德州市某污水处理厂技改方案的探讨

王利超, 高信刚, 张 强

(北京恩菲环保股份有限公司, 北京 100038)

随着人们环保意识的增强以及国家对环保行业的大力支持,污水处理行业快速发展。 为了响应国家节能减排号召,越来越多的工业污水处理厂通过工程改造[1-2]、工艺优化[3-4]等措施,提高污水处理厂处理能力,稳定出水水质。 基于此,本文针对德州市P 污水处理厂存在处理能力受限的问题,分析其现有工艺中存在的问题并提出合理的技改措施。

1 污水处理厂简介

1.1 各单元工艺参数

该污水处理厂主要处理德州市某经济开发区内工业废水及部分居民生活污水,目前,建成规模为日处理污水6×104m3/d,分为两期,一期于2006 年建设,处理规模3×104m3/d;二期于2013 年建设,处理规模3×104m3/d。 受工艺处理能力的限制,实际日处理污水量约4×104m3/d,设计出水指标达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂排放标准》一级A 标准。 该污水处理厂的处理工艺流程见图1。

图1 污水厂的处理工艺流程Fig.1 Treatment process flow of sewage treatment plant

1.1.1 粗格栅及提升泵站(一期、二期共用)

构筑物:池数1 座,钢筋混凝土池体。 设计参数:流量Q=3 275 m3/h。 设备:一期3 台单级双吸离心泵,流量Q=450 m3/h,扬程H=15 m,功率45 kW;二期3 台单级双吸离心泵,流量Q=450 m3/h,扬程H=15 m,功率45 kW。

1.1.2 一期工艺参数

生化段总容积12 778.9 m3,水力停留时间HRT=10.22 h, BOD5容 积 负 荷0.106 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

① 厌氧池: 1 座,钢筋混凝土结构。 有效容积2 678.4 m3;水力停留时间HRT=2.14 h,TP 负荷0.014 kg TP/(kg MLSS·d)＜0.06 kg TP/(kg MLSS·d)。

② 缺氧池(反硝化池): 1 座,钢筋混凝土结构。 有效容积5 783.04 m3。 水力停留时间HRT=4.63 h。

③ 好氧池: 1 座,28 小格,钢筋混凝土结构。有效容积4 317.46 m3,水力停留时间HRT=3.45 h,TN 负荷0.079 kg TN/(kg MLSS·d)＞0.05 kg TN/(kg MLSS·d),泥龄θc=14.6 d,混合液悬浮固体浓度MLSS=4 000 mg/L。 主要设备:PD 曝气器:数量1 736 个, ABS 材质,混旋式曝气器直径300 mm,曝气器生泡孔径≥6 mm,标准空气流量2 ～3 m3/h,服务面积0.5 m2/个,氧利用率≥10%～16%(6 m 清水情况下),曝气器阻力490.332 5 Pa,动力效力2.796 4～2.985 6 kg O2/kWh;水下推动器:TL 型生物膜填料材质为橡胶粉、活性炭等,平均粒径5 ～7 mm,颗粒长度5 ～12 mm,比表面积5.5 ～10 m2/g,真密度1.0～1.2 g/mL,孔隙率≥65.0%,湿比重1.0 ～1.25 g/mL,破碎磨碎率≤1.5%,沉降速度5.00 ～8.50 cm/s,总数量500 m3。 TL 型生物膜填料位于好氧池28 个小格内,可保持生物膜中高活性和高浓度的微生物,以提高有机物的降解效率。

④ 二沉池: 2 座,直径D=30 m,池深H=4.0 m,钢筋混凝土圆型池体。 设计参数:流量Q=0.455 m3/s。 平均表面水力负荷0.88 m3/(m2·h)。

⑤ 鼓风机房:1 座,砖混结构。 主要设备:罗茨鼓风机,风量Q=70 m3/min, 风压ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,设备数量共4 台,3 用1 备。

⑥ 混沉池:1 座,2 系列,钢筋混凝土结构,池体尺寸为15.96 m×8.0 m×5.5 m。 主要设备:扰流涡旋混和器2 台,扰流絮凝设备2 套,斜板沉淀2 套。

⑦ 加药间:1 座,钢筋混凝土结构,尺寸为16.2 m×6.0 m×5.75 m。 主要包括絮凝剂(PAC)、助凝剂(PAM)投加设备等。

⑧ 变孔隙滤池:1 座,6 格,每格尺寸5.4 m×4.0 m×4.85 m,钢筋混凝土结构。 设计参数:滤速V=9.6 m/h。 主要设备:滤池成套设备:包含长柄滤头、级配卵石、石英砂等;反冲洗泵:流量Q=1 100 m3/h,扬程H=20 m,2 台,1 用1 备;反冲洗风机:风量Q=20 m3/min,风压ΔP=58.8 kPa,2 台,1 用1 备。

1.1.3 二期工艺参数

① 细格栅: 1 座,尺寸10.54 m×3.00 m,钢砼结构。 设计参数:设计流量Q=1 637.5 m3/h,渠道宽度1 200 mm,栅条间隙6 mm。 主要设备:2 台旋转细格栅。

