混凝氣浮工藝在高標準、短工期背景下的應(yīng)用

李文強

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海200092］

0 引 言

蘇州全市共有污水廠93座，處理能力為374萬m3/d，全面執(zhí)行一級A排放標準。為進一步提升蘇州地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，2018年9月，蘇州頒布《關(guān)于高質(zhì)量推進城鄉(xiāng)生活污水治理三年行動計劃的實施意見》，要求2021年1月1日起城鎮(zhèn)污水處理廠尾水優(yōu)于“蘇州特別排放限值”（以下簡稱排放限值）。

蘇州某污水處理廠始建于2004年，一期工程于2006年初投入運行，設(shè)計處理能力為4.0萬m3/d。采用循環(huán)式生物反應(yīng)器處理工藝。2011年完成一期工程提標改造工程至今，出水標準執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，目前運行正常。

由于該廠按照一級A出水標準進行建造、運行，現(xiàn)狀出水水質(zhì)無法穩(wěn)定達到“排放限制”要求，需要進行提標改造。而該廠的提標擴建工程的處于前期研究階段，進度上無法保證2021年1月1日的考核要求，需要采取應(yīng)急性工程手段，提高處理能力，確保達標排放。

1 污水廠現(xiàn)狀介紹

1.1 現(xiàn)狀工藝流程及布置

該廠現(xiàn)狀主體工藝采用循環(huán)式生物反應(yīng)池工藝，深度處理采用微絮凝過濾工藝，消毒采用紫外消毒，如圖1所示。主要處理構(gòu)筑物包括：粗格柵進水泵房、細格柵旋流沉砂池、循環(huán)式生物反應(yīng)池、混合池、濾布濾池、紫外消毒池。污泥工藝采用濃縮脫水一體化，主要構(gòu)筑物包括儲泥池、濃縮脫水機房。

圖1 現(xiàn)狀處理工藝流程圖

該污水處理廠經(jīng)歷了2期建設(shè)，總占地面積3.0 hm2。如圖2所示，現(xiàn)狀構(gòu)筑物布置緊湊，可利用的建設(shè)用地不多，在現(xiàn)狀濾布濾池南側(cè)有一塊空地可用。

圖2 現(xiàn)狀平面布置圖

1.2 現(xiàn)狀處理水量及進出水水質(zhì)

近2 a的處理水量如圖3所示。

圖3 近期處理水量

從上圖可以看出，該廠已經(jīng)處于滿負荷運行，2 a平均水量為3.1萬m3/d，負荷率達到77.5%。且近期水量有上升的趨勢。

現(xiàn)狀設(shè)計進出水水質(zhì)見表1。

表1 原工程設(shè)計進出水水質(zhì) 單位：mg/L

污水處理廠2018年1月~2019年12月，原進出水水質(zhì)及達標率見表2、表3。

表2 2018年1月~2019年12月進水水質(zhì) 單位：mg/L

表3 2018年1月~2019年12月出水水質(zhì) 單位：mg/L

從進水水質(zhì)統(tǒng)計可以看出，進水COD、TP均比原設(shè)計值有較大提高，BOD、SS接近原設(shè)計值。NH3，TN較原設(shè)計值略微升高。結(jié)合進水水量一起分析，可以看出該污水廠目前水力負荷和水質(zhì)負荷均已經(jīng)接近滿負荷。

從出水水質(zhì)統(tǒng)計可以看出，所有數(shù)據(jù)均能穩(wěn)定達到一級A出水標準。以新標準進行考核，BOD、SS可以穩(wěn)定達標。COD出水保證率較好。NH3-N出水存在一定風險，達標率為95%。TN出水與新標準存在一定差距，達標率為86.2%。TP出水水質(zhì)最差，達標率僅為60.5%。結(jié)合進水情況，進水TP超出設(shè)計值直接導致了出水TP無法進一步滿足新標準要求。進水COD雖然超出設(shè)計值也較多，但達標率較好，說明COD組分中易生物降解部分占比高，達標排放難度不大。NH3和TN的略高，仍有較高的保證率，說明現(xiàn)狀生反池運行時序可以滿足使用要求，但也存在不達標風險。

