上向流石英砂深床濾池在污水處理廠提標(biāo)中的應(yīng)用

謝益佳，戴仲怡，楊 墨，李 璐，都雪晨，李樹苑

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對(duì)原先排放標(biāo)準(zhǔn)較低的已建污水處理廠出水提標(biāo)勢在必行,大多數(shù)污水處理廠的提標(biāo)重點(diǎn)和難點(diǎn)都在TN達(dá)標(biāo)。深床濾池是目前污水處理廠提標(biāo)改造的主流脫氮工藝之一，具有占地面積小、動(dòng)力消耗低、脫氮效果好等特點(diǎn)，在提標(biāo)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-7]。但由于采用的水流方向和濾料材質(zhì)、濾速、濾料強(qiáng)度不同，脫氮效果也存在差異。實(shí)際工程應(yīng)用中，上向流深床濾池濾料材質(zhì)以生物陶粒及輕質(zhì)濾料居多，鮮少見有關(guān)石英砂濾料的報(bào)道。栗文明等[1]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上向流深床濾池的濾料主要有兩種：生物陶粒及以威立雅公司Biostyr為代表的聚苯乙烯小球輕質(zhì)濾料(密度<1.0 g/cm3)。以某城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際提標(biāo)工程為例，詳細(xì)介紹了上向流石英砂濾料深床濾池的工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果，以期為類似提標(biāo)改造工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

某城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10.0萬m3/d，隨著外部管網(wǎng)的不斷完善，實(shí)際污水收集量已遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)規(guī)模。根據(jù)運(yùn)行協(xié)議，該污水處理廠處理規(guī)模維持在10.0萬m3/d，多余污水另外擴(kuò)建污水處理廠進(jìn)行處理。2019年月均處理水量為101 861～108 794 m3/d，2020年月均處理水量如表1所示。

表1 2020年月均處理水量Tab.1 Average Monthly Treated Water Quantity in 2020

提標(biāo)改造前，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標(biāo)準(zhǔn)，采用“粗格柵+進(jìn)水泵房+細(xì)格柵+旋流沉砂池+間歇式活性污泥工藝(SBR)生化池+濾布濾池+接觸消毒”的污水處理工藝。其中SBR生化池設(shè)2座，每座4格，共8格，每天4個(gè)周期，每個(gè)周期為6.0 h，各工序的時(shí)間依次為進(jìn)水反應(yīng)3.0 h、沉淀1.5 h、排水1.2 h、閑置0.3 h。

根據(jù)提標(biāo)前運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定，除TN外其他指標(biāo)均能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。提標(biāo)前污水處理廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

隨著受納水體環(huán)境要求的不斷提高，污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，現(xiàn)有出水標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足要求?，F(xiàn)階段提出的要求是處理后出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中V類標(biāo)準(zhǔn)，其中TN≤15 mg/L，詳細(xì)指標(biāo)情況如表3所示。

2 提標(biāo)工程的重難點(diǎn)分析

2.1 重點(diǎn)

對(duì)照污水處理廠提標(biāo)改造要求，現(xiàn)狀污水處理廠出水CODCr、BOD5、氨氮、SS達(dá)標(biāo)率為100%，TP達(dá)標(biāo)率為99%，TN達(dá)標(biāo)率為52%(以d計(jì))，如表4所示。

表2 提標(biāo)前污水處理廠月均實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Actual Monthly Influent and Effluent Quality of WWTP before Upgrading

表3 提標(biāo)后設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.3 Designed Effluent Quality after Upgrading

表4 提標(biāo)前TN達(dá)標(biāo)率(≤15.00 mg/L)(以d計(jì))Tab.4 TN Standard-Compliance Rate before Upgrading (≤15.00 mg/L) (in days)

由表4可知，該工程提標(biāo)的重點(diǎn)是TN指標(biāo)。此外，目前污水處理廠實(shí)際進(jìn)水CODCr、BOD5、TN較低，隨著區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的不斷完善和提質(zhì)增效工作的逐步深入，預(yù)計(jì)污水處理廠實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)會(huì)進(jìn)一步提高。因此，提標(biāo)工程在重點(diǎn)考慮TN指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還需為將來進(jìn)水水質(zhì)提高后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)留有余地。

2.2 難點(diǎn)

(1)現(xiàn)狀SBR工藝處理能力有限

通過計(jì)算復(fù)核，在進(jìn)水BOD5含量達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)(150 mg/L)時(shí)，出水CODCr、BOD5、氨氮、TP、SS可以達(dá)到提標(biāo)后要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)。但SBR工藝本身脫氮功能較差(該工程現(xiàn)狀實(shí)際脫氮率約為60%)，即使改用其他運(yùn)行方式，也因池容不夠而不能使TN達(dá)標(biāo)。另因場地受限，該工程SBR池已無擴(kuò)容可能。