② 曝气沉沙池: 1 座,2 格,尺寸12.85×5.90 m,钢砼结构。 设计参数:设计流量Q=1 637.5 m3/h。主要设备:1 台行车式吸砂机,配套罗茨鼓风机2 台。

③ 生化池:1 座,2 系列,尺寸81.45 m×61.55 m×6 m,半地下钢混矩形结构。 设计参数:设计流量Q=1 250 m3/h,污泥负荷0.08 kg BOD5/(kg MLSS·d)。 厌氧段:2 格,单格有效容积V=1 232 m3/座,停留时间HRT=1.97 h。 缺氧段:4 格,单格有效容积V=2 464 m3/座,停留时间HRT=3.94 h。 好氧池:2 格,单格有效容积V=9 815 m3/座,污泥浓度MLSS=4 000 mg/L,污泥龄t= 17.5 d,停留时间HRT=15.70 h。

④ 二沉池:2 座,单池直径D=35.0 m,钢混结构。 设计参数:设计流量Q=818 m3/(h·座),有效水深h=4.0 m,有效容积V=3 846.5 m3/座,表面负荷均时0.65 m/h,最大水力表面负荷q=0.85 m3/(m2·h),固体负荷124 kg/(m2·d)。

⑤ 二次提升泵站:1 座,钢混结构。 设计参数:设计流量Q=1 637.5 m3/h。 设备流量Q=825 m3/h,扬程H=7 m,功率22 kW,3 台,2 用1 备。

⑥ 网格絮凝沉淀池: 1 座2 系列,尺寸41.45 m×17.25 m,设计水量Q=1 637.5 m3/h。 单系列絮凝池共56 格,分三阶段反应:第一阶段19 格,过网流速0.29 m/s;第二阶段19 格,过网流速0.23 m/s;第三阶段18 格,过网流速0.23 m/s;絮凝反应时间T=13.8 min;斜板沉淀池平均表面负荷2.63 m3/(m2·h)。

⑦ 接触消毒池:1 座,尺寸23.00 m×11.00 m,半地下钢混结构。 设计参数:设计水量Q=1 637.5 m3/h,有效容积V=735 m3。 消毒方式为次氯酸钠,药剂投加量8～15 mg/L,消毒时间H=33 min。

⑧ 鼓风机房:1 座,结构形式:地上式框架结构。 鼓风机房由设备间、值班控制室组成,机房内设4 台用于生化池曝气的罗茨鼓风机,单机风量Q=60 m3/min;机房内设桥式起重机1 台,用于设备吊装及维修。 平面尺寸:L×B=21.34 m×9.0 m,房高H=7.2 m。 主要设备:罗茨鼓风机BK9030,风量Q=60 m3/min,风压 ΔP=68.6 kPa,功率N=110 kW,设备共4 台,3 用1 备。

⑨ 加药间:1 座,主要功能:提供絮凝剂(PAC)、助凝剂(PAM)。

⑩ 加氯间:1 座,主要功能:次氯酸钠消毒。合计占地面积99.4 m2。

1.1.4 生化单元水力停留时间对比

通过对生化单元厌氧池、缺氧池和好氧池池容的计算,一、二期水力停留时间见表1。

表1 一、二期生化单元水力停留时间Tab.1 Hydraulic residence time of phase I and phase II biochemical units

1.2 进出水水质

该厂稳定运行3 年,设计进水水质见表2。 改造前实际进水水质指标COD、氨氮、TN 和TP 统计见表3。 通过表3 可知,该厂实际进水指标90%的概率在原设计进水指标内,因此,本次改造维持原设计进水指标不变,但处理水量明显偏低。

表2 设计进出水指标Tab.2 Design inlet and outlet water indicators

表3 实际进水水质Tab.3 Actual inflow water quality

由于该厂二期处理水量在2.5×104m3/d,出水水质稳定达标,故而只对一期处理水量在1.5×104m3/d 的出水水质、水量分析,见表4。 由表4 可知,改造前该污水处理厂一期出水指标,总体能达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 排放标准,但是出水NH3-N 和TN 指标接近排放限值,存在超标风险,同时处理水量90%概率在1.52×104m3/d,一期处理水量偏低。

表4 一期出水水质Tab.4 Phase I effluent quality

2 处理工艺存在的问题

2.1 一期水量处理能力不足

该污水厂设计处理水量6×104m3/d,为了能够出水稳定达标,实际最大处理水量4×104m3/d,只达到设计处理水量的67%,处理能力难以提升导致同城其他污水厂的调度处理水量增加。 经分析可知:二期处理水量2.5×104m3/d,达到设计水量负荷的83%,出水水质达到排放一级A 标准,但一期日均处理水量1.45×104m3/d,只达到设计负荷的48%,出水水质不稳定,存在超标风险。 通过表1 对比一、二期设计参数,发现存在以下问题:

