純膜MBBR+磁混凝沉淀工藝在廣東省某城市污水廠提標改造中的應用

李鵬飛,韓建博,顧 鳳,周 波

(1.中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院,江蘇南京 210049;2.肇慶市肇水水務發(fā)展有限公司,廣東肇慶 526040)

近年來,國家、地方對于污水排放標準要求愈發(fā)嚴格,基于此背景,許多污水處理廠嚴格落實法律法規(guī)及新標準的要求,逐步開展提標改造工作。由于部分污水處理廠建設年代久遠、城市用地緊張等原因,提標改造工作困難重重。提標改造需綜合考慮工藝技術、投資費用、占地面積等多項因素,所以如何在有限用地面積的條件下開展提標改造工作至關重要[1-2]。

移動床生物膜反應器(moving-bed biofilm reactor,MBBR)是目前廣泛應用的原位提標技術,它主要是向生物反應器中投加懸浮狀載體填料,為微生物生長及繁殖提供載體,在載體表面附著生長的生物膜,用于去除污水中有機物、TN及TP等,移動床生物膜主要包括泥膜復合工藝形式、純膜工藝形式[3]。純膜MBBR無需設置二沉池、具有負荷高、占地省、運行費用低、能夠實現(xiàn)深度脫氮等優(yōu)勢,是實現(xiàn)原池利舊改造的有效途徑,具有較好的應用前景。隨著磁混凝沉淀工藝的廣泛應用,為純膜MBBR的固液分離提供了新的可能[4]。磁混凝沉淀工藝是用于去除TP和SS常用的強化處理技術,即在傳統(tǒng)的絮凝沉淀和化學沉淀基礎上投加磁性介質,形成磁性絮團,提高整個絮體的比重,增強絮凝以達到高效沉淀和過濾的目的[5-6]。

本文以廣東省某城市污水廠為例,在少量增加占地的基礎上,將純膜MBBR+磁混凝沉淀應用于城市污水廠提標改造中,提出提標改造的方案、工程設計及運行效果,旨在進一步提升出水水質標準,為純膜MBBR+磁混凝沉淀工程化推廣運用提供實例。

1 原城市污水處理廠概況及問題分析

1.1 原污水處理廠概況

廣東省某城市污水廠水質來源主要為生活污水和少量的工業(yè)污水,其中紡織、印染、染整類工業(yè)污水居多,項目設計規(guī)模為3×104m3/d。設計進出水水質如表1所示。

表1 設計進出水水質

1.2 原污水處理廠工藝流程

原污水處理廠采用升流式厭氧污泥床(UASB)+高負荷生物濾池+固體接觸池+生物絮凝沉淀池+紫外消毒渠工藝,污泥采用帶式濃縮脫水一體機,具體工藝流程如圖1所示。

圖1 原工藝流程

1.3 原污水處理廠工藝問題分析

經現(xiàn)場勘察及調研,得出該污水處理廠面臨以下問題:一是實際進水氨氮、TN濃度高于設計進水標準;二是現(xiàn)狀工藝流程脫氮機理不明晰,脫氮及除磷效果達不到預期要求;三是針對污水排放標準要求的進一步提升,污水處理廠出水指標TP、TN、SS、糞大腸桿菌難以滿足要求,仍需進一步去除,尤其是TP及TN;四是UASB單元、高負荷生物濾池單元對污水中CODCr、氨氮、TP等水質指標的去除效率較差。基于此,該污水處理廠亟待提標改造。

2 城市污水處理廠提標改造概況

2.1 提標改造設計進出水水質

設計進出水水質如表2所示。

表2 設計進出水水質

出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準和《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段一級標準的較嚴值。

2.2 提標改造方案比選

基于原污水廠的實際情況(脫氮及除磷效果不佳)及業(yè)主提出的改造需求(充分利用原有池體、不新增用地、施工周期短、改造期間不影響正常生產等),因此,本工程改造方案從原位提標的方向綜合考量。

在污水提標擴容項目中,提高生化段處理能力的直接方式為增加總生物量,可以通過以下兩種途徑實現(xiàn):一是擴大池容,通過新建池體或改造其他構筑物池體實現(xiàn),根據現(xiàn)場勘查情況,UASB厭氧池、高負荷生物濾池、固體接觸池、終沉池均具備池體改造條件;二是提高單位容積的生物量。在生物池內增加生物載體填料(如MBBR),為微生物提供附著生長的載體。純膜MBBR工藝作為MBBR工藝的一種,具有負荷高、占地省、運行費用低、能夠實現(xiàn)深度脫氮等優(yōu)勢。因此,純膜MBBR工藝可作為本方案比選工藝。

