AAO-RPIR工藝在某污水處理廠擴建工程中的應用

樊雪紅,陳燕波,劉 臣,司徒菲,宋子明,徐佳佳,徐 林

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.宜春津核環保科技有限公司,江西宜春 336000)

近年來,在國家環境保護政策的號召下,各地污水廠排放標準不斷提高。而隨著城市的擴展,大部分現狀污水廠已處于城市中心,征地困難。因此,在污水廠擴建、改造工程中既要考慮提高水質排放標準,又要節約用地。而目前作為替代傳統AAO工藝的生物反應器(MBR)工藝具有出水水質好、占地少等優點,在污水處理方面已進入成熟發展時期,成為21世紀新型主流技術[1-3]。但目前隨著該工藝的推廣運行,發現其在實際生產過程中又具有高能耗、膜清洗管理復雜等弊端。近幾年來,隨著水處理技術的創新發展,出現了各種新型水處理技術,本文主要采用快速生化污水處理技術(RPIR),該工藝既能實現節約用地,提高出水標準,同時,又能避免MBR清洗過程的高能耗、藥耗、管理運行等方面的問題[4]。該工藝已在全國各地二十多個污水廠或工程中得到應用,如深圳固戍污水廠、江蘇響水縣城區生活污水廠、福永應急污水處理工程,實際運行效果良好。本文通過對工程RPIR工藝運行后的出水控制指標進行分析,并與本廠一期同規模的MBR工藝運行數據對比,進一步表明了該工藝具有占地少、節能、建設成本低等優勢。

1 項目概況

1.1 項目現狀

江西省某市污水廠周邊三面環山,山體高度相對廠區地面達30 m。一期污水廠工程規模為2.0萬m3/d,采用AAO+MBR工藝,于2018年初投產運行。廠區污水來源主要為周邊工業園區生產廢水及配套附屬設施的生活污水。現狀污水廠一期設計進水水質如表1所示。

表1 一期設計進水水質Tab.1 Phase I Designed Water Quality of Influent and Effluent

污水廠出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。目前,隨著工業企業的大量入駐及周邊配套設施的發展,現狀污水廠已處于超負荷運行狀態,急需進行工程擴建。經前期方案論證,本次二期擴建工程規模為2.0萬m3/d。

1.2 二期擴建工程

根據相關規劃及近、遠期運行管理便捷性等要求,本次擴建工程位置需與現狀一期工程統籌考慮。因現有廠區預留空地較少,擴建工程需向外圍新征用地。污水廠三面環山,山體多為強風化頁巖,開挖困難且土方量較大。為降低工程投資,必須進行嚴格的用地限制,污水處理工藝選擇需采用集約化、高標準的處理工藝。

2 工藝設計選擇

2.1 設計進水水質

對污水廠近2年來進水水質按照90%的保證率進行數據分析,主要進水指標CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮、TP的質量濃度分別為303、198、368、21.8、17.5、7.5 mg/L。參考國內相類似的典型工業園區實測及設計進水水質,對原一期工程設計進水指標進行調整,確定本次二期擴建工程進水水質(表2)。相對于一期設計進水指標,CODCr質量濃度由原500 mg/L調整為400 mg/L、BOD5質量濃度由原300 mg/L調整為200 mg/L、TP質量濃度由原4.0 mg/L調整為8.0 mg/L。根據現狀主要進水控制指標值,進水TP濃度偏高,另外,調查數據還發現進水氯離子質量濃度為500～800 mg/L,此數值相對于常規生活污水廠偏高,但根據現狀一期運行監測數據,氯離子并未對生物污泥活性造成影響。因此,本工程主要控制指標為TP,氯離子指標只作為污水廠進水監測指標,不作為控制指標。

設計出水水質根據環評報告中受納水體水環境保護要求,與原一期工程保持一致,按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準設計。

表2 二期設計進出水水質Tab.2 Phase Ⅱ Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 主體工藝選擇

