德州市某污水處理廠技改方案的探討

王利超, 高信剛, 張 強(qiáng)

(北京恩菲環(huán)保股份有限公司, 北京 100038)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及國(guó)家對(duì)環(huán)保行業(yè)的大力支持,污水處理行業(yè)快速發(fā)展。 為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召,越來越多的工業(yè)污水處理廠通過工程改造[1-2]、工藝優(yōu)化[3-4]等措施,提高污水處理廠處理能力,穩(wěn)定出水水質(zhì)。 基于此,本文針對(duì)德州市P 污水處理廠存在處理能力受限的問題,分析其現(xiàn)有工藝中存在的問題并提出合理的技改措施。

1 污水處理廠簡(jiǎn)介

1.1 各單元工藝參數(shù)

該污水處理廠主要處理德州市某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)廢水及部分居民生活污水,目前,建成規(guī)模為日處理污水6×104m3/d,分為兩期,一期于2006 年建設(shè),處理規(guī)模3×104m3/d;二期于2013 年建設(shè),處理規(guī)模3×104m3/d。 受工藝處理能力的限制,實(shí)際日處理污水量約4×104m3/d,設(shè)計(jì)出水指標(biāo)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 該污水處理廠的處理工藝流程見圖1。

圖1 污水廠的處理工藝流程Fig.1 Treatment process flow of sewage treatment plant

1.1.1 粗格柵及提升泵站(一期、二期共用)

構(gòu)筑物:池?cái)?shù)1 座,鋼筋混凝土池體。 設(shè)計(jì)參數(shù):流量Q=3 275 m3/h。 設(shè)備:一期3 臺(tái)單級(jí)雙吸離心泵,流量Q=450 m3/h,揚(yáng)程H=15 m,功率45 kW;二期3 臺(tái)單級(jí)雙吸離心泵,流量Q=450 m3/h,揚(yáng)程H=15 m,功率45 kW。

1.1.2 一期工藝參數(shù)

生化段總?cè)莘e12 778.9 m3,水力停留時(shí)間HRT=10.22 h, BOD5容 積 負(fù) 荷0.106 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

① 厭氧池: 1 座,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 有效容積2 678.4 m3;水力停留時(shí)間HRT=2.14 h,TP 負(fù)荷0.014 kg TP/(kg MLSS·d)＜0.06 kg TP/(kg MLSS·d)。

② 缺氧池(反硝化池): 1 座,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 有效容積5 783.04 m3。 水力停留時(shí)間HRT=4.63 h。

③ 好氧池: 1 座,28 小格,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。有效容積4 317.46 m3,水力停留時(shí)間HRT=3.45 h,TN 負(fù)荷0.079 kg TN/(kg MLSS·d)＞0.05 kg TN/(kg MLSS·d),泥齡θc=14.6 d,混合液懸浮固體濃度MLSS=4 000 mg/L。 主要設(shè)備:PD 曝氣器:數(shù)量1 736 個(gè), ABS 材質(zhì),混旋式曝氣器直徑300 mm,曝氣器生泡孔徑≥6 mm,標(biāo)準(zhǔn)空氣流量2 ～3 m3/h,服務(wù)面積0.5 m2/個(gè),氧利用率≥10%～16%(6 m 清水情況下),曝氣器阻力490.332 5 Pa,動(dòng)力效力2.796 4～2.985 6 kg O2/kWh;水下推動(dòng)器:TL 型生物膜填料材質(zhì)為橡膠粉、活性炭等,平均粒徑5 ～7 mm,顆粒長(zhǎng)度5 ～12 mm,比表面積5.5 ～10 m2/g,真密度1.0～1.2 g/mL,孔隙率≥65.0%,濕比重1.0 ～1.25 g/mL,破碎磨碎率≤1.5%,沉降速度5.00 ～8.50 cm/s,總數(shù)量500 m3。 TL 型生物膜填料位于好氧池28 個(gè)小格內(nèi),可保持生物膜中高活性和高濃度的微生物,以提高有機(jī)物的降解效率。

④ 二沉池: 2 座,直徑D=30 m,池深H=4.0 m,鋼筋混凝土圓型池體。 設(shè)計(jì)參數(shù):流量Q=0.455 m3/s。 平均表面水力負(fù)荷0.88 m3/(m2·h)。

⑤ 鼓風(fēng)機(jī)房:1 座,磚混結(jié)構(gòu)。 主要設(shè)備:羅茨鼓風(fēng)機(jī),風(fēng)量Q=70 m3/min, 風(fēng)壓ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,設(shè)備數(shù)量共4 臺(tái),3 用1 備。

