MBR在更嚴格排放標準污水處理廠不停產提標擴能改造中的應用

楊 磊,趙 健,郭 瑜,王 強

(成都市興蓉環境股份有限公司,四川成都 610041)

隨著國家對水環境質量的要求進一步提高,各地出臺了更為嚴格的污水處理廠污染物排放標準,比如四川省要求從2017年1月1日起實施《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)(以下簡稱“兩江標準”),該標準要求城鎮污水處理廠排放標準需達到地表水“準Ⅳ類”標準[即主要污染物CODCr、BOD5、氨氮和TP濃度達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類標準,TN質量濃度≤10 mg/L]。同時,城市化的進程導致城市人口增加,污水排放量增加。出水水質排放標準提高、污水處理量增加,對現有城市污水處理廠提出了提標擴能改造的新要求。

“準Ⅳ類”標準下提標擴能改造的要點是提高生化處理對CODCr、TN和TP的去除效能,同時增加污水處理廠的處理量,所以,改造過程需滿足處理效能和處理量同時提高的要求。膜生物反應器(membrane bio-reactor,MBR)工藝因占地面積小、出水水質穩定、耐沖擊負荷、污泥產量低、運行控制靈活等優點被廣泛應用于污水處理領域[1-4]。MBR工藝尤其適用于土地受限污水處理廠的提標改造。北方某污水處理廠采用MBR工藝,在占地僅增加85%的情況下,將原污水處理廠處理水量提升2.75倍[5]。另有北京市某污水處理廠采用MBR工藝在不新增用地的情況下完成提標改造[6]。研究[7]表明,西安市某縣污水處理廠采用“厭氧-缺氧-好氧(AAO)+MBR”工藝對原采用氧化溝工藝的污水處理廠進行改造,可將處理規模從1.5萬m3/d擴能到3萬m3/d,且出水標準從《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準(以下簡稱“國標一級A”)提高到“準Ⅳ類”。本文以某污水處理廠為例,分析了MBR工藝應用于污水處理廠不停產提標至“兩江標準”的擴能改造效果,為類似污水處理廠的提標擴能改造提供參考。

1 污水處理廠改造背景

某污水處理廠原處理規模為10萬m3/d,設計出水水質執行“國標一級A”,隨著“兩江標準”的實施,需對該廠進行提標改造。另外,該廠排水分區內來水量已顯著增加,本次改造需同步考慮擴能需求。廠內剩余土地有限,所以,大規模新建污水處理構筑物難以實現。結合位于中心城區,改造期間需保證污水處理廠運行現狀的要求,該廠需在不停水、不大量增加構筑物的情況下完成提標和擴能改造。

2 改造前污水處理廠概況

改造前主體工藝預處理采用“粗格柵+細格柵+曝氣沉砂池”,生化處理采用“AAO+二沉池”合建的一體化池,深度處理采用“纖維濾料D型濾池+紫外消毒”。污水處理廠平面布置如圖1所示,圖中編號1～13為現狀建(構)筑物,分別是預處理間、生化池、D型濾池、紫外消毒渠、沉淀池、鼓風機房及變配電間、濾池反沖洗房及變配電間、脫水及加藥間、除臭裝置、綜合樓、車庫及倉庫、食堂、門衛。圖中編號(1)～(6)為新建建(構)筑物,分別是曝氣沉砂間、膜格柵及中間提升間、儲泥池、膜池變配電間、儲罐池、出水儀表間。改造建(構)筑物和對應改造措施如圖1所示。由圖1可知,污水處理廠剩余土地不充分,不具備大規模新增建(構)筑物的條件。

圖1 廠區平面布置

統計分析污水處理廠改造前一年的處理水量和進出水水質,其中,最大日平均處理水量達到10.8萬m3/d,超過設計規模約8%,月處理水量在全年中分布較平均。該污水處理廠處于海拔約500 m的平原地區,設計進水溫度為12～25 ℃,改造前設計與實際進出水水質如表1所示。由表1可知,該廠進水水質(月平均值)中氨氮、TP和TN濃度有超過設計值的情況,出水能達到國標一級A(TP為2004年投產時的標準,≤1.0 mg/L),但是出水達不到“兩江標準”,改造過程尤其需要考慮目前沒有達到“兩江標準”的氨氮和TP,同時需要考慮擴能對出水CODCr、TN等污染物濃度的影響。