本工程處理的重點主要在于去除TN及氨氮,根據對各污染物指標的分析及各工藝的比較,同時結合原工藝池體的特點,提出兩個工藝方案并進行比選:

(1)方案一(改造固體接觸池和終沉池):UASB厭氧池+高負荷生物濾池+兩級AO-MBBR(缺氧純膜MBBR池+好氧純膜MBBR池)+磁混凝沉淀工藝+接觸消毒池。

本方案沿用原“UASB厭氧池+高負荷生物濾池”工藝,同時,為了提高增強有機物、TN、TP的去除效果,保證穩(wěn)定達到一級A標準及廣東省地標兩者最嚴值,通過改造原固體接觸池及終沉池為缺氧純膜MBBR池及好氧純膜MBBR。深度處理段去除膠體、SS及TP,考慮采用用地省、效果好的磁混凝沉淀工藝,消毒采用次氯酸鈉接觸消毒方式。

為了提高生化池的停留時間且不額外增加占地,本方案將原廠中的終沉池改造為生化池,而純膜MBBR工藝無需設置二沉池,這為本方案的實施提供了可能性。純膜MBBR工藝通過載體填料上附著的活性生物膜處理污水中的有機物和TN,老化的生物膜會隨出水流出生化池。由于脫落的生物膜較輕,不易沉淀,通過后續(xù)設置磁混凝沉淀系統(tǒng),為純膜MBBR生化系統(tǒng)的固液分離(脫落的少量生物膜)提供了新的可能,保證出水SS及TP達標排放。

(2)方案二(改造UASB厭氧池和高負荷生物濾池):AO生化池+固體接觸池+終沉池+中間提升泵房+高效沉淀池+濾布濾池+接觸消毒池。

考慮到本工程的重點及難點在于脫氮,而除磷可通過加藥在深度處理階段去除,去除效果容易保證,故本方案生化處理工藝采用脫氮的AO工藝,同時,為了保證出水水質的穩(wěn)定達標,本方案考慮外加碳源裝置。為了充分利用原池體并減少投資,本方案考慮將UASB池改造為缺氧池,將高負荷生物濾池改造為好氧池,沿用固體接觸池,固體接觸池作為AO工藝好氧池的一部分。本方案二級處理段采用脫氮的AO工藝,深度處理段主要用于去除膠體、SS及TP,故采用“高效沉淀池+濾布濾池”工藝,消毒采用次氯酸鈉接觸消毒方式。

表3分別對提標改造的兩種工藝方案進行對比。

表3 兩種工藝方案綜合特性對比

結合原廠現(xiàn)狀池體(UASB厭氧池、高負荷生物濾池、固體接觸池、終沉池)的勘查情況和工藝優(yōu)缺點,可以得出:方案二對UASB厭氧池和高負荷生物濾池實施改造,UASB厭氧池、高負荷生物濾池的結構相對復雜,改造難度大,無法保證改造后的結構安全性,并具有投資成本較高,運行成本較高等特征;方案一對固體接觸池和終沉池實施改造,固體接觸池、終沉池的結構相對簡單,具有改造工程量小、施工難度小、施工周期短、投資成本低、運行成本低等優(yōu)勢,對污水廠的正常運行影響較小。綜上比較,方案一無論從改造難度、占地、運行成本、投資均優(yōu)于方案二,因此,采用方案一作為本工程提標改造工藝,即UASB厭氧池+高負荷生物濾池+兩級AO-純膜MBBR+磁混凝沉淀+接觸消毒。

2.3 提標改造內容

提標改造涉及的主要內容如下。

(1)將原并聯(lián)的兩座固體接觸池改為串聯(lián),作為一級AO-純膜MBBR系統(tǒng),設置一級缺氧純膜MBBR池、一級好氧純膜MBBR池。在各區(qū)域投加懸浮生物膜載體并設置進出水攔截系統(tǒng),在一級缺氧純膜MBBR池內設置專用推流器,在一級好氧純膜MBBR池內底部設置輔助曝氣系統(tǒng)。一級AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面如圖2所示。

圖2 一級AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面

(2)將原并聯(lián)的兩座生物絮凝沉淀池改為串聯(lián),作為二級AO-純膜MBBR系統(tǒng),設置二級缺氧純膜MBBR池、二級好氧純膜MBBR池。在各區(qū)域投加懸浮生物膜載體并設置進出水攔截系統(tǒng),在二級缺氧純膜MBBR池內設置專用推流器,在二級好氧純膜MBBR池內底部設置輔助曝氣系統(tǒng)。二級AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面如圖3所示。

