高效氣浮在污水廠極限除磷提標設計中的應用

陳奇良

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥 230061)

巢湖為全國重點防治的“三河三湖”之一，受自然條件和人類活動雙重驅動，歷史上巢湖流域總磷本底偏高，至上世紀90年代末水污染狀況最為嚴重。為改善巢湖水質，安徽省2016年9月頒布實施了《巢湖流域城鎮污水處理廠和工業行業主要水污染排放限值》(DB34/2710-2016)，對巢湖流域污水處理廠出水提出了更高的要求。主要污染物指標排放限值見表1。

表1 巢湖流域新建城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值

近年來，隨著治理與保護力度加大，巢湖水質惡化趨勢得到有效遏制，主要水域污染濃度明顯降低，水質由Ⅴ類好轉為Ⅳ類，但東、西半湖及全湖均呈輕度富營養狀態。相關研究表明，磷是浮游藻類生長的限制因子，降低水體總磷(TP)含量可有效抑制藍藻水華的暴發[1]。現行城鎮污水排放標準中TP的排放限值遠高于水體發生富營養化的臨界值，集中排放的污水處理廠尾水為影響水生態的重要固定污染源[2]。經計算，僅合肥市污水廠排入水體的氮、磷負荷就已相當于超過巢湖Ⅲ類水時環境容量[3]，加上其他未能完全收集的污水、點源、面源，入湖污染負荷大大超過湖體的環境容量。削減污水廠尾水污染負荷是流域控源截污的一個關鍵措施，如總氮提高至地表水 Ⅲ～Ⅴ類標準、總磷達到0. 01～0. 05 mg/L，才能基本滿足巢湖環境容量的要求[4]。“十三五”以來，滇池流域建成28座城鎮污水處理廠，處理規模32萬m3/d，實施污水廠尾水提標改造106萬m3/d，出水總磷指標小于0.05 mg/L，取得了較好的效果。氣浮技術作為一項高效、快速的固液分離技術，在藻類處理、工業廢水治理上有比較廣泛的應用[5-6]，在滇池流域污水廠總磷提標和合肥市朱磚井污水處理廠中試試驗中均取得了較好的效果。

本文以合肥市某污水處理廠極限除磷(TP≤0.05 mg/L)提標改造設計為例，通過工藝流程、高程、主要工藝參數設計分析，為其他類似工程的設計和改造提供借鑒。

1 工程概況

1.1 建設規模及工藝流程

污水處理廠設計規模10萬m3/d，分三期建設，其中，一、二期規模分別為2.5萬m3/d，三期規模5萬m3/d。

污水二級處理采用Carrousel氧化溝工藝，污水深度處理采用反硝化生物濾池+絮凝沉淀+連續砂過濾工藝。污泥處理采用機械深度脫水工藝，出廠污泥含水率≤60%。污水消毒采用紫外線消毒工藝。采用同步沉淀的投藥方式，藥劑采用聚合氯化鋁。

1.2 現狀水量、水質及提標改造要求

(1)現狀水量、水質

隨著城市的發展，實際處理污水量不斷增加，已處于滿負荷運營狀態，最大進水量達到為12.4萬m3/d。

污水處理廠現狀設計進、出水水質見表2。

表2 污水處理廠現狀設計進、出水水質要求

(2)提標改造要求

在現狀排放標準的基礎上將TP提標至≤0.05 mg/L。

2 改造方案的確定

2.1 提標改造原則

基于污水處理廠現狀處理工藝、出水標準和提標改造要求，確定極限除磷提標改造工程設計原則：①技術成熟，運行可靠，保證TP提標的同時不影響其他出水指標；②充分利用現有水頭，盡量不增加中間提升、少新建構筑物，減少建設成本；③加藥量少，用電量小，新增運營費用低；④與現有工藝有效銜接，便于統一管理，統一調度；⑤改造期間不停產或少停產。

2.2 改造思路

目前該廠的出水基本能穩定達到原設計標準，本次提標改造主要針對TP一項指標，出水由0.3 mg/L提標至0.05 mg/L。原設計已采用生物除磷+化學除磷方案，本次TP提標應充分挖掘現有構筑物的處理潛能，根據極限除磷的指標要求和技術特點，適當新增處理構筑物，保證TP出水達標的同時不對其他污染物的處理效果造成影響。

2.3 極限除磷工藝方案

本次總磷提標出水≤0.05 mg/L，同時SS需不大于10 mg/L。

城鎮污水處理廠低濃度磷去除工藝的技術中通常是生物、化學與物理除磷的組合工藝，可分為4大類：(1)生物除磷+化學除磷+沉淀過濾；(2)生物除磷+化學除磷+兩級過濾；(3)生物除磷+化學除磷+膜分離；(4)生物除磷+化學除磷+混凝氣浮。除磷工藝綜合對比如表3所示。

