高效沉淀池及生物滤池工艺在城市污水处理厂的应用及运行效果

2021-01-20石春寅李国炜邹浩东

净水技术 2021年1期

石春寅，李国炜，邹浩东

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

高效沉淀池技术属于载体絮凝快速沉淀技术，是通过使用不断循环的介质颗粒和各种化学药剂强化絮体吸附，从而改善水中悬浮物沉降性能的物化处理工艺。载体絮凝快速沉淀技术的典型工艺主要包括OTV-Kruger公司开发的Acfiflo工艺和法国Degremont公司开发的DensaDeg工艺等，已在欧美得到推广应用。本文的高效沉淀池为DensaDeg改进工艺，目前，在国内主要应用于污水厂深度处理系统。

曝气生物滤池(biological aerated filter，BAF)属于生物处理的生物膜法，BAF的最初形式为OTV公司于20世纪80年代末开发出的BIOCARBONE工艺。该工艺以密度大于水的膨张板岩作为生物填料，水流上进下出，气水逆向，主要用于城市污水有机物的降解和NH3-N的去除。曝气生物滤池主要有BIOCARBONE生物滤池、BIOSTYR生物滤池、BIOFOR生物滤池3种形式。BIOSTYR工艺是法国OTV公司对BIOCARBONE的改进，其滤料为比重小于1的球形有机颗粒，漂浮在水中。BIOFOR生物滤池由法国Degremont公司开发，采用密度大于水的滤料，自然堆积，滤板和专用长柄滤头在滤料层下部，以支撑滤料的重量。而BIOSTYR中的滤板和滤头在滤料层顶部，以抵抗滤料层的浮力。曝气生物滤池的3种形式在世界范围内均有应用，目前，大多采用BIOSTRY和BIOFOR。在国内，BIOSTRY和BIOFOR工艺均有应用，以BIOFOR工艺为主，本文的生物滤池为BIOFOR改进工艺。高效沉淀池与生物滤池组合工艺是目前欧美地区首选的的污水处理核心工艺，在国内应用较少。

1 项目背景

重庆市某污水厂建成于1997年，一期规模为4.8万t/d，污水处理工艺采用传统生物曝气池，未考虑脱氮除磷功能，且无消毒措施，出水中NH3-N、TN、TP及粪大肠菌群数等指标不能满足一级A标准。近年来，随着城市建设的快速发展，污水量迅速增长，该污水处理厂的处理能力与排放标准不能满足需求，因此，急需实施改扩建工程。

1.1 设计概况

重庆市某污水厂改扩建工程是一座地下式城市污水处理厂，服务范围为江北区观音桥、华新街片区，服务面积约5 km2。厂址位于重庆市繁华商业区，若采用地上式建设形式，并设置加盖除臭，污水厂仍暴露于公众面前，且存在臭气外泄的可能。为减少“邻避效应”，提高土地资源利用率，本改扩建工程采用地下式建设形式，下层为污水处理车间，上层为市政公共设施用地，可修建城市广场、停车库和综合办公楼。污水处理厂臭气经过收集处理后，通过设于综合办公楼之内的专用烟道输送至100 m以上高空排放。改扩建后设计规模为6万t/d，处理出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

1.2 设计水质

本工程2011年污水厂实际运行水质如表1所示。

表1 2011年污水厂平均实际运行水质Tab.1 Average Actual Operation Water Quality of WWTP in 2011

污水厂实际进水水质具有如下特点：

(1)进水浓度波动幅度较大，进水CODCr浓度为100～600 mg/L；

(2)进水碳氮比平均为4.64，满足生物脱氮要求，冬季TN浓度较高，处理难度大；

(3)BOD5/COD比值大部分时间大于0.58，污水可生化性较好。

本次改扩建工程设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。设计进、出水水质如表2所示。

表2 设计进、出水水质Tab.2 Designed Influent and Effluent Water Quality

2 污水处理工艺方案

本工程进水水质符合一般城市生活污水水质，碳氮比大于4，碳磷比大于17，设计采用具有生物脱氮功能的污水处理工艺。目前，地下式污水处理厂一般采用两级生物滤池，即反硝化生物滤池+曝气生物滤池工艺[1]或MBR工艺[2]等占地面积少的污水处理工艺，本次对拟这2种方案进行技术经济比较。

本文的生物滤池工艺是具有反硝化功能的两级生物滤池工艺技术：前置反硝化生物滤池即缺氧区脱氮；后续曝气生物滤池去除有机物和NH3-N；曝气生物滤池设置硝化液回流至反硝化生物滤池。