圖3 二級AO-純膜MBBR系統(tǒng)改造平面

(3)原兩座生物絮凝沉淀池改為串聯(lián)運行,原進出水管路做相應改動。

(4)原污泥回流泵房改造為中間提升泵房,原污泥回流取消。

(5)新建磁混凝沉淀系統(tǒng)一座,用于去除污水中TP及SS等。

(6)原消毒池不變,消毒方式改為次氯酸鈉接觸消毒。

2.4 提標改造工藝流程

項目提標改造后工藝流程如圖4所示。

注:提標改造設施用實線框表示。

首先,污水依次進入粗格柵、細格柵,用于去除污水中SS及顆粒物。污水依次通過UASB厭氧池將大分子物質分解為小分子物質,通過高負荷生物濾池生物膜的作用對有機物進一步氧化分解,通過硝化反應將氨氮轉化為硝酸鹽氮。其次,20%的高負荷生物濾池出水進入一級缺氧MBBR池,后進入一級好氧MBBR池,在缺氧狀態(tài)下通過反硝化反應,將硝態(tài)氮轉化為氮氣排放,完成脫氮反應。生物膜釋放出貯存在菌體內的多聚正磷酸鹽,釋放出的能量可供生物活動需要。在好氧狀態(tài)下發(fā)生硝化反應,將氨氮轉化為硝態(tài)氮回流至缺氧池。一級好氧MBBR池出水與80%的高負荷生物濾池出水共同進入二級缺氧MBBR池,后進入二級好氧MBBR池,這兩個單元涉及的反應原理同一級缺氧、好氧MBBR池。最后,通過磁混凝沉淀池去除SS和溶解性磷酸鹽,污水經過次氯酸鈉消毒后達標排放。

2.5 各工藝段去除目標

各工藝段設計處理目標如表4所示。

表4 各工藝段設計處理目標

3 提標改造工程設計

3.1 原有處理構筑物改造

3.1.1 一級AO-純膜MBBR池(原固體接觸池改造)

(1)構筑物。利用固體接觸池改造成一級AO-純膜MBBR池,長×寬×高=32.0 m×10.0 m×4.5 m,有效水深為4.1 m。

(2)設計參數(shù)。進水比例為20%,回流比為200%。好氧MBBR區(qū)溶解氧質量濃度為2～6 mg/L;一級缺氧、好氧純膜MBBR水力停留時間均為0.54 h;一級缺氧、好氧純膜MBBR生物膜面積分別為1.384 6×105、2.142 9×106m2;填料有效比表面積≥800 m2/m3,填料填充比>50%,填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm,填料材質為高密度聚乙烯(HDPE);填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;一級缺氧、好氧純膜MBBR池有效容積均為675 m3,曝氣量為30 m3/min。

(3)主要設備。MBBR專用推流器,N=5.5 kW,6臺;專用進水攔截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據池體定制),1套;專用出水攔截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據池體定制),1套;MBBR專用曝氣器,1套,穿孔曝氣管,ABS材質;硝化液回流泵,2臺,Q=500 m3/h,H=8.0 m,N=15 kW。

3.1.2 二級缺氧純膜MBBR池(原生物絮凝沉淀改造)

(1)構筑物。利用生物絮凝沉淀改造成二級缺氧純膜MBBR池,尺寸為Ф28 m×5.6 m,有效水深為5.3 m。

(2)設計參數(shù)。進水比例為80%,缺氧區(qū)有效生物膜面積為553 850 m2;填料填充比>50%;填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm、有效比表面積≥800 m2/m3,填料材質為HDPE,填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;有效容積為3 419 m3,平均水力停留時間為2.74 h,硝化液回流比為200%。

(3)主要設備。MBBR專用推流器,N=5.5 kW,20臺;專用進出水攔截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據池體定制),1套。

3.1.3 二級好氧純膜MBBR池(原生物絮凝沉淀改造)

(1)構筑物。利用生物絮凝沉淀改造成二級好氧純膜MBBR池,尺寸為Ф28 m×5.6 m,有效水深為5.3 m。

(2)設計參數(shù)。缺氧區(qū)有效生物膜面積為1 082 000 m2;填料填充比為50%以上;填料規(guī)格為Φ25 mm×10 mm、有效比表面積≥800 m2/m3,填料材質為HDPE,填料上單位生物膜面積生物量約為12 g/m2;有效容積為3 419 m3,平均水力停留時間為2.74 h,溶解氧質量濃度為2 mg/L,硝化液回流比為200%;曝氣量為110 m3/min。

(3)主要設備。MBBR專用曝氣器,1套,穿孔曝氣管,ABS材質;專用進出水攔截系統(tǒng),不銹鋼沖孔板(尺寸根據池體定制),1套;硝化液回流泵為2臺,Q=2 500 m3/h,H=3 m,N=45 kW。

