德州市某污水處理廠技改方案的探討

王利超, 高信剛, 張 強

(北京恩菲環保股份有限公司, 北京 100038)

隨著人們環保意識的增強以及國家對環保行業的大力支持,污水處理行業快速發展。 為了響應國家節能減排號召,越來越多的工業污水處理廠通過工程改造[1-2]、工藝優化[3-4]等措施,提高污水處理廠處理能力,穩定出水水質。 基于此,本文針對德州市P 污水處理廠存在處理能力受限的問題,分析其現有工藝中存在的問題并提出合理的技改措施。

1 污水處理廠簡介

1.1 各單元工藝參數

該污水處理廠主要處理德州市某經濟開發區內工業廢水及部分居民生活污水,目前,建成規模為日處理污水6×104m3/d,分為兩期,一期于2006 年建設,處理規模3×104m3/d;二期于2013 年建設,處理規模3×104m3/d。 受工藝處理能力的限制,實際日處理污水量約4×104m3/d,設計出水指標達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠排放標準》一級A 標準。 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)

構筑物:池數1 座,鋼筋混凝土池體。 設計參數:流量Q=3 275 m3/h。 設備:一期3 臺單級雙吸離心泵,流量Q=450 m3/h,揚程H=15 m,功率45 kW;二期3 臺單級雙吸離心泵,流量Q=450 m3/h,揚程H=15 m,功率45 kW。

1.1.2 一期工藝參數

生化段總容積12 778.9 m3,水力停留時間HRT=10.22 h, BOD5容 積 負 荷0.106 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

① 厭氧池: 1 座,鋼筋混凝土結構。 有效容積2 678.4 m3;水力停留時間HRT=2.14 h,TP 負荷0.014 kg TP/(kg MLSS·d)＜0.06 kg TP/(kg MLSS·d)。

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

③ 好氧池: 1 座,28 小格,鋼筋混凝土結構。有效容積4 317.46 m3,水力停留時間HRT=3.45 h,TN 負荷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。 主要設備:PD 曝氣器:數量1 736 個, ABS 材質,混旋式曝氣器直徑300 mm,曝氣器生泡孔徑≥6 mm,標準空氣流量2 ～3 m3/h,服務面積0.5 m2/個,氧利用率≥10%～16%(6 m 清水情況下),曝氣器阻力490.332 5 Pa,動力效力2.796 4～2.985 6 kg O2/kWh;水下推動器:TL 型生物膜填料材質為橡膠粉、活性炭等,平均粒徑5 ～7 mm,顆粒長度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,總數量500 m3。 TL 型生物膜填料位于好氧池28 個小格內,可保持生物膜中高活性和高濃度的微生物,以提高有機物的降解效率。

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。 設計參數:流量Q=0.455 m3/s。 平均表面水力負荷0.88 m3/(m2·h)。

⑤ 鼓風機房:1 座,磚混結構。 主要設備:羅茨鼓風機,風量Q=70 m3/min, 風壓ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,設備數量共4 臺,3 用1 備。

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

⑦ 加藥間:1 座,鋼筋混凝土結構,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,鋼筋混凝土結構。 設計參數:濾速V=9.6 m/h。 主要設備:濾池成套設備:包含長柄濾頭、級配卵石、石英砂等;反沖洗泵:流量Q=1 100 m3/h,揚程H=20 m,2 臺,1 用1 備;反沖洗風機:風量Q=20 m3/min,風壓ΔP=58.8 kPa,2 臺,1 用1 備。

1.1.3 二期工藝參數

① 細格柵: 1 座,尺寸10.54 m×3.00 m,鋼砼結構。 設計參數:設計流量Q=1 637.5 m3/h,渠道寬度1 200 mm,柵條間隙6 mm。 主要設備:2 臺旋轉細格柵。

② 曝氣沉沙池: 1 座,2 格,尺寸12.85×5.90 m,鋼砼結構。 設計參數:設計流量Q=1 637.5 m3/h。主要設備:1 臺行車式吸砂機,配套羅茨鼓風機2 臺。

