MBBR和MBR工藝在南方某用地受限污水處理廠擴建及提標改造中的應用

都雪晨,黃華玲,靳斌斌,張 鋒,謝益佳,李 璐

(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.中建三局綠色產業投資有限公司,湖北武漢 430074)

在廣東省環境保護廳《南粵水更清行動計劃(2017—2020年)》的背景下,為了緩解練江流域水污染現狀,大幅度削減污染物的排放,實現城市總體規劃中的環境保護目標,南方某城鎮污水處理廠亟需擴建及提標改造。該污水廠現狀預留用地有限,因此,需考慮節省占地的污水處理工藝,如多段AO、曝氣生物濾池、移動床生物膜反應器(MBBR)及膜生物反應器(MBR)工藝。多段AO工藝具有脫氮效率高、節省碳源、運行穩定、占地面積較常規AAO小等優點[1],多用于污水的二級處理;曝氣生物濾池工藝后端無需設置二沉池,節省占地、處理效率高,但加藥量較大且運行管理復雜,多用于污水的二級處理及深度處理;MBBR工藝具有無需新建反應池、節省占地、改造工期短、處理效率高等優點,可實現污水廠原位提標改造[2];MBR工藝將生物處理與膜處理工藝相結合,可代替傳統二沉池及濾池,縮短工藝流程、節約用地并提高出水水質,但電耗較高,膜組件5～8年需進行更換[3],常用于用地受限情況下污水的深度處理。本工程經過技術經濟比選,采用MBBR及MBR組合工藝,在有限的用地中同時實現污水處理廠的擴建及提標改造。

1 污水處理廠現狀及設計難點

1.1 污水處理廠現狀

污水廠現狀規模為1.5萬m3/d,二級處理采用AAO生物池+二沉池,深度處理為砂濾池,消毒采用紫外線,出水排放標準執行廣東省地方標準《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)第二時段一級標準和國家標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準中的較嚴值。具體設計進出水水質如表1所示。

表1 一期工程設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent of Phase Ⅰ Project

1.2 設計難點分析

污水廠總規模為4.5萬m3/d,一期已建設1.5萬m3/d,因此,本次工程需擴建3萬m3/d的污水處理設施。同時,設計出水水質需執行《地表水環境質量標準》中V類水標準(TN除外)。原規劃中該污水廠的總規模為3萬m3/d,廠內預留用地僅按1.5萬m3/d的污水規模預留。因此,本工程的主要設計難點為需在有限的用地中同時完成擴建以及提標。

2 污水處理廠設計進出水水質

通過對該廠一期實際進出水水質進行數理統計分析綜合確定本次擴建及提標改造設計進水水質。二期設計進水水質與一期相比,降低了BOD5、CODCr,提高了SS、TN、氨氮,TP維持不變。設計出水水質則根據排水水體水質目標確定,具體如表2所示。

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

3 污水處理廠擴建及提標改造設計思路

本次工程進出水水質較一期工程有較大變化,且需要在有限的用地內同時完成污水廠擴建及提標。因此,設計思路為:(1)對一期工程處理能力進行校核,推測其在滿負荷且進水水質達到設計值時是否能達到設計出水標準,充分挖潛現狀處理能力并利用現狀構筑物進行改造升級;(2)二期新建工程采用占地規模節約的高效處理工藝,新增構筑物盡可能采用組合體的形式布置。

3.1 一期工程提標改造方案

通過對污水處理廠生物池、二沉池、深度處理段處理能力進行理論計算得出如下校核結果。

污水處理廠一期工程在滿負荷及設計進出水水質的條件下,污泥負荷、供氧量及生物池的厭氧區、缺氧區容積均滿足要求。生物池的好氧區容積偏小,約為理論計算值的70%。SS及TP均能達到設計出水水質標準。因此,一期工程在改造上應重點考慮對生物池好氧區的加強,加強對CODCr及BOD5的去除效果。

在進水可生化性較好的情況下,對CODCr和BOD5的去除一般采用活性污泥法或生物膜法。活性污泥法有氧化溝、AAO等工藝,生物膜法則有曝氣生物濾池、接觸氧化池、MBR等工藝。其中應用于深度處理的主要是生物膜法。基于充分利用現狀構筑物的原則,可對一期砂濾池或生物池進行改造。提出如下兩種方案:(1)通過將砂濾池改造為曝氣生物濾池,進一步降低水中的BOD5及CODCr。但一期砂濾池池體總高度僅為4.40 m(排水槽頂端距離濾板高度僅1.75 m),不具備改造的條件,因此,只能對其拆除重建。(2)將一期生物池改造為MBBR工藝,即通過在一期好氧區內投加生物填料以提高池內生物量,從而增強處理效率。該方案最大的優勢是無需新增用地,在不停產減產的情況下實現污水廠的提標。對兩種方案進行技術經濟比較,結果如表3所示。

