基于低總氮控制要求的改良AAO工藝在太湖地區(qū)污水處理廠中的應(yīng)用

羅宏偉,熊順華,汪 勇,陸 琳,袁克誠(chéng),張力楨,董 偉

(1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,江蘇南京 210000;2.溧陽(yáng)市水利局,江蘇溧陽(yáng) 213300;3.中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,北京 100044;4.溧陽(yáng)中建水務(wù)有限公司,江蘇溧陽(yáng) 213300)

在脫氮除磷要求不斷提高的大背景下,全國(guó)各地的城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。溧陽(yáng)市花園污水處理廠設(shè)計(jì)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)正處在江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)發(fā)布前不久,該標(biāo)準(zhǔn)中主要污染物(CODCr、氨氮、TN、TP)排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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),尤其是TN排放標(biāo)準(zhǔn)提升幅度較大(排放限值由15 mg/L調(diào)整為10 mg/L)。此時(shí),該項(xiàng)目的前期立項(xiàng)工作已經(jīng)完成,批復(fù)文件中明確了項(xiàng)目規(guī)模、用地、設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)、處理工藝、投資等。其中,出水執(zhí)行GB 18918—2002中一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),但根據(jù)環(huán)保部門的意見和建議,設(shè)計(jì)須充分考慮江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)。在各設(shè)計(jì)條件基本確定的情況下,設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)的大幅提高,再加上鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水水量和水質(zhì)的不確定性,這些都給設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目從實(shí)際需求出發(fā),合理優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行,深挖改良厭氧-缺氧-好氧(AAO)處理工藝潛力,并通過(guò)大量運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果,呈現(xiàn)污水處理廠在應(yīng)對(duì)進(jìn)水水量及水質(zhì)波動(dòng)大、低TN控制要求下的實(shí)際處理效果,為廣大設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理人員提供借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概況

全面推進(jìn)區(qū)域污水治理,是太湖流域水環(huán)境綜合治理的一部分,也是溧陽(yáng)市進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措,可有效改善城市水體水環(huán)境質(zhì)量,提高人民生活水平。2017年,溧陽(yáng)市人民政府啟動(dòng)了溧陽(yáng)市區(qū)域治污工程PPP項(xiàng)目,而花園污水處理廠一期工程是該項(xiàng)目的重要組成部分。

根據(jù)《溧陽(yáng)市市域污水工程規(guī)劃》(修編)(2015—2030),花園污水處理廠位于溧陽(yáng)市東郊,老羅莊河以東,永平大道(G104)以北,平陵?yáng)|路以南,廠區(qū)總占地面積約為7.34×104m2,主要收集和處理溧陽(yáng)主城區(qū)南部、燕山片區(qū)、城南片區(qū)、天目湖鎮(zhèn)和戴埠鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)(含撤并鄉(xiāng)鎮(zhèn))的生活污水。污水處理廠總規(guī)模為8.0×104m3/d,分3期建成,其中一期工程為3.0×104m3/d,二期工程為3.0×104m3/d,三期工程為2.0×104m3/d。根據(jù)PPP項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書要求,花園污水處理廠設(shè)計(jì)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)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),污水處理廠出水進(jìn)入人工濕地(不在本工程范圍內(nèi))進(jìn)一步凈化后排放至南河,南河與蕪太運(yùn)河、溧戴河交匯,最終往東匯流,至宜興南溪河。南河、南溪河的2020年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)均為Ⅲ類,而花園污水處理廠的南河排口距南溪河潘家壩考核斷面距離較近,僅為4 700 m。因此,為減少花園污水處理廠尾水排放對(duì)潘家壩考核斷面的影響,環(huán)保部門要求花園污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)充分考慮即將發(fā)布的太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)。

在上述背景下,花園污水處理廠一期工程于2017年底完成設(shè)計(jì)工作,2018年4月開工建設(shè),2019年12月建成投產(chǎn),2020年進(jìn)入試運(yùn)行階段。項(xiàng)目總投資約為1.806億元,其中,第一部分工程費(fèi)約為1.303億元。污水處理工藝采用“常規(guī)處理+深度處理”工藝,其中,常規(guī)處理采用改良AAO工藝,深度處理采用“微絮凝+反硝化深床濾池”工藝;污泥處理采用“重力濃縮+板框壓濾脫水”工藝;消毒采用次氯酸鈉消毒工藝;除臭采用生物土壤除臭工藝。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

參照溧陽(yáng)市類似污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì),結(jié)合本工程實(shí)際情況,確定花園污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求,花園污水處理廠設(shè)計(jì)出水應(yīng)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)。考慮到當(dāng)時(shí)《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)即將發(fā)布,結(jié)合環(huán)保部門要求,最終確定花園污水處理廠實(shí)際設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的污染物排放限值。各標(biāo)準(zhǔn)中主要污染物限值如表2所示。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)主要污染物限值

