VFL 工藝在小型再生水廠中的工程應(yīng)用

李新建

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

北京市是華北地區(qū)超大型缺水城市，年人均水資源量僅為全國人均的八分之一，是資源性缺水地區(qū)，水資源緊缺已成為影響首都現(xiàn)代化建設(shè)的突出矛盾[1-2]。因此，再生水作為重要的可利用水資源，已納入到北京市水資源統(tǒng)一配置管理中，是重要的戰(zhàn)略水源之一[3-5]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模日益提升，污泥產(chǎn)量也相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年我國污泥產(chǎn)量已超過6 000 萬t（以含水率80%計(jì)），預(yù)計(jì)2025 年我國污泥年產(chǎn)量將突破9 000 萬t[6]。2015 年，北京市全年處理生活污水14.4 億m3，污泥產(chǎn)量117.4 萬t（含水率60%～80%），日產(chǎn)污泥約3 200 t/d[7]。

為加快污水治理和再生水利用設(shè)施建設(shè)、有效改善首都水環(huán)境，2013 年4 月，北京市政府印發(fā)了《北京市加快污水處理和再生水利用設(shè)施建設(shè)三年行動方案（2013—2015 年）》，工作目標(biāo)是到“十二五”末，全市污水處理率達(dá)到90%以上，污泥基本實(shí)現(xiàn)無害化處理，實(shí)現(xiàn)首都水環(huán)境的明顯好轉(zhuǎn)；全市新建再生水廠47 座，所有新建再生水廠主要出水指標(biāo)一次性達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)[8]。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，保持社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，通州區(qū)政府實(shí)施了通州區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)再生水廠建設(shè)運(yùn)營項(xiàng)目，共計(jì)新建及改建9 個(gè)水廠，其中四個(gè)小型水廠采用VFL 工藝，出水水質(zhì)按北京DB 11/890—2012 中B 排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1 工程概況

現(xiàn)主要對西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠進(jìn)行介紹。該工程位于通州區(qū)西集鎮(zhèn)中心區(qū)以東，望金溝西側(cè)、榆牛溝北側(cè)，服務(wù)于整個(gè)西集鎮(zhèn)中心區(qū)。西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠規(guī)模5 000 m3/d，分期實(shí)施，一期規(guī)模2 000 m3/d，二期3 000 m3/d，除生物處理部分外其余設(shè)施一次建設(shè)成，一期占地6 723 m2。處理出水排入榆牛溝。

1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)《北京市加快污水處理和再生水利用設(shè)施建設(shè)三年行動方案（2013—2015 年）》計(jì)劃要求，西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠工程出水水質(zhì)按北京《DB11/890—2012》中B 排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1 所列。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)一覽表

1.2 設(shè)計(jì)工藝流程

西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠工程綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境、投資等因素，主體工藝采VFL 工藝[9-11]，工藝流程見圖1 所示。

圖1 西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠工藝流程圖

污水經(jīng)過預(yù)處理階段后，進(jìn)入VFL（垂直流迷宮Vertical Flow Labyrinth） 組合池，VFL 生化池在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)內(nèi)設(shè)置豎向?qū)Я靼澹瑢捬鯀^(qū)、缺氧區(qū)分隔成串聯(lián)的反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室都是相對獨(dú)立的上下流式污泥床系統(tǒng)，利用內(nèi)部良好的水力流態(tài)、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化系統(tǒng)生物固體截留能力與流徑的延長的特點(diǎn)對污染物進(jìn)行生物降解，然后污水進(jìn)入VFL 生化池的好氧區(qū)，好氧區(qū)內(nèi)配有曝氣管，污染物進(jìn)一步進(jìn)行好氧曝氣降解，并通過控制混合液回流實(shí)現(xiàn)BOD、總氮等的高效去除，處理后的污水進(jìn)入沉淀區(qū)沉淀。

VFL 生化池出水進(jìn)入混凝沉淀池，并向其中投加混凝劑與助凝劑，進(jìn)一步去除水中總磷、SS 等污染物，沉淀后出水經(jīng)過轉(zhuǎn)鼓過濾器后進(jìn)入消毒池，經(jīng)消毒后出水，保證出水水質(zhì)。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)包括粗格柵與提升泵井、預(yù)處理池（細(xì)格柵井、沉砂池、調(diào)節(jié)池），設(shè)計(jì)規(guī)模5 000 m3/d，設(shè)計(jì)平均流量208 m3/h,設(shè)計(jì)最大流量366 m3/h（變化系數(shù)Kz=1.75）。粗格柵與提升泵井尺寸：12.1 m×4.8 m×10.0 m，預(yù)處理池尺寸：21.37 m×13.5 m×3.9 m。

1.3.2 VFL 組合池

VFL 組合池為VFL 工藝的核心部分，包括含厭氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、混凝沉淀池、轉(zhuǎn)鼓過濾器、消毒池及污泥池，各池集約化布置，實(shí)現(xiàn)節(jié)地目標(biāo)。設(shè)計(jì)規(guī)模2 000 m3/d，設(shè)計(jì)平均流量83 m3/h，設(shè)計(jì)最大流量161 m3/h（變化系數(shù)Kz=1.94），該工藝比常規(guī)工藝節(jié)地約15%。

