高效沉淀+精密過濾工藝用于污水廠提標改造工程

姚 雨，劉 麗，*，尹華升，劉晉陽，劉 軍，吳冀宣，龍燕平

(1.中國葛洲壩集團水務運營有限公司，湖南長沙 410000；2.湖南省建筑科學研究院有限責任公司，湖南長沙 410000)

隨著我國經濟的高速發展，水體納污能力嚴重不足，水環境污染問題形勢嚴峻。近年來，國家加大了對水污染的治理力度，出臺了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)和《水污染防治行動計劃》(水十條)等一系列標準和政策，要求重點流域、區域的城鎮污水處理廠出水水質滿足一級A標準[1]。對于大部分城鎮污水處理廠來說，由于排水體制問題(主要是雨污分流不徹底)，SS和TP是制約大部分城鎮污水處理廠穩定達到一級A標準的主要因素[2]。絮凝沉淀和過濾工藝技術成熟可靠，通過投加絮凝劑沉淀(輔助化學除磷)以及濾網的攔截和篩濾作用，可有效去除污水中的TP、SS[3]。污水廠出水大大降低了污染負荷，對于控制水體富營養化、改善水環境質量具有重要意義[4]。本提標改造項目，通過對一期工程系統改造，解決預處理段攔渣效果差的問題，并解決一期氧化溝彎道沉泥問題，提高生化脫氮除磷效率；通過增加高效沉淀池+精密過濾器的組合工藝，既提高了高效除磷效果，出水穩定達標排放，又解決了污水廠占地緊張、征地困難、投資受限的普遍難題，工程實際運行效果良好。本文介紹了一期工程運行存在的問題、工藝流程、主要構筑物和設計參數、經濟指標分析，該工程對類似污水處理項目提標改造的工藝選用具有指導意義

1 工程概況

1.1 工程背景

湖南某生活污水處理廠于2009年12月正式運行，規模為2萬m3/d，設計排放標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，主要處理縣城生活污水，主體工藝為改良型氧化溝工藝。為提高人民的生活環境，打造生態經濟圈，改善河流水質，政府出臺相應環保政策，要求污水處理設施進行提標改造，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。本次提標改造工藝采用“高效沉淀池+精密過濾器+聯合消毒”的工藝，運行穩定，出水達標排放，出水水質優于一級A標準，且CDO滿足地方標準《湖南省城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB43/T 1546—2018)的二級標準要求[5]。

1.2 規模和進出水水質

湖南某縣城生活污水處理廠處理規模為2萬m3/d，高峰時滿足1 241 m3/h的處理能力。污水處理廠服務范圍內老城區排水體制為合流制，截流倍數為1.0。旱季運行時，水量為1.7萬～2.0萬m3/d；進水水質CODCr、SS、TN、TP分別為140～170、130～150、25～30、2.5～3.5 mg/L。雨季運行時，水量為2.0萬～2.4萬m3/d；進水水質CODCr、SS、TN、TP分別為100～140、60～130、15～25、1.5～2.5 mg/L。廠區運行11年，實際進水水質低于原設計水質，一期工程出水水質優于一級B標準。本次提標改造后，出水水質執行一級A標準。具體進出水水質數據如表1所示。

表1 進出水水質Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent

2 改造重點難點及改造方案

2.1 改造重點難點

從污水處理廠實際運行情況來看，污水處理廠的出水水質除了TP、SS和大腸桿菌不能達到新標準外，其他指標基本可以達到一級A標準。但目前污水處理廠進水濃度尚未達到設計值，隨著城市化進程及雨污分流的推進，進水濃度將會在未來慢慢提高，現有運行情況不能保證污水廠未來滿負荷運行。因此，對氧化溝的處理能力進行核算，以推測污水處理廠在滿負荷狀態下是否能達到一級A標準，便于采取有針對性的改造措施。在進水水質確定的情況下，決定污水處理廠是否能處理達標的主要指標為供氧量和生物池容積。在設計濃度下(進水上限值)，經核算氧化溝曝氣機參數及池容，能滿足提標改造的要求。根據現狀水質，在沒有投加碳源設施的情況下，TN基本能達到一級A標準。本次提標改造中暫不考慮碳源投加設施，待水質提高后根據水廠運行情況酌情增設碳源投加。但氧化溝運行至今，存在較多問題，局部需進行改造，以提高氧化溝運行效率，確保NH3-N和TN穩定達標排放。