2.2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析及對(duì)策

根據(jù)表2中數(shù)據(jù),相比《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),《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)中一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)主要污染物(氨氮、CODCr、TP、TN)排放標(biāo)準(zhǔn)有大幅提升,這也就對(duì)處理工藝選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)選取、運(yùn)行控制等方面都提出了更高的要求。污水處理采用生化處理工藝時(shí),特別是生物除磷脫氮工藝,對(duì)進(jìn)水中污染物的配比和平衡有一定的要求,具體如下。

(1)BOD5/CODCr是鑒定污水是否適宜采用生化處理的衡量指標(biāo),也是一種最簡(jiǎn)單易行和最常用的方法,一般認(rèn)為BOD5/CODCr>0.3的污水才適于采用生化處理。該比值越大,可生化性越好。

(2)BOD5/TN是鑒別能否采用生物脫氮的主要指標(biāo)。由于反硝化細(xì)菌是在分解有機(jī)物的過(guò)程中進(jìn)行反硝化脫氮的,在不投加外來(lái)碳源的條件下,污水中必須有足夠的有機(jī)物(碳源),才能保證反硝化的順利進(jìn)行。一般認(rèn)為BOD5/TN>4.0時(shí),滿足生物脫氮需求。

(3)BOD5/TP是評(píng)價(jià)采用生物除磷工藝是否可行的主要指標(biāo)。一般認(rèn)為BOD5/TP>17時(shí),滿足生物除磷需求。

如根據(jù)表1中設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)算,花園污水處理廠進(jìn)水的BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP分別約為0.5、3.6、29.1,可認(rèn)為進(jìn)水可生化較好,生物除磷條件較好,生物脫氮條件則稍差,表明碳源不足。但根據(jù)溧陽(yáng)市及周邊其他類似城市污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,由于受排水體制、地下水入滲、雨污分流改造、居民用水習(xí)慣等諸多因素影響,污水處理廠實(shí)際進(jìn)水的主要污染物濃度普遍低于設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度,尤其是BOD5濃度偏低,造成進(jìn)水碳源不足。這就給生物脫氮除磷(尤其是脫氮)造成了非常不利的影響,故許多污水處理廠往往采用外加碳源(工程上一般采用乙酸鈉或甲醇)的方式來(lái)保證脫氮除磷效果。針對(duì)上述問(wèn)題,本工程對(duì)主要污染物去除影響因素分析及對(duì)策如下。

(1)BOD5的去除

污水中的BOD5主要在工藝流程中的曝氣池即生化反應(yīng)池內(nèi)去除,對(duì)于要求除磷脫氮的污水處理工藝,曝氣池內(nèi)還要完成硝化作用。硝化菌為自養(yǎng)菌,比增長(zhǎng)速率比異養(yǎng)菌小一個(gè)數(shù)量級(jí),因此,需要更長(zhǎng)的泥齡或更低的污泥負(fù)荷。出水氨氮達(dá)標(biāo)條件下,BOD5的去除率很高,出水BOD5質(zhì)量濃度完全能夠控制在10 mg/L以下。

(2)CODCr的去除

污水中CODCr的去除原理和BOD5基本相同,即通過(guò)微生物的代謝作用達(dá)到去除CODCr的目的。去除率取決于原水中有機(jī)物的可生化性,生活污水的可生化性較好,去除率較高,但僅通過(guò)生物降解達(dá)到40 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn),有一定難度,須采用化學(xué)法或物理化學(xué)法加以去除。本工程采用的措施有:1)生化反應(yīng)池出水端投加混凝劑,提高生化污泥沉降性能,降低二沉池表面負(fù)荷,以達(dá)到更好的SS和CODCr去除率;2)為節(jié)約投資,本工程未設(shè)置混凝沉淀池,而是僅通過(guò)微絮凝+過(guò)濾(反硝化深床濾池)進(jìn)一步去除SS和CODCr。

(3)氨氮、TN的去除

氨氮的去除主要通過(guò)硝化作用來(lái)實(shí)現(xiàn),氨氮的硝化過(guò)程將成為控制生化處理好氧單元設(shè)計(jì)的主要因素。影響硝化反應(yīng)效果最主要的因素是溶解氧、污泥齡和溫度。只要保證充足的供氧和足夠長(zhǎng)的污泥齡,就容易實(shí)現(xiàn)氨氮的完全硝化,將出水氨氮質(zhì)量濃度控制在3 mg/L以下。

要使出水中TN質(zhì)量濃度控制在10 mg/L以下,必須提高反硝化脫氮的效率。影響反硝化效率的主要因素:1)pH,反硝化反應(yīng)最適宜的pH值為7.0～7.5;2)溶解氧,反硝化過(guò)程的溶解氧應(yīng)保持在0.2～0.5 mg/L;3)溫度,反硝化反應(yīng)的適宜溫度為15～35 ℃;4)碳源,當(dāng)污水中BOD5/TN<4時(shí),應(yīng)補(bǔ)充外來(lái)碳源;5)回流比,理論上越高的回流比,TN的去除率越高,但過(guò)高的回流比會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的能耗,故工程上一般根據(jù)TN的去除要求將回流比設(shè)置在200%～300%。