③ 生化池:1 座,2 系列,尺寸81.45 m×61.55 m×6 m,半地下鋼混矩形結構。 設計參數:設計流量Q=1 250 m3/h,污泥負荷0.08 kg BOD5/(kg MLSS·d)。 厭氧段:2 格,單格有效容積V=1 232 m3/座,停留時間HRT=1.97 h。 缺氧段:4 格,單格有效容積V=2 464 m3/座,停留時間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,停留時間HRT=15.70 h。

④ 二沉池:2 座,單池直徑D=35.0 m,鋼混結構。 設計參數:設計流量Q=818 m3/(h·座),有效水深h=4.0 m,有效容積V=3 846.5 m3/座,表面負荷均時0.65 m/h,最大水力表面負荷q=0.85 m3/(m2·h),固體負荷124 kg/(m2·d)。

⑤ 二次提升泵站:1 座,鋼混結構。 設計參數:設計流量Q=1 637.5 m3/h。 設備流量Q=825 m3/h,揚程H=7 m,功率22 kW,3 臺,2 用1 備。

⑥ 網格絮凝沉淀池: 1 座2 系列,尺寸41.45 m×17.25 m,設計水量Q=1 637.5 m3/h。 單系列絮凝池共56 格,分三階段反應:第一階段19 格,過網流速0.29 m/s;第二階段19 格,過網流速0.23 m/s;第三階段18 格,過網流速0.23 m/s;絮凝反應時間T=13.8 min;斜板沉淀池平均表面負荷2.63 m3/(m2·h)。

⑦ 接觸消毒池:1 座,尺寸23.00 m×11.00 m,半地下鋼混結構。 設計參數:設計水量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,消毒時間H=33 min。

⑧ 鼓風機房:1 座,結構形式:地上式框架結構。 鼓風機房由設備間、值班控制室組成,機房內設4 臺用于生化池曝氣的羅茨鼓風機,單機風量Q=60 m3/min;機房內設橋式起重機1 臺,用于設備吊裝及維修。 平面尺寸:L×B=21.34 m×9.0 m,房高H=7.2 m。 主要設備:羅茨鼓風機BK9030,風量Q=60 m3/min,風壓 ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,設備共4 臺,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。合計占地面積99.4 m2。

1.1.4 生化單元水力停留時間對比

通過對生化單元厭氧池、缺氧池和好氧池池容的計算,一、二期水力停留時間見表1。

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

1.2 進出水水質

該廠穩定運行3 年,設計進水水質見表2。 改造前實際進水水質指標COD、氨氮、TN 和TP 統計見表3。 通過表3 可知,該廠實際進水指標90%的概率在原設計進水指標內,因此,本次改造維持原設計進水指標不變,但處理水量明顯偏低。

表2 設計進出水指標Tab.2 Design inlet and outlet water indicators

表3 實際進水水質Tab.3 Actual inflow water quality

由于該廠二期處理水量在2.5×104m3/d,出水水質穩定達標,故而只對一期處理水量在1.5×104m3/d 的出水水質、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,總體能達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A 排放標準,但是出水NH3-N 和TN 指標接近排放限值,存在超標風險,同時處理水量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

該污水廠設計處理水量6×104m3/d,為了能夠出水穩定達標,實際最大處理水量4×104m3/d,只達到設計處理水量的67%,處理能力難以提升導致同城其他污水廠的調度處理水量增加。 經分析可知:二期處理水量2.5×104m3/d,達到設計水量負荷的83%,出水水質達到排放一級A 標準,但一期日均處理水量1.45×104m3/d,只達到設計負荷的48%,出水水質不穩定,存在超標風險。 通過表1 對比一、二期設計參數,發現存在以下問題:

① 一期好氧池容積偏小,有效停留時間僅3.45 h。 以池內混合液濃度4 g/L 復核,好氧池BOD 負荷 0.2 kg BOD5/(kg MLSS·d),遠超設計標準值 0.05 ～0.1 kg BOD5/(kg MLSS·d);TN 污泥負荷0.07 kg TN/(kg MLSS·d),而設計標準值≤0.05 kg TN/(kg MLSS·d)。 由復核數據可以看出,現有好氧池容積達不到一級A 的處理能力。