根據實測，水質TP、SS不能達到新標準，單純依靠生物處理不能達到要求，需增設輔助化學除磷設施。本次項目主要考慮新增深度處理段，保證TP和SS穩定達到新標準要求。針對污水處理廠運行存在的問題，本次項目也一并改造。

(1)粗、細格柵。現有設備柵隙較大、撈渣效果差、設備老化嚴重、故障率高、維修頻繁，影響處理效果。為保證本次提標改造效果，需更換粗、細格柵，確保污水中的漂浮物在預處理段去除，提高處理效率。

(2)旋流沉砂池。一期旋流沉砂池底部砂礫沉積板結，導致水體中的砂礫進入后續氧化溝，影響氧化溝處理效率。提標改造工程實施中疏通沉砂池，確保沉砂池處理效率。

(3)卡魯賽爾氧化溝。氧化溝2臺推流設備老化且頻繁故障，導致缺氧段混流效果較差，污泥沉積嚴重，反硝化反應不徹底，脫氮效率低；且1臺倒傘曝氣機不能正常運行，維修頻次高，溶解氧偏低，污泥失去活性，影響COD和NH3-N的去除效果。需對氧化溝進行整改，提高生化段的處理效率，確保出水水質長期穩定達標。

(4)消毒渠。紫外燈管為一級B標準配置，需提高紫外燈管配置，以滿足一級A標準要求。

(5)污泥處理系統。儲泥池有效容積為22.5 m3，容積太小；配套帶式脫水機，污泥脫水至80%。根據新環保要求，污泥需脫水至60%。

(6)產生的臭氣未進行治理，影響員工生產生活環境，且不滿足環保要求。

2.2 深度處理比選

因TP、SS不能達到新標準，需增加深度處理段。常見的污水深度處理工藝為“沉淀+過濾”的組合工藝，通過投加藥劑完成SS、TP等污染物的去除。沉淀段一般采用傳統的混凝沉淀與高效沉淀，2種工藝原理一樣。混凝沉淀是傳統的沉淀工藝；高效沉淀是在混凝沉淀基礎上，對污泥回流、填料、攪拌設備及沉淀設備進行改進，利用較高的表面負荷達到高效的處理效果，且在占地面積及總投資上具有較大的優勢。傳統的過濾一般采用V型濾池，此次采用的精密過濾器在其他項目應用成熟穩定。本項目提標段無新征地可用，且政府投資較緊張，在有限的空地且投資緊張的前提下，本工程深度處理工藝主要對占地與投資對比分析，選擇占地小、投資節省的組合工藝，如表2所示。

表2 占地及投資對比分析Tab.2 Comparative Analysis of Land Covering and Investment

通過2種工藝占地與投資比選分析，深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”組合工藝，既解決了污水廠征地難、占地小的難題(占地節省50%)，在保證出水穩定達標排放的前提下，工程總投資節省40%。

2.3 改造方案

針對現狀問題及改造的要求，本工程改造方案如下。

(1)更換粗、細格柵，保證撈渣效果。

(2)疏通旋流沉砂池，且以后運行中風機與抽砂泵根據工藝運行狀況設置自控運行模式，確保砂礫不沉積且抽入砂水分離器。

(3)針對氧化溝缺氧段污泥沉積、推流效果差及設備損壞的問題，在缺氧段彎道處新增1臺推流器、更換損壞的推流器2臺。這樣加大了缺氧段攪拌與混合，提高了缺氧段水流流速，防止污泥沉淀，確保反硝化的順利進行，提高了缺氧段的脫氮效率，保證處理后TN穩定達到新標準15 mg/L以下的要求。針對氧化溝溶解氧不足的問題，更換老化的倒傘曝氣機1臺，并設置變頻控制，更換曝氣機后，確保溶解氧控制在2～3 mg/L，逐步培養污泥濃度，提高污泥活性和氧化溝的處理效率，確保COD和NH3-N在設計負荷下達到新標準要求。