表1 改造前設計與實際進出水水質

該廠進水基本沒有工業廢水,為典型的城鎮生活污水處理廠,生化處理工藝為AAO,具有完整的生物脫氮除磷單元。因此,在剩余土地不足情況下,提標和擴能改造的重點和難點是提高目前生化處理單元的處理效能,在不新建工藝單元的基礎上增加處理量,并提高出水水質標準。

3 改造要求及措施

該污水處理廠改造需滿足以下幾點。1)廠內剩余土地不足,且周邊環境為建成區,交通便利,但均沒有現成的擴建用地,只能在已有污水處理廠內實施提標擴能改造。2)現有生化池處理效能需提高,滿足處理水量從10萬m3/d增加到15萬m3/d,出水水質從“國標一級A”提高到“兩江標準”。3)該廠擔負著中心城區的污水處理任務,在擴能提標改造過程中必須實現不停產,維持正常生產運行。

針對提標后的排放標準,結合現有AAO生化池,考慮采用適用于高排放標準的“AAO+MBR”工藝或“AAO+二沉池+深度處理(高效沉淀池+反硝化濾池)”工藝,后者需要新建深度處理工藝,同時需要新建一部分生化處理工藝滿足擴能要求,改造過程用地面積將大大增加,不適用于本改造工程。采用“AAO+MBR”工藝不需要新建生化池,保留原有AAO生化池,將原有二沉池改造為MBR池,盡量不新增構筑物,不擴大占地面積,滿足擴能、提標和不停產改造要求。具體改造措施有以下幾點。1)預處理新增曝氣沉砂池規模,并新建膜格柵間。2)生化處理更改為“AAO+MBR”工藝,原來厭氧池保持不變,好氧池前端3個廊道劃歸缺氧池,擴大缺氧池容積,增強系統脫氮能力。將二沉池改造為膜池,增加好氧池容積,同時充分利用MBR的截留作用去除污染物,并將生化區內的活性污泥濃度提高2～3倍,達到4～10 g/L[8-9]。新增膜池至好氧池、好氧池至缺氧池、缺氧池至厭氧池污泥混合液回流系統。3)設置碳源和化學除磷藥劑投加裝置,保障出水穩定達到排放標準。4)改造施工期間合理安排,分階段實施,單池單格逐一改造,快速切割,盡量減少停水停產時間。

4 提標擴能改造方案

4.1 設計水質水量

因該污水處理廠處理水量已經達到并超過設計能力,結合統計分析和水量預測結果,本次改造工程設計處理規模為15萬m3/d,變化系數K=1.3。進水CODCr、BOD5、SS雖未達到原設計水質,但TN、TP、氨氮已超過原設計水質,通過分析實際進水水質對改造工程的進水水質進行調整,設計出水水質達到“兩江標準”,改造后設計進出水水質如表2所示,設計進水溫度為12～25 ℃。

表2 改造后設計進出水水質

4.2 工藝流程

目前,“生化池+MBR”和“生化池+移動床生物膜反應器(MBBR)”工藝均具有污泥濃度高、抗沖擊負荷、占地面積小的優點,可應用于土地受限的污水處理廠的提標擴能改造,但是MBR無需設置二沉池,擴能比例高于MBBR[5,10-11]。鑒于本項目要求提標的同時擴能1.5倍,綜合考慮提標規模、進出水水質、用地情況和改造工程要求等因素,改造主體工藝采用“AAO+MBR”,流程如圖2所示。改造工程保留現狀設施為粗格柵渠、原有曝氣沉砂池和生化池鼓風機房。改造或添加設備設施為提升泵房、細格柵渠、生化池、膜池、膜池鼓風機房、紫外線渠、加藥間和污泥脫水機房。新建設施為曝氣沉砂池、膜格柵間、中間提升、儲泥池和除臭濾池。