⑥ 混沉池:1 座,2 系列,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),池體尺寸為15.96 m×8.0 m×5.5 m。 主要設(shè)備:擾流渦旋混和器2 臺(tái),擾流絮凝設(shè)備2 套,斜板沉淀2 套。

⑦ 加藥間:1 座,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),尺寸為16.2 m×6.0 m×5.75 m。 主要包括絮凝劑(PAC)、助凝劑(PAM)投加設(shè)備等。

⑧ 變孔隙濾池:1 座,6 格,每格尺寸5.4 m×4.0 m×4.85 m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):濾速V=9.6 m/h。 主要設(shè)備:濾池成套設(shè)備:包含長(zhǎng)柄濾頭、級(jí)配卵石、石英砂等;反沖洗泵:流量Q=1 100 m3/h,揚(yáng)程H=20 m,2 臺(tái),1 用1 備;反沖洗風(fēng)機(jī):風(fēng)量Q=20 m3/min,風(fēng)壓ΔP=58.8 kPa,2 臺(tái),1 用1 備。

1.1.3 二期工藝參數(shù)

① 細(xì)格柵: 1 座,尺寸10.54 m×3.00 m,鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=1 637.5 m3/h,渠道寬度1 200 mm,柵條間隙6 mm。 主要設(shè)備:2 臺(tái)旋轉(zhuǎn)細(xì)格柵。

② 曝氣沉沙池: 1 座,2 格,尺寸12.85×5.90 m,鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=1 637.5 m3/h。主要設(shè)備:1 臺(tái)行車式吸砂機(jī),配套羅茨鼓風(fēng)機(jī)2 臺(tái)。

③ 生化池:1 座,2 系列,尺寸81.45 m×61.55 m×6 m,半地下鋼混矩形結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=1 250 m3/h,污泥負(fù)荷0.08 kg BOD5/(kg MLSS·d)。 厭氧段:2 格,單格有效容積V=1 232 m3/座,停留時(shí)間HRT=1.97 h。 缺氧段:4 格,單格有效容積V=2 464 m3/座,停留時(shí)間HRT=3.94 h。 好氧池:2 格,單格有效容積V=9 815 m3/座,污泥濃度MLSS=4 000 mg/L,污泥齡t= 17.5 d,停留時(shí)間HRT=15.70 h。

④ 二沉池:2 座,單池直徑D=35.0 m,鋼混結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=818 m3/(h·座),有效水深h=4.0 m,有效容積V=3 846.5 m3/座,表面負(fù)荷均時(shí)0.65 m/h,最大水力表面負(fù)荷q=0.85 m3/(m2·h),固體負(fù)荷124 kg/(m2·d)。

⑤ 二次提升泵站:1 座,鋼混結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量Q=1 637.5 m3/h。 設(shè)備流量Q=825 m3/h,揚(yáng)程H=7 m,功率22 kW,3 臺(tái),2 用1 備。

⑥ 網(wǎng)格絮凝沉淀池: 1 座2 系列,尺寸41.45 m×17.25 m,設(shè)計(jì)水量Q=1 637.5 m3/h。 單系列絮凝池共56 格,分三階段反應(yīng):第一階段19 格,過網(wǎng)流速0.29 m/s;第二階段19 格,過網(wǎng)流速0.23 m/s;第三階段18 格,過網(wǎng)流速0.23 m/s;絮凝反應(yīng)時(shí)間T=13.8 min;斜板沉淀池平均表面負(fù)荷2.63 m3/(m2·h)。

⑦ 接觸消毒池:1 座,尺寸23.00 m×11.00 m,半地下鋼混結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)水量Q=1 637.5 m3/h,有效容積V=735 m3。 消毒方式為次氯酸鈉,藥劑投加量8～15 mg/L,消毒時(shí)間H=33 min。

⑧ 鼓風(fēng)機(jī)房:1 座,結(jié)構(gòu)形式:地上式框架結(jié)構(gòu)。 鼓風(fēng)機(jī)房由設(shè)備間、值班控制室組成,機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)4 臺(tái)用于生化池曝氣的羅茨鼓風(fēng)機(jī),單機(jī)風(fēng)量Q=60 m3/min;機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)橋式起重機(jī)1 臺(tái),用于設(shè)備吊裝及維修。 平面尺寸:L×B=21.34 m×9.0 m,房高H=7.2 m。 主要設(shè)備:羅茨鼓風(fēng)機(jī)BK9030,風(fēng)量Q=60 m3/min,風(fēng)壓 ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,設(shè)備共4 臺(tái),3 用1 備。