根據本工程特點,處理工藝需選擇占地少、出水水質穩定、可靠的處理工藝,因此,二級處理工藝選擇是重中之重。本工程方案首先考慮省去二沉池,目前能省去二沉池的工藝方案主要為以MBR為代表的處理工藝[1-2]。本廠現狀一期主體工藝采用AAO+MBR工藝,出水可穩定達標。但據污水廠運營方反映,現狀MBR膜沖洗時易打結、運行管理復雜、藥耗量及電耗量較大、處理成本高。為了解決一期現狀運行問題,需找到一種高效、節能、省地的工藝來代替MBR工藝。

圖1 處理工藝流程Fig.1 Flow of Treatment Process

RPIR技術是一種新型污水處理技術,其基本原理是通過在生物池上方設置導流模塊,將傳統的生物池和二沉池組合在一起。同時,該導流模塊裝置還可利用生物池內原有曝氣條件創造出污泥自動回流環境,在不需要增加其他額外動力的條件下使泥水形成自動環流現象,大大提高了氧傳質效率,促進空氣、微生物(活性污泥)和水體三相的接觸反應,反應器內在維持較高的污泥濃度條件下,形成了等同微生物的截留作用[4-5]。在控制污泥回流量的情況下,該反應器內活性污泥質量濃度可達到5 000 mg/L以上,能高效去除水中CODCr、BOD、氨氮、TP等各項污染物質[6]。

本單元的基本流程為:待處理污水由RPIR高效反應器底部進入,然后進入中間的曝氣區域,混合液經反應器內置的導流板作用可實現液、氣、固分離,同時,模塊上方部分出水可在外加循環回流作用下回到反應器底部,進一步發生生化反應。在泥水分離區放置斜管,沉淀污泥自動滑至模塊下方,而后部分污泥在曝氣區實現無動力內循環,清水由池頂出水槽收集后排放,本工藝可實現連續進水、出水[4]。

該工藝相對于傳統的AAO工藝省去了二沉池,經前期方案對比,本工程若按照AAO工藝+二沉池方案,將增加用地面積約為4 000 m2,而采用RPIR工藝噸水節約用地面積指標約為0.2 m2。

3 處理工藝設計

3.1 處理工藝流程

由于廠區內現狀工程建設時未考慮遠期規劃,本次二期擴建工程設計為全流程處理工藝(圖1)。污水經進水泵房提升后進入細格柵、曝氣沉砂池,沉砂池后設置事故調節池。因目前進水CODCr濃度相對常規工業污水廠較低,一期現狀并未啟動水解酸化池也能保證出水水質穩定達標至一級A。為減少本階段工程投資,考慮預留混凝沉淀池及水解酸化池用地,待后期進水濃度升高時再增設相應的處理單元。主體處理工藝采用AAO+RPIR組合工藝,深度處理單元為高效沉淀池、轉盤濾池。為節約用地,轉盤濾池及接觸消毒池采用組合形式,消毒劑采用穩定、可靠的成品次氯酸鈉溶液。

3.2 預處理工藝設計

污水廠進水主要為工業廢水,進水水量及水質均有較大的波動性,原水經粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂預處理后,進入事故調節池進行水質、水量調節。粗格柵、進水泵房設計平面總尺寸為27.70 m×8.30 m,主要去除污水中的較大漂浮物,并將污水提升至下一處理單元;細格柵間、曝氣沉砂池采用合建方式,平面總尺寸為27.70 m×8.30 m,曝氣沉砂池最大流量時水力停留時間為8.4 min。

事故池、調節池采用合建方式,總平面尺寸為49.0 m×31.05 m,分為獨立運行的2格。本單元采用出水水泵與溢流堰兩種出水方式,當僅需調節水質時,采用溢流堰出水方式;當需調節水質與水量時,采用水泵出水方式,設計水力停留時間為11.3 h。池內配置高揚程潛水泵4臺(2用2備),Q=540 m3/h,H=8 m,N=18.5 kW,n=975 r/min,低揚程水泵4臺(2用2備),Q=540 m3/h,H=0.5～2 m,N=18.5 kW。