1.3 該工程設(shè)計重點及難點

從上述進出水水質(zhì)分析可以看出，COD、BOD、SS均有較高的保障率，但TN、NH3-N和TP存在超標風險。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和復核，NH3不夠穩(wěn)定的原因是曝氣管結(jié)垢，阻力增加，鼓風機風壓異常升高造成風機停機頻繁，更換高揚程風機即可解決。TN的問題是CASS池運行時序無法人為干預、現(xiàn)場無法精確投加外碳源導致的，該次將自控系統(tǒng)重新編程、改進碳源投加系統(tǒng)，TN可以通過現(xiàn)場管理性手段確保達標。針對NH3和TN的工程設(shè)計不再贅述。

TP是該工程不達標的主要因素和難點，其達標保證率僅為60.5%。現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)存在兩個問題：

（1）CASS池潷水器運行速度不均，導致出水水量波動大，高峰流量可達2 800 m3/h；

（2）現(xiàn)狀深度處理采用“微絮凝過濾”工藝，采用混合池+濾布濾池，混合池內(nèi)設(shè)置了2臺混凝攪拌器，加藥混合后形成微絮體直接進入濾布濾池內(nèi)。當除磷要求提高后，負荷增加，該工藝發(fā)生濾池堵塞、溢流，無法滿足穩(wěn)定達標的需求。

由于該廠經(jīng)歷了幾期工程建設(shè)，地下管線復雜、可利用用地面積較小。此外，工程研究開展時距離考核節(jié)點近，工期緊張，常規(guī)水處理構(gòu)筑物建設(shè)周期無法滿足要求。所以需要一種除磷效果佳、耐沖擊負荷、表面負荷高（占地面積小），且能夠采用一體化裝置成套運行的工藝。

2 應(yīng)急提標工程深度處理段設(shè)計[1-3]

2.1 工藝的選擇

一般來講，二沉池出水中SS和TP含量相對較低，由于水中膠體雜質(zhì)較少、凝聚碰撞的機會很少，比重又接近子水，不易形成絮體，形成的絮體松散、易碎。常規(guī)混凝沉淀工藝對于此類問題的解決方案是，增加藥劑投加量，或者增加晶核幫助形成比重較大的絮體（如磁混凝沉淀、加砂沉淀）。這都帶來了費用的增加，或后續(xù)污泥處理的問題。氣浮工藝是將絮體“向上”去除，對于尺寸較小的顆粒也有較高的去除率。經(jīng)過綜合比選以及中試試驗驗證，考慮到除磷效果、占地以及供貨和施工周期的影響，該次深度處理段采用混凝氣浮工藝，用于除磷和SS的去除。

混凝區(qū)內(nèi)，進水與混凝劑通過機械攪拌混合，并在混凝區(qū)內(nèi)進行水力擴散，進水中膠體顆粒脫穩(wěn)。水力絮凝區(qū)內(nèi)，脫穩(wěn)后的顆粒只需少量的絮凝劑便能形成穩(wěn)定的礬花。混凝和絮凝之后，水將流入氣浮區(qū)。在該區(qū)域，在絮凝階段形成的礬花將附著在微氣泡上，并被氣泡帶到水面，實現(xiàn)固液分離。

氣浮所需要的微氣泡由空氣飽和加壓循環(huán)水在釋壓過程中產(chǎn)生。該循環(huán)水是利用一部分氣浮出水，通過循環(huán)泵加壓后，在壓力作用下形成氣水飽和液。

與傳統(tǒng)氣浮工藝和高效沉淀池相比，高速氣浮池的氣浮速度更快、絮凝時間更短，從而大大減少了占地面積及工程投資。另外，高速氣浮池還具有以下優(yōu)點[4]：

（1）優(yōu)異的出水水質(zhì)，出水懸浮物濃度、磷酸鹽含量低；（2）運行所需藥劑較少，尤其是出水水質(zhì)要求高的情況下，藥劑節(jié)省的程度更高；（3）能快速啟動和停運，方便運行管理。

2.2 工藝流程及水力高程布置

如圖4所示，該次將氣浮段設(shè)置在循環(huán)式生物反應(yīng)池末端，與原“混合池+濾布濾池”段并聯(lián)布置。二級生化處理后的污水通過水泵提升后進入混凝氣浮工藝，處理后進入紫外消毒池。原“混合池+濾布濾池”功能保留，改為低負荷運行及深度處理保障段。