表3 常用除磷工藝綜合對比表

從去除效果、適用性、占地、對周邊環境影響及維護管理方便角度出發，推薦選用生物除磷+化學除磷+混凝氣浮。國內城市污水處理廠極限除磷提標改造工程工藝主要為混凝氣浮。采用混凝氣浮工藝去除總磷有：昆明主城第一、三、七、八、九水質凈化廠極限除磷提標改造工程，合肥市朱磚井污水處理廠極限除磷中試。

2.4 現狀構筑物改造方案

經現場踏勘，根據現狀構筑物及管線布置情況，確定在二期工程生反池西側的廢水池區域新建氣浮池，現狀濾池出水自流進氣浮池，經氣浮處理后出水自流進入接觸消毒池，并降低接觸消毒池現狀運行水位。

現狀接觸消毒池出水水位14.00 m，出水井出水水位12.50 m，受納水體常水位9.15 m，50年一遇洪水位14.26 m。旱季時尾水通過附近雨水泵站自排涵排放，汛期時經雨水泵站抽排，泵站最高設計啟泵水位9.90 m。經復核本工程接觸消毒池出水水位需降低至13.00 m，出水井出水水位降低至12.10 m，不改變現狀尾水排放方式。為保證接觸消毒時間，需新增接觸消毒池池容。

3 改造工藝設計

3.1 總平面設計

根據現狀污水處理廠總平面布置分析，廠內土地已被充分利用，無大面積空地，二期生反池西側的廢水池可拆除，辦公樓南側、一期二沉池西北角、氧化溝東側還有少量綠地。

①新建高效氣浮池

拆除現狀廢液池，新建高效氣浮池，將廢液管改造接入廠區污水管后進入進水泵房。氣浮池占地面積873.4 m2。

②新建接觸消毒池

為保證接觸消毒時間，新增接觸消毒池池容，在一期二沉池西北角和氧化溝東側綠地內新建接觸消毒池2座，氣浮池出水進入接觸消毒池。接觸消毒池占地面積90.8 m2。

③新建加藥間

在現狀綜合樓南側新建加藥間1座，投加投混凝劑及助凝劑至氣浮池。加藥間占地面積204.8 m2。

廠區總平面布置見圖1。

圖1 極限除磷提標改造總平面布置圖

3.2 工藝流程設計

在現狀濾池后設置高效氣浮池，現狀濾池出水自流進入高效氣浮池，氣浮池出水自流進入接觸消毒池。工藝流程見圖2。

圖2 極限除磷提標改造工藝流程圖

3.3 主要構筑物設計

①高效氣浮池

地上式一體化設施，1座6組，平面尺寸41.20 m×21.20 m，設計規模10萬m3/d，單組最大流量903 m3/h，最大表面負荷 20 m3/m2·h，氣浮設備6臺，回流水泵12臺，螺桿空壓機 2臺。經過氣浮產生的污泥排至污泥緩沖池進行消泡，再經污泥泵輸送至現狀儲泥池。污泥緩沖池設置攪拌器1臺，污泥泵 2臺。

②接觸消毒池

地下式鋼筋砼結構，2座，設計規模10萬m3/d，平面尺寸9.00 m×8.00 m，有效水深5.50 m。

③加藥間

地上式建筑，1座，設計規模10萬m3/d，平面尺寸 27.50 m×11.70 m，主要功能為投混凝劑及助凝劑至氣浮池，設絮凝劑投加計量泵和助凝劑投加泵。

3.4 運行成本分析

本次總磷提標新增氣浮池、加藥間和接觸消毒池，利用污水廠富余水頭，不增加中間提升。主要運行成本為電費和藥劑費，經測算，電耗成本為0.028元/m3，藥劑成本為0.082元/m3，直接處理成本為0.110元/ m3。

4 結 論

(1)污水處理廠除磷提標改造設計時，應充分調研現狀處理工藝和構筑物特點，結合提標改造要求，盡量挖掘現有構筑物的改造潛力，合理新增處理構筑物。

(2)采用高效氣浮工藝進行極限除磷可保證TP出水穩定達標，同時不影響其他污染物處理效果，僅新增氣浮池、加藥間，改造接觸消毒池，建設和運行管理方便。

(3)采用氣浮技術極限除磷直接處理成本為0.110元/ m3，其中，電耗成本為0.028元/m3，藥劑成本為0.082元/m3。