3.3 二級主體處理工藝設計

本工程二級處理主體工藝采用AAO-RPIR處理工藝,AAO生化單元與RPIR是整個污水處理的核心部分,兩者相互聯系密切。核心設備RPIR模塊為全不銹鋼材質拼裝式設備,該反應器模塊置于AAO生物池好氧區上方,該組合工藝設計如圖2所示。

注:標高單位為m。圖2 AAO-RPIR工藝Fig.2 Process of AAO-RPIR

本工程設計AAO-RPIR組合單元分為獨立運行的2組。單組處理水量為1.0萬m3/d,設計主要參數如下。

(1)生物池主體單元設計

生物池按照傳統成熟的AAO工藝設計,分為厭氧、缺氧及好氧區3個主要單元。設計厭氧區停留時間為2.0 h,缺氧區停留時間為3.91 h,好氧區停留時間為11.33 h。氣水比為4.3∶1.0,混合液設計值為4.5 kg/m3。生物池好氧段至缺氧段回流比為200%,缺氧區至厭氧區混合液回流比為100%。各反應區均設置推流器以保證混合液流態呈推流混合式。

(2)RPIR模塊設計

RPIR模塊取代了生物池后的二沉池,模塊為全不銹鋼材質,各模塊均勻布置在生物池好氧池上方。單個模塊尺寸為5.0 m×2.4 m×2.9 m,單套設備處理水量為350 m3/d,本工程兩條處理路線共設計66套RPIR模塊。因生物池面積較大,考慮工程投資,模塊上方暫未設計防陽光屋頂,集水槽會滋生藻類及積泥。結合高效沉淀池運行經驗,生物池曝氣總管上引出一根氣沖管路,氣沖管路沿生物池縱向敷設,在每個RPIR模塊端頭引出一根DN32氣沖軟管,管路上加設氣動閘閥,可滿足自動沖洗要求。

(3)過渡區設計

在生物池好氧區及缺氧區之間設置過渡區,水力停留時間為1.12 h。過渡區端部設置污泥濃縮區,好氧區高濃度硝化液經回流渠道至預濃縮區后,通過上部溢流堰由內回流泵抽至缺氧區。預濃縮區下部污泥由剩余污泥泵排出,上部硝化液經過渡區釋放一定的溶解氧后回流至缺氧區。此過程既促進了污泥的沉降又保證了缺氧區的反硝化脫氮效果。

3.4 深度處理工藝設計

從出水水質安全性及經濟性方面考慮,本工程深度處理方案推薦采用混凝沉淀+過濾方案。結合污水廠現狀進水水質TN濃度不高、TP濃度較高的特點,并從節約用地、投資等方面考慮,深度處理工藝推薦采用高效沉淀池+轉盤濾池方案。

(1)高效沉淀池

高效沉淀池共分2組,單組設計平均時流量為625 m3/h,最大時流量為937.5 m3/h,平面尺寸為23.1 m×17.50 m,池深為5.8 m。混凝劑聚合氯化鋁(PAC)投加量為15 mg/L。反應區聚丙烯酰胺(PAM)投加量為0.5 mg/L。混合區停留時間為2.48 min,反應區停留時間為9.14 min。高峰時斜管區上升流速為11.28 m/h,污泥循環回流系數為5.0%。

轉盤濾池、消毒池及巴氏計量槽考慮采用合建形式,池體總平面尺寸為22.85 m×16.30 m。轉盤濾池設計2組,設計濾速≤15 m3/(h·m2),單個濾盤直徑為3 m,濾盤為12個,有效過濾面積為150 m2。接觸消毒池設計為廊道式,停留時間為30 min,采用次氯酸鈉消毒,平均加氯量為6 mg/L,最大加氯量為12 mg/L;巴氏計量槽設在接觸消毒池出水段,設計喉寬為0.3 m。