表3 提標方案技術經濟對比Tab.3 Technical and Economic Comparison of Upgrading Schemes

根據上述比較,方案二在占地、工程投資及運行費用上均低于方案一,且方案一在建設期需拆除現狀砂濾池,對污水廠運行會產生影響。綜上,采用MBBR工藝對現狀生物池進行原位升級改造,將生物池改為生物膜-活性污泥復合工藝。該方案具有無需新建反應池、節約占地、易于實施改造、工期短、活性污泥濃度高、處理效率高、節省曝氣量、增強污泥穩定性、降低運行費用和基建投資等優點,目前,已在國內多個污水廠的改造和新建項目上采用并取得了較好的效果[4]。

3.2 二期擴建工程方案

在污水廠實際出水水質保證率為95%的條件下,CODCr質量濃度為38 mg/L,SS質量濃度為18 mg/L,氨氮質量濃度為2.80 mg/L,TN質量濃度為16.32 mg/L,TP質量濃度為0.46 mg/L,對比二期設計出水水質及現狀實際出水水質,CODCr、SS、氨氮較易達到出水標準,因此,確定二期提標改造工程的主要目標污染物為TN(質量濃度≤15 mg/L)及TP(質量濃度≤0.4 mg/L)。

TN的去除通常采用生物處理,TP則可通過生物處理輔以化學處理去除。擴建工程需在1.5萬m3/d的污水規模預留用地上建設3萬m3/d的污水處理設施,且出水水質需達到《地表水環境質量標準》中V類標準(TN除外),傳統生物處理(含二沉池)+深度處理工藝占地較大,難以滿足擴建需求,因此,選擇高效澄清池+生物濾池(前置反硝化濾池+硝化濾池+后置反硝化濾池)工藝及AAO+MBR工藝進行技術經濟比較,結果如表4所示。

表4 擴建方案技術經濟對比Tab.4 Technical and Economic Comparison of Extention Schemes

根據上述比較,方案二雖然直接運行費用略高,但占地及工程投資均小于方案一,且MBR工藝對出水SS更有保障。此外,廠內二期預留用地僅為6 368 m2,若采用方案一,則無多余用地建設預處理、碳源加藥間等生產構筑物,因此,采用方案二(AAO+MBR)作為擴建工程的污水處理工藝。該工藝流程短,處理效率高,節約用地的同時出水水質優于傳統深度處理,部分指標達到地表水Ⅳ類,可直接回用[5-6]。同時,膜池較高的混合液回流比可提高生物池污泥濃度,延長污泥齡,提高處理效率的同時減少剩余污泥排放[7-8]。

3.3 工藝流程

污水經粗格柵及提升泵房提升后,通過配水井分配至一期與二期進行處理,工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Flow Chart of WWTP Process

3.4 平面布置及豎向設計

污水廠平面布置如圖2所示。二期預處理組合池、AAO+MBR組合池及碳源投加間位于廠區北側預留空地上,污泥濃縮池、貯泥池及脫水車間布置于一期砂濾池及機修間北側,二期紫外消毒渠位于一期紫外消毒渠北側預留用地。

圖2 污水處理廠平面布置Fig.2 Layout of WWTP Process

注:數值單位為m。圖3 污水處理廠豎向設計圖Fig.3 Vertical Layout of WWTP Process

污水廠豎向設計如圖3所示。廠坪標高為2.30 m,污水廠進水通過泵房提升至總配水井,水位標高為6.90 m,尾水經紫外消毒后水面標高為2.40 m,在受納水體為常水位時自流排放,為洪水位的時候通過泵提升排放。

4 主要構筑物設計參數

4.1 總配水井

采用管道配水的方式難以將進廠污水按設計規模均勻分配至一期、二期生產線,因此,新建總配水一座,均勻分配污水處理廠污水。設計流量Q=2 550 m3/h,總體尺寸L×B=5.50 m×4.00 m,高度H=5.20 m,分兩格,一期、二期各用一格。

4.2 細格柵、旋流沉砂池及膜格柵

為充分節約用地,將3座構筑物采用組合池的形式布置,各構筑物具體設計如下。

(1)細格柵

污水廠現狀一期工程采用回轉式細格柵,運行效果良好,因此,為方便運營管理,本期工程延用同類型細格柵,設計流量Q=1 700 m3/h,設置2道格柵流槽,渠寬為1.50 m,柵條間隙為3 mm。

