探析污水處理廠深度處理工藝

嚴欣茹 方 珺 房 俊 閆燕筱

合肥通用機械研究院 合肥市

一、前言

隨著太湖流域“藍藻”事件的爆發，政府和各界人士已經越來越意識到氮、磷污染對自然水體的危害，在各項措施中，對現有市政污水處理廠出水“提標改造”已經成為越來越迫切的任務。由于部分污水處理設施在硝化反硝化工藝上的缺失或者運行不穩定不可靠，最終生化出水的氨氮或總氮依舊維持在高位水平。

帶有硝化和反硝化功能的ASTRASAND連續砂濾，是“提標改造”進一步去除氨氮或總氮的最佳解決方案，依靠絮凝反應和本身的物化分離功能，ASTRASAND連續砂濾也可以將廢水中的磷去除到很低的水平。這些脫氮除磷的功效使得ASTRASAND連續砂濾在歐洲市政廢水“提標改造”中屢屢被成功應用。同時，在整個脫氮除磷過程中，ASTRASAND連續砂濾本身強大的自清洗過濾作用可以使得出水懸浮物和濁度獲得一個很低的水平，維持了原設計對深度處理過濾的基本功能要求。因此，采用ASTRASAND連續砂濾，可以完美而簡練地達到一級B提標到一級A的要求（表1）。

表1 一級A、B水質參數 mg/L

合肥長豐污水處理廠二級生化出水NH4-N已達到一級A要求，本項目就其他總氮、總磷和懸浮物指標自一級B的設計進水參數條件，經過深度處理達到一級A的要求。

二、工藝設計

1.設計規模

合肥長豐污水處理廠深度處理設計能力為20 000m3/d，K=1.48，二級生化出水NH4-N已經能夠圓滿達到一級B要求，就其他總氮、總磷和懸浮物指標自一級B的設計進水參數條件，經過深度處理達到一級A的要求。設計參數見表2。

表2 污水處理廠深度處理設計參數 mg/L

2.工藝描述

（1）中間提升泵房。經過二級生物系統處理后的污水重力流入提升泵房的前池，提升泵房的集水池中設置有24h在線監測儀表，實時監測來水的水量和水質。在水池中設置的液位計連續監測砂濾進水池的液位，并與提升泵聯鎖，通過液位變化控制提升泵的啟停和變頻，將集水池中的污水分別連續泵入至生物連續砂濾系統，可以按照實際運行需要調節進入砂濾池的進水流量。在砂濾系統進水管路上都安裝有流量計，24h在線監測每組砂濾進水的水量。泵房集水池中還設有NO3-N在線監測儀表。根據NO3-N和流量的乘積可以得到進入每組砂濾系統的NO3-N負荷，從而控制碳源的投加。在中間提升泵房的進水需設置格柵，用來攔截水中的大塊顆粒物（尺寸＞5mm）。

（2）管道混合器。混凝劑和碳源（甲醇）被計量泵投加到管道混合器，與提升泵送來的原水在管道混合器內進行快速混合?；旌虾蟮乃?，泵入生物連續砂濾池進行深度處理。

（3）生物連續砂濾池。連續砂濾池應有3個功能：懸浮物（SS）的物理過濾，磷酸鹽磷（PO4-P）的化學除磷與硝基氮（NO3-N）的生物反硝化。3種功效集中在一個濾池中實現，對設備和整套系統要求結構精密，功能強大。

生物連續砂濾是集混凝、澄清、過濾功能為一體的連續自動清洗的流砂過濾器，系統采用逆流式移動床過濾原理和單一均質濾料。生物連續砂濾，應包括原水過濾和濾料清洗兩個在空間上相對獨立又在時間上同時進行的運行過程，二者在過濾器內的不同位置完成。生物連續砂濾能夠全天24h連續自動運行，無需停機反沖洗，無需提供額外的反沖洗水泵。

3.運行原理

整個活性砂過濾器包括水路、砂路和氣路。

（1）水路。需處理的水通過位于設備上部的進水管進入砂濾系統，然后通過砂濾底部布水器被均勻分布在整個砂床截面，并導引向上流動，經過砂床的過濾作用將水中的污染物截留過濾，過濾后的濾液從砂濾頂部的出水口流出。