3.1.4 中間提升泵房(原污泥回流泵房改造)

(1)構筑物。用于提升MBBR池出水至磁混凝沉淀池,保證后續(xù)處理水能夠自流。尺寸為Ф5.45 m×5.4 m,有效水深為4.4 m。

(2)設計參數(shù)。設計規(guī)模為3×104m3/d。

(3)主要設備。潛水泵:Q=907 m3/h,H=10 m,N=37 kW,3臺,2用1備,均變頻。

3.1.5 鼓風機房及變配電間(利舊改造)

(1)構筑物。利用原鼓風機房及變配電間,更換內部設備。平面尺寸為10 m×6 m,高度為4 m。

(2)設計參數(shù)。設計規(guī)模為3×104m3/d;曝氣量為140 m3/min。

(3)主要設備。磁懸浮風機,Q=70 m3/min,H=5.5 m,N=75 kW,3臺,2用1備,均為變頻。

3.2 新建處理構筑物

3.2.1 新建磁混凝沉淀系統(tǒng)

(1)構筑物。新建磁混凝沉淀池基礎1座,鋼筋混凝土結構,長×寬=28 m×16 m。磁混凝沉淀系統(tǒng)采用一體化設備形式,安裝于基礎上。

(2)設計參數(shù)?；旌铣赝Ａ魰r間為1.9 min;磁種加載池停留時間為2.4 min;絮凝反應池停留時間為4.15 min;分流區(qū)沉淀池的表面負荷為14.47 m3/(m2·h),最高表面負荷為21.0 m3/(m2·h)。

(3)主要設備。反應系統(tǒng)箱體2套,12 m×3 m×3.1 m;立式混合池攪拌器4臺,P=3 kW;立式混合池攪拌器2臺,P=4 kW;沉淀池箱體4套,13 m×3 m×3.1 m;刮泥機4套,13 m×3 m×3.1 m,N=0.18 kW;磁分離機2臺,Q=20 m3/h,N=2.2 kW;剪切機2臺,Q=20 m3/h,N=1.5 kW;集水槽及斜管4套;污泥回流泵5臺,4用1備,Q=30 m3/h,H=12 m,N=7.5 kW;剩余污泥泵5臺,4用1備,Q=30 m3/h,H=12 m,N=7.5 kW;污泥排放泵3臺,2用1備,Q=40.0 m3/h,H=20 m,N=4 kW;高壓沖洗機1套,H=0～8 000 kPa,P=1.8 kW,配高壓水槍及管道。

4 運行效果及分析

2020年年底完成改造并進行長達4個月的試運行,2021年5月完成環(huán)保驗收。經過2年的運行,結果表明,出水BOD5質量濃度≤2.97 mg/L,CODCr質量濃度≤18 mg/L,氨氮質量濃度≤1.94 mg/L,TN質量濃度≤14.76 mg/L,SS質量濃度≤6 mg/L,TP質量濃度≤0.19 mg/L,出水水質穩(wěn)定達到國家及廣東省地方現(xiàn)行標準要求。改造后的污水廠進出水水質如表5所示。

表5 2022年7月—2023年6月進出水水質

5 技術經濟指標

該項目工程總投資為2 339.60萬元,其中工程費為1 854.81萬元(其中純膜MBBR池改造部分約為1 069.81萬元,新增磁混凝沉淀池部分約為400萬元,其他輔助設施改造部分約為385萬元)。對2022年全廠運行數(shù)據進行統(tǒng)計,本工程年電耗約為276萬kW·h,PAC(質量分數(shù)為6%)年投加量約為1 544 t,PAM年投加量約為10.9 t,乙酸鈉年投加量約為975.8 t,次氯酸鈉(質量分數(shù)為10%)年投加量約為147.3 t,脫水污泥(含水率為80%)年產生量約為3 418 t。經核算,該工程單位處理水經營成本約為0.57元/m3。

6 總結

(1)廣東某污水處理廠提標改造采用“純膜MBBR+磁混凝沉淀”為核心的工藝路線,節(jié)省面積約為2 600 m2,與活性污泥法相比,可節(jié)約30%～50%的用地,解決了原廠區(qū)可用土地少及出水排放標準高的問題,實現(xiàn)了污水廠原位提標的目的,適用于占地受限型污水處理廠的改擴建或新建。

(2)廣東某污水處理廠經提標改造后,出水水質穩(wěn)定,且達到國家及廣東省地方現(xiàn)行標準要求。

(3)該項目工程總投資為2 339.60萬元,其中工程費為1 854.81萬元。經核算,本工程單位處理水經營成本約為0.57元/m3。