经过综合比较，MBR工艺存在清洗药剂存放、膜更换问题，而两级生物滤池工艺方案优势明显[3-4]：脱氮负荷高，出水水质能够稳定达标，用地节省约3 000 m2且满足场地要求；运行费用适中，处理成本为0.45元/t；污泥产生量小，降低对环境产生危害的风险；水深较深，暴露在空气中的污水面积小，基本无臭味[5]，更适合本工程的建设要求。

由于污水厂生物脱氮除磷相互制约，且生物滤池停留时间短，为减少厌氧除磷对生化脱氮的影响，并减少滤池的堵塞风险及冲洗频次，在生化池前采用高效沉淀池化学除磷。高效沉淀池由于内部污泥循环，反应池中的污泥浓度变化较小，与原水中的污泥浓度相比，循环污泥的浓度较高，进水浓度的变化不影响其处理效果。该工艺特点适合进水浓度较高，且波动幅度大的进水水质情况，工艺可靠性较高；由于内部循环使污泥和水之间的接触时间较长，从而使耗药量低于其他的沉淀装置。因此，本工程推荐高效沉淀池+两级生物滤池工艺方案，工艺流程如图1所示。

图1 处理工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Sewage Treatment Process

2.1 平面布置

原污水厂位于江北区核心区域，北邻观音桥商业中心，南临万唐路及华新分流道，西临金源路，东临嘉华路，用地面积约0.039 km2，折合58.5亩(1 km2=1 500亩)。污水厂四周大楼密集环绕，为了减少对附近居民的影响，满足环评要求，改扩建工程在原厂区围墙内采用地下式布置方式建设。

本工程拟对现状构建筑物进行拆除后重建，厂区内南北横穿1条排水箱涵3.6 m×4.2 m，不能迁改，且厂区内需预留综合楼建设用地，实际可用地面积仅有0.018 km2，污水处理厂现状如图2所示。

图2 重庆市某污水厂现状周边环境图Fig.2 Surroundings Map of WWTP

本工程平面布置拟沿污水厂工艺流程布置方向，由北向南分别布置进水井、格栅间、曝气沉砂池、高效沉淀池、生物滤池、紫外线消毒渠、回用水泵房及巴式计量槽等，工艺流程较顺畅，管线短、交叉少。厂区布置以排水箱涵为界，东侧布置格栅间、曝气沉砂池、高效沉淀池、污泥脱水车间等预处理及污泥处理设施，该单元产生的臭气浓度大，可一并收集作为高浓度臭气进行处理；西侧布置生物滤池、出水渠等污水处理设施。改扩建工程厂区平面布置如图3所示。

图3 改扩建工程平面布置图Fig.3 Layout Plan of Reconstruction and Expansion Project

本改扩建工程平面布置紧凑，实际用地面积约0.018 km2，折合27亩，吨水用地面积为0.3 m2/(m3·d)，远低于污水厂建设用地指标值0.85 m2/(m3·d)。

2.2 工艺设计

(1)进水溢流井

由于污水处理厂进水采用截流堰对主排水箱涵截流的方式，雨季时截流水量将超过污水厂设计规模。因此，需在污水处理构筑物前端设置溢流井，将超出设计规模的污水进行溢流，溢流污水仍回入主排水箱涵。

进水溢流井平面尺寸为3.5 m×8.0 m，高度为4.95 m。上层为进水渠道，宽度为1.8 m，高度为2.0 m。下层为溢流通道，溢流管为DN1200，与主排水箱涵连通。

(2)粗、细格栅间

本工程粗格栅与细格栅合建，平面尺寸为13.3 m×3.5 m，高度为2.0 m。

设计流量为1.04 m3/s，过栅流速为0.7 m/s，粗格栅与细格栅各设2道回转耙齿式格栅除污机，其中，粗格栅栅条间距8 mm，细格栅栅条间距3 mm。回转式格栅除污机可人工启动、定时启动或根据格栅前后水位差自动运行。栅渣输送至渣斗，含水率约60%，滤水后运走。

(3)曝气沉砂池

设曝气沉砂池1座，单座分2池，排泥区深1.30 m，总池深3.70 m。水平流速为0.08 m/s，水力停留时间为3.7 min，可去除污水中粒径≥0.2 mm的砂粒，使无机砂粒与有机物分离开，便于后续生化处理。

(4)高效沉淀池

高效沉淀池设计水量为3 750 m3/h。机械搅拌池停留时间为3.3 min，中间反应池停留时间为2.44 min，快速混合反应池停留时间为10.44 min，推流区水力停留时间为4.6 min，澄清区设计上升流速为9.08～13.62 m/h，污泥回流比为2%～5%。