（2）砂路。過濾介質砂粒在水流上升的同時，在重力作用下不停地向下流動，附著懸浮物的砂粒從設備底部通過中心提砂管，在氣提作用下被提升至連續砂濾頂部的洗砂器，中心提砂管內氣水的強烈擾動可使附著的污染物從砂粒上脫離。砂粒從洗砂器內經過迷宮回落至砂濾中，期間迷宮中的小股逆流清水對其再次進行沖洗，凈砂利用自重返回砂床的頂部，開始下一個工作循環。同時，含有大量懸浮物的砂濾沖洗水通過沖洗水出口排出。

（3）氣路。砂粒的循環依靠壓縮空氣的氣提作用，在上升管的頂部空氣被釋放。通過調節壓縮空氣的供應量，可以調節濾砂循環的速度和沖洗強度。

4.擴展功能

化學除磷功能：活性砂過濾器應具有在線加藥功能，依靠機械混合器，可以不需單獨設置絮凝池達到除磷功能。通過微絮凝作用使得水中的PO4-P與金屬陽離子反應生成磷酸鹽沉淀，后經過連續砂濾器中砂床的過濾作用將沉淀物捕捉，從而達到去除總磷的目的。

活性砂過濾還可以通過生物掛膜，實現硝化和反硝化的生物脫氮的擴展功能。在生物連續砂濾反硝化過程中，投加的碳源首先消耗水中的溶解氧為反硝化細菌提供厭氧的環境。利用水中的碳源和硝態氮，微生物可以在濾砂的表面生長和拓殖，形成生物膜，在去除固性懸浮物的同時，將廢水中的硝態氮等污染物轉化去除，從而更進一步凈化水質。反硝化反應利用碳源將硝酸根還原成N2（以甲醇為例），反應方程式見式（1）。

反硝化細菌是異養性細菌，所以他們依賴于有機物質而生存。它們的營養物由水中擴散到生物活性層，是由溶解有機物連同亞硝酸鹽、硝酸鹽、氫化物組成。由此提供的營養物使細菌可以生長、繁殖。新的生物群形成在過濾器細砂上。

5.出水與洗砂水

污水經砂濾系統處理后，經過紫外線消毒，最終達標排放。洗砂水為連續排放，經收集后直接排放到廠區的下水管道進入前端粗格柵井重新處理或者回流至曝氣池或者二沉池進水。

6.壓縮空氣制備

通常連續砂濾氣提采用0.8MPa的壓縮空氣，通過油氣分離、過濾，實現干燥微油（＜0.1×10-6）的用氣品質。整套系統應包括螺桿壓縮機主機、電機、油氣分離器、冷卻器、風扇、水分離器、電氣控制箱等。同時為穩定氣源供應，應配備相應容積的儲氣罐，按GB 150-1998進行設計、制造和檢驗，同時還應符合“壓力容器安全技術監察規程”要求。

7.化學品投加系統

（1）混凝劑投加系統。由于原水中含有一定量的磷，則需要向砂濾系統投加混凝劑對磷進行去除?；炷齽┩都酉到y主要包括了混凝劑攪拌池和混凝劑計量泵。混凝劑置于混凝劑攪拌池（共2個，單個有效容積3.5m3）加水充分攪拌，由混凝劑計量泵泵送至砂濾進水管道混合器內。攪拌池配有液位計檢測液位，并控制混凝劑計量泵的啟停。通過變頻控制投加泵的投加量。投加量與生物砂濾進水負荷連鎖。

（2）碳源投加系統。反硝化脫氮需要投加一定量的碳源，在本系統中，選擇的碳源為甲醇。碳源投加系統主要包括了碳源貯罐和碳源投加泵。碳源由槽車卸卸至地下碳源儲罐（有效容積25m3）進行貯存，然后由碳源投加泵泵送至砂濾進水加藥混合池內。碳源儲罐內配有液位計連續檢測儲罐液位，并控制碳源計量泵的啟停。

甲醇的投加采用防爆型計量泵（2臺），通過質量流量計變頻控制投加泵的投加量。投加量與生物砂濾進水流量連鎖。

三、自動控制

由于砂濾通過生物法將水中的NO3-N還原為N2從而達到去除TN的目的，因此需要向水中投加一定量的碳源。而這部分碳源首先會消耗水中的溶解氧，然后再與NO3-N反應生成N2。根據進水池在線監測的溶解氧（DO）和硝基氮（NO3-N）數據，調控需要向水中投加碳源的量，這部分碳源首先會消耗水中的溶解氧，然后再與NO3-N反應生成N2。進水溶解氧（DO）和硝基氮（NO3-N）的測量值和水量的變化可與碳源投加泵進行聯鎖，可以更精確的控制水中碳源的投加量，防止出水COD超標。