4 運行效果

該工程于2021年9月完工,生物池內接種污泥來自于一期,污泥活性較高、啟動快。經2周調試后,出水水質已達標,至今處于穩定運行階段。實際運行期間,RPIR一體化反應池內能維持較高的污泥濃度,污泥質量濃度為4.5～5.5 g/L,污泥沉降比(SV)為35%～45%,溶解氧(DO)質量濃度為4～5 mg/L。在試運行期間,對2021年11月1日—30日運行數據進行了分析。調查發現此期間實際進水水質比原設計值略低,主要原因可能為:一方面環保部門加大了對園區企業污水排放的監管力度,各企業排放口均設置了在線監測點,嚴防各種偷排、不達標排放等情況;另一方面,受新冠疫情影響,目前園區工藝企業經濟不景氣,部分企業生產量大大降低。

4.1 CODCr處理效果

現場檢測數據如圖3所示,CODCr進水質量濃度最大值為148 mg/L、最小值為90 mg/L,出水質量濃度最大值為21 mg/L、最小值為10 mg/L,平均去除率為90.26%。CODCr去除效果較好,出水水質遠高于設計標準。

圖3 進出水CODCr質量濃度Fig.3 CODCr Mass Concentration of Influent and Effluent

4.2 TN處理效果

TN進出水水質分析如圖4所示。TN進水質量濃度為17.8～27.6 mg/L,出水質量濃度為7.8～13.4 mg/L,平均去除率為52.76%。由于11月冬季水溫較低且處于調試運行期間,反硝化效果受到一定影響,去除率不高。后續隨著工藝運行的穩定,TN去除效果會有一定提高。

圖4 進出水TN質量濃度Fig.4 TN Mass Concentration of Influent and Effluent

4.3 氨氮處理效果

由圖5可知,氨氮去除效果較高且極其穩定,平均去除率為99%,出水平均質量濃度為0.4 mg/L。即使進水濃度有突然升高的現象,出水濃度亦較低,遠低于設計出水水質。這主要是RPIR在好氧區的環形導流作用使得水中氨氮能夠更加徹底得到氧化,為下一步的硝化、反硝化反應除氮提供良好的基礎條件。

圖5 進出水氨氮質量濃度Fig.5 Ammonia Nitrogen Mass Concentration of Influent and Effluent

圖6 TP進出水質量濃度Fig.6 TP Mass Concentration of Influent and Effluent

4.4 TP處理效果

圖6為TP進出水質量濃度。由數據變化趨勢可看出,進水TP質量濃度為1.79～4.90 mg/L,變化趨勢較大,出水TP質量濃度為0.31～0.44 mg/L,除磷效果較好且穩定,平均去除率為91.83%。調查期間高效沉淀池內并未投加PAC等化學藥劑,除磷效果完全取決于生物除磷。即使在進水TP質量濃度高達5.0 mg/L時也能處理至0.5 mg/L以下,可見,RPIR導流模塊內環流作用能使得相對于普通的AAO生物池增強了生物除磷效果。

顯效:無出現惡心、牽拉疼痛、低血壓等并發癥,肌松良好、術野顯露好,生命體征循環指標麻醉前后穩定;有效:生命體征循環指標麻醉前后有一定波動,肌松較好,牽拉疼痛不明顯;無效:生命體征循環指標麻醉前后明顯波動。老年人腹部手術麻醉效果為顯效、有效百分率之和[3]。

通過以上各指標處理效果可以看出,即使在進水濃度有較大波動時,本工藝處理效果均較能穩定達標,試運行期間處理效果較好,出水水質優于一級A排放標準。

5 經濟分析

本次二期2萬m3/d擴建工程投資為10 220萬元,建設費用為8 470萬元。單位總成本(年均)為1.89元/m3,單位經營成本為1.03元/m3。

通過對本工程進行財務分析,本項目財務評價指標均高于國內同行業平均水平,全部投資所得稅前財務內部收益率為6.08%,高于同行業水平(6%)。投資回收期為12.61年,低于行業基準投資回收期(15年左右)。