(2)旋流沉砂池

常用的沉砂池形式有曝氣沉砂池和旋流沉砂池,前者可通過調節曝氣量控制污水在池內的旋流速度,因而處理效果更加穩定。但曝氣會去除部分有機物減少碳源,因此,當進水碳源缺乏且采用生物脫氮除磷工藝時,盡量避免采用曝氣沉砂池。旋流沉砂池則具有占地面積小,處理效率高的優點。考慮到污水廠實際進水碳氮比較低且用地緊張,二期工程采用旋流沉砂池,設計流量Q=1 700 m3/h,水力停留時間為80.5 s。在水力停留時間的選取方面,規范要求大于30 s即可,而污水廠一期現狀沉砂池在高峰流量時,除砂效果較差,反算此時的停留時間為30.3 s。根據現狀運行人員反饋,當停留時間大于1 min時,除砂效果較好。

(3)膜格柵

為進一步保護后序膜處理單元,需在旋流沉砂池后設置一道超細格柵以進一步降低污水中SS的含量,降低細小纖維狀物質對膜的破壞風險。本工程采用內徑流孔板格柵,設計流量Q=1 700 m3/h,設置3道格柵流槽,渠寬為1.60 m,柵條間隙為1 mm。

4.3 AAO+MBR生物池

該構筑物是污水處理廠的核心處理構筑物,采用組合池的形式布置,主要設計參數結合規范、設計經驗及廠家設備性能綜合確定,具體如表5所示。

表5 主要設計參數Tab.5 Main Designed Parameters

污水廠進水碳氮比(2.38∶1.00)較低,為了盡量減少碳源的消耗,保證脫氮效果,設計在滿足規范要求的情況下適當縮短了厭氧區的停留時間。根據MBR工藝特點,適度增加反應池內污泥濃度,減少好氧區容積,以節約投資和占地。

4.4 MBBR生物池(一期生物池改建)

出水水質標準提高后,一期生物池好氧段池容不足,因此,考慮向好氧區投加生物填料,將一期生物池改造為MBBR生物池。填料設計投加量為2.209 7×105m3,規格為Φ25 mm×10 mm,比表面積≥800 m2/m3,材質為高密度聚乙烯(HDPE)。為保證填料在池內正常的流態化,需在好氧區增設輔助穿孔曝氣管[9],輔助曝氣量為20 m3/min。同時,為避免填料隨水流流失需在好氧區進出口增設進出水攔截篩網。

4.5 紫外消毒渠

一期已建1座(1.5萬m3/d)紫外消毒池,本期由于出水標準提高,需更換紫外燈組,同時新建一座紫外消毒池(規模為3.0萬m3/d)。根據規范提供的參考值,當污水廠尾水為再生水時,紫外線劑量應為24～30 mJ/cm2。通過對一期土建進行復核,可將消毒渠二次澆注部分由720 mm擴寬至1 000 mm,消毒模架由之前的8個增加至10個,配置紫外線燈管數量由之前的64只提高到88只,則紫外線劑量由之前的20.2 mJ/cm2提高到26.4 mJ/cm2,滿足規范要求。二期新建紫外消毒渠土建尺寸與一期一致,共設21個紫外消毒模塊,每個模塊含紫外線殺菌燈數8支,紫外線劑量滿足規范要求。

4.6 泥處理設施

本工程設計絕干泥量為6.28 t/d,其中剩余污泥為5.93 t/d,化學污泥為0.35 t/d,設計萬噸水產泥量為1.39 t。污泥處理工藝流程為濃縮池+貯泥池+板框壓濾機,設計泥餅含固率為40%。

設計采用2座池徑為10 m的污泥濃縮池,固體負荷為40 kg/(m2·d)。

本工程在污泥濃縮池及污泥脫水車間之間設置2座貯泥池以平衡污水廠排泥的不均勻性,單座平面尺寸為4 m×4 m,有效水深為3.5 m,總有效容積為112 m3,可存放壓濾機1～2個批次的泥量。

脫水機房面積為282.95 m2,安裝兩臺過濾面積為250 m2的板框式壓濾機,總功率N=10.3 kW,單臺設備處理能力為每批次0.6～1 t。壓濾機1 d運行4個批次,每個批次4 h,單臺工作時間為16 h,兩臺同時使用。污泥調理采用生石灰+三氯化鐵組合方式進行調理。生石灰投加量按每噸干污泥100 kg考慮,三氯化鐵溶液(有效含量為10%)投加量按每噸干污泥50 kg考慮。

