AA/RPIR+磁混凝工藝在城市污水處理廠擴能改造中的應用

王 磊,俞 健,張敏君

(1.昆山建工環境投資有限公司,江蘇昆山 215300;2.昆山建邦環境投資有限公司,江蘇昆山 215300)

AA/快速生化污水處理技術(RPIR)工藝是將RPIR技術與AAO工藝相結合,采用RPIR取代傳統AAO工藝的好氧段及二沉池,進而強化污水處理效果的新型工藝技術。AA/RPIR工藝的核心原理為RPIR技術,其本質屬于活性污泥法。國內成功案例[1-2]指出AA/RPIR具有傳統工藝不具備的優點:占地面積省、設備投資低、啟動快、系統運行穩定性強、出水穩定、抗沖擊能力強等。磁混凝是一種高效的固液混合方法,磁粉的加入能加速絮凝體形成,從而促進高效固液分離優于常規混凝技術[3]。磁混凝工藝對于SS、TP等的去除效果也很優異[4],同時因為其表面加載速率比一般絮凝高,占有的土地面積更小。國內將AA/RPIR工藝與磁混凝工藝結合[5-8],能實現更小的占地面積及更好的脫氮除磷效果,同時降低能耗,實現了反應、沉淀、出水一體化[5]。

1 工程介紹

1.1 擴建背景

昆山某污水處理廠位于滬寧高速及312國道夾角地帶,總規模為12.5萬m3/d,一期工程(6.25萬m3/d)已于2015年9月建成投產,采用AAO+高密度沉淀池+V型濾池污水處理工藝,尾水排入小瓦浦河后最終進入吳淞江。該項目尾水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準,2020年通過工藝改造提標至《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)標準,2021年開始通過強化管理措施達到“蘇州特別排放限制”標準。隨著該地工業園區不斷擴增和人口的不斷增加,自2018年7月開始該污水廠水量一直處于超負荷狀態,運行壓力大,擴能改造工程建設迫在眉睫。但是由于現場占地面積非常有限,常規的AAO工藝無法安置,而膜生物反應器(MBR)工藝又有能耗過大、運行成本過高[9]等缺點,因此,綜合考慮最終確定采取AA/RPIR+磁混凝工藝進行擴能改造。

1.2 方案論證

1.2.1 原進出水水質

污水廠原設計進出水水質如表1所示。該廠進水水質波動較大,主要是雨季對污水水質的稀釋作用引起,隨著該地區雨水管網配套設施的不斷完善,水質會趨于穩定。由表1中出水數據可知,一期水質完全達到出水排放標準DB 32/1072—2018要求,另外除了TN有所波動外其余數據都達到了“蘇州特別排放限值”標準要求。因此,本次擴能改造完成后的重點就是通過管理手段保證TN的穩定達標。同時,氨氮去除效果良好,可以推斷出TN中硝態氮含量較高,因此,可以通過降低硝化末端DO,并適量投加碳源來提高反硝化速率。

表1 污水廠進出水水質Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality of WWTP

1.2.2 進水濃度累計頻率分析

為了進一步明確現狀進水情況,對現階段進水水質進行濃度累計頻率分析,如圖1所示。從目前水質情況來看,水質變化幅度相對穩定,設計進水水質中CODCr、氨氮、TN及TP的覆蓋率均可以滿足實際進水水質的95%,但是進水BOD5和SS的覆蓋率均低于80%,因此,需要強化對于BOD5以及SS的去除效果。為了保證設計進水水質覆蓋率均提升至95%,本次改造將進水BOD5和SS標準分別調整為180 mg/L和150 mg/L,其余進出水設計標準值均不變。

圖1 進水累計頻率Fig.1 Cumulative Frequency of Influent

1.2.3 建設形式方案選擇

本次改造建設形式備選方案有:(1)地上單層加蓋(無檢修層);(2)半地下式布局(雙層加蓋);(3)全地下式布局(雙層加蓋)。由于地下污水廠工程投資大,運行成本高,原一期工程現場建成部分地上設施難以與地下工程形式相協調,本次改造最終還是確定采用地上單層加蓋作為建設形式,池頂僅設置檢修孔及觀察孔,其余覆土綠化。具體比選情況如表2所示。

表2 建設形式比較Tab.2 Comparison of Construction Forms

1.2.4 主體工藝及深度處理工藝

本工程主體工藝優先采用效率高、運行可靠、占地省的工藝。本工程深度處理的目的主要是通過降低SS值進一步降低水中其余指標。在綜合考慮水質、造價和占地等問題后決定采用AA/RPIR作為主體工藝,采用磁混凝沉淀池+濾布濾池作為深度處理工藝。

