日本琵琶湖流域污水超深度處理及污泥處置

王艷捷，許春蓮，王之暉，張 偉，宋乾武，陳小珍，秦 琦

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京沃特林克環(huán)境工程有限公司，北京 100102)

日本琵琶湖流域污水超深度處理及污泥處置

王艷捷1，許春蓮1，王之暉1，張 偉1，宋乾武1，陳小珍2，秦 琦1

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京沃特林克環(huán)境工程有限公司，北京 100102)

以日本琵琶湖流域東北部凈化中心為例，介紹了日本琵琶湖流域市政污水處理概況，重點闡述了以投加絮凝劑的多段硝化脫氮法為核心生物工藝的“超深度”處理技術(shù)和以“焚燒—熔融”為核心工藝的污泥資源化處置技術(shù)，為我國市政污水的深度處理和污泥處置提供了技術(shù)和發(fā)展借鑒。

琵琶湖流域東北部凈化中心;超深度處理技術(shù);多段硝化脫氮法;焚燒熔融;日本

日本數(shù)十年來對琵琶湖富營養(yǎng)化的治理收到了良好成效[1]，滋賀縣作為琵琶湖流域所處的行政區(qū)，通過采用污水深度處理技術(shù)和提高污水處理效率等方法，對進入琵琶湖的氮磷負荷進行嚴格控制，為促進琵琶湖的水質(zhì)改善發(fā)揮了重要作用。

污水深度處理是指污水在二級處理標準的基礎(chǔ)上，進一步提高水質(zhì)要求達到再生回用標準水的水處理過程[2]。滋賀縣在日本國內(nèi)率先采用脫氮除磷的深度處理工藝。2001—2003年，琵琶湖流域的4座水質(zhì)凈化中心又先后采用了高于深度處理水平的超深度處理技術(shù)。超深度處理是在深度處理的基礎(chǔ)上，進一步提高有機物、總氮和總磷的去除效果，以達到更高的水再生和回用標準。污泥也實現(xiàn)了無害化處理和資源化利用。

本文以日本琵琶湖流域東北部凈化中心為例，介紹了目前日本在生活污水深度處理和污泥處置方面的先進技術(shù)，以期為我國污水及污泥處理的環(huán)保項目建設(shè)工作提供借鑒。

1 工程概況

日本琵琶湖流域包括湖南中部、湖西、東北部和高島4個處理區(qū)，東北部凈化中心位于琵琶湖東北部。處理區(qū)內(nèi)的污水采用分流制收集方式，設(shè)計服務(wù)面積13,600公頃，設(shè)計服務(wù)人口39.6萬人。污水處理廠占地面積64.1公頃，總設(shè)計處理量37.1萬t/d，目前運行的一期工程污水處理量為12.075萬t/d， 1997年開始投入運營。

琵琶湖東北部污水凈化中心的污水經(jīng)預(yù)處理（格柵—沉砂池—初沉池）后，主要有深度處理和超深度處理兩條工藝路線，其中采用深度處理技術(shù)的處理規(guī)模為3.15萬m3/d，采用超深度處理技術(shù)的處理規(guī)模為8.925萬m3/d。

該中心自投產(chǎn)以來，運行情況良好，表1為琵琶湖東北部污水凈化中心2009年度進出水水質(zhì)情況。

表1 琵琶湖東北部污水凈化中心2009年平均進出水水質(zhì)

琵琶湖東北部污水凈化中心的污泥經(jīng)濃縮脫水后采用焚燒和熔融的方式實現(xiàn)無害化處理和資源化利用。圖1和圖2為琵琶湖東北部污水凈化中心污水處理設(shè)施和污泥處理設(shè)施。

圖1 污水處理設(shè)施

圖2 污泥處理設(shè)施

2 超深度處理技術(shù)

2.1 以投加絮凝劑的活性污泥循環(huán)法為核心生物工藝的深度處理技術(shù)

琵琶湖東北部凈化中心的深度處理工藝是對原有的二級處理工藝的改良，工藝流程如圖3所示。

圖3 深度處理工藝流程

投加絮凝劑的活性污泥循環(huán)法作為核心生物工藝，包括缺氧段和好氧段，在缺氧段進行反硝化脫氮，好養(yǎng)段則主要進行硝化，類似AO工藝。投加絮凝劑的活性污泥循環(huán)法的特點是在好氧段的末端投加絮凝劑PAC，混合有PAC的污泥消化液回流至缺氧段的前端。該混有PAC的消化液回流方式不僅實現(xiàn)好氧硝化—缺氧反硝化的功能，同時還可以充分利用活性污泥的絮凝能力，減少PAC的投加量；此外，PAC中含有的氫氧根離子也可以補充硝化過程中堿度的消耗。運行中發(fā)現(xiàn)，通常認為鋁離子可能會影響微生物的生物活性，但實際運行并沒有出現(xiàn)PAC的抑制作用。

2.2 以投加絮凝劑的多段硝化脫氮法為核心生物工藝的超深度處理技術(shù)

