BioDopp工藝應(yīng)用于污水廠提標(biāo)改造工程實(shí)例探討

劉平波，張 俊，王家樂，汪 輝，趙 耀

（1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司湖北分院，湖北武漢 430040；2.中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430064；3.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430081；4.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，河南鄭州 450044）

雄安新區(qū)某污水處理廠處理規(guī)模為5.0×104m3∕d，該廠主要生活污水和部分處理達(dá)標(biāo)工業(yè)廢水出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)〔1〕。因雄安新區(qū)建設(shè)要求轄區(qū)內(nèi)所有污水處理廠出水指標(biāo)需達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后排放，因此需要在原有處理工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行提標(biāo)改造，滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。本工程將雄安新區(qū)某污水廠的A2∕O 生化處理池內(nèi)部改造，將其轉(zhuǎn)變成BioDopp 工藝，提升污水處理效果，達(dá)到削減COD、氨氮、TN 和TP 總排放量的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 改造難點(diǎn)

該污水廠在提標(biāo)改造前使用懸鏈?zhǔn)狡貧?A2∕O作為生化處理工藝，該套工藝使得A2∕O 池內(nèi)曝氣效率提高，增氧能力和攪拌效果提高。該污水廠提標(biāo)改造前后設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 提標(biāo)改造前后設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Table 1 Design water quality before and after upgrading

由表1 可知，現(xiàn)有懸鏈?zhǔn)狡貧?A2∕O 工藝出水穩(wěn)定，COD 和TP 指標(biāo)均能滿足準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，但氨氮和TN 高于新標(biāo)準(zhǔn)限制，其中TN 需從12.23 mg∕L降低至10 mg∕L 以下，難以在現(xiàn)有工藝下調(diào)試達(dá)標(biāo)，需要在原基礎(chǔ)上進(jìn)行深度處理達(dá)到新出水要求。

同時(shí)，該水廠進(jìn)水C∕N 低（C∕N=4.0），使得生化系統(tǒng)進(jìn)行反硝化時(shí)，碳源不足導(dǎo)致電子受體較少，無(wú)法正常完成硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)膺@一過(guò)程，造成硝酸鹽積累，進(jìn)而使得出水總氮濃度提升〔2〕。而且該水廠位于北方地區(qū)，冬季氣溫易低于0 ℃，不利于保持生物池微生物活性。

1.2 工藝比選

根據(jù)該污水廠的進(jìn)出水水質(zhì)要求，結(jié)合地域和場(chǎng)地特征，篩選出增設(shè)MBR和改造A2∕O池為BioDopp池2種深度處理工藝進(jìn)行比選，以期選出最適合該污水處理廠實(shí)際情況的提標(biāo)改造方案。方案比選見表2。

表2 方案比選Table 2 Comparison scheme

由表2可知，改造A2∕O池為BioDopp池的優(yōu)勢(shì)是充分利用已有構(gòu)筑物進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部改造，節(jié)省用地，改造后運(yùn)行費(fèi)用較低，調(diào)試成功后可自動(dòng)化運(yùn)行，因此最終選擇將A2∕O 池改造為BioDopp 池作為該污水廠提標(biāo)改造方案，以期出水達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 工藝改造流程

工藝改造流程見圖1。

圖1 提標(biāo)改造工藝Fig.1 Upgrading and transformation process

本方案在A2∕O 池基礎(chǔ)上，內(nèi)部改造成BioDopp池。通過(guò)改變?nèi)芙庋鯘舛扰c內(nèi)部土建隔板將A2∕O 池原有的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和二沉池改造成BioDopp 池的除磷區(qū)、曝氣區(qū)、快速澄清區(qū)與空氣推流區(qū)。BioDopp 生化池的空氣推流區(qū)、曝氣區(qū)和澄清區(qū)采用鋼板隔離?？偹νＡ魰r(shí)間8 h。曝氣區(qū)采用原有的懸鏈曝氣方式，曝氣區(qū)溶解氧控制在1.2 mg∕L左右，溶解氧監(jiān)控探頭設(shè)置在曝氣區(qū)前段。BioDopp池設(shè)計(jì)總尺寸50 m×30 m，有效水深5.2 m，其中空氣推流區(qū)3.0 m×3.0 m，曝氣區(qū)29.4 m×3.0 m，快速澄清區(qū)4.0 m×3.0 m。調(diào)節(jié)池出水首先進(jìn)入BioDopp 氣提區(qū)，該區(qū)把水推至曝氣區(qū)進(jìn)行脫氮處理；之后水流進(jìn)入除磷區(qū)進(jìn)行化學(xué)除磷，除磷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氯化鐵溶液，投加量為0.4 m3∕d；之后水流進(jìn)入澄清區(qū)，澄清區(qū)采用斜板斜管填料進(jìn)行泥水分離。