VFL 反應(yīng)池：（1）污泥濃度（MLSS）：厭氧、缺氧池7 000～8 000 mg/L，好氧池3 000～4 000 mg/L。（2）總水力停留時(shí)間21.5 h，其中，厭氧池3.5 h，缺氧池6.2 h，好氧池11.8 h。（3）外回流比300%～400%。（4）沉淀區(qū)平均表面負(fù)荷0.55 m3/（m2·h）。

混凝沉淀池：反應(yīng)時(shí)間0.35 h,沉淀時(shí)間2.5 h，沉淀區(qū)平均表面負(fù)荷0.66 m3/（m2·h）。過濾采用轉(zhuǎn)鼓過濾器成套設(shè)備。

VFL 組合池尺寸45.3 m×18.5 m×4.5 m 。

1.3.3 污泥處理系統(tǒng)

VFL 工藝在處理污水的同時(shí)兼顧了污泥的減量化，工藝產(chǎn)泥量低，VFL 生化反應(yīng)池的污泥產(chǎn)率按0.1 kgSS/kgBOD5計(jì)算，同時(shí)考慮混凝沉淀池加藥量，所需要處理的污泥總量為62.8 kg/d，泥餅按照含水率80%計(jì)算，脫水之后的污泥體積為約0.31 m3/d。污泥脫水采用帶式濃縮脫水機(jī)一體機(jī)。

2 工藝特點(diǎn)

VFL 工藝是可實(shí)現(xiàn)剩余污泥排放量少、污水與污泥同步處理、低耗高效的環(huán)境友好型工藝。

2.1 工藝原理（見圖2）

圖2 VFL 工藝原理圖

如圖2 所示：1 區(qū)域?yàn)閰捬酢⑷毖鯀^(qū)，即垂直迷流宮結(jié)構(gòu)；2 區(qū)域?yàn)楹醚鯀^(qū)；3 區(qū)域?yàn)槌恋韰^(qū)；4 為內(nèi)部循環(huán)；5 為污泥回流；6 為管式微孔曝氣器；7 為排水槽。

（1）在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)結(jié)構(gòu)上采用垂直流迷宮式結(jié)構(gòu)，多個(gè)下向流和上向流的污泥床間隔串聯(lián)。其中在向上流的分格內(nèi)，由于污水的上向流速使活性污泥形成懸浮的污泥床，少部分污泥會隨水流進(jìn)入下一個(gè)下向流分格，大部分污泥因重力作用留在該格內(nèi)，因此這一結(jié)構(gòu)能夠使厭氧、缺氧區(qū)內(nèi)保持很高的污泥濃度，一般在7 000-10 000 mg/L，使單位池容的反應(yīng)效率大幅度提高。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)形式在相同池容的條件下能夠最大限度地延長厭氧區(qū)、缺氧區(qū)污水的流程，不僅避免了污水在反應(yīng)池中發(fā)生短流，而且使污水與微生物進(jìn)行充分接觸、混合，延長有效反應(yīng)時(shí)間。這是一種推流式反應(yīng)器，是反應(yīng)器中效率最高的。而這種垂直流態(tài)的改進(jìn)，尤其是上升流態(tài)的分格消除了回流污泥中硝酸鹽對厭氧區(qū)、缺氧區(qū)環(huán)境狀態(tài)的不利影響，大幅度地提高污水處理效率和抗沖擊能力。

（2）系統(tǒng)設(shè)置了不同于傳統(tǒng)A2/O 工藝的混合液和污泥回流，其反應(yīng)流程如圖3 所示。

圖3 VFL 污泥循環(huán)路線圖

組合池沉淀區(qū)的活性污泥部分回流到缺氧區(qū)前端，回流污泥中帶有溶解氧，在垂直流結(jié)構(gòu)中，水流至缺氧區(qū)第二、三格，溶解氧濃度可以迅速降低，在較長的缺氧流程中反硝化反應(yīng)可以進(jìn)行非常徹底，并充分利用污水中的碳源（BOD5），其反硝化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于依靠內(nèi)源呼吸作用進(jìn)行的反硝化。因此，需要的反硝化反應(yīng)充分，停留時(shí)間短、容積小。

VFL 工藝具有獨(dú)特的污泥循環(huán)線路。沉淀區(qū)泥斗內(nèi)除了一部分活性污泥用于反硝化外，另一部分活性污泥回流到好氧區(qū)。好氧區(qū)的混合液排入污泥區(qū)，再由污泥區(qū)回流至厭氧區(qū)。因此可以使污泥保持活性。處于低負(fù)荷完全混合式的好氧區(qū)，微生物處于活性較低的狀態(tài)，進(jìn)入污泥池后逐漸進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)，污泥部分消解，剩余的微生物是經(jīng)過自然篩選。這樣的微生物再進(jìn)入高負(fù)荷的厭氧區(qū)，活性重新被激發(fā)，吸附和降解有機(jī)物的活性逐步增強(qiáng)，提高了反應(yīng)效率和處理效果，同時(shí)污泥可以長時(shí)間保持活性，在自代謝的過程中實(shí)現(xiàn)污泥減量化。