琵琶湖東北部凈化中心的超深度處理由生物處理段和物理化學(xué)處理段共同組成，生物段通過工藝改良進一步強化生物脫氮能力，物理化學(xué)處理段則增加了臭氧氧化和生物活性炭吸附處理，超深度處理的工藝流程如圖4所示。

圖4 超深度處理工藝流程

投加絮凝劑的多段硝化脫氮法是該超深度處理的核心生物處理工藝，采用多段缺氧—好氧（AO）組合的方式。在多段硝化脫氮工藝中，不僅污水中的大部分有機物被微生物分解，氮、磷也同時被高效去除，多段硝化的脫氮率為75%，氨氮的去除率為100%，磷去除率為80%。污水經(jīng)生物處理后剩下難降解的有機物在后續(xù)的物理化學(xué)處理中被進一步去除。物理化學(xué)處理段的主要工藝為臭氧氧化—生物活性炭過濾，該法在我國飲用水處理領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用，在此不做詳述。

琵琶湖東北部凈化中心超深度處理的整體設(shè)計水質(zhì)目標為CODMn=3.0mg/L，T-N=3.0mg/L，T-P = 0.02mg/L。

2.3 投加絮凝劑的多段硝化脫氮法的工藝特點

投加絮凝劑的多段硝化脫氮法主要由四段串聯(lián)的缺氧—好氧段（AO）組成（如圖5）。前三段串聯(lián)AO的缺氧+好氧池的容積比為1∶1.3∶1.8，其中各段缺氧池與好氧池的容積比均為1∶1。第三段AO在缺氧池與好氧池之間的池壁上部設(shè)有一個插板，用于調(diào)節(jié)好氧池上部液體回流至缺氧池，形成缺氧池和好氧池之間下進上回的循環(huán)方式。這可以保證好氧段的碳源，提高硝化能力，減少后續(xù)負擔(dān)。根據(jù)目前運行經(jīng)驗，調(diào)節(jié)該回流比為60%比較適宜。

第四段AO的缺氧池中投加甲醇等易降解有機物，以彌補碳源。甲醇的投加量主要根據(jù)第三段AO的氮含量來確定，由于運行狀況良好，目前為止基本沒有投加過碳源。第四段的好氧池中投加絮凝劑PAC，進行絮凝反應(yīng)，絮凝劑的投加量為40mg/L10%的PAC。

圖5 投加絮凝劑的多段硝化脫氮法

整個生物反應(yīng)池采用多點進水的方式，按1∶1∶1的比例分別進入前三段串聯(lián)AO的缺氧池，后續(xù)的二沉池污泥回流進入第一段串聯(lián)AO的缺氧池，污泥回流比為50%。反應(yīng)池中夏季MLSS為2000mg/L左右，冬季為3000mg/L左右。第一至第四段AO的總停留時間為15h，曝氣量可以根據(jù)好氧段出水的氨氮來控制，一般DO控制在0.5mg/L以上，以保證氨氮完全硝化。

3 污泥處置技術(shù)

琵琶湖東北部污水凈化中心的污泥產(chǎn)生量為0.7kg絕干污泥/t水，通過采用廠區(qū)內(nèi)處理的方式，實現(xiàn)污泥的資源化利用。污泥處理的工藝流程為：濃縮—脫水—焚燒—熔融，其中污泥的焚燒和熔融采用間歇運行方式，每月運行20天，委托專門機構(gòu)負責(zé)。

3.1 污泥濃縮與脫水

初沉池的污泥采用重力濃縮方式進行濃縮；二沉池的剩余污泥采用常壓氣浮濃縮和離心濃縮兩種方式進行濃縮，氣浮濃縮用于濃縮的剩余污泥有機質(zhì)含量高，對于難以氣浮濃縮的剩余污泥采用離心濃縮處理，濃縮處理后的污泥分別進入污泥貯存池1和污泥貯存池2。貯存的污泥經(jīng)過污泥脫水機脫水，脫水后的污泥量平均為55t/d。污泥濃縮脫水工藝流程如圖6。

圖6 污泥濃縮脫水工藝流程

3.2 污泥焚燒

脫水后的泥餅采用焚燒處理。琵琶湖東北部污水凈化中心焚燒設(shè)備采用流動床式焚燒爐，焚燒溫度為870℃～890℃，處理能力為110t泥餅/d。

流化床焚燒爐以爐本體為主體結(jié)構(gòu)形成密閉的流態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，爐膛下部裝有作載熱媒體的惰性砂粒，床下布風(fēng)產(chǎn)生流態(tài)化，砂粒循環(huán)量可以控制進入爐內(nèi)的空氣量。燃料（市政天然氣）和泥餅從流化床下部送入，在爐內(nèi)發(fā)生混合、干燥、破碎、分解、氣化、燃燒。物料在爐膛經(jīng)過內(nèi)、外多個途徑循環(huán)，確保煙氣在高溫區(qū)的有效停留時間，保證垃圾各組分充分燃盡，使有毒有害物質(zhì)的分解破壞更為徹底[3]。圖7為流化床焚燒爐設(shè)備。