為實(shí)現(xiàn)氨氮、TN的去除要求,本工程采取的措施:1)運(yùn)行中嚴(yán)格控制生化反應(yīng)池好氧區(qū)溶解氧濃度,避免硝化液回流溶解氧過(guò)高而消耗大量的碳源;2)選取合適的污泥負(fù)荷,優(yōu)化好氧區(qū)和缺氧區(qū)池容占比,在滿足硝化需求的前提下,適當(dāng)增加缺氧區(qū)容積,以提高TN去除效率;3)優(yōu)化回流比,設(shè)置多套內(nèi)回流泵,根據(jù)進(jìn)出水TN指標(biāo)靈活調(diào)整開啟數(shù)量,以節(jié)約能耗;4)在生化反應(yīng)池缺氧區(qū)設(shè)置碳源投加點(diǎn),為減少硝化液回流中的溶解氧對(duì)碳源的消耗,投加點(diǎn)設(shè)置在硝化液回流點(diǎn)下游適當(dāng)位置;5)在深度處理反硝化深床濾池進(jìn)水端設(shè)置碳源投加點(diǎn),在常規(guī)處理單元TN去除仍不能滿足要求的情況下投加碳源,開啟反硝化功能[2]。

(4)TP的去除

國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明,僅通過(guò)生物除磷很難使出水中的TP質(zhì)量濃度控制在0.3 mg/L以下,往往須輔以化學(xué)除磷工藝[3]。生物除磷的影響因素:1)碳源,一般認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水BOD5/TP>17時(shí),碳源充足;2)污泥齡,生物除磷的污泥齡為3.5～7.0 d;3)系統(tǒng)中硝酸鹽的回流干擾。

為提高除磷效果,本工程采取的措施:1)強(qiáng)化生物除磷,采用改良AAO工藝;2)輔以化學(xué)除磷,分別在改良AAO生化反應(yīng)池出水端和微絮凝池進(jìn)水端設(shè)置混凝劑投加點(diǎn),2個(gè)投加點(diǎn)互為備用,視現(xiàn)場(chǎng)情況靈活調(diào)整,通過(guò)剩余污泥的排放和深度處理單元的微絮凝過(guò)濾來(lái)達(dá)到除磷的目的。

(5)SS的去除

常規(guī)污水處理工藝出水SS質(zhì)量濃度能夠達(dá)到20 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn),要達(dá)到10 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn),需通過(guò)深度處理進(jìn)一步去除。SS的主要成分是活性污泥絮體,絮體中含有有機(jī)物和磷,所以較高的出水SS含量將會(huì)導(dǎo)致出水的BOD5、CODCr和TP含量增加。因此,控制出水中SS指標(biāo)是最基本的,也是最重要的。本工程采取的措施:1)常規(guī)處理單元選用較低的污泥負(fù)荷,生化反應(yīng)池出水端增加混凝劑以保持活性污泥的凝聚及沉降性能;2)選用高效的周進(jìn)周出輻流式二沉池型,提高沉淀效果;3)深度處理單元采用微絮凝過(guò)濾進(jìn)一步去除SS。

2.3 改良AAO工藝簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)意義上的AAO工藝即厭氧-缺氧-好氧活性污泥法,即通過(guò)厭氧和好氧、缺氧和好氧交替變化的環(huán)境完成除磷脫氮反應(yīng)。在這個(gè)工藝中,厭氧區(qū)用于生物除磷,缺氧區(qū)用于生物脫氮。原污水中的碳源物質(zhì)先進(jìn)入?yún)捬醭?聚磷菌優(yōu)先利用污水中的易生物降解物質(zhì)成為優(yōu)勢(shì)菌種,為除磷創(chuàng)造了條件。污水然后進(jìn)入缺氧池,反硝化菌結(jié)合其他可能利用的碳源將回流到缺氧池的硝態(tài)氮還原成氮?dú)?達(dá)到脫氮的目的。傳統(tǒng)AAO工藝進(jìn)水點(diǎn)及內(nèi)外回流點(diǎn)均已固定,運(yùn)行調(diào)節(jié)不靈活,在進(jìn)水碳源不足的情況下,反硝化細(xì)菌和聚磷菌之間存在對(duì)優(yōu)質(zhì)碳源的競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致除磷和脫氮效果均會(huì)下降[1]。傳統(tǒng)AAO工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)AAO工藝流程