該構(gòu)筑物地處冬季氣溫較低的華北地區(qū)，一方面鼓風(fēng)曝氣吸入外部冷空氣打入池內(nèi)，降低了池內(nèi)溫度；另一方面BioDopp 池表面也會(huì)散發(fā)熱量，池內(nèi)溫度降低，冬季水處理效果降低。因此需要對(duì)生化池進(jìn)行保溫處理，該工程采用拱棚式結(jié)構(gòu)，并在外部覆蓋高質(zhì)塑料膜。拱棚式結(jié)構(gòu)骨架采用DN15 鍍鋅鋼管，壁厚＞1.5 mm；每根骨架間距為1.2 m，高度為1.8 m。且為保證冬季出水達(dá)標(biāo)，在BioDopp 池曝氣區(qū)投加叢毛單胞菌250 mg∕L，共計(jì)12 500 kg。叢毛單胞菌購(gòu)買自武漢水之國(guó)科技環(huán)保有限公司。該類細(xì)菌為直桿或略彎曲的桿菌，屬于好氧或兼性厭氧非發(fā)酵革蘭氏陰性桿菌。

2 處理效果分析

工程進(jìn)行提標(biāo)改造后，在2018 年11 月到12 月期間監(jiān)測(cè)了該污水處理廠出水COD、TP、氨氮、TN等參數(shù)的變化。

2.1 COD 去除效果

COD 去除效果見圖2。

圖2 COD 去除效果Fig.2 COD removal effect

由圖2 可知，進(jìn)水COD 波動(dòng)較大，平均COD 為（150.67±31.83）mg∕L，出水平均COD 為（11.93±2.23）mg∕L。使用BioDopp 工藝提標(biāo)改造后，出水COD 穩(wěn)定，符合準(zhǔn)Ⅳ類水體要求。說(shuō)明即使在冬季溫度較低的華北地區(qū)，BioDopp 工藝處理低COD 廢水時(shí)依舊能發(fā)揮良好作用。COD 去除率較高，說(shuō)明在BioDopp 池中異養(yǎng)細(xì)菌含量高，這些異養(yǎng)菌通過(guò)呼吸作用攝取水中碳源為自身代謝提供能量，進(jìn)而降低水中COD。

2.2 TP 的去除效果

TP 去除效果見圖3。

圖3 TP 去除效果Fig.3 TP removal effect

進(jìn)水平均TP 為（3.68±2.10）mg∕L，出水平均TP為（0.11±0.06）mg∕L，TP 平均去除率為95.9%。在冬季，該地區(qū)TP 進(jìn)水波動(dòng)較大，最高進(jìn)水TP 達(dá)到9.99 mg∕L，該 日 出水TP 僅為0.04mg∕L；最低進(jìn)水TP為1.07mg∕L，該日出水TP 為0.09 mg∕L。由于該水廠進(jìn)水為生活污水和部分工業(yè)廢水，根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)調(diào)查，工業(yè)廢水中TP 較低且穩(wěn)定，因此進(jìn)廠污水中TP 主要來(lái)源自生活污水。而生活污水中TP 來(lái)源自人類糞便，具有隨時(shí)間和空間變化明顯的特征〔3-4〕。因此，該水廠在冬季進(jìn)水TP 波動(dòng)值較大。但由于BioDopp 工藝除磷是通過(guò)生物除磷與化學(xué)除磷相結(jié)合的方式，使得系統(tǒng)TP 出水穩(wěn)定。

