兩級上向流生物濾池及模塊化裝備應(yīng)用于污水廠提標(biāo)改造的工程實例
全康環(huán)保:摘要:對于部分城市生活污水處理廠,進(jìn)、出水水質(zhì)隨季節(jié)性波動較大。以山西省某污水處理廠為例,按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)準(zhǔn)Ⅴ類(TN≤10mg/L)標(biāo)準(zhǔn)考核,夏季出水TN不能達(dá)標(biāo),冬季NH3-N不能達(dá)標(biāo),通過新增兩級生物濾池的深度處理工藝,采用上向流生物濾池及專有的布水布?xì)庀到y(tǒng),可根據(jù)水質(zhì)處理需求實現(xiàn)硝化與反硝化模式的切換,保證TN及NH3-N全年穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。本項目采用智能模塊化裝備的建造模式,具有安裝便捷,占地面積小,不受施工場地限制等優(yōu)勢。
01 工程概述
為了保護(hù)和改善水環(huán)境,國家加大水污染防治力度。近幾年,國家“水十條”和地方標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺,許多污水處理廠面臨提標(biāo)改造的問題。山西省水污染防治行動計劃及水污染防治條例要求城鎮(zhèn)生活污水廠出水COD、NH3-N及TP等指標(biāo)參照地表水Ⅴ類及以上標(biāo)準(zhǔn)。以山西省某污水處理廠為例,其水質(zhì)隨季節(jié)波動較大,且碳氮比較低,亟需尋求一種靈活的污水提標(biāo)改造工藝,既能適合進(jìn)水水質(zhì)的變化,又能保障出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。
該污水處理廠設(shè)計日處理規(guī)模為3萬m3/d,于2007年9月建成通水,2016年4月在污水廠內(nèi)完成第一次提標(biāo)改造,處理工藝為“改良型A2O+網(wǎng)格絮凝沉淀+精密過濾”,出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最新政策要求,需將出水標(biāo)準(zhǔn)提至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)地表準(zhǔn)V類(其中TN≤10mg/L)。從污水廠2018年的運行水質(zhì)數(shù)據(jù)分析,出水水質(zhì)達(dá)不到地表V類標(biāo)準(zhǔn)且隨季節(jié)波動較大,即使污水廠通過優(yōu)化前端生化系統(tǒng),夏季TN仍不達(dá)標(biāo),冬季NH3-N不達(dá)標(biāo)。當(dāng)夏季TN進(jìn)水指標(biāo)升高時,在原生化處理系統(tǒng)缺氧池內(nèi)投加碳源,實際運行碳源利用率較低,藥劑成本高,前置反硝化脫氮能力有限。在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)且運行成本合理的前提下,該污水廠需新建處理設(shè)施進(jìn)行提標(biāo)改造。由于污水廠用地緊張,且周邊征地困難,根據(jù)業(yè)主要求,僅能在廠內(nèi)剩余很小的空地上新建深度處理設(shè)施。深度處理設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。
02 處理工藝概述
根據(jù)主要超標(biāo)的污染物因子隨季節(jié)波動的情況,本項目提標(biāo)改造采用新增兩級生物濾池的深度處理工藝,二沉池出水提升至新增生物濾池,經(jīng)兩級生物濾池處理后出水進(jìn)入原網(wǎng)格絮凝沉淀池,經(jīng)沉淀及過濾,最后在清水池消毒后達(dá)標(biāo)排放,工藝流程如圖1。
兩級生物濾池均采用上向流濾池形式,且濾池的建設(shè)采用鋼制模塊化裝備結(jié)構(gòu),根據(jù)水質(zhì)的變化可將生物濾池的運行模式切換成以下兩種:
模式一:硝化濾池+反硝化濾池,NH3-N不達(dá)標(biāo),TN不穩(wěn)定達(dá)標(biāo),去除NH3-N、TN;
模式二:反硝化濾池+硝化濾池,TN不達(dá)標(biāo),NH3-N不穩(wěn)定達(dá)標(biāo),去除TN、NH3-N。
03 主要工藝單元及設(shè)計參數(shù)
3.1 一級生物濾池
設(shè)計鋼制模塊化裝備共6組,單組設(shè)計處理規(guī)模5000m3/d,單組尺寸10.5m×3.0m×4.5m,火山巖濾料粒徑4-6mm,填裝高度為2.8m,鵝卵石承托層8-32mm,填裝高度0.3m,空床停留時間25min。