2.2 工藝特點(diǎn)

（1）VFL 工藝抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，占地面積小。

VFL 工藝從池型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理兩方面進(jìn)行優(yōu)化，整個(gè)系統(tǒng)是在高污泥濃度（厭氧區(qū)、缺氧區(qū)污泥濃度7～8 g/L，好氧區(qū)污泥濃度3～4 g/L）下運(yùn)行的，完全具備抗沖擊負(fù)荷的能力，同時(shí)VFL 組合池各池間緊湊布置合而為一，減少占地。

（2）VFL 工藝產(chǎn)泥量極低。

VFL 工藝在處理污水的同時(shí)兼顧了污泥的減量化，系統(tǒng)產(chǎn)泥量低。能夠有效降低污泥的產(chǎn)量及相應(yīng)的處理成本，為再生水廠的運(yùn)營帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益。運(yùn)用VFL 工藝的再生水廠正常運(yùn)行2～3 a 后才開始第一次排泥，此后約每三個(gè)月排泥一次。

（3）VFL 技術(shù)系統(tǒng)簡單，能耗低，日常維護(hù)工作量小。

VFL 技術(shù)設(shè)備種類和數(shù)量已經(jīng)減到了最少，除了污水進(jìn)口處的提升設(shè)備和除砂設(shè)施（根據(jù)項(xiàng)目需要設(shè)置）外，以生化組合池為核心，配套設(shè)備只有鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)鼓過濾器和消毒加藥設(shè)備。因此設(shè)備的日常維護(hù)工作量大幅度減少，能耗最大程度地節(jié)約。

3 運(yùn)行效果

西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠（見圖4）于2017 年7 月調(diào)試運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到北京《DB 11/890—2012》中B 排放標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)工藝對水量水質(zhì)的耐沖擊性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，處理成本低。

圖4 VFL 工藝再生水廠現(xiàn)場之實(shí)景

4 存在的問題及工藝完善內(nèi)容

（1）根據(jù)以往再生水廠VFL 工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表2），當(dāng)進(jìn)水SS 負(fù)荷較高時(shí)，SS 出水水質(zhì)不穩(wěn)定，因此西集鎮(zhèn)中心再生水廠在VFL 工藝出水后增設(shè)混凝沉淀池，通過投加藥劑，并經(jīng)過預(yù)沉淀后，再通過轉(zhuǎn)鼓過濾器過濾，可以有效降低SS 與TP 的出水濃度，使水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時(shí)可以有效避免轉(zhuǎn)鼓過濾器堵塞。

表2 某再生水廠進(jìn)出水水質(zhì)一覽表

（2）水廠運(yùn)行初期，由于污水管網(wǎng)覆蓋率和收集率較低可能導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)廠水量遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)模且進(jìn)水水量水質(zhì)不均勻程度高，因此污水在廠內(nèi)的停留時(shí)間會大幅延長，同時(shí)進(jìn)水低有機(jī)負(fù)荷率容易導(dǎo)致污泥膨脹現(xiàn)象。針對此種可能出現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)中，通過設(shè)置調(diào)節(jié)池，并在VFL 池進(jìn)水端采用脈沖進(jìn)水方式，根據(jù)液位的變化控制啟停。針對進(jìn)水的水量與水質(zhì)，風(fēng)機(jī)采用變頻運(yùn)行的方式，有效調(diào)節(jié)向好氧池的供氣量，避免低負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生過氧化現(xiàn)象，同時(shí)起到節(jié)能的作用；VFL 工藝具有獨(dú)特的污泥循環(huán)路線，使厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)中的MLSS 維持在一定濃度內(nèi)，同時(shí)厭氧區(qū)、缺氧區(qū)利用上下水流促進(jìn)攪拌，不但可以實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行和水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，而且降低了處理能耗。

5 結(jié)語

西集鎮(zhèn)中心區(qū)再生水廠采取VFL+ 混凝沉淀池+轉(zhuǎn)鼓過濾器+ 次氯酸鈉消毒的污水處理工藝，在應(yīng)對進(jìn)水水質(zhì)水量不穩(wěn)定的情況時(shí)，各項(xiàng)出水水質(zhì)指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到北京DB 11/890—2012 中B 排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至更好的水質(zhì)，滿足再生水水質(zhì)要求；處理污水的同時(shí)兼顧了污泥的減量化，比常規(guī)污水處理工藝節(jié)地約15%。因此該工藝適用節(jié)地要求高、去除氨氮、SS 與除磷效果好、易維護(hù)、成本低、進(jìn)水水質(zhì)水量不穩(wěn)定的小型再生水廠。