⑨ 加藥間:1 座,主要功能:提供絮凝劑(PAC)、助凝劑(PAM)。

⑩ 加氯間:1 座,主要功能:次氯酸鈉消毒。合計(jì)占地面積99.4 m2。

1.1.4 生化單元水力停留時(shí)間對(duì)比

通過對(duì)生化單元厭氧池、缺氧池和好氧池池容的計(jì)算,一、二期水力停留時(shí)間見表1。

表1 一、二期生化單元水力停留時(shí)間Tab.1 Hydraulic residence time of phase I and phase II biochemical units

1.2 進(jìn)出水水質(zhì)

該廠穩(wěn)定運(yùn)行3 年,設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見表2。 改造前實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)COD、氨氮、TN 和TP 統(tǒng)計(jì)見表3。 通過表3 可知,該廠實(shí)際進(jìn)水指標(biāo)90%的概率在原設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo)內(nèi),因此,本次改造維持原設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo)不變,但處理水量明顯偏低。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水指標(biāo)Tab.2 Design inlet and outlet water indicators

表3 實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)Tab.3 Actual inflow water quality

由于該廠二期處理水量在2.5×104m3/d,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),故而只對(duì)一期處理水量在1.5×104m3/d 的出水水質(zhì)、水量分析,見表4。 由表4 可知,改造前該污水處理廠一期出水指標(biāo),總體能達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn),但是出水NH3-N 和TN 指標(biāo)接近排放限值,存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)處理水量90%概率在1.52×104m3/d,一期處理水量偏低。

表4 一期出水水質(zhì)Tab.4 Phase I effluent quality

2 處理工藝存在的問題

2.1 一期水量處理能力不足

該污水廠設(shè)計(jì)處理水量6×104m3/d,為了能夠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo),實(shí)際最大處理水量4×104m3/d,只達(dá)到設(shè)計(jì)處理水量的67%,處理能力難以提升導(dǎo)致同城其他污水廠的調(diào)度處理水量增加。 經(jīng)分析可知:二期處理水量2.5×104m3/d,達(dá)到設(shè)計(jì)水量負(fù)荷的83%,出水水質(zhì)達(dá)到排放一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),但一期日均處理水量1.45×104m3/d,只達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的48%,出水水質(zhì)不穩(wěn)定,存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。 通過表1 對(duì)比一、二期設(shè)計(jì)參數(shù),發(fā)現(xiàn)存在以下問題:

① 一期好氧池容積偏小,有效停留時(shí)間僅3.45 h。 以池內(nèi)混合液濃度4 g/L 復(fù)核,好氧池BOD 負(fù)荷 0.2 kg BOD5/(kg MLSS·d),遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值 0.05 ～0.1 kg BOD5/(kg MLSS·d);TN 污泥負(fù)荷0.07 kg TN/(kg MLSS·d),而設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值≤0.05 kg TN/(kg MLSS·d)。 由復(fù)核數(shù)據(jù)可以看出,現(xiàn)有好氧池容積達(dá)不到一級(jí)A 的處理能力。

② 一期二沉池平均表面負(fù)荷達(dá)到0.88 m/h,固體負(fù)荷169 kg/(m2·d);二期沉淀池平均時(shí)表面負(fù)荷為0.65 m/h,固體負(fù)荷124 kg/(m2·d)。 根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,二沉池固體負(fù)荷要求≤150 kg/(m2·d),一期二沉池設(shè)計(jì)固體負(fù)荷偏高,超出設(shè)計(jì)規(guī)范。

當(dāng)冬季氣溫低,需要提高污泥濃度滿足脫氮要求時(shí),生化池污泥濃度可能達(dá)到6 000 mg/L 以上,現(xiàn)有一期二沉池固體負(fù)荷將更高,導(dǎo)致泥水分離困難,影響出水水質(zhì),導(dǎo)致一期水量難以提升。

2.2 未建碳源加藥系統(tǒng)

該污水處理廠一、二期工程未建碳源投加系統(tǒng),為持續(xù)穩(wěn)定出水TN 指標(biāo),需要人工投加固體葡萄糖碳源。 人工投加無法保證連續(xù)穩(wěn)定投加,無法將藥劑的效果發(fā)揮至最優(yōu),導(dǎo)致一定程度的藥劑浪費(fèi)。

2.3 羅茨鼓風(fēng)機(jī)效率低

通過一段時(shí)間的試驗(yàn)探索,生化段的溶氧含量均值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表5。 可以看出,一、二期生物池溶氧嚴(yán)重不足,通過對(duì)設(shè)備的運(yùn)行觀察,現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī),無空氣過濾系統(tǒng),且鼓風(fēng)機(jī)自身效率不高,檢測(cè)時(shí)僅為正常出風(fēng)量的40%,效率低,能耗大,噪音大,實(shí)際可調(diào)節(jié)范圍較小,導(dǎo)致生物池溶氧量不均,且存在一定的職業(yè)健康危害。

