裝配式“A/O+磁混凝沉淀”工藝在城市溢流污水處理工程中的應(yīng)用
——以成都市某應(yīng)急污水處理工程為例

熊 超，胡練偉

(中建環(huán)能科技股份有限公司，成都 610045)

引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的不斷增長，城市污水排放量持續(xù)增加。市政管網(wǎng)建設(shè)延遲，易導(dǎo)致污水處理廠超負(fù)荷運行，溢流污水直接入河，水體發(fā)黑發(fā)臭[1-2]。城市溢流污水應(yīng)急處理項目往往建設(shè)周期短、占地面積小、運行年限短，需采用可快速啟動、經(jīng)濟可靠的處理工藝和設(shè)施，并達到較高的出水標(biāo)準(zhǔn)。拼裝罐及一體化設(shè)備作為一種新興技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于應(yīng)急污水處理項目建設(shè)。盛倩[3]采用“SBR+MBBR+混凝”工藝對某市政污水處理廠的溢流污水進行處理，采用快速拼裝、一體化、模塊化的安裝方式，從項目設(shè)計到施工完成通水僅50天，出水指標(biāo)穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。黃世全等[4]采用模塊化“超磁分離+曝氣生物濾池”工藝，對武漢市某河道建設(shè)了臨時分散處理設(shè)施，所處理的溢流污水出水達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

成都市一直在穩(wěn)步推進河道整治、雨污分流、新建污水處理廠等綜合治理工作，但短期內(nèi)無法全部完成并發(fā)揮作用，面臨市民生活環(huán)境改善的需要及環(huán)?？己说木o迫壓力。近年來，國家對于水環(huán)境的要求日益嚴(yán)格，污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，現(xiàn)階段的新(改、擴)建污水處理廠均需達到一級A標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)需要達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[5]。本項目為解決成都市某地區(qū)市政污水溢流問題，設(shè)計了裝配式“A/O+磁混凝沉淀”工藝，并分析了該工藝的建設(shè)和運行數(shù)據(jù)，以期為國內(nèi)應(yīng)急污水處理廠的建設(shè)提供案例參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計水量和水質(zhì)

本項目占地面積為9000m2(約13.5畝)，用于處理城市管網(wǎng)溢流的生活污水，服務(wù)年限為2年。新建規(guī)模為2.5×104m3/d(總變化系數(shù)1.2，最大處理能力3.0×104m3/d)應(yīng)急污水處理設(shè)施，分兩套，單套最大處理能力1.5×104m3/d。出水指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，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)及去除率Tab.1 Design influent quality, effluent quality and removal rate

1.2 工藝選擇

進行工藝選擇時充分了考慮項目的占地面積、污染物去除率、投資成本及建設(shè)周期及等因素。該項目的進水為常規(guī)生活污水，對CODCr、NH3-N、TN、TP和SS的去除率需分別達到83%、83%、62%、87%和94%。A/O工藝作為廣泛應(yīng)用的水處理工藝，與A2/O工藝相比，其工藝系統(tǒng)簡單，占地面積相對小，同時對脫氮和CODCr的降解也有較好的效果。在除磷方面采用磁混凝沉淀工藝，主要原因在于其占地面積小(表面負(fù)荷達20～50 m3/m2·h，面積僅占傳統(tǒng)沉淀池的1/20)、處理后出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠，尤其是對于TP和SS的去除具有高效性[6]。

近年來，裝配式技術(shù)逐漸成為污水處理領(lǐng)域的熱點[7]。其主要優(yōu)點在于可以連續(xù)按順序完成工程的多個或全部工序，減少進場的工程機械種類和數(shù)量，消除工序銜接的停閑時間，實現(xiàn)立體交叉作業(yè)，從而提高工效、降低物料消耗、減少環(huán)境污染[8]。裝配式技術(shù)建造速度快，而且建設(shè)成本較低，可以滿足應(yīng)急項目對于工期和質(zhì)量的要求。因此，本工程采用裝配式“A/O+磁混凝沉淀”工藝對污染物進行去除。