為充分利用進(jìn)水中的碳源,演化出改良AAO工藝,即預(yù)缺氧-厭氧-缺氧-好氧活性污泥法。為了克服回流污泥中硝酸鹽對(duì)除磷效果的影響,在厭氧區(qū)前段設(shè)一個(gè)預(yù)缺氧區(qū),全部回流污泥及進(jìn)水量的10%～30%(根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié))進(jìn)入預(yù)缺氧區(qū),進(jìn)水量的90%～70%進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)。在預(yù)缺氧區(qū)去除回流污泥中富含的硝酸鹽,以降低或消除硝酸鹽對(duì)厭氧區(qū)釋磷的影響。同時(shí),保證厭氧區(qū)充分利用原污水中的碳源物質(zhì),為厭氧區(qū)聚磷菌的釋磷創(chuàng)造良好的環(huán)境。經(jīng)充分釋磷反應(yīng)后進(jìn)入缺氧區(qū),利用污水中碳源(原水碳源不足時(shí)須外加碳源)對(duì)內(nèi)回流混合液中的硝基氮進(jìn)行反硝化。然后,再進(jìn)入好氧區(qū)進(jìn)行有機(jī)物降解、硝化反應(yīng)和磷的吸收,通過(guò)合理排泥控制找到硝化反應(yīng)所需長(zhǎng)泥齡和除磷所需短泥齡的平衡點(diǎn),從而保證較好的生物脫氮除磷效果,提高了系統(tǒng)的生物除磷能力。改良AAO工藝流程如圖2所示。

圖2 改良AAO工藝流程

2.4 污水、污泥處理工藝

花園污水處理廠污水處理工藝采用“常規(guī)處理+深度處理”工藝,其中,常規(guī)處理工藝采用改良AAO工藝,深度處理采用“微絮凝+反硝化深床濾池”工藝,污泥處理采用“重力濃縮+板框壓濾脫水”工藝,消毒采用次氯酸鈉消毒工藝。污水、污泥處理工藝流程如圖3所示。

注:人工濕地不在本工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2.5 主要建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

花園污水處理廠總規(guī)模為8.0×104m3/d,分3期建成,其中一期工程規(guī)模為3.0×104m3/d。污水總變化系數(shù)取1.31。一期工程主要建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)規(guī)模如表3所示。

表3 一期工程主要建(構(gòu))筑物

(1)進(jìn)水泵房

進(jìn)水泵房共1座,粗格柵間和進(jìn)水泵房合建,土建規(guī)模為8.0×104m3/d,設(shè)備安裝規(guī)模為4.0×104m3/d。粗格柵間設(shè)粗格柵渠道2個(gè),每個(gè)渠道寬度為2.70 m,內(nèi)設(shè)粗格柵1套,柵條間距為20 mm。進(jìn)水泵房下部深度為10.4 m,上部建筑梁底凈高為6.0 m,共設(shè)5個(gè)泵位,一期工程安裝3套,2用1備,均設(shè)置變頻,單套水泵性能參數(shù):流量Q=1 092 m3/h,揚(yáng)程H=14.5 m,功率N=75 kW。

(2)曝氣沉砂池

曝氣沉砂池共1座,細(xì)格柵間和曝氣沉砂池合建,土建規(guī)模為8.0×104m3/d,設(shè)備安裝規(guī)模為4.0×104m3/d。細(xì)格柵間設(shè)置渠道2個(gè),單渠寬度為2.60 m,內(nèi)設(shè)細(xì)格柵1套,柵條間距為5 mm;曝氣沉砂池水力停留時(shí)間為3.5 min,設(shè)橋式吸砂機(jī)1套,軌距為8.3 m。

(3)改良AAO生化反應(yīng)池及污泥泵房

改良AAO生化反應(yīng)池與污泥泵房合建。改良AAO生化反應(yīng)池共3座,分3期建成。其中,一期工程1座,分2組,每組土建及設(shè)備安裝規(guī)模均為1.5×104m3/d,采用強(qiáng)化脫氮除磷改良AAO生化反應(yīng)池,分為預(yù)缺氧池、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū),總水力停留時(shí)間為15.4 h,其中,預(yù)缺氧區(qū)為0.5 h,厭氧區(qū)為1.5 h,缺氧區(qū)為6.0 h,好氧區(qū)為7.4 h。設(shè)計(jì)水溫為15 ℃,污泥負(fù)荷為0.07 kg BOD5/(kg MLSS·d),污泥質(zhì)量濃度為3.6 g/L,內(nèi)回流比為200%,污泥外回流比為25%～100%,有效水深為6.0 m,供氧方式為鼓風(fēng)曝氣,綜合污泥產(chǎn)率為0.6 kg VSS/(kg BOD5),總供氣量為163 m3/min,設(shè)計(jì)氣水比為7.8∶1.0。單組生化反應(yīng)池主要設(shè)備:潛水?dāng)嚢杵鞴?3套,單套功率為5.5 kW,其中預(yù)缺氧區(qū)1套,厭氧區(qū)3套,缺氧區(qū)9套。混合液回流泵3套,2用1備,單套性能參數(shù)為Q=625 m3/h,H=0.7～1.5 m,N=4.0 kW。