(4)提高紫外燈管配置，以滿足一級A標準要求。并配套氯酸鈉輔助加藥設施，確保紫外設備不穩定時，啟動輔助加藥設施。

(5)新增污泥儲存池，改造脫泥設備，污泥脫水至60%。

(6)新增除臭系統，改善廠區生產生活環境，滿足環保要求。

(7)因TP、SS不能達到新標準，需增加深度處理段。深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”的工藝，高效沉淀具有絮凝沉降效果好、沉淀分離速度快、污泥濃度高、出水水質好[7]等優點，且利用污泥回流減少藥劑投加，降低運行成本。精密過濾器工藝具有占地面積小、可連續運行、自動化控制程度高、投資少、運行費用低等優點。精密過濾器采用連續進水，連續反沖洗的方式運行，清洗水采用過濾后的出水。原水自流進入濾筒內表面，依靠重力作用，透過濾網，從濾筒外表面排出，實現了濾網過濾，原水中的SS被截留在濾網內表面，通過清洗后排出[8]。通過分析，深度處理采用“高效沉淀+精密過濾”組合工藝，既解決了污水廠征地難、占地小的難題(通過對比分析，占地節省30%～40%)，又保證了各項出水指標穩定達標排放。

2.4 工藝流程

工藝流程如圖1所示。一期工程建設至今已運行11年，考慮到提標的要求，對粗格柵、細格柵、氧化溝、二沉池進行改造及更換部分設備，確保出水穩定達標運行。二沉池出水進入新建的中間提升泵站，污水提升進入高效沉淀池，經高效沉淀池和精密過濾器后，進一步去除TP及SS，出水經聯合消毒后，達標排放。廠區污泥經污泥處理脫水至60%以下外運填埋。廠區產生的臭氣進行收集后，統一進行生物除臭處理。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

3 提標改造工程內容

3.1 現有設施改造

3.1.1 粗格柵改造

新增回轉式粗格柵2臺，寬度為0.8 m，柵縫為15 mm，渠高為6.0 m，去除污水中粗大的漂浮物，保護水泵的正常工作。

3.1.2 細格柵改造

新增回轉式細格柵2臺，寬度為1.0 m，柵縫為3 mm，渠高為2.0 m，進一步去除污水中較小的漂浮物。

3.1.3 氧化溝改造

更換損壞的推流器并在彎道處新增1臺攪拌器，加強混合攪拌推流，提高脫氮效率。對老化的倒傘曝氣機進行更換，并設置變頻控制，保證好氧段氧氣利用率，保證COD、NH3-N的降解及TN、TP的去除。

3.1.4 二沉池出水堰調整

二沉池出水不均衡，對出水堰板進行調整，保證出水均衡穩定。

3.2 新增深度處理工程

3.2.1 中間提升泵站

1座，鋼砼結構。設計規模為2萬m3/d，總變化系數為1.49，尺寸為6.6 m×7.2 m×4.5 m。安裝軸流泵3臺，2用1備，泵參數Q=621 m3/h，H=6.0 m，功率N=15 kW。

3.2.2 高效沉淀池

1座，鋼砼結構。為混凝區、絮凝區、沉淀區一體的高效沉淀池，通過投加化學藥劑，進一步去除水中TP和SS。設計規模為2萬m3/d，總變化系數為1.49，混合區停留時間為1.50 min，反應區停留時間為11.4 min，沉淀區平均時表面負荷為8.8 m3/(h·m2)，污泥回流比為3%～5%，聚鐵投加10%濃度50～80 mg/L，PAM投加2‰濃度2～4 mg/L。構筑物尺寸為22 m×12 m×7 m。設置混合攪拌器1臺，N=5.5 kW，葉輪直徑為1.0 m；絮凝攪拌器1臺，N=2.2 kW；中心傳動刮泥機1臺，N=0.55 kW，直徑為11.0 m；回流污泥泵及排泥泵各1臺，Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

3.2.3 精密過濾器

進一步去除水中污染物，使得出水達標排放。設計規模為2萬m3/d，總變化系數為1.49，過濾精度為20 μm，轉筒直徑為1.6 m，長為2.7 m，過濾功率為1.5 kW，清洗功率為2.2 kW。設置2套精密過濾器，1用1備，通過自控命令交替運行使用。精密過濾設備由旋轉濾筒、驅動裝置、清洗裝置、機箱及控制裝置組成，主體結構采用316 L不銹鋼主材，尺寸為11.8 m ×7.85 m×2.6 m。