4.7 除臭設施

除臭設施采用離子除臭工藝,共設3套除臭設備。其中,1號除臭設備對二期細格柵及沉砂池、膜格柵及二期厭氧進行除臭,除臭風量Q=5 000 m3/h,功率N=10.2 kW;2號除臭設備對一期細格柵及沉砂池、一期粗格柵及進水泵房、一期厭氧池及二期總配水井進行除臭,除臭風量Q=8 000 m3/h,功率N=14.55 kW;3號除臭設備對二期污泥濃縮池、貯泥池、污泥脫水車間進行除臭,除臭風量Q=12 000 m3/h,功率N=16.9 kW。處理后的臭氣經排放管排放至15 m高空。

5 效果分析

5.1 用地指標分析

污水廠噸水占地面積為0.66 m2,根據最新出版的《城市污水處理工程項目建設標準》(建標 198—2022)中的相關要求,規模在5萬m3/d以下的污水處理廠,二級處理+深度處理用地指標不應超過1.55 m2/(m3·d-1),本污水廠用地面積較標準要求節約57.4%,實現了土地利用率的大幅度提高。

5.2 運行效果分析

(1)水質分析

污水廠自2020年運行以來平均處理水量為37 221萬m3/d,保證率為95%時處理水量為40 411萬m3/d,水量負荷率為89.8%,實際進出水水質如表6所示。

表6 實際進出水水質Tab.6 Actual Water Quality of Influent and Effluent

污水廠在水量水質基本達到設計值的情況下,出水水質可穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中V類標準(TN除外),部分出水水質指標達《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類標準,當MBR工藝在膜通量為19.84 L/(m2·h)時運行較為穩定。

為了檢驗一期生物池改造為MBBR工藝后的運行效果,對其改造前后實際進出水中BOD5及TN進行分析,結果如表7所示。

表7 一期工程提標改造前后實際進出水BOD5及TNTab.7 Phase Ⅰ Actual BOD5 and TN of Influent and Effluent before and after Upgrading

一期工程改造完成后,在95%保證率的情況下,BOD5的去除率由71.02%提升至92.24%,TN的去除率由16.60%提升至57.23%。分析認為通過在好氧區投加生物填料一方面提高了活性污泥的濃度,另一方面填料表面附著生長的生物膜具有較長的污泥齡,有利于世代時間較長的硝化菌生長繁殖,因此,BOD5和TN的去除率均有提升。

(2)電耗、藥耗分析

污水廠電費為0.275元/m3(噸水電耗為0.43 kW·h),藥劑費為0.088 5元/m3(主要使用藥劑聚合硫酸鐵、乙酸鈉、生石灰、三氯化鐵、次氯酸鈉及檸檬酸)。

(3)產泥量分析

污水廠一期改造后工藝為MBBR生物池+二沉池+砂濾池,萬噸水產泥量為1.09 t;二期工程新建工藝為AAO+MBR膜工藝,萬噸水產泥量為0.64 t,約為前者的58.7%。因此,MBR膜工藝較MBBR工藝更能有效減少剩余污泥排放量。

6 結論與建議

(1)在不改變生物池土建主體結構的前提下,通過在好氧區投加生物填料將AAO生物池改造為MBBR生物池,進一步提高對BOD5的去除,出水水質全面提升至《地表水環境質量標準》中V類標準(TN除外)。目前,工藝運行良好,出水水質穩定達標。

(2)本工程在預留用地極其有限的條件下,通過技術經濟比選后采用MBBR工藝以及MBR工藝對污水處理廠進行提標及擴建,同時新建預處理及生物處理構筑物均采用組合池的形式布置,噸水占地面積為0.66 m2,較最新標準要求用地節約57.4%,大幅提高土地利用率。

(3)MBR膜工藝較MBBR工藝更能有效減少剩余污泥排放量,前者排放的剩余污泥量約為后者的58.7%。當MBR工藝在膜通量為19.84 L/(m2·h)時,出水水質穩定,可為同類型污水處理廠的設計改造提供參考與借鑒。

(4)二期設計中將旋流沉砂池水力停留時間延長至80.5 s,實際運行中除砂效果較穩定,建議水量波動較大的污水廠選用該池型時,停留時間至少大于1 min。

(5)目前進水濃度尚未完全達到設計值,尤其是BOD5及SS,因此,產泥量較低。待后期服務范圍內管網完善,進水濃度進一步提高后,需重點關注沉砂池的運行效果,合理優化深度處理的加藥量,降低泥處理費用。