污泥泵房共3座,分3期建成。其中,一期工程1座,土建及設(shè)備安裝規(guī)模為3.0×104m3/d。污泥泵房分2組,單組主要設(shè)備:潛水?dāng)嚢杵?套,N=5.5 kW;污泥回流泵3套,2用1備,單套性能參數(shù)為Q=625 m3/h,H=3.5 m,N=11 kW;剩余污泥泵2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=55 m3/h,H=15.0 m,N=5.5 kW。

(4)二沉池

二沉池共5座,其中一期工程建2座,單座規(guī)模為1.5×104m3/d,周邊進(jìn)水、周邊出水,單池直徑為34 m,池深為4.5 m,最高日最高時(shí)表面負(fù)荷為1.0 m3/(m2·h),平均時(shí)表面負(fù)荷為0.69 m3/(m2·h),堰口負(fù)荷為1.63 L/(m·s)。進(jìn)水污泥質(zhì)量濃度為3.6 g/L,回流污泥質(zhì)量濃度為8 g/L。每座二沉池設(shè)中心傳動(dòng)單管吸泥機(jī)1套,N=0.37 kW。

(5)提升泵房、微絮凝池、濾池、反沖洗泵房

提升泵房、微絮凝池、濾池、反沖洗泵房合建。

提升泵房共2座,其中一期工程建1座,單座規(guī)模為4.0×104m3/d,共設(shè)置4套潛水軸流泵,3用1備,單套性能參數(shù)為Q=906 m3/h,H=6.0 m,N=30 kW。

微絮凝池共2座,其中一期工程建1座,單座規(guī)模為4.0×104m3/d,絮凝時(shí)間約為5.4 min,內(nèi)設(shè)絮凝攪拌機(jī)1套,雙層槳式,攪拌速度梯度為30～60 s-1,N=15 kW,變頻調(diào)速。

濾池共1座,土建規(guī)模為8.0×104m3/d,設(shè)備安裝規(guī)模為4.0×104m3/d?？紤]到后期可能對(duì)出水TN指標(biāo)采用更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn),本工程設(shè)計(jì)留有適當(dāng)余地,濾池采用納污能力強(qiáng),同時(shí)具備反硝化功能的反硝化深床濾池。濾池共8格,單格過(guò)濾面積為70.92 m2,尺寸為19.92 m×3.56 m×6.10 m,正常運(yùn)行濾速為5.87 m/h(平均時(shí)),強(qiáng)制濾速為7.83 m/h(平均時(shí))。濾池反沖洗方式:a)氣沖2～5 min,氣沖強(qiáng)度為91 m3/(m2·h);b)氣水共沖,氣沖強(qiáng)度為92 m3/(m2·h),水沖洗強(qiáng)度為14.7 m3/(m2·h),時(shí)間10～15 min;c)最后水沖,水沖洗強(qiáng)度為14.7 m3/(m2·h),沖洗時(shí)間為5～10 min。濾池總水頭損失≤2.44 m,采用恒液位控制,反沖洗周期為24～48 h,反沖洗水量≤3%。濾料規(guī)格為2～3 mm石英砂,厚度為1.83 m,均勻系數(shù)K60≤1.40。承托層采用鵝卵石,厚度為450 mm。濾池進(jìn)水渠前設(shè)置混合池,內(nèi)設(shè)攪拌器1套,雙層槳式,攪拌速度梯度為500～1 000 s-1,N=15 kW。

反沖洗泵房共1座,與反硝化深床濾池配套,規(guī)模為8.0×104m3/d,一次性建成。上部為反沖洗鼓風(fēng)機(jī)房和空壓機(jī)系統(tǒng),下部為反沖洗廢水池和反沖洗清水池。清水池和廢水池設(shè)計(jì)池容均≥480 m3。主要設(shè)備:反沖洗風(fēng)機(jī)2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=54 m3/min,風(fēng)壓為70 kPa,N=120 kW;反沖洗水泵2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=518 m3/h,H=10.0 m,N=37 kW;反沖洗排水泵2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=173 m3/h,H=7.6 m,N=11 kW。

(6)接觸池

接觸池共2座,一期工程建1座,規(guī)模為4.0×104m3/d,水力停留時(shí)間約為38 min(最高日最高時(shí)),有效水深為3.5 m。

(7)濃縮池

濃縮池共2座,單座規(guī)模為4.0×104m3/d,直徑為12.0 m,水深為4.6 m。

(8)調(diào)理池

調(diào)理池共1座,規(guī)模為8.0×104m3/d,一次性建成。調(diào)理池分為2格,單格有效池容約為200 m3。每格調(diào)理池設(shè)攪拌機(jī)1套,N=11 kW,變頻調(diào)速。