② 一期二沉池平均表面負荷達到0.88 m/h,固體負荷169 kg/(m2·d);二期沉淀池平均時表面負荷為0.65 m/h,固體負荷124 kg/(m2·d)。 根據GB 50014—2021《室外排水設計標準》,二沉池固體負荷要求≤150 kg/(m2·d),一期二沉池設計固體負荷偏高,超出設計規范。

當冬季氣溫低,需要提高污泥濃度滿足脫氮要求時,生化池污泥濃度可能達到6 000 mg/L 以上,現有一期二沉池固體負荷將更高,導致泥水分離困難,影響出水水質,導致一期水量難以提升。

2.2 未建碳源加藥系統

該污水處理廠一、二期工程未建碳源投加系統,為持續穩定出水TN 指標,需要人工投加固體葡萄糖碳源。 人工投加無法保證連續穩定投加,無法將藥劑的效果發揮至最優,導致一定程度的藥劑浪費。

2.3 羅茨鼓風機效率低

通過一段時間的試驗探索,生化段的溶氧含量均值監測數據見表5。 可以看出,一、二期生物池溶氧嚴重不足,通過對設備的運行觀察,現鼓風機為國產羅茨鼓風機,無空氣過濾系統,且鼓風機自身效率不高,檢測時僅為正常出風量的40%,效率低,能耗大,噪音大,實際可調節范圍較小,導致生物池溶氧量不均,且存在一定的職業健康危害。

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 強化一期水量處理能力

(1)新建好氧池

針對一期好氧池水力停留時間短、水質指標差導致水量難以提升的問題,新建一座好氧池。 增加水力停留時間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間2.14 h,缺氧池4.63 h,好氧池13.45 h,一期總停留時間為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

針對一期二沉池表面負荷和峰值負荷高,導致的二沉池泥位高,出水懸浮物指標高的問題,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荷。

3.2 新建碳源加藥儲罐

污水廠未設碳源投加系統,系統處理TN 效果穩定性差,為實現工藝運行中可穩定投加碳源,為出水TN 指標的穩定提高保障措施,一、二期各增設一套碳源投加設備,每套設備由藥劑儲罐、隔膜計量泵、液位計、電控柜及配套的管道閥門等組成。 加藥罐玻璃鋼材質,體積V=15 m3,配套功率2.2 kW 的攪拌器,配磁翻板液位計,配帶狀環箍;碳源投加泵2 臺,流量Q=0～200 L/h,壓力P=0.4 MPa,變頻控制。 碳源投加點設置在內回流硝化液回缺氧池入口處。

3.3 拆除羅茨鼓風機,增設空懸鼓風機

一、二期各重置3 臺空懸鼓風機,風量Q=110 m3/min,風壓ΔP=68.6 kPa,功率N=160 kW,變頻。 空氣懸浮離心鼓風機主要核心部件為空氣懸浮軸承、高速永磁電機等,幾乎無機械摩擦,可實現變頻控制,故而效率高,具備節能、無振動、噪音低、操作及控制方便等優點。 改造后一期運行2 臺,曝氣量150 m3/min,氣水比7 ∶2;二期運行2 臺,曝氣量147 m3/min,氣水比7 ∶1。 通過改造,鼓風機房能耗節約30%。

3.4 運行效果

污水廠技改工程于2020 年完成,經過兩年多的工藝檢驗,工藝運行穩定,出水能夠滿足現有一級A水質標準的要求,處理水量提升28%,出水水質見表6。

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

4 結論

① 針對為穩定出水水質達標一級A 標準,而處理水量能力受限的工業污水處理廠,需分析核心生化單元工藝參數、加藥穩定性及設備效率等因素,通過技改優化措施提高工藝運行的穩定性,進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間短,設計參數不滿足處理要求,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、總氮等指標不穩定,導致污水廠處理水量難以提升。 為提高工藝降解TN 的穩定性,通過增設碳源設備等措施實現連續穩定的碳源投加,穩定出水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鍵,通過高效空懸風機替代低效能的羅茨風機實現了節能、運行成本的降低,取得了較好的經濟效益和環境效益,可為水量難以提升的污水處理廠改造提供一定的技術改造經驗。