(2)碳源不足

BOD5/TN是鑒別能否生物脫氮或脫氮程度的主要指標(biāo)。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)，一般BOD5/TN≥4.0可認(rèn)為污水有足夠的碳源供生物脫氮。目前國內(nèi)大部分污水處理廠都很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，均需要外加碳源。該工程實(shí)際進(jìn)水BOD5/TN=1.5～3.5(平均為2.0)，需另外補(bǔ)充碳源。

3 提標(biāo)工程設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于工藝可靠、運(yùn)行管理方便、在施工期“不停水、不減量、不降標(biāo)”的提標(biāo)原則，結(jié)合現(xiàn)狀設(shè)施和用地情況，經(jīng)綜合比較，采用在現(xiàn)狀SBR池后、濾布濾池前增設(shè)深床濾池的工藝方案。與下向流深床濾池相比，上向流深床濾池脫氮效果好，無需設(shè)置“驅(qū)氮”裝置，可以采用較高的濾速，且水頭損失小，不存在跌落充氧的現(xiàn)象，可節(jié)省碳源，特別適合用于污水處理廠提標(biāo)工程中去除TN。深圳某污水處理廠采用以石英砂為濾料的上向流深床濾池進(jìn)行提標(biāo)改造，將出水水質(zhì)由不能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升至地表準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(部分指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，TN≤10 mg/L)[8]。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，現(xiàn)狀SBR池在運(yùn)行中仍有不少漂浮物和懸浮物進(jìn)入濾布濾池，為防止后續(xù)構(gòu)筑物堵塞和影響設(shè)備運(yùn)行，在SBR池出水后設(shè)精細(xì)格柵。

現(xiàn)狀SBR池采用浮筒式潷水器潷水，出水量變化較大，實(shí)際潷水出水量為3 000～6 670 m3/h。為使后續(xù)處理構(gòu)筑物平穩(wěn)運(yùn)行，在精細(xì)格柵后設(shè)中間調(diào)節(jié)水池。

提標(biāo)后污水處理流程如圖1所示。

圖1 提標(biāo)后污水處理工藝流程Fig.1 Sewage Treatment Process Flow after Upgrading

3.2 反硝化深床濾池工藝設(shè)計(jì)

(1)流向與濾料選擇

目前，反硝化濾池按照水流方向可分為上向流和下向流兩種。上向流反硝化濾池中的濾料級(jí)配是大顆粒濾料在底層，小顆粒濾料在上層。其過濾過程是含有一定渾濁度的水由納污量大的濾層下部流入濾料層，而由空隙較小的上部濾層流出，可以更好地發(fā)揮濾料層的截污能力，過濾的周期更長且出水水質(zhì)更好；同時(shí)因采用了下進(jìn)水、上出水的反向過濾型式，帶濾水完全與空氣隔絕，更有利于營造反硝化微生物的生長環(huán)境，能更有效地進(jìn)行脫氮。而下向流反硝化濾池在進(jìn)水時(shí)不斷地從空氣中帶入不利于反硝化微生物生長的氧氣進(jìn)入濾池，導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率低下。其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表5所示。

表5 上向流與下向流濾池的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.5 Comparison of Advantages and Disadvantages of Upflow and Downflow Filters

鑒于上向流反硝化濾池不會(huì)產(chǎn)生氣阻,不用設(shè)置“驅(qū)氮”裝置,脫氮效率較高,可以采用較高的濾速,占地面積較小,水頭損失小,運(yùn)行管理簡單，同時(shí)不存在跌落充氧的現(xiàn)象，相比傳統(tǒng)的下向流反硝化濾池可節(jié)省約20%～30%的碳源[6]，因此，該工程選用上向流反硝化濾池。

濾料有石英砂、陶粒、輕質(zhì)濾料、纖維絲濾料等多種材質(zhì)，各有優(yōu)勢，其中應(yīng)用較多的是陶粒及輕質(zhì)濾料。相較于其他濾料，石英砂濾料具有硬度高、耐腐蝕性好、密度高、機(jī)械強(qiáng)度高、截污能力強(qiáng)、使用壽命長、原材料易得、經(jīng)濟(jì)效益佳等優(yōu)點(diǎn)，因此，該工程采用石英砂濾料，濾料粒徑為2～4 mm。礫石承托層粒徑為2～40 mm，厚度為300 mm。