(9)脫水機(jī)房

脫水機(jī)房共1座,規(guī)模為8.0×104m3/d,一次性建成。遠(yuǎn)期絕干污泥量約為13.6 t/d,其中一期工程絕干污泥量約為5.1 t/d。脫水機(jī)遠(yuǎn)期進(jìn)泥量約為680 m3/d,進(jìn)泥含水率為97%～98%,出泥含水率≤60%。脫水機(jī)采用高壓隔膜壓濾機(jī)2套,單套過(guò)濾面積為500 m2。污泥最終出路為制磚、堆肥、綜合利用。

(10)儲(chǔ)液池

儲(chǔ)液池共1座,規(guī)模為8.0×104m3/d,一次性建成。儲(chǔ)液池共分為3格,每格有效池容約為90 m3,分別儲(chǔ)存成品的混凝劑、消毒劑和碳源溶液。每格內(nèi)設(shè)耐腐蝕液下立式泵2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=10 m3/h,H=10.0 m,N=3.0 kW。

(11)加藥間

加藥間共1座,土建規(guī)模為8.0×104m3/d,設(shè)備安裝規(guī)模為3.0×104m3/d。

混凝劑采用成品聚合氯化鋁溶液,設(shè)計(jì)最大投加量為40 mg/L,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,投加點(diǎn)在生化反應(yīng)池出水端或微絮凝池進(jìn)水端,每個(gè)投加點(diǎn)對(duì)應(yīng)1套計(jì)量泵,一期共配備計(jì)量泵3套,2用1備,單套性能參數(shù)為Q=800 L/h,H=30.0 m。

消毒劑采用成品次氯酸鈉溶液,設(shè)計(jì)最大投加量為25 mg/L,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,投加點(diǎn)在接觸池進(jìn)水管路上,一期配備計(jì)量泵2套,1用1備,單套Q=800 L/h,H=30.0 m。

碳源采用成品乙酸鈉溶液,設(shè)計(jì)最大投加量為40 mg/L,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,投加點(diǎn)在生化反應(yīng)池缺氧區(qū)或反硝化深床濾池的混合池。一期生化反應(yīng)池缺氧區(qū)投加點(diǎn)配備計(jì)量泵3套,2用1備,每個(gè)投加點(diǎn)對(duì)應(yīng)1套計(jì)量泵,單套性能參數(shù)為Q=800 L/h,H=30.0 m;反硝化深床濾池混合池投加點(diǎn)配備計(jì)量泵2套,1用1備,單套性能參數(shù)為Q=800 L/h,H=30.0 m。

(12)鼓風(fēng)機(jī)房

鼓風(fēng)機(jī)房共1座,土建規(guī)模為8.0×104m3/d,設(shè)備安裝規(guī)模為3.0×104m3/d。一期配備高速磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)3套,2用1備。單套性能參數(shù)為Q=81.7 m3/min,H=7.0 m,N=132 kW。

(13)除臭系統(tǒng)

一期工程設(shè)置3套生物土壤濾池除臭系統(tǒng),相對(duì)集中布置,分別處理預(yù)處理單元(進(jìn)水泵房、曝氣沉砂池)、常規(guī)處理單元(生化反應(yīng)池厭氧區(qū)、污泥泵房)、污泥脫水系統(tǒng)(濃縮池、調(diào)理池和脫水機(jī)房)的臭氣,處理規(guī)模分別為12 500、6 500、9 500 m3/h。

3 項(xiàng)目運(yùn)行情況

3.1 項(xiàng)目運(yùn)行的水量、水質(zhì)

本文收集并整理了花園污水處理廠2021年1月—2022年9月(統(tǒng)計(jì)天數(shù)為638 d)的運(yùn)行數(shù)據(jù),從實(shí)際進(jìn)水量數(shù)據(jù)來(lái)看,部分時(shí)間(占比約為24.5%)實(shí)際進(jìn)水量已經(jīng)超出設(shè)計(jì)規(guī)模;從實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)來(lái)看,大部分時(shí)間實(shí)際進(jìn)水指標(biāo)未超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì),小部分時(shí)間由于受工業(yè)廢水沖擊,實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì),如表4所示。

表4 部分超標(biāo)進(jìn)水水質(zhì)