圖2 改造后工藝流程

4.3 主要建(構)筑物設計參數

(1)已建預處理間?，F狀粗格柵、提升泵房、細格柵、曝氣沉砂池構筑物合建在已建預處理間內。配格柵2道,每道進水渠寬為1.4 m,格柵垂直高度為9.95 m,水深為1.2 m,柵條間隙為25 mm,安裝傾角為80°。提升泵房現狀潛水泵為5臺,單泵流量Q=1 354 m3/h,揚程H=15 m,拆除一臺,新增2臺大規格潛污泵。每臺泵Q=3 250 m3/h,H=16 m,5用1備。設格柵渠3條,現狀使用2條,采用回轉式機械細格柵,渠道寬為1.25 m,渠深為2.05 m,柵條間隙為5 mm,安裝傾角為75°,本次改造增加同規格細格柵1道。曝氣沉砂池一座,分兩格,尺寸為27.46 m×9.20 m,池深為4.3 m。設計最大流量Qmax=1.50 m3/s,水平流速為0.11 m/s,水力停留時間(HRT)為2.48 min,氣水比為0.2∶1.0。

(2)曝氣沉砂間。新建曝氣沉砂間一棟,分一格,設計最大流量Qmax=0.75 m3/s,水平流速為0.11 m/s,HRT為2.48 min,氣水比為0.2∶1.0。

(3)膜格柵間。安裝板式細格柵,進水渠寬為0.8 m,出水渠寬為1.6 m,安裝角度90°,柵條間隙1 mm。

(4)生化池。理論HRT為10.0 h,其中,厭氧區為0.816 h,缺氧區為3.43 h,好氧區為5.75 h(含膜池好氧區和膜區)。厭氧池污泥質量濃度(MLSS)為3.41 g/L,缺氧池MLSS為5.12 g/L,好氧池MLSS為6.4 g/L,膜池MLSS為8.0 g/L。膜池回流至好氧池回流比為400%,好氧池回流至缺氧池回流比為400%,缺氧池回流至厭氧池回流比為200%。生化池氣水比為4.76∶1.00,膜池前好氧區氣水比為1.01∶1.00。

(5)膜池及配套設備間。本工程的核心是將現狀的沉淀區改為膜池,如圖3所示。5格沉淀區分別改為5格膜池,每格膜池包括4個廊道,每個廊道安裝10個膜架。每格膜池包括好氧區、膜區,其中,好氧區HRT約為0.485 h,膜區及污泥回流區HRT約為1.667 h。MBR采用聚偏氟乙烯(polyvinyli-dene difluoride,PVDF),孔徑為0.1 μm,每個膜架108片膜,每個膜架產水量為31.25 m3/h。膜區氣水比為15.54∶1.00,產水周期為10 min,產9 min停1 min。膜絲維護性清洗周期為1～3 d,采用200～300 mg/L的次氯酸鈉。膜絲恢復性清洗周期90～180 d,分別采用1 000～3 000 mg/L的次氯酸鈉+氫氧化鈉和0.5%～3.0%的檸檬酸。

圖3 改造前后膜池平面布置

(6)膜池鼓風機房。將現狀D型濾池的反沖洗房改造為膜池鼓風機房?？諝鈶腋渭壐咚匐x心鼓風機6臺,其中用于提供為膜區膜設備提供吹掃空氣的鼓風機4臺,3用1備,Q=180 m3/min,H=5.5 m;用于膜池好氧區曝氣的鼓風機2臺,1用1備,Q=105 m3/min,H=5.5 m。

(7)儲泥池。原有儲泥池1座,尺寸為3 m×3 m,高度為4.0 m。新建兩座儲泥池,直徑為10 m,高度為4.0 m。

(8)脫水機房。脫水機房內原有且繼續使用的設備有轉篩濃縮機2臺,每臺處理能力為75 m3/h,離心脫水機2臺,每臺處理能力為15 m3/h。新增臥式螺旋沉降離心濃縮脫水一體機1臺,處理能力為70 m3/h。

(9)紫外線渠?，F狀消毒渠為2道,平面尺寸為9.0 m×5.5 m,渠深為1.55 m,改造后渠深為1.95 m。

4.4 不停水施工方案

本次改造施工周期為8個月,經過合理安排和論證,施工過程除短時間停水外,可以保證污水處理廠現狀運行,在維持正常運行情況下完成擴能提標改造。結合圖1和圖3所示建(構)筑物平面圖,按以下次序完成不停水施工。