3.2.4 聯合消毒池改造

更換一期紫外燈管設備，并設置次氯酸鈉輔助消毒裝置備用。配置64根燈管和配套的穩流器及自控設備。配置15 m3次氯酸鈉儲罐，配套加藥泵，并設置圍堰。

3.2.5 巴氏計量槽

設計規模為2萬m3/d，總變化系數為1.49，寬為0.3 m，尺寸為1.25 m×11.8 m×2.5 m。設置不銹鋼巴氏計量槽1套，超聲波流量計1套。

3.2.6 污泥儲存池

接納剩余污泥及化學污泥，絕干污泥為3 t/d，含水率為99.2%，污泥量為375 m3/d，尺寸為6.6 m×6.6 m×5.0 m。設置立式攪拌器1套，轉子泵2臺，Q=60 m3/h，H=8.0 m，N=3.7 kW。

3.2.7 污泥脫水系統改造

絕干污泥為3 t/d，污泥脫水至60%，外運填埋。設置高壓隔膜板框機1臺，型號為200 m2；前端未設置污泥濃縮池，污泥含水率太高，加大了板框機運行時間、板框機配套調理罐及進料泵的選型參數，為了提高污泥含固率，將污泥含水率從99.5%降低至97%～98%，設置預脫水疊螺機1臺，從而節省投資；設置污泥調理罐1套、進料泵2臺、壓榨水泵2臺。

3.2.8 除臭系統

收集預處理段、污泥儲存池、污泥脫水機等多處臭氣，采用生物除臭裝置進行除臭，確保廠區臭氣達標排放。處理量為10 000 m3/d，設置生物除臭裝置1套，主體設備玻璃鋼材質。

4 主要技術經濟指標

項目總投資為2 058.07萬元，第一部分工程費為1 638.38萬元，包括建安費和設備費。提標工程單位電耗為0.11 kW·h/m3，直接運行成本為0.19元/m3。本提標改造工程采用“高效沉淀+精密過濾器”的工藝，具有投資較低、占地節省、工藝運行穩定的特點。

5 運行效果

5.1 改造前后出水指標分析

本工程已完工并投入運行，有運行數據可知，提標工程采用“高效沉淀+精密過濾”的工藝，出水運行穩定，去除效率高，COD、NH3-N、TN、SS、TP去除效率平均值分別為85%、75%、70%、95%、90%。近半年工程運行穩定，處理效果佳，運行操作簡便，設備故障率低，處理后出水水質達標排放。其中，COD達到《湖南省城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB43/T 1546—2018)二級標準要求。提標后，污染物向河流排放量進一步削減，COD、NH3-N、TN、SS、TP削減總量年平均值分別為985.5、80.3、116.8、824.9、17.52 t，環境效益進一步提高。COD、NH3-N、TN、SS、TP及大腸桿菌通過提標改造工程后的數據變化，分別如圖2～圖7所示。

圖2 CODCr運行數據變化Fig.2 Variation of CODCr

圖3 NH3-N運行數據變化Fig.3 Variation of NH3-N

圖4 TN運行數據變化Fig.4 Variation of TN

圖5 SS運行數據變化Fig.5 Variation of SS

圖6 TP運行數據變化Fig.6 Variation of TP

圖7 大腸桿菌運行數據變化Fig.7 Variation of Fecal Coliform

5.2 除臭效果分析

臭氣通過管道收集，經生物除臭裝置進行集中處理后，效果穩定，H2S、NH3等排放氣體滿足《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)[6]，廢氣滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)。

6 結語

(1)對于TP、SS超標的污水處理廠，提質工程可以采用“高效沉淀池+精密過濾器”的深度處理工藝，能大幅節約占地面積(占地節省50%)，同時，節省投資額(投資節省40%)。目前，該工藝已在湖南多個水廠的提標改造中應用。

(2)項目總投資為2 058.07萬元，提質改造工程直接運行成本為0.19元/(t污水)。

(3)本項目出水優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，其中，COD達到《湖南省城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB43/T 1546—2018)二級標準。項目的穩定運行對其他水廠提標改造具有指導意義。