總體來(lái)說(shuō),進(jìn)水BOD5/CODCr多在0.4～0.6,可生化性較好;BOD5/TN多在2～4,表明碳源不足,需要外加適量碳源以保證生物脫氮效果;BOD5/TP多在17～30,滿足生物除磷需求。雖然花園污水處理廠在某些時(shí)間受工業(yè)污水沖擊,部分進(jìn)水指標(biāo)超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì),但工業(yè)廢水可生化性相對(duì)較好,與生活污水混合后的水中各污染物指標(biāo)呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP基本滿足生物脫氮除磷的條件,故并未對(duì)實(shí)際出水產(chǎn)生太多不利影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行反饋,在脫氮方面,花園污水處理廠僅在生化反應(yīng)池缺氧區(qū)投加碳源,碳源采用乙酸鈉,平均投加量為14～18 mg/L。深度處理單元反硝化深床濾池進(jìn)水端堰后有一定的跌水,在跌水過(guò)程中有一定的充氧作用,故在出水TN達(dá)標(biāo)的情況下,為減少碳源投加量,污水處理廠并未開啟該濾池的反硝化功能,僅作為砂濾池使用。在除磷方面,為節(jié)約能耗,花園污水處理廠未在微絮凝池投加混凝劑,僅在生化反應(yīng)池好氧區(qū)出水端投加混凝劑,混凝劑采用聚合氯化鋁,平均投加量為7～9 mg/L,通過(guò)出水堰跌水及管道的水力混合作用,可達(dá)到較好的化學(xué)除磷效果。

從2021年1月—2022年9月的實(shí)際出水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)看,花園污水處理廠整體運(yùn)行情況良好。實(shí)際運(yùn)行的進(jìn)水量、進(jìn)出水BOD5、進(jìn)出水CODCr、進(jìn)出水氨氮、進(jìn)出水TN、進(jìn)出水TP指標(biāo)分析如下。

(1)實(shí)際進(jìn)水量數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水量基本在25 000～35 000 m3/d,最高日進(jìn)水量為36 992 m3/d,2022年進(jìn)水量普遍高于2021年進(jìn)水量,并有逐漸升高的趨勢(shì),超出設(shè)計(jì)水量的天數(shù)有156 d,占比約為24.5%。實(shí)際進(jìn)水量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 實(shí)際進(jìn)水量數(shù)據(jù)

(2)實(shí)際進(jìn)出水BOD5數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度最低為28 mg/L,最高為308 mg/L,大多在80～150 mg/L,超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的天數(shù)有76 d,占比約為11.9%;實(shí)際出水BOD5質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在6 mg/L以下,最高為5.6 mg/L,最低為0.9 mg/L。實(shí)際進(jìn)出水BOD5指標(biāo)如圖5、圖6所示。

圖5 實(shí)際進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度

圖6 實(shí)際出水BOD5質(zhì)量濃度

(3)實(shí)際進(jìn)出水CODCr數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度最低為55 mg/L,最高為749 mg/L,大多在150～300 mg/L,超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的天數(shù)有62 d,占比約為9.7%;實(shí)際出水CODCr質(zhì)量濃度最高為34 mg/L,最低為6 mg/L,絕大多數(shù)穩(wěn)定在30 mg/L以下,僅有3 d超過(guò)30 mg/L,Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率為99.5%;出水CODCr超標(biāo)的主要原因是受工業(yè)廢水沖擊,進(jìn)水量滿負(fù)荷或超負(fù)荷,進(jìn)水濃度超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì),其中,最高的1 d實(shí)際進(jìn)水量為33 664 m3/d,進(jìn)水CODCr為418 mg/L。實(shí)際進(jìn)出水CODCr指標(biāo)如圖7、圖8所示。

圖7 實(shí)際進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度

圖8 實(shí)際出水CODCr質(zhì)量濃度

(4)實(shí)際進(jìn)出水氨氮數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度最低為3.5 mg/L,最高為47.3 mg/L,大多在20～35 mg/L,超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的天數(shù)有56 d,占比約為8.8%;實(shí)際出水氨氮質(zhì)量濃度除個(gè)別日期超過(guò)1.5 mg/L外(多發(fā)生在12月—次年3月),絕大多數(shù)穩(wěn)定在1.5 mg/L以下,最高為2.9 mg/L,最低為0.02 mg/L,Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率為96.9%。出水氨氮超標(biāo)的主要原因?yàn)槎練鉁氐?再加上其配套的廠外收集系統(tǒng)線路長(zhǎng),導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水的水溫較低,最低水溫達(dá)到8 ℃。當(dāng)水溫在12 ℃以下時(shí),硝化速率急劇下降,從而導(dǎo)致少數(shù)出水氨氮指標(biāo)偏高。同時(shí),本文所采用的數(shù)據(jù)均為瞬時(shí)樣化驗(yàn)數(shù)據(jù),取樣時(shí)段的水質(zhì)波動(dòng)也存在一定概率。實(shí)際進(jìn)出水氨氮指標(biāo)如圖9、圖10所示。

圖9 實(shí)際進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度

圖10 實(shí)際出水氨氮質(zhì)量濃度

(5)實(shí)際進(jìn)出水TN數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水TN最低值為8.3 mg/L,最高值為62.7 mg/L,大多在25～45 mg/L,超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的天數(shù)有53 d,占比約為8.3%。根據(jù)進(jìn)水的BOD5/TN分析,進(jìn)水中存在碳源不足的問(wèn)題,當(dāng)在生化反應(yīng)池缺氧區(qū)投加碳源約14～18 mg/L的情況下,實(shí)際出水TN質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10 mg/L以下,最高為9.9 mg/L,最低為1.9 mg/L。實(shí)際進(jìn)出水TN指標(biāo)如圖11、圖12所示。