表5 生化段的溶氧含量Tab.5 Dissolved oxygen content in the biochemical section

3 技改措施及效果

3.1 強(qiáng)化一期水量處理能力

(1)新建好氧池

針對(duì)一期好氧池水力停留時(shí)間短、水質(zhì)指標(biāo)差導(dǎo)致水量難以提升的問題,新建一座好氧池。 增加水力停留時(shí)間11 h,好氧池有效尺寸為60 m×45 m×6.5 m,新建后一期厭氧池水力停留時(shí)間2.14 h,缺氧池4.63 h,好氧池13.45 h,一期總停留時(shí)間為21.22 h,將解決一期處理COD、氨氮、TN 等污染物效率低,水量難以提升的問題。

(2)新建二沉池

針對(duì)一期二沉池表面負(fù)荷和峰值負(fù)荷高,導(dǎo)致的二沉池泥位高,出水懸浮物指標(biāo)高的問題,新建一座尺寸為φ30 m×4.5 m 的二沉池,用于降低一期二沉池負(fù)荷。

3.2 新建碳源加藥儲(chǔ)罐

污水廠未設(shè)碳源投加系統(tǒng),系統(tǒng)處理TN 效果穩(wěn)定性差,為實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行中可穩(wěn)定投加碳源,為出水TN 指標(biāo)的穩(wěn)定提高保障措施,一、二期各增設(shè)一套碳源投加設(shè)備,每套設(shè)備由藥劑儲(chǔ)罐、隔膜計(jì)量泵、液位計(jì)、電控柜及配套的管道閥門等組成。 加藥罐玻璃鋼材質(zhì),體積V=15 m3,配套功率2.2 kW 的攪拌器,配磁翻板液位計(jì),配帶狀環(huán)箍;碳源投加泵2 臺(tái),流量Q=0～200 L/h,壓力P=0.4 MPa,變頻控制。 碳源投加點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)回流硝化液回缺氧池入口處。

3.3 拆除羅茨鼓風(fēng)機(jī),增設(shè)空懸鼓風(fēng)機(jī)

一、二期各重置3 臺(tái)空懸鼓風(fēng)機(jī),風(fēng)量Q=110 m3/min,風(fēng)壓ΔP=68.6 kPa,功率N=160 kW,變頻。 空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)主要核心部件為空氣懸浮軸承、高速永磁電機(jī)等,幾乎無機(jī)械摩擦,可實(shí)現(xiàn)變頻控制,故而效率高,具備節(jié)能、無振動(dòng)、噪音低、操作及控制方便等優(yōu)點(diǎn)。 改造后一期運(yùn)行2 臺(tái),曝氣量150 m3/min,氣水比7 ∶2;二期運(yùn)行2 臺(tái),曝氣量147 m3/min,氣水比7 ∶1。 通過改造,鼓風(fēng)機(jī)房能耗節(jié)約30%。

3.4 運(yùn)行效果

污水廠技改工程于2020 年完成,經(jīng)過兩年多的工藝檢驗(yàn),工藝運(yùn)行穩(wěn)定,出水能夠滿足現(xiàn)有一級(jí)A水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求,處理水量提升28%,出水水質(zhì)見表6。

表6 技改后出水水量及水質(zhì)Tab.6 Water quantity and quality of effluent after technical transformation

4 結(jié)論

① 針對(duì)為穩(wěn)定出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),而處理水量能力受限的工業(yè)污水處理廠,需分析核心生化單元工藝參數(shù)、加藥穩(wěn)定性及設(shè)備效率等因素,通過技改優(yōu)化措施提高工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高污水廠的處理水量能力。

② 由于一期生化好氧池水力停留時(shí)間短,設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足處理要求,污染物在好氧池中降解不充分,影響脫氮除磷效果,出水氨氮、總氮等指標(biāo)不穩(wěn)定,導(dǎo)致污水廠處理水量難以提升。 為提高工藝降解TN 的穩(wěn)定性,通過增設(shè)碳源設(shè)備等措施實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的碳源投加,穩(wěn)定出水TN。

③ 本文污水廠的技改表明,解決污水處理廠工藝流程中存在的潛在問題是解決水量難以提升的關(guān)鍵,通過高效空懸風(fēng)機(jī)替代低效能的羅茨風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、運(yùn)行成本的降低,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,可為水量難以提升的污水處理廠改造提供一定的技術(shù)改造經(jīng)驗(yàn)。