假定進水的PO4-P數據比較恒定，因此，只需要將采集的每組生物砂濾的進水流量與混凝劑加藥泵進行聯鎖，自動調節混凝劑的投加量。如果進水PO4-P濃度的變化很大，則最好在進水井選裝PO4-P濃度在線監測。

這些邏輯控制由一個獨立的自動控制系統中來實現。本砂濾系統要求PLC站和觸摸屏之間通信采用MPI通信方式，整個PLC、觸摸屏控制部分將集中在一個控制柜內。

四、系統配置

系統的網絡拓撲圖見圖1所示。在系統供電中，對PLC部分電源配置了防雷器。柜內24V電源采用了2個電源，分別用于DI/DO信號、AI/AO信號和現場儀表供電使用，保證了系統現場使用的可靠性和安全性。

圖1 系統網絡拓撲圖

模板的選型，要求開關量的輸入，全部采用無源觸點輸入；電源由PLC控制柜內提供。同樣，對開關量的輸出，也全部采用無源觸點輸出；在PLC控制柜內全部采用繼電器隔離輸出，觸點電源由現場提供。通過這種約定方式，可以使PLC所使用的模板型號統一、信號隔離、連接清晰方便且不易出錯。

五、監控系統操作功能

觸摸屏的主要功能是實現對砂濾系統處理工藝參數的采集、顯示、修改、設置，實現對被控設備運行狀態檢測、顯示，并按工藝要求實現對其控制。

通過觸摸屏可以方便和直觀地顯示整個砂濾系統控制工藝流程和工藝參數，對各設備實現控制室的遠方監視和操作?？梢詫崿F歷史數據、報表的儲存（3個月）、顯示、查詢等功能。

1.電源配置

整個砂濾系統采取中心控制室統一供電方式，供電電源應220V 50Hz的單相交流電源，電源允許偏差正負10%，超過此范圍應配置交流穩壓裝置。交流電壓的引入功率一般不小于系統使用功率的1.5倍。

2.防雷、過電壓保護及接地

根據系統需要，MCC對中央控制室的電源進線設置兩級避雷器和過電壓保護裝置；系統的接地分為電器安全地和信號地二組獨立的接地點，接地電阻要求分別＜1Ω和＜4Ω。接地裝置按照國家標準，根據系統接地要求等電位或分別接地。

3.電源電纜、信號電纜的選型與敷設方式

儀表電源電纜一般采用KVV-0.6/1KV銅芯電纜，信號電纜采用KVVR銅芯屏蔽電纜，電纜在電纜溝內或電纜橋架內敷設，電纜在電纜溝或電纜橋架末端穿鍍鋅鋼管敷設。

設計自動控制系統的主要目的不僅是為減少操作人員，而且是確保操作的可靠性和容易性，達到工藝處理效果要求的保證條件。本自控系統僅負責本砂濾設備聯動控制，考慮用戶將來整合需要，預留西門子MPI通訊接口以便整廠聯網。

六、設備參數

砂濾型號AS500-25；砂濾數量24（6套×4組）；砂濾床有效高度2.5m；總砂濾面積144m2；清洗水流量 (連續)75m3/h；凝結劑投加量，Me/PO4-P＜3；氣提用壓縮氣供應量，24（5～10）=120～240m3/h；氣提用壓縮空氣壓力0.25MPa；甲醇投加裝置1970kg/d；控制裝置選配ASTRACONTROL和ASTRAMETER電壓220V；壓縮氣體要求干而微油；各部件所用材料，其中提砂泵、洗砂器、布水器組件與內部連接管道，均為HDPE（高密度聚乙烯）；濾砂選項要求720t；砂料為高品度硅砂，至少95%含硅石量，表面飽滿，干燥時密度為2.5kg/m3或更高。砂粒偏離度＜10%；灰埃含量＜0.5%；一致度系數＜1.5；認可標準KIWA或相當；規格范圍1～1.6mm。

七、結束語

中國的經濟飛速發展，環保要求日趨嚴格，人們對環保技術的可靠性、先進性和質量水平的要求日益提高。目前本項目的連續砂濾系統已成功的運行，完全實現了項目設計意圖，出水達到一級A排放標準。 W13.12-10