰。
由于水廠內(nèi)用地緊張,布局緊湊,無(wú)擴(kuò)建可能。因此,本次改造工程仍按水廠原設(shè)計(jì)規(guī)模0.5×104m3/d確定,后期新增污水處理需求另選廠址進(jìn)行建設(shè)。污水處理廠以生活污水為主,設(shè)計(jì)水質(zhì)按污水處理廠目前進(jìn)水水質(zhì)考慮。設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)中CODCr、NH3-N、TP按照《山西省水污染防治工作方案實(shí)施情況考核規(guī)定》(晉水防辦發(fā)〔2017〕25號(hào)文)規(guī)定,達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);BOD5、SS、TN仍執(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標(biāo)準(zhǔn)[3]。
表1 污水設(shè)計(jì)水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Design quality and discharge standard for sewage mg·L-1
現(xiàn)有的生物反應(yīng)池采用A/A/O池工藝,均分厭氧池、缺氧池、好氧池3個(gè)處理段,池體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)流量按最高日平均時(shí)污水量為208 m3/h,總設(shè)計(jì)池容為3 719 m3,其中厭氧區(qū)320 m3、缺氧區(qū)1 843 m3、好氧區(qū)1 556 m3。
厭氧區(qū):水力停留時(shí)間,1.5 h;設(shè)計(jì)有效池容,312.5 m3。缺氧區(qū):水力停留時(shí)間,9.3 h;設(shè)計(jì)有效池容,1 934 m3。好氧區(qū):水力停留時(shí)間,6.8 h;設(shè)計(jì)有效池容,1 418 m3。
剩余污泥:生物剩余污泥,459 kg/d;非生物剩余污泥,370 kg/d;總剩余污泥,829 kg/d。
曝氣系統(tǒng):曝氣器安裝深度,5.5 m;好氧池溶解氧濃度,2.0 mg/L;設(shè)計(jì)最大需氧量,AORmax=91 kg/h;設(shè)計(jì)最大標(biāo)準(zhǔn)需氧量,SORmax=156 kg/h;曝氣器氧利用率,EA=25%;設(shè)計(jì)最大供氣量,Gsmax=58 m3/min;平均供氣量,Gs=42 m3/min。
對(duì)反應(yīng)池進(jìn)行調(diào)整,確定如下改造方案。
① 現(xiàn)有設(shè)計(jì)池容為3 719 m3,可滿足本次提標(biāo)所需,生物池尺寸不做調(diào)整。
② 現(xiàn)有厭氧區(qū)容積為320 m3,可滿足提標(biāo)所需,本次改造不做變動(dòng),停留時(shí)間為1.54 h。
③ 計(jì)算所需缺氧段池容為1 934 m3,好氧段池容為1 418 m3?,F(xiàn)有缺氧段池容為1 843 m3,好氧段池容為1 556 m3。與計(jì)算結(jié)果相比缺氧段偏小,好氧段偏大。本次改造設(shè)計(jì)增設(shè)兼氧區(qū):在現(xiàn)有每組生物池好氧段的1個(gè)分格內(nèi)均增設(shè)缺氧攪拌設(shè)施,同時(shí)保留現(xiàn)有的曝氣設(shè)施;在缺氧區(qū)的1個(gè)分格內(nèi)增設(shè)曝氣盤(pán),同時(shí)保留原有的攪拌器。工程在運(yùn)行調(diào)試時(shí)根據(jù)實(shí)際情況啟閉供氧設(shè)施,從而靈活調(diào)節(jié)缺氧段與好氧段容積[4]。
① 對(duì)現(xiàn)有生物池進(jìn)行清淤,拆除生物池部分隔墻,新建隔墻進(jìn)行重新分隔,使污水可順著水流方向在溝道內(nèi)不停地循環(huán)流動(dòng)后排出,從而使好氧段兼有完全混合與推流式的優(yōu)點(diǎn),生物池內(nèi)進(jìn)行徹底的生化反應(yīng),以提高生物池的抗沖擊負(fù)荷能力,保證出水效果。