1.3 工藝流程

根據(jù)本項目的水質(zhì)特點，采用“預(yù)處理+A/O+磁混凝沉淀+紫外線消毒”工藝，對CODCr、氨氮、總氮、TP、SS和糞大腸桿菌等污染物進行去除。設(shè)計工藝流程如圖1所示，一級處理采用粗、細格柵，去除污水中的漂浮物和部分懸浮物，二級處理采用A/O生化系統(tǒng)對CODCr、氨氮和總氮進行去除。三級處理采用磁混凝沉淀系統(tǒng)降低出水的TP和SS，磁混凝沉淀系統(tǒng)的出水接紫外線消毒工藝，使糞大腸桿菌指標(biāo)滿足排放要求。

圖1 本項目工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of emergency wastewater treatment project

1.4 平面布置方式

參考《給排水設(shè)計手冊》及《室外排水設(shè)計規(guī)范》等資料進行平面布置，同時充分考慮了項目用地緊張的問題。根據(jù)項目用地紅線，將處理設(shè)施分成了兩組，各構(gòu)筑物之間的布置緊密有序。末端構(gòu)筑物沿河岸布設(shè)，減少了架空管道和地下管道鋪設(shè)長度。生活區(qū)采用集中布置，并與處理構(gòu)筑物保持了一定距離。項目的建設(shè)效果如圖2所示。

圖2 本項目建設(shè)效果圖Fig.2 Construction renderings of emergency wastewater treatment project

2 主要建(構(gòu))筑物及配套設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.1 主要建(構(gòu))筑物清單

主要構(gòu)筑物包括提升泵站、預(yù)處理單元、A/O生化系統(tǒng)、磁混凝沉淀系統(tǒng)、紫外線消毒池、污泥脫水系統(tǒng)和風(fēng)機房，構(gòu)筑物清單及尺寸如表2所示。

表2 主要建(構(gòu))筑物尺寸表Tab.2 Design size of main structures

2.2 污水處理主要構(gòu)筑物設(shè)計

2.2.1 提升泵站和粗、細格柵

提升泵站及粗、細格柵按照2.5×104m3/d設(shè)計，變化系數(shù)Kz=1.2。設(shè)置2臺提升泵(潛污泵)，1用1備，單臺提升泵流量1 250 m3/h，帶變頻器，揚程25 m。設(shè)置粗格柵(粉碎格柵機)1臺，置于提升泵房的進水口，柵條間隙10 mm。設(shè)置細格柵(金屬孔板格柵機)1臺，格柵渠寬1.5 m，格柵間距6 mm，過柵流速為0.7 m/s。

2.2.2 A/O生化系統(tǒng)

A/O生化系統(tǒng)設(shè)計處理能力2.5×104m3/d，由兩套最大處理能力為1.5×104m3/d的系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中，缺氧池的停留時間為3.3 h，溶解氧為0.2～0.5 mg/L。缺氧池內(nèi)設(shè)兩臺推流攪拌器，對邊布置并沿切線方向進行推流，保證污水在池內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動和完全混合。好氧池的停留時間為6.4 h，BOD5污泥負(fù)荷為0.15 kgBOD5/(kgMLSS·d)，污泥濃度為3 500 mg/L。好氧池內(nèi)均勻布置曝氣盤(服務(wù)面積為0.5 m2/個)，氣水比為7∶1，保證溶解氧控制在2～4 mg/L并實現(xiàn)完全混合狀態(tài)。

二沉池為輻流式沉淀池，停留時間為3.6 h，表面水力負(fù)荷為1.0 m3/m3·h，設(shè)置雙邊出水堰，出水堰負(fù)荷為0.98 L/s·m。A/O系統(tǒng)的內(nèi)回流比為200%，外回流比為70%。

2.2.3 磁混凝沉淀系統(tǒng)

磁混凝沉淀系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示，包括兩套磁混凝沉淀設(shè)備，最大處理能力為1.5×104m3/套。每套磁沉淀設(shè)備包含3級混凝反應(yīng)池(停留時間5 min)、斜管沉淀池(沉淀時間18 min)、加藥裝置和磁粉回收裝置。依次向3級混凝反應(yīng)池中投加PAC、磁粉和陰離子PAM進行混凝反應(yīng)，生成大顆粒的“磁性絮團”，反應(yīng)后的污水進入斜管沉淀池，進行沉淀。