3.2 二級生物濾池
設(shè)計鋼制模塊化裝備共4組,單組設(shè)計處理規(guī)模7500m3/d,單組尺寸10.5m×3m×3.4m,空床停留時間15min,火山巖濾料粒徑3-5mm,填裝高度為2.1m。
兩級生物濾池均采用專門研發(fā)的中阻力配水、大阻力配氣的多功能濾管替代傳統(tǒng)的小阻力濾頭濾板配水配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行布水布?xì)?,兼具布水、曝氣布?xì)?、反沖洗布水布?xì)獾墓δ埽蓪崿F(xiàn)濾池布水布?xì)飧泳鶆?,反沖洗更加徹底,需曝氣功能時,無需單設(shè)單孔膜曝氣系統(tǒng),僅配備鼓風(fēng)機(jī)即可實現(xiàn)硝化與反硝化的轉(zhuǎn)化運行。
3.3 自控系統(tǒng)
本深度處理濾池系統(tǒng)在提標(biāo)改造車間設(shè)有中控室,并配置有2臺上位機(jī)系統(tǒng),一主一副互為備用,上位機(jī)系統(tǒng)采用西門子WINCC7.3版組態(tài)軟件,下位機(jī)采用分布式系統(tǒng),主站1臺,采用西門子300系列PLC,子站10臺,采用西門子200SMART系列PLC。主站用于控制反洗風(fēng)機(jī)、反洗水泵、曝氣風(fēng)機(jī)的運行。子站用于控制各組濾池的閥門。濾池控制子站負(fù)責(zé)完成每格硝化/反硝化濾池正常過濾、氣洗、氣水同時反洗、水洗的自動協(xié)調(diào)控制以及操作狀態(tài)監(jiān)視。每格硝化/反硝化濾池設(shè)置超聲波液位計、水頭損失儀以實現(xiàn)反洗條件判斷。子站利用控制指令,控制進(jìn)水閥開度,從而實現(xiàn)各格濾池進(jìn)水均衡控制,同時上傳反洗工況信號供上位機(jī)采集。主站與子站之間,主站與上位機(jī)之間都是通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,數(shù)據(jù)交換。在主站配置有無線遠(yuǎn)程模塊,實現(xiàn)對深度處理濾池自控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控,實現(xiàn)無人值守,全自動化運行的要求。
3.4 提標(biāo)改造系統(tǒng)車間
提標(biāo)改造系統(tǒng)車間放置閥門氣源系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、碳源加藥系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、自控系統(tǒng)及其他輔助配套設(shè)備。
閥門氣源系統(tǒng):空壓機(jī)Q=1m3/min,P=0.8MPa,N=7.5kW,1臺,冷干機(jī)、儲氣罐各1臺。曝氣系統(tǒng)主要為曝氣風(fēng)機(jī)及管道,曝氣風(fēng)機(jī)Q=5m3/min,P=0.06MPa,N=11kW,共11臺,10用1冷備。碳源加藥系統(tǒng):溶藥裝置V=10m3,材質(zhì)PE,共2套,投加計量泵Q=550L/h,P=0.4MPa,N=0.55kW,共2臺,1用1備。
反沖洗系統(tǒng):兩級生物濾池共用一套反沖洗系統(tǒng),反洗風(fēng)機(jī)Q=13.72m3/min,P=0.06MPa,N=22kW,3臺,2用1備,反洗水泵Q=360m3/h,H=15m,N=22kW,3臺,2用1備。水洗強(qiáng)度6 L/m2.S,氣洗強(qiáng)度14 L/m2.S。
3.5 總平面布置
深度處理生物濾池采用鋼制模塊化裝備,一級生物濾池模塊分為1-6組,二級生物濾池模塊分為1-4組,底部進(jìn)水,穿越濾料層從上部出水,兩級生物濾池模塊總平面布置如下圖2。
由于污水廠改造場地受限,改造系統(tǒng)分兩層排布,上層放置生物濾池模塊,下層設(shè)置為提標(biāo)改造系統(tǒng)車間,車間內(nèi)放置配套設(shè)施及管道系統(tǒng)。改造總占地面積約為400m2,平面尺寸為32.4m×12.3m。
04 運行模式及運行效果
本項目于2019年10月建設(shè)完成并投產(chǎn),運行至今貫穿了冬季與夏季,平均處理水量為2.85萬噸/天。針對本項目深度處理的水質(zhì),同時結(jié)合所使用濾池的特點,運行時通過功能切換,發(fā)揮濾池的硝化及反硝化功能,保證全年的出水水質(zhì)。
(1)冬季氨氮超標(biāo)運行模式