① 一期好氧池容积偏小,有效停留时间仅3.45 h。 以池内混合液浓度4 g/L 复核,好氧池BOD 负荷 0.2 kg BOD5/(kg MLSS·d),远超设计标准值 0.05 ～0.1 kg BOD5/(kg MLSS·d);TN 污泥负荷0.07 kg TN/(kg MLSS·d),而设计标准值≤0.05 kg TN/(kg MLSS·d)。 由复核数据可以看出,现有好氧池容积达不到一级A 的处理能力。

② 一期二沉池平均表面负荷达到0.88 m/h,固体负荷169 kg/(m2·d);二期沉淀池平均时表面负荷为0.65 m/h,固体负荷124 kg/(m2·d)。 根据GB 50014—2021《室外排水设计标准》,二沉池固体负荷要求≤150 kg/(m2·d),一期二沉池设计固体负荷偏高,超出设计规范。

当冬季气温低,需要提高污泥浓度满足脱氮要求时,生化池污泥浓度可能达到6 000 mg/L 以上,现有一期二沉池固体负荷将更高,导致泥水分离困难,影响出水水质,导致一期水量难以提升。

2.2 未建碳源加药系统

该污水处理厂一、二期工程未建碳源投加系统,为持续稳定出水TN 指标,需要人工投加固体葡萄糖碳源。 人工投加无法保证连续稳定投加,无法将药剂的效果发挥至最优,导致一定程度的药剂浪费。

2.3 罗茨鼓风机效率低

通过一段时间的试验探索,生化段的溶氧含量均值监测数据见表5。 可以看出,一、二期生物池溶氧严重不足,通过对设备的运行观察,现鼓风机为国产罗茨鼓风机,无空气过滤系统,且鼓风机自身效率不高,检测时仅为正常出风量的40%,效率低,能耗大,噪音大,实际可调节范围较小,导致生物池溶氧量不均,且存在一定的职业健康危害。

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 强化一期水量处理能力

(1)新建好氧池

针对一期好氧池水力停留时间短、水质指标差导致水量难以提升的问题,新建一座好氧池。 增加水力停留时间11 h,好氧池有效尺寸为60 m×45 m×6.5 m,新建后一期厌氧池水力停留时间2.14 h,缺氧池4.63 h,好氧池13.45 h,一期总停留时间为21.22 h,将解决一期处理COD、氨氮、TN 等污染物效率低,水量难以提升的问题。

(2)新建二沉池

针对一期二沉池表面负荷和峰值负荷高,导致的二沉池泥位高,出水悬浮物指标高的问题,新建一座尺寸为φ30 m×4.5 m 的二沉池,用于降低一期二沉池负荷。

3.2 新建碳源加药储罐

污水厂未设碳源投加系统,系统处理TN 效果稳定性差,为实现工艺运行中可稳定投加碳源,为出水TN 指标的稳定提高保障措施,一、二期各增设一套碳源投加设备,每套设备由药剂储罐、隔膜计量泵、液位计、电控柜及配套的管道阀门等组成。 加药罐玻璃钢材质,体积V=15 m3,配套功率2.2 kW 的搅拌器,配磁翻板液位计,配带状环箍;碳源投加泵2 台,流量Q=0～200 L/h,压力P=0.4 MPa,变频控制。 碳源投加点设置在内回流硝化液回缺氧池入口处。

3.3 拆除罗茨鼓风机,增设空悬鼓风机

一、二期各重置3 台空悬鼓风机,风量Q=110 m3/min,风压ΔP=68.6 kPa,功率N=160 kW,变频。 空气悬浮离心鼓风机主要核心部件为空气悬浮轴承、高速永磁电机等,几乎无机械摩擦,可实现变频控制,故而效率高,具备节能、无振动、噪音低、操作及控制方便等优点。 改造后一期运行2 台,曝气量150 m3/min,气水比7 ∶2;二期运行2 台,曝气量147 m3/min,气水比7 ∶1。 通过改造,鼓风机房能耗节约30%。

3.4 运行效果

污水厂技改工程于2020 年完成,经过两年多的工艺检验,工艺运行稳定,出水能够满足现有一级A水质标准的要求,处理水量提升28%,出水水质见表6。

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

4 结论

① 针对为稳定出水水质达标一级A 标准,而处理水量能力受限的工业污水处理厂,需分析核心生化单元工艺参数、加药稳定性及设备效率等因素,通过技改优化措施提高工艺运行的稳定性,进而提高污水厂的处理水量能力。

② 由于一期生化好氧池水力停留时间短,设计参数不满足处理要求,污染物在好氧池中降解不充分,影响脱氮除磷效果,出水氨氮、总氮等指标不稳定,导致污水厂处理水量难以提升。 为提高工艺降解TN 的稳定性,通过增设碳源设备等措施实现连续稳定的碳源投加,稳定出水TN。

③ 本文污水厂的技改表明,解决污水处理厂工艺流程中存在的潜在问题是解决水量难以提升的关键,通过高效空悬风机替代低效能的罗茨风机实现了节能、运行成本的降低,取得了较好的经济效益和环境效益,可为水量难以提升的污水处理厂改造提供一定的技术改造经验。