设置高效沉淀池1座，分3池，单池尺寸为11.5 m×18.5 m，总池深6.5 m。

(5)精细格栅间

精细格栅过栅流速为0.7 m/s，网板孔隙为1.0 mm。

设置精细格栅间1座，设2台精细格栅机，渠宽为2.25 m，格栅孔隙为1.0 mm，栅前水深为2.3 m。

(6)反硝化滤池

反硝化滤池设计流量为3 750 m3/h，设计负荷为0.75 kg硝氮/(m3·d)，水力负荷为9.3～10.4 m3/(m2·h)，空床停留时间为23.04～26.04 min，硝化液回流比为167%～200%，反冲水洗强度为5 L/(m2·s)，反冲气洗强度为14 L/(m2·s)。滤池配水采用防堵长柄滤头，单堰出水，反冲洗形式为快速降水位+气水联合反冲洗，滤料厚度为4.0 m。

设置反硝化生物滤池1座，过滤总面积为720 m2，分为8格，单格尺寸为7.5 m×12 m，池深为10 m。生物滤料粒径Φ6～9 mm；滤头契型缝隙宽度为2.2 mm，总滤缝28条，滤头总长度为405 mm，56个/m2。

(7)曝气生物滤池

曝气生物滤池设计流量为3 750 m3/h，设计负荷为0.35 kg NH3-N/(m3·d)，水力负荷为5.3～5.95 m3/(m2·h)，空床停留时间为40.32～45.3 min，曝气气水比为3.5∶1，反冲水洗强度为5 L/(m2·s)，反冲气洗强度为14 L/(m2·s)。滤池配水采用防堵长柄滤头，单堰出水，反冲洗形式为快速降水位+气水联合反冲洗，滤料厚度为4.0 m。

设置曝气生物滤池1座，总过滤面积为1 260 m2，共分为14格，单格尺寸为7.5 m×12 m，池深7.8 m。生物滤料粒径Φ3～5 mm；滤头契型缝隙宽度为2.2 mm，总滤缝28条，滤头总长度为405 mm，49个/m2。

自控仪表配置：反硝化滤池共8格，每格设超声波液位计1套，在线压差计1套，ORP计1套，在线溶解氧仪1套，在线SS仪1套，气体流量计1套，在线硝氮1套；曝气生物滤池共有14格，每格设超声波液位计1套，在线压差计1套，在线溶解氧仪2套，在线氨氮1套，气体流量计1套，在线SS仪1套，污泥浓度计1套。

(8)中间提升泵房

设计流量为7 500 m3/h(含污泥回流量)。设置提升泵房1座，平面尺寸为11.5 m×12.0 m，高度为10.05 m。提升泵房配置轴流泵5台，3大2小。大泵参数：流量为2 500 m3/h，扬程为9 m，功率为120 kW(1台备用)；小泵参数：流量为1 250 m3/h，扬程为9 m，功率为60 kW(2台同时工作)。

(9)鼓风机房及反冲洗设备间

本工程反冲洗时间共23 min，其中，降水位时间为3 min、单独气冲洗时间为4 min，气水联合冲洗时间为6 min，后单独水洗时间为10 min。

设置生物滤池曝气鼓风机8台(1台备用)，单台参数：风量为20.83 m3/min，风压为60 kPa，功率为37 kW；反冲洗用鼓风机 4台(1台备用)，单台参数：风量为38 m3/min，风压为60 kPa，功率为75 kW；反冲洗用离心泵 3台(1台备用)，单台：流量为810 m3/h，扬程为11 m，功率为45 kW。

(10)污泥脱水车间

设计污泥干重约14 t/d，离心脱水机进泥含水率约98%，污泥量为700 m3/d；脱水后污泥含水率为75%～80%，污泥量为56～70 m3/d；絮凝剂(PAM)投加量为4.8 kg/(t干固体)。

设置离心脱水机2台，单台流量为45 m3/h，功率为75 kW，每天运行时间为8～10 h。

3 运行效果

本改扩建工程项目建设总投资为3.9亿元(地下式污水厂投资，不含地面建筑)，于2019年完成环保验收，目前已经正式运行。截至目前，本污水处理厂已经正常运行1年，生产负荷为100%，实际进、出水水质如表3所示，出水各项指标均稳定达到一级A排放标准，其中，BOD5、NH3-N指标已经达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定的地表水IV类标准。

表3 改扩建后实际进、出水水质Tab.3 Designed Influent and Effluent Water Quality

运行成本：本工程厂区年电耗为730万kW·h，单价为0.80元/kW·h；乙酸钠(冬季进水总氮高、碳氮比较低时投加)耗量700 t/a，单价为1 800元/t；PAC耗量为846 t/a，单价为2 400元/t；PAM耗量为22 t/a，单价为28 000元/t；运行成本为0.45元/t，运行费用适中。