溫度對硝化菌的活性影響較大,當(dāng)12月-2月期間,冬季水溫低于12℃時,污水廠原A2O生化處理系統(tǒng)硝化速率下降,因此進(jìn)入深度處理系統(tǒng)NH3-N濃度較高,在TN濃度中占比也較高。針對NH3-N超標(biāo),深度處理需強(qiáng)化硝化,采用模式一運行:1-6#一級生物濾池開啟曝氣進(jìn)行硝化,1-4#二級生物濾池根據(jù)需要投加少量碳源,保證出水NH3-N、TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。硝化濾池濾速6.3m/h,反洗周期約60-72h;反硝化濾池濾速9.4m/h,反洗周期約36-48h。碳源投加采用“模糊控制”法,通過進(jìn)水流量計、進(jìn)出水在線硝態(tài)氮濃度儀的反饋,建立數(shù)學(xué)模型,動態(tài)控制碳源加藥量。在保證出水COD、BOD5達(dá)標(biāo)的前提下,精確的控制總氮的去除。以2月份運行數(shù)據(jù)為例,平均水溫8℃,深度處理系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N為7-10mg/L,進(jìn)水TN為9-13mg/L,出水NH3-N≤1.5mg/L,出水TN≤10mg/L。
(2)夏季總氮超標(biāo)運行模式
夏季降雨量大,集中在7月-8月期間,雨污合流使污水廠進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低,硝化效果較好,但碳氮比較低限制了反硝化的脫氮效果,通過在原生化處理增加碳源,但利用率較低,脫氮效果得不到明顯改善,原A2O出水TN濃度偏高,大部分均為硝態(tài)氮。針對TN超標(biāo),深度處理需強(qiáng)化反硝化,以模式二運行為主:1-6#一級生物濾池不開啟曝氣并投加碳源作為反硝化濾池,去除硝態(tài)氮,1-2#二級生物濾池根據(jù)氨氮濃度決定是否開啟曝氣進(jìn)行硝化補(bǔ)充,3-4#二級生物濾池不曝氣作為過濾濾池,更好地保證出水效果。反硝化濾池濾速6.3m/h,反洗周期約36-48h;硝化濾池濾速9.4m/h,反洗周期約60-72h。以7月份運行數(shù)據(jù)為例,水溫約23-25℃,深度處理系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N為0.2-0.9mg/L,進(jìn)水TN為12-18mg/L,出水NH3-N≤0.5mg/L,出水TN≤8mg/L。
(3)其他時段主要運行模式
根據(jù)本項目深度處理的進(jìn)水情況,除上述集中水質(zhì)指標(biāo)較高的月份,其他時段NH3-N及TN少許超標(biāo),NH3-N相對超標(biāo)頻率較高,主要以模式一方式運行,根據(jù)NH3-N濃度開啟1-6#一級生物濾池的幾組進(jìn)行曝氣,1-4#二級生物濾池根據(jù)需要投加少許碳源作為水質(zhì)保障。
綜上述運行模式,兩級濾池全年大部分為“硝化+反硝化”模式,其中7,8月份切換為“反硝化+硝化”模式。根據(jù)水質(zhì)提前分組進(jìn)行切換,調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度,反硝化切換為硝化時,停止投加碳源,強(qiáng)制反沖洗兩次后開啟曝氣,培菌期間反洗周期為72-96h,再逐漸調(diào)整至60-72h;硝化切換為反硝化時,停止曝氣,調(diào)整碳源加藥泵沖程,培菌期間反洗周期設(shè)置為96h,一周后恢復(fù)反洗周期至36-48h。
05 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
本項目改造深度處理系統(tǒng)裝機(jī)功率348.5kw,最大運行功率為170kw,電費0.07元/m3,年平均碳源投加費為0.08元/m3,人工費0.01元/m3,年平均直接運行成本約0.16元/m3。深度處理系統(tǒng)占地面積400m2,建設(shè)周期僅為一個月。
06 結(jié)論
對于進(jìn)、出水水質(zhì)呈現(xiàn)季節(jié)性波動較大時,深度處理采用兩級上向流生物濾池的組合工藝及其專有的布水布?xì)庀到y(tǒng),可實現(xiàn)硝化與反硝化的切換,根據(jù)水質(zhì)需求啟用硝化或反硝化功能,分別針對性去除NH3-N或TN,出水可滿足TN≤10mg/L,NH3-N≤1.5mg/L,并能根據(jù)溫度變化靈活運行,確保全年水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。上向流生物濾池采用鋼制標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)鋼混建設(shè)模式相比,占地及工期優(yōu)勢顯著。