(2)濾速與濾料高度

(3)濾池池型

為節(jié)省用地，防止和減少濾料流失，選用翻板濾池，單格濾池尺寸為L×B×H=12.0 m×6.0 m×4.8 m，共8格，分2組，每組4格。

(4)濾池沖洗

反硝化濾池的沖洗主要是為了將老化的生物膜脫落更新，防止濾料板結(jié)，增強(qiáng)處理效果并減少濾池水頭損失，并不需要將濾料表面沖洗干凈。該工程沖洗周期為48～72 h，采用三段式氣水沖洗。

單獨(dú)氣沖：氣沖強(qiáng)度為13.8 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為2.0～3.0 min。

氣水聯(lián)合沖洗：氣沖強(qiáng)度為13.8 L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度為4.5 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為4.0～6.0 min。

單獨(dú)水沖：水沖強(qiáng)度為9.0 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為3.0～5.0 min。

配套沖洗水泵3臺(tái)，2用1備，單泵流量Q=1 200 m3/h，揚(yáng)程H=15 m。沖洗羅茨風(fēng)機(jī)2臺(tái)，1用1備，風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=60 m3/min，風(fēng)壓P=60 kPa。

(5)碳源投加

碳源采用液態(tài)乙酸鈉，每組設(shè)1個(gè)投加點(diǎn)(共2個(gè)投加點(diǎn))，最大投加量為40 mg/L(20%液體)。

設(shè)隔膜計(jì)量泵3臺(tái)，2用1備。投加泵流量Q=0～150 L/h，壓力P=0.3 MPa。

投加系統(tǒng)可根據(jù)反硝化濾池進(jìn)水流量和進(jìn)水水質(zhì)準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投加。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該工程建筑安裝工程費(fèi)用約為3 800萬元，單位水量工程投資約為380元/m3；上向流石英砂反硝化深床濾池運(yùn)行電耗為0.048 kW·h/m3；全年乙酸鈉平均投加量為108 g/m3(乙酸鈉含量為20%)，以乙酸鈉單價(jià)為1 500元/t計(jì)，碳源投加費(fèi)用為0.162元/m3，其中夏季乙酸鈉平均投加量為100 g/m3，冬季乙酸鈉平均投加量為132 g/m3。與同類工程相比，該工程投資及運(yùn)行費(fèi)用略優(yōu)。

5 提標(biāo)工程運(yùn)行效果

提標(biāo)工程于2019年4月建成投產(chǎn)，2020年、2021年月均實(shí)際進(jìn)出水TN指標(biāo)如表6、表7所示。

表6 提標(biāo)后2020年月均實(shí)際進(jìn)出水TN含量Tab.6 Actual TN Concentration of Average Monthly Actual Influent and Effluent after Upgrading in 2020

表7 提標(biāo)后2021年月均實(shí)際進(jìn)出水TN含量Tab.7 TN Concentration of Average Monthly Actual Influent and Effluent after Upgrading in 2021

由表6可知，2020年進(jìn)水TN月均值為23.40～43.70 mg/L，出水TN月均值為6.30～10.40 mg/L。由表7可知，2021年進(jìn)水TN月均值為41.20～46.60 mg/L，在進(jìn)水濃度明顯提高的情況下，出水TN月均值為9.10～9.50 mg/L，均明顯優(yōu)于提標(biāo)要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)。

除TN外，其他幾項(xiàng)出水指標(biāo)為CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、氨氮≤0.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L、SS≤6 mg/L，明顯優(yōu)于提標(biāo)要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)，均達(dá)到了地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

(1)基于在施工期“不停水、不減量、不降標(biāo)”的前提條件下，通過在原有SBR工藝基礎(chǔ)上新增“精細(xì)格柵+中間調(diào)節(jié)水池+上向流石英砂濾料深床濾池”深度處理工藝，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中V類標(biāo)準(zhǔn)(其中TN≤15 mg/L)。實(shí)際運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)上向流深床濾池脫氮效果好，無需設(shè)置“驅(qū)氮”裝置，可以采用較高的濾速，水頭損失小，運(yùn)行管理簡單，不存在跌落充氧的現(xiàn)象，相比傳統(tǒng)的下向流深床濾池可節(jié)省20%～30%的碳源，特別適合用于污水處理廠提標(biāo)工程中去除TN。

(3)該工程上向流深床濾池未采用應(yīng)用較廣的陶粒及輕質(zhì)濾料，而是選用應(yīng)用較少的石英砂濾料，濾料粒徑為2～4 mm，濾料高度為3.0 m，設(shè)計(jì)上升流速為7.2 m/h，空床接觸時(shí)間為25.0 min。該項(xiàng)目可為以石英砂為濾料的上向流反硝化深床濾池在提標(biāo)工程中的應(yīng)用提供案例參考。