圖3 磁混凝沉淀工藝流程圖Fig.3 Flow chart of magnetic coagulation precipitation process

斜管沉淀池污泥斗內(nèi)的污泥通過污泥泵提升，一部分通過污泥回流泵回流至T2反應(yīng)池，另一部分通過剩余污泥泵輸送至磁分離機，再通過磁分離機分離污泥和磁粉，分離出的磁粉回流至混合反應(yīng)池(T2)重復(fù)使用，不含磁粉的污泥排入污泥濃縮池。

2.2.4 消毒渠

主要采用紫外線進行消毒，當(dāng)瞬時水量較大時采用紫外線與次氯酸鈉組合的方式進行消毒[9]。紫外線消毒模塊包括120支(10支-12組)320 W的燈管，照射劑量20 mJ/cm2，有效波長250～280 nm，次氯酸鈉投加量為2 mg/L(有效氯含量10%)。消毒渠末端設(shè)置3臺立式離心泵，用于中水回用，2用1備，單臺流量35 m3/d，揚程為50 m。

2.2.5 風(fēng)機房

風(fēng)機房內(nèi)設(shè)有曝氣鼓風(fēng)機3臺，包括2臺空懸風(fēng)機(2用)和1臺羅茨風(fēng)機(1備)，空懸風(fēng)機單臺進氣量3 300 m3/h，風(fēng)壓7.8 m，功率84 kW。羅茨風(fēng)機單臺進氣量3 378 m3/h，風(fēng)壓7.4 m，功率110 kW。

2.2.6 污泥脫水

剩余污泥經(jīng)過污泥濃縮池進行濃縮，進一步降低含水率。污泥濃縮池內(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢杵?，功?.2 kW。通過螺桿泵將污泥從污泥濃縮池輸送至板框壓濾機，螺桿泵共2臺，1用1備，流量為30 m3/h，揚程60m。配有高壓隔膜板框壓濾機2臺，壓泥周期4 h，污泥日均產(chǎn)量為12 t/d，污泥脫水后含水率約65%。

經(jīng)校核，本項目A/O工藝設(shè)計參數(shù)符合《厭氧-缺氧-好氧活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 576-2010)中的要求，其他工藝段的設(shè)計參數(shù)均滿足《給排水設(shè)計手冊》和《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版)的相關(guān)要求。

2.3 裝配式設(shè)計及安裝

2.3.1 預(yù)制裝配式設(shè)計

A/O系統(tǒng)、磁混凝沉淀系統(tǒng)和污泥濃縮池均采用預(yù)制裝配式設(shè)計，預(yù)制構(gòu)件(罐體周圈拼接鋼板、圈梁等)均提前在工廠完成生產(chǎn)，將預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)浆F(xiàn)場進行拼裝。各構(gòu)筑物的基礎(chǔ)部分采用現(xiàn)澆建造工藝，地上罐體部分采用快速裝配式安裝。

2.3.2 現(xiàn)澆基礎(chǔ)及罐體拼裝

對建筑場地進行平整后，采用素混凝土澆筑墊層。墊層養(yǎng)護完成后，安裝筏板鋼筋并支模。筏板鋼筋綁扎完成并驗收合格后，進行筏板澆筑?，F(xiàn)場拼裝示例如圖4所示，周圈拼接鋼板之間采用高強螺栓連接，拼接完成后采用特殊防水膠對連接處進行密封。

圖4 現(xiàn)場安裝圖(筏板綁扎、基礎(chǔ)養(yǎng)護、罐體拼裝及防滲處理)Fig.4 Installation picture of the project

2.3.3 罐體防水及養(yǎng)護

為保證罐體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在罐體周圍均勻設(shè)置了圈梁，并在罐體與基礎(chǔ)連接處設(shè)置了地圈梁。罐體與基礎(chǔ)之間的拼接縫采用“遇水膨脹膠圈+防水卷材+刷防水膠+二次澆注”的做法進行防滲處理，取得較好的防滲效果。罐體內(nèi)側(cè)鋼板采用防腐處理，外側(cè)采用噴漆養(yǎng)護。

3 運行效果及成本分析

3.1 建設(shè)效果

該項目從設(shè)計到施工完成全線通水僅75天，實際建設(shè)效果如圖5所示。A/O系統(tǒng)、磁混凝沉淀系統(tǒng)和污泥濃縮池采用預(yù)制裝配式安裝，風(fēng)機房、加藥間、脫泥間、配電房、機修間及綜合樓采用輕鋼結(jié)構(gòu)。各構(gòu)筑物均進行了外噴漆防護，廠區(qū)內(nèi)的道路布置合理，綠化感官效果較好。