圖11 實(shí)際進(jìn)水TN質(zhì)量濃度

圖12 實(shí)際出水TN質(zhì)量濃度

(6)實(shí)際進(jìn)出水TP數(shù)據(jù)分析

實(shí)際進(jìn)水TP質(zhì)量濃度最低為0.8 mg/L,最高為17.5 mg/L,大多在3.0～6.0 mg/L,超出設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的天數(shù)有99 d,占比約為15.5%。根據(jù)進(jìn)水的BOD5/TP分析,具備生物除磷條件,結(jié)合改良AAO工藝預(yù)缺氧池的設(shè)置,避免了硝酸鹽回流對(duì)厭氧釋磷的影響,再輔以較低的混凝劑投加(平均投加量為7～9 mg/L),可達(dá)到較好的除磷效果。實(shí)際出水TP質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.3 mg/L以下,最高為0.29 mg/L,最低為0.02 mg/L。實(shí)際進(jìn)出水TP指標(biāo)如圖13、圖14所示。

圖13 實(shí)際進(jìn)水TP質(zhì)量濃度

圖14 實(shí)際出水TP質(zhì)量濃度

3.2 項(xiàng)目運(yùn)行成本及能耗

對(duì)比周邊類似水質(zhì)和工藝的污水處理廠,花園污水處理廠的運(yùn)行成本適中,噸水運(yùn)行成本約為0.996元,具體組成如表5所示?；▓@污水處理廠噸水平均運(yùn)行電耗約為0.47 kW·h。

表5 運(yùn)行成本分析

4 總結(jié)

(1)綜上,花園污水處理廠采用“改良AAO”常規(guī)處理工藝+“微絮凝+反硝化深床濾池”深度處理工藝典型生活污水,通過(guò)合理功能分區(qū)設(shè)計(jì)和參數(shù)選取、優(yōu)化加藥點(diǎn)設(shè)置(如生化出水端設(shè)置混凝劑投加點(diǎn)、缺氧區(qū)起端內(nèi)回流點(diǎn)后設(shè)置碳源投加點(diǎn))、合理控制加藥量(如控制碳源投加量為14～18 mg/L,混凝劑投加量為7～9 mg/L)等措施,在微絮凝未使用和反硝化深床濾池的反硝化功能未開啟的情況下,也能夠達(dá)到較好的脫氮除磷及CODCr去除效果,且系統(tǒng)具備一定的抗沖擊能力。出水水質(zhì)優(yōu)于《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn),主要污染物指標(biāo)(氨氮、CODCr、TP)達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)率分別為96.9%、99.5%、100%,出水TN質(zhì)量濃度可穩(wěn)定在10 mg/L以下,可為出水主要污染指標(biāo)(TN指標(biāo)除外)執(zhí)行Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供借鑒。

(2)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)優(yōu)化缺氧區(qū)和好氧區(qū)比例,適當(dāng)擴(kuò)大缺氧區(qū)容積,有條件時(shí)可設(shè)置機(jī)動(dòng)區(qū)域(可作為缺氧或好氧模式運(yùn)行),碳源不足時(shí),在缺氧區(qū)適當(dāng)投加碳源,可提高系統(tǒng)的脫氮效率。

(3)當(dāng)出水有較高的脫氮要求時(shí),宜根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)及出水水質(zhì)要求在常規(guī)處理單元實(shí)現(xiàn),以減小后續(xù)深度處理單元的壓力。當(dāng)常規(guī)處理單元無(wú)法達(dá)到脫氮要求時(shí),可通過(guò)深度處理單元進(jìn)一步去除TN,但需注意深度處理脫氮單元的進(jìn)水溶解氧指標(biāo),設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì),盡量減少上游流程中由于跌水、水泵提升等產(chǎn)生的充氧作用,以減少碳源的消耗。

(4)生物除磷輔以化學(xué)除磷能夠起到較好的除磷效果。在厭氧區(qū)前端設(shè)置預(yù)缺氧區(qū),可有效減小硝化液對(duì)厭氧釋磷的影響。同時(shí),通過(guò)進(jìn)水流量合理分配,即小流量(10%～30%)進(jìn)入預(yù)缺氧區(qū)、大流量(90%～70%)進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū),滿足釋磷對(duì)碳源的需求,為好氧吸磷提供了良好的基礎(chǔ)條件。在好氧區(qū)出水端投加混凝劑,通過(guò)好氧區(qū)出水堰跌水的水力混合效果,可有效提高化學(xué)除磷的效率,同時(shí)節(jié)約深度處理單元機(jī)械絮凝的能耗。