圖7 流化床焚燒爐設(shè)備

3.3 焚燒灰熔融

污泥經(jīng)焚燒分解，形成的焚燒灰進入熔融爐。琵琶湖東北部污水凈化中心熔融設(shè)備采用回旋式熔融爐，溫度為1350℃～1450℃，處理能力為7.68t（焚燒灰）/d。焚燒灰在熔融助劑的作用下，在高溫下呈熔融狀態(tài)，通過空氣自然冷卻和噴淋水急速冷卻兩種冷卻方式形成塊狀和顆粒狀的熔渣。圖8和圖9分別為回旋式熔融爐設(shè)備及熔融后的塊狀熔渣。這些熔渣可以作為建材和步道磚的骨料。融渣的物理性能如表2所示。

圖8 回旋式熔融爐

圖9 熔渣

表2 熔渣的物理性能

污泥經(jīng)焚燒熔融的減量化和穩(wěn)定化處理后，重量縮減為泥餅的3.5%～4%。污泥焚燒—熔融的處理情況及能耗如表3。

表3 污泥焚燒—熔融的處理情況及能耗

4 結(jié)論與啟示

近10年來我國在污水深度處理方面發(fā)展迅速，尤其自2002年以來，國家陸續(xù)頒布和修訂了相關(guān)的標準和規(guī)范，強調(diào)污水的深度處理和回用，各地政府也相繼啟動了污水處理廠升級改造和再生利用工作。在污泥處置方面，我國早期的污水處理廠建設(shè)沒有嚴格的污泥排放監(jiān)督機制，普遍是將污水和污泥處理單元剝離開來，盡可能地簡化甚至忽略污泥處理單元[4]。近年來污泥處理開始受到重視，但由于污泥處理產(chǎn)業(yè)剛剛起步，其中暴露出不少問題。因此，要實現(xiàn)污泥的無害化處理和資源化利用依然任重道遠。

琵琶湖流域下水道凈化中心的污水處理和污泥處置是一個很好的案例，對于我國污水處理領(lǐng)域今后的發(fā)展有啟示作用。

（1）相對于琵琶湖流域下水道凈化中心的超深度處理，我國的污水深度處理仍需要有很大的發(fā)展。盡管當前我國的經(jīng)濟技術(shù)水平尚難以達到污水的超深度處理，但超深度處理作為污水處理領(lǐng)域的更高標準和要求，為我國今后污水處理事業(yè)的發(fā)展提供了借鑒。

（2）琵琶湖流域下水道凈化中心采用的投加絮凝劑的多段硝化脫氮工藝，是在二級處理工藝的基礎(chǔ)上經(jīng)過逐步改良，實現(xiàn)了污水中氮磷的高效去除，且經(jīng)濟可行。這對于我國當前的市政污水廠“提標改造”具有很好的技術(shù)啟示。

（3）由于污水處理是由污水至污泥的污染物形式的轉(zhuǎn)移過程，因此，污泥妥善處理是防止二次污染的重要環(huán)節(jié)，污泥的無害化處理和資源化利用是我國污泥處置的必經(jīng)之路。琵琶湖流域下水道凈化中心采用污泥的分類濃縮，系統(tǒng)化的污泥焚燒—熔融處置，為我國的污泥處理方式提供了經(jīng)驗。

（4）日本為保護琵琶湖水環(huán)境，扭轉(zhuǎn)水質(zhì)惡化，實行包括污水超深度處理等多方面的污染整治措施，成為水環(huán)境保護領(lǐng)域的一個成功案例，這對于我國重要的飲用水水源地等特殊敏感區(qū)的水質(zhì)保護具有重要的啟示作用。

[1]王秋靜，耿曉娜，林棟.日本琵琶湖治理的工程措施對太湖的啟示[J].水利經(jīng)濟，2005，23（5）：41-44.

[2]張杰，曹開朗.城市污水深度處理與水資源可持續(xù)利用[J].中國給水排水，2001，17（3）：11-12.

[3]裘伯鋼，趙美紅.淺談污泥干化焚燒處理[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2006（1）.

[4]宿翠霞，王龍波，李凌霄，等.城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置與資源化利用[J].中國資源綜合利用，2010，28（5）：50-52.

Super-advanced Sewage Processing and Sludge Disposal in Lake Biwa Watershed， Japan

WANG Yan-jie1, XU Chun-lian1, WANG Zhi-hui1, ZHANG Wei1, SONG Qian-wu1, CHEN Xiao-zhen2, QIN Qi1
(1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;2. Beijing Waterlink Environment Engineering Co., Ltd, Beijing 10001, China)

Taking the purification center for northeast Biwa Lake watershed for an example, this paper introduces the overview of municipal sewage treatment in Lake Biwa watershed, Japan, and specially focuses on the super-advanced sewage biological processing and sludge resource disposal, the core of which is multi-stage denitrification with flocculants dosing and incineration & melting respectively. It provides technical supports and development ideas for sewage advanced processing and sludge disposal in China.

the northeast purification center of Lake Biwa watershed; super-advanced processing; multi-stage denitrification with flocculants dosing; incineration and melting; Japan

X703

A

1006-5377（2011）08-0058-04