圖5 項目建設(shè)實景圖Fig.5 Actual picture of project constraction

3.2 水質(zhì)分析

對2021年1月～6月的水質(zhì)進行了連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表3所示，出水指標(biāo)穩(wěn)定達到了一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中CODCr、NH3-N和TP的去除率分別為94.58%、98.52%和95.70%，且出水水質(zhì)優(yōu)于同類應(yīng)急污水處理項目[3-4]。

表3 項目進出水水質(zhì)及去除率Tab.3 Water quality and removal rate of inlet and outlet wastewater

此外，本項目對總氮的去除率較高(81.58%)，主要原因在于運行期間對混合液回流比進行了合理調(diào)控(150%～300%)并適當(dāng)投加了碳源。脫氮過程主要在生化系統(tǒng)完成，氨氮在好氧池中被氧化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮部分回流至缺氧池，并在缺氧條件下還原為氮氣[10]。對氮元素的平衡進行了估算，如表4所示。

表4 氮元素的平衡分析表Tab.4 Material balance for nitrogen (mg/L)

3.3 成本分析

以2021年1月～6月的運行數(shù)據(jù)進行運行成本分析，日平均進水量為20 814 m3/d，實際運行負(fù)荷為83.26%。經(jīng)計算，該項目運行成本為0.93元/m3，低于全國227個污水處理廠樣本的平均運行成本[11](1.01元/m3)。本項目的成本分析見表5，主要費用包括：

表5 項目運行成本分析表Tab.5 Project operating cost analysis

3.3.1 藥劑費

項目使用的藥劑主要包括碳源、PAC，陰離子PAM和磁粉。碳源(含乙酸鈉30%)的投加量(1 500 kg/d)，PAC(AL2O3含量為30%)投加為1 200 kg/d，PAM(分子量大于1 400萬)投加量為40 kg/d，磁粉(粒徑150目)投加量為100 kg/d。

3.3.2 電費

配電及自控系統(tǒng)的平均運行功率為275 kW，單位能耗為0.317 kW·h/m3，略低于國標(biāo)一級A標(biāo)準(zhǔn)的單位能耗加權(quán)平均值[12](0.321 kW·h/m3)。主要耗電為空懸風(fēng)機、污水提升泵和磁混凝沉淀系統(tǒng)。

3.3.3 污泥處置費

每天污泥產(chǎn)量約12 t/d(含水率65%)，污泥外運處置，處理單價為360元/t。

3.3.4 人工費

本項目總運行人員15人，人工費折合成噸水成本為0.158元/t。

3.3.5 設(shè)備維修費

包括部分零配件采購、更換及維修，月平均費用0.5萬元/月。

4 結(jié) 語

4.1 確定工程方案時因地制宜，充分結(jié)合了項目特點，同時遵循簡潔、實用、有效的原則，選用了占地小、施工快的解決方案。A/O反應(yīng)池、二沉池、污泥濃縮罐及磁混凝沉淀系統(tǒng)均采用快速裝配式安裝，最大程度的縮短了建設(shè)周期，減少了占地和投資。項目運行期間的單位能耗(0.317 kW·h/m3)及運行成本(0.93元/m3)均較低。

4.2 “AO+磁沉淀”工藝實現(xiàn)了較好的運行效果，尤其是在TP和SS的去除方面，出水指標(biāo)均滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，CODCr、NH3-N和TP的去除率分別為94.58%、98.52%和95.70%。該項目為城市應(yīng)急污水的治理提供了一種更優(yōu)選擇。

4.3 各單體的處理效能考慮了一定的余量，如兩套磁沉淀系統(tǒng)的最大處理能力為3.0×104m3/d，兩套板框脫泥系統(tǒng)的最大脫泥量可達24t/d，可保證水量大時可以超負(fù)荷運行。

4.4 本應(yīng)急項目的服務(wù)期限為2年，采用裝配式設(shè)計有利于后期設(shè)備拆除及回收利用。該項目具有一定的推廣應(yīng)用前景，并為以后的應(yīng)急污水處理工程提供了案例支撐。