圖4 改造后工藝流程圖

混凝氣浮工藝的水頭損失分為兩段，混凝段水頭損失為10 cm，氣浮段水頭損失55 cm，工藝段之間管道的水頭損失5 cm。如圖5所示，總水頭損失可以控制在70 cm以內(nèi)。比常規(guī)的混凝+過濾組合工藝水頭損失小，有利于與現(xiàn)狀工藝結(jié)合。

圖5 混凝氣浮段水力高程圖（單位：m）

2.3 設(shè)計參數(shù)

2.3.1 設(shè)計規(guī)模

設(shè)計規(guī)模4.0萬m3/d；設(shè)計最大處理水量2 400m3/h。

2.3.2 水質(zhì)

（1）設(shè)計進水水質(zhì)：

SS≤20 mg/L，TP≤0.5 mg/L。

（2）設(shè)計出水水質(zhì)：

SS≤10 mg/L，TP≤0.3 mg/L

2.3.3 混凝段

設(shè)置2套混凝反應(yīng)器，單套最大處理能力1200m3/h。總停留時間15 min。

（1）混凝攪拌器：N=3.7 kW，輸出轉(zhuǎn)速76.3 rpm；

（2）一級絮凝攪拌器：N=1.5 kW，輸出轉(zhuǎn)速7.75 rpm；

（3）二級絮凝攪拌器：N=1.1 kW，輸出轉(zhuǎn)速3.7 rpm；

（4）三級絮凝攪拌器：N=1.1 kW，輸出轉(zhuǎn)速3.7 rpm。

2.3.4 氣浮段

設(shè)置2套一體化氣浮裝置，單套最大處理能力1 200 m3/h。

回流比：10%；

分離區(qū)表面負荷：≥25 m3/m2·h。

2.3.5 平面尺寸

兩套混凝氣浮處理裝置總平面尺寸20.3 m×21.0 m，占地426.3 m2。

混凝段平面尺寸4 m×15 m，氣浮段平面尺寸4 m×16 m。

3 運行效果

3.1 效果分析

該次應(yīng)急改造工程自2020年11月投運以來，混凝氣浮段在滿負荷甚至超負荷運行的工況下，出水水質(zhì)可穩(wěn)定優(yōu)于“蘇州特別排放限值”的要求，出水水質(zhì)匯總?cè)鐖D6所示。

圖6 混凝氣浮段TP進出水值

可以看出，進水在0.5~0.8 mg/L范圍內(nèi)波動，出水可以穩(wěn)定維持在0.3 mg/L以下，45d平均值為0.15 mg/L。平均去除率達74.6%。說明該深度處理工藝對于TP的去除效果穩(wěn)定且可靠，且對于總磷出水標準較高（＜0.3 mg/L）的情況下效果較好。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟分析

該工程投資為主要直接運行費用包括電費、藥劑費、人工費。投入運行至今，平均電耗為0.044 kW·h/m3，電價按0.6元/（kW·h）計，平均電費為0.026元/m3；PAC藥劑主要為粉劑制備后投加，平均用量為0.02 kg/m3，單價2.3元/kg，PAC藥劑費為0.047元/m3。PAM藥劑為固體顆粒制備后投加，平均用量為1.35×10-4kg/m3，單 價20元/kg，PAM藥劑費為0.0027元/m3；管理依托廠內(nèi)現(xiàn)有定員，故人工費未單獨計算。該工藝運行費用為0.076元/m3。其中藥劑費占比65.4%，電費占比34.6%。

4 設(shè)計總結(jié)

總結(jié)該次應(yīng)急改造工程的設(shè)計和運行經(jīng)驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）混凝氣浮工藝續(xù)接在常規(guī)生化處理工藝后，可以實現(xiàn)TP穩(wěn)定達到0.3 mg/L以下，平均值0.15 mg/L；

（2）該工藝表面負荷高、占地面積小。采用一體化裝置，可實現(xiàn)快速安裝、啟動，適合工期緊張、可利用地緊湊的工程；

（3）混凝氣浮工藝總水頭損失可控制在0.7m以內(nèi)，有利于與常規(guī)深度處理工藝并聯(lián)布置，提升處理能力；

（4）混凝氣浮工藝在水量波動情況下也可以穩(wěn)定運行，但需要相應(yīng)調(diào)整投藥量和回流比；

（5）噸水直接運行費用為0.076元/m3，其中藥劑費占比65.4%，電費占比34.6%。