6 廠區一期MBR與本期RPIR工藝對比

本工程現狀廠區內一期采用MBR工藝,二期采用RPIR工藝,兩期日均處理規模均為2.0萬m3/d,進水來源相同。結合廠區現狀運行情況,一、二期工藝出水均能優于出水水質標準,對一、二期具體運行效果對比如下。

(1)主要指標處理方面:各檢測指標處理效果略有差異,一期工藝中CODCr、SS、TP、TN及氨氮去除率依次為93%、96%、82%、53%及91%,二期為89%、91%、75%、50%及98%。從數據分析來看,一期MBR工藝對CODCr、SS、TP的效果較二期RPIR稍好,對除TN效果基本無差異,除氨氮效果二期優于一期。

(2)運行管理方面:一期膜反洗品頻率較高,沖洗時易打結;二期RPIR模塊上方會有藻類滋生,需定期清洗。一、二期都需要一定的人工維護,但二期較一期勞動強度小,管理相對方便。

(3)電耗、能耗方面:一期膜沖洗需要各種藥劑及大量電耗,而RPIR清洗只需定期氣沖或水沖即可,沖洗無需藥耗及電耗,且由于RPIR模塊利用生物池內原有曝氣條件創造出污泥自動回流氣升動力環境,相對于傳動的AAO+二沉池工藝亦省去了外回流的運行電耗。一、二期運行電耗數據分析如圖7所示。由圖7可知,一期MBR運行電耗趨勢線遠高于二期。現狀一期工程平均運行電耗為0.61 kW·h/t,而二期試運期平均電耗僅為0.164 kW·h/t。

圖7 一、二期運行電耗Fig.7 Operation Power Consumption of Phase Ⅰ and Ⅱ

(4)經濟對比:一期MBR池土建工程費用為1 100萬元,膜組件約為1 800萬元;而二期RPIR工藝無額外土建工程,RPIR模塊設備費用為99萬元,此模塊采用SS304不銹鋼材質,使用壽命為30年。MBR膜使用年限僅為5～8年,如按7年更換期計算,30年內總膜組件更新費用約為6 000萬元,每年折舊成本約為200萬元。

(5)占地面積對比:相對于MBR工藝更為省地,節約了MBR工藝中的MBR池,噸水節約用地面積指標大概為0.06 m2。從本廠兩種工藝對比分析,MBR和RPIR兩種工藝特點都具有強化固液分離、提高活性污泥濃度、提升生化反應速率的效果。但相對于MBR,RPIR工藝能更好地實現節能、節約投資和運行成本,同時,方便管理。

總體而言,RPIR模塊為成品不銹鋼材質拼裝式設備,直接置于生物池上方,該設備無易損部件,且無需增加土建工程,具有施工周期短、啟動快、建設運營成本低等特點,在投資、運行和維護等方面均具有明顯優勢,可在小型污水廠擴建、提標改造及水環境治理方面加以推廣應用[3,6-8]。

7 結論

(1)主體處理工藝中RPIR模塊置于生物池上方,該技術代替傳統二沉池實現固液分離,可提高懸浮物去除率;同時將截留帶有帶量微生物的活性污泥利用現有氣升動力回流至好氧區,可保持生物池內較高的活性污泥濃度,相比傳統的AAO工藝,能同步實現高效脫氮除磷。

(2)RPIR模塊置于生物池上方,用地較為節約。與傳統的AAO工藝相比省去了二沉池,與MBR工藝相比省去了MBR池,用地更為節省。

(3)RPIR模塊利用好氧區內氣升動力進行泥水分離,無需增設其他外加動力,相對于MBR工藝大大節約了膜吹掃、清洗產生的電耗及藥耗。

(4)本處理工藝相對傳統AAO工藝具有污泥齡較長、剩余污泥產泥量少等特點,可減少外運處置等費用。調試運行期間,當生物池內污泥質量濃度低于4 000 mg/L時,出水良好,無剩余污泥排出。當污泥質量濃度為4 000～6 000 mg/L時,生物池內排泥量為100～120 m3/d。