(1)維持現狀運行條件下,建設5萬m3/d的曝氣沉砂池并將新建曝氣沉砂池進水管鋪設至接管位置。同時,建設膜格柵南側出水管道,分別至現狀生化池進水管、現狀曝氣沉砂池南側的出水管道碰頭位置。此外,在現狀細格柵渠安裝5萬m3/d的細格柵。

(2)短時間停水,將現狀曝氣沉砂池與生化池之間的連接管道上生化池處的閥門關閉,管內污水排出,將新建膜格柵南側出水管道分別與現狀曝氣沉砂池南側的出水管道、現狀生化池南側進水管道相連接。同時,更換連接現狀北側曝氣沉砂池和現狀北側生化池的管道。

(3)重新以10萬m3/d規模運行,建設15萬m3/d的中間提升泵房和膜格柵。同時,將1號沉淀區改造成1號膜池,改造過程中,2號、3號、4號、5號沉淀區仍維持運行,處理現狀污水處理廠10萬m3/d污水量。期間將膜池回流管道暫時回流至現狀污泥回流渠道,同時完成膜池出水管道工程(期間短時停水)。

(4)改造1號生化池內部,并改造和切改相關管渠。同時,將2號沉淀區改造成2號膜池。一格粗格柵間擴建5萬m3/d的水泵和管道,同時連接一組現狀曝氣沉砂池與膜格柵之間管道、一組新建曝氣沉砂池與膜格柵之間管道、一組膜格柵出水管道。

(5)將3號沉淀區改造成3號膜池。

(6)改造2號生化池內部,并改造和切改相關管渠。同時,將4號沉淀區改造成4號膜池。

(7)將5號沉淀區改造成5號膜池。

(8)連接新建曝氣沉砂池進水管道與預留管道,同時,連接一組現狀曝氣沉砂池與膜格柵之間管道、一組膜格柵出水管道,完成膜池出水管至紫外消毒渠出水井管道工程(期間短時停水)。

5 改造后運行情況

該污水處理廠提標擴能改造后,調試穩定后基本可以滿負荷運行,進出水月平均值如表3所示,出水可穩定達到“兩江標準”。

表3 改造后實際進出水水質

提標擴能改造后,用地面積沒有增加,處理規模為改造前的1.5倍,且出水水質標準提高。如圖4和圖5所示,相比原“AAO+二沉池”工藝,“AAO+MBR”工藝有三級回流,回流至厭氧區的混合液來源于缺氧池,溶解氧或硝酸鹽濃度相對更低,更易控制厭氧區低氧化還原電位(ORP)環境,有利于聚磷菌釋磷,強化反硝化除磷,實現“一碳兩用”。與傳統脫氮除磷相比,反硝化除磷可以節省30%的曝氣量和50%的碳源需求[12-13]。經測定該廠改造后缺氧區的反硝化除磷比例長期保持在50%以上。同時,“AAO+MBR”工藝避免了二沉池內發生釋磷和反硝化。改造后厭氧區和好氧區(包括膜區)的HRT降低,缺氧區的HRT增加,同時缺氧區和好氧區的MLSS顯著增加,如表4所示。工藝的優化,污泥濃度的增加以及MBR的截留作用,保障了擴能和提標的雙重目標。

表4 改造前后生物池HRT和MLSS

圖4 AAO+二沉池工藝流程

圖5 AAO+MBR工藝流程

6 結論

(1)在提標擴能雙重要求下將污水處理廠的核心工藝由“AAO+二沉池”改造為“AAO+MBR”,充分利用MBR的截留作用,提高生化區MLSS,處理規模由10萬m3/d提升到15萬m3/d,出水標準從“國標一級A”提高到“兩江標準”。

(2)改造過程合理安排施工次序,縮短施工周期,單池單格逐一改造,避免長時間停水,降低對生產運行的影響。

(3)污水處理廠剩余土地面積有限,改造過程充分挖掘和利用原有構筑物的功能,優化原有AAO池各區域比例,將原有二沉池改造為MBR池,不大規模新增構筑物,不新增用地,避免大拆大建。