經(jīng)計(jì)算,生物池需清淤并進(jìn)行外運(yùn)的污泥量約1 460 m3;需拆除并外運(yùn)的隔墻長(zhǎng)度約為100 m,墻體厚300 mm,高6.2 m;需新建的隔墻長(zhǎng)度約為200 m,墻體厚300 mm,高6.2 m;改造過(guò)程中需拆除原好氧區(qū)曝氣裝置300 m2,隔墻改造后需重新購(gòu)買(mǎi)安裝;為保證新增攪拌器的安裝,需在池體上方新建攪拌器安裝梁54 m,梁寬800 mm,高500 mm。
② 好氧區(qū)及兼氧區(qū)曝氣器設(shè)計(jì)采用膜狀微孔曝氣器,每組好氧池曝氣器500個(gè),共1 500個(gè)。其主要技術(shù)參數(shù):盤(pán)片直徑,215 mm;單片充氧能力,≥0.14 kg O2/h;單片服務(wù)面積,≥0.27 m2;氧轉(zhuǎn)移效率,≥25%;充氧動(dòng)力效率,≥5 kg O2/(kW·h)。
③ 為保證生物池的設(shè)計(jì)流態(tài)和生化反應(yīng)效果,每座生物池增設(shè)3臺(tái)低速推流攪拌器。3座生物池共設(shè)9臺(tái)攪拌器,單臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如下:葉輪直徑,1 400 mm;葉輪轉(zhuǎn)速,56 r/min;電機(jī)功率,3 kW;水推力,>180 N。
④ 為保證出水效果,設(shè)計(jì)在生物池添加填料以提高污泥濃度。設(shè)計(jì)選用改性生物懸浮填料,填充率按25%設(shè)計(jì)。填料主要技術(shù)參數(shù):產(chǎn)品規(guī)格,φ10×10 mm;外壁厚度,>0.4 mm;懸浮填料體積,852 m3;比重(未掛膜),960 kg/m3;比表面積,1 200 m2/m3;孔隙率,>87%。
該提標(biāo)改造工程于2020年8月初通過(guò)竣工驗(yàn)收,2020年9月進(jìn)行試運(yùn)行,2020年10月正式投入使用。運(yùn)行以來(lái),每月初定期對(duì)進(jìn)出水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),處理效果一直穩(wěn)定。其中2021年4月至7月進(jìn)出水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 對(duì)污水的處理效果Tab.2 Treatment effect of sewage
續(xù)表2 (Continue)
運(yùn)行實(shí)踐表明,對(duì)該采用A/A/O+微絮凝過(guò)濾工藝運(yùn)行的污水處理廠,在廠區(qū)用地緊張、不新增處理構(gòu)筑物的前提下,通過(guò)對(duì)處理構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了對(duì)COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的高效去除,各項(xiàng)指標(biāo)的平均去除率分別為85.4%、91.2%、92.6%、97.0%、80.1%和93.2%,取得了較好的去除效果,出水水質(zhì)滿足排放要求。
① 對(duì)采用A/A/O+微絮凝過(guò)濾工藝運(yùn)行的污水處理廠,在廠區(qū)用地緊張、不新增用地的前提下,通過(guò)對(duì)處理構(gòu)筑物內(nèi)部的調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的高效去除。
② 提標(biāo)改造盡可能利用了原有的處理構(gòu)筑物,減小對(duì)原有處理構(gòu)筑物的影響,通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化運(yùn)行,從而減小工程投資,加快施工進(jìn)度。
③ 改造后的處理工藝簡(jiǎn)單,處理流程短,具有操作靈活、抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為85.4%、91.2%、92.6%、97.0%、80.1%和93.2%,出水達(dá)到當(dāng)?shù)匾?guī)定的排放要求,可以為目前污水處理廠的提標(biāo)改造提供工程借鑒。