2.3 氨氮和TN 的去除效果

氨氮和TN 去除效果見圖4。

圖4 氨氮和TN 去除效果Fig.4 Ammonia and TN removal rate

運(yùn)行BioDopp 工藝后，進(jìn)水平均氨氮為32.43 mg∕L，出水平均氨氮為1.37mg∕L；進(jìn)水平均TN為38.96 mg∕L，出水平均TN 為5.31 mg∕L。進(jìn)水氨氮和TN 波動(dòng)較大，但出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，但在2018 年11月13 日至2018 年11 月22 日這段時(shí)間內(nèi)出水氨氮超出限制。分析原因?yàn)?，該地區(qū)當(dāng)時(shí)氣溫從平均7 ℃降低至-1 ℃。使得池內(nèi)溫度由17 ℃降低至4 ℃，氨氧化菌的活性略有降低，進(jìn)而導(dǎo)致出水氨氮不達(dá)標(biāo)。但隨著氨氧化菌適應(yīng)能力提升，氨氧化菌活性提升，出水氨氮達(dá)標(biāo)，僅個(gè)別天數(shù)超出排放限值。

對(duì)比分析氨氮和TN 去除效果不難發(fā)現(xiàn)，采用BioDopp 工藝后，出水平均氨氮由原工藝的1.93 mg∕L降低至1.37 mg∕L，出水TN 由12.23 mg∕L 降低至5.31 mg∕L，下降幅度明顯。現(xiàn)如今生化處理工藝存在一種蹺蹺板效應(yīng)，即硝化過(guò)程與反硝化過(guò)程相互制約。池內(nèi)溶解氧設(shè)定在1.2 mg∕L，在BioDopp 生化系統(tǒng)內(nèi)好氧池階段溶解氧被大量消耗，硝化細(xì)菌處于缺氧階段，使得氨氮去除率下降。溶解氧被迅速消耗后，有利于反硝化過(guò)程，使得TN 去除效率上升。同時(shí)BioDopp 生化池中選取的叢毛單胞菌能在低溫條件下仍具備一定的外源代謝能力，確保溫度較低時(shí)出水氨氮和TN 達(dá)標(biāo)〔5〕。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本工程建設(shè)項(xiàng)目總投資3 493.20 萬(wàn)元，其中：工程費(fèi)2 817.64 萬(wàn)元，工程建設(shè)其他費(fèi)383.43 萬(wàn)元，基本預(yù)備費(fèi)160.05 萬(wàn)元，建設(shè)期貸款利息116.70 萬(wàn)元，流動(dòng)資金15.38 萬(wàn)元。

單位運(yùn)行成本1.70 元∕m3，其中包括固定資產(chǎn)折舊費(fèi)0.23元∕m3，資產(chǎn)攤銷費(fèi)0.01元∕m3，電費(fèi)、藥劑費(fèi)合計(jì)1.20元∕m3，人工費(fèi)0.10元∕m3，污泥外運(yùn)成本0.16元∕m3。考慮到成本和資金流動(dòng)，并滿足污水廠建設(shè)還款需求，理論綜合污水處理費(fèi)用為1.75元∕m3。

在該項(xiàng)目投資建設(shè)中，存在收支不平衡風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)污水廠建設(shè)進(jìn)行盈虧平衡分析，計(jì)算盈虧平衡點(diǎn)，可以判斷出該污水處理廠達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的60.73%即可盈虧平衡。

4 總結(jié)與討論

該污水廠提標(biāo)改造工程是在原有懸鏈曝氣+A2∕O工藝基礎(chǔ)上將A2∕O池改造成BioDopp生化反應(yīng)器，有效提升了該水廠對(duì)COD、氨氮、TN、TP 的處理效果，達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水體排放要求，其中出水TN 穩(wěn)定小于10 mg∕L，優(yōu)于國(guó)家規(guī)定的對(duì)提標(biāo)改造工程TN要求。該工程可為同類型的污水廠提標(biāo)改造提供技術(shù)借鑒。