1.3 工藝流程

該工程設計規模為6.25萬m3/d,總變化系數KZ=1.3,設計出水標準參照DB 32/1072—2018,工藝流程圖如圖2所示。

注:PAC為聚合氯化鋁;PAM為聚丙烯酰胺。

1.4 擴能改造主要構筑物及設備

1.4.1 AA/RPIR池

AA/RPIR池總設計規模為6.25萬m3/d,變化系數為1.3,分為厭氧池2組、缺氧池2組、RPIR(好氧)池2組和兼氧脫氣池2組,其中好氧池單組尺寸為27.7 m×25.8 m×9.0 m,有效水深為7.5 m(其中,2.8 m為RPIR模塊,模塊高度范圍不計入好氧區,模塊間0.5 m間距計入好氧反應區),池頂覆土綠化面積為3 789 m2。好氧池至缺氧池回流比為400%,缺氧池至厭氧池為200%,RPIR表面負荷為1.5 m/h。主要新增設備:RPIR模塊158套(L×B×H=5.0 m×2.4 m×3.0 m),薄膜盤式微孔曝氣器6 464套單臺曝氣量為4 m3/h,缺氧池至厭氧池新增11 kW穿墻回流泵3臺(2用1備),好氧池至缺氧池新增11 kW穿墻回流泵7臺(6用1備),新增潛水推流器若干等。

1.4.2 磁混凝沉淀池

新建磁混凝沉淀池由混凝反應器、高剪機、磁鼓等組成。設計規模為6.25萬m3/d,變化系數為1.3,沉淀池尺寸為34.2 m×13.8 m×8.0 m。沉淀池表面負荷為17 m/h,磁粉為2～4 mg/L,有效水深為7 m。主要設備有:混合攪拌器2臺,磁混凝攪拌器2臺,絮凝攪拌器2臺,刮泥機及高剪機各2臺,污泥回流泵2用1備,剩余污泥泵2用1備,排污泵1用1備等。

2 結果和討論

2.1 實際運行情況

該擴能項目自2022年8月正式通水,目前處理水量為4.3萬m3/d,出水水質已經完全達到了“蘇州特別排放限值”標準要求。分析2023年1月—3月數據,進出水水質及污染物平均去除情況如表3所示。

表3 實際進出水水質及去除率Tab.3 Influent and Effluent Quality and Removal Rate

2.1.1 對污染物的去除效果

連續進出水水質情況如圖3所示。

圖3 污染物濃度去除效果Fig.3 Removal Efficiency of Pollutants Concentration

(1)進水CODCr質量濃度在138～322 mg/L,平均值為229.07 mg/L;出水CODCr質量濃度在10～20 mg/L,平均值為13.38 mg/L,完全達到出水標準要求。CODCr平均去除率為94.2%,優于同廠一期AAO工藝及同類項目[5-8],體現了該工藝對污染物良好的去除效果,尤其在面對進水水質波動時表現出良好的穩定性。

(2)進水BOD5質量濃度在56.8～135 mg/L,平均值為96.05 mg/L;出水BOD5質量濃度在2.0～3.1 mg/L,平均值為2.31 mg/L,滿足出水標準。BOD5平均去除率為97.6%,與同廠一期AAO工藝去除效果一致,優于同類項目[5,8]去除效果,說明該工藝對進水中的有機物具有良好的去除效果。

(3)進水SS質量濃度在75～119 mg/L,平均值為97.31 mg/L;出水SS質量濃度在5～9 mg/L,平均值為6.31 mg/L。SS平均去除率為93.5%,比同類項目[5,7-8]去除效果稍差,與AAO去除效果一致。部分運營時段局部RPIR出水模塊會出現泡泥,如果配合濾布濾池將能進一步提高SS去除效果。但由于目前出水已經穩定達標,出于節能降耗的目的,暫時未開啟濾布濾池,僅將之作為應急池備用。

(4)進水氨氮質量濃度在20.1～46.4 mg/L,平均值為32.60 mg/L;出水氨氮質量濃度在0.111～1.31 mg/L,平均值為0.313 mg/L,在冬季低溫狀態下依然能達標排放。氨氮平均去除率為99.0%,優于同廠AAO工藝及其他同類項目[5-8],說明該項目RPIR池硝化效果極好。

(5)進水TN質量濃度在21.9～48.8 mg/L,平均值為34.90 mg/L;出水TN質量濃度在4.68～9.89 mg/L,平均值為7.86 mg/L,C/N=6.6,即使在冬季低溫狀態下不投加外部碳源也能實現達標排放。因為RPIR模塊底部的非曝氣區域呈缺氧狀態,不僅取代了部分二沉池的作用還可同步實現反硝化,達到高效脫氮的目的。TN平均去除率為77.5%,優于同類其他項目[5-7],但是卻不如同廠一期AAO工藝去除效果。主要原因是:外管網缺水導致實際處理水量僅4.3萬m3/d,屬于低負荷運行;RPIR池曝氣系統設備提供的DO濃度無法大幅度調低,回流至缺氧段DO偏高導致TN無法進一步去除。隨之帶來的還有RPIR高能耗問題,雖然TN目前已經實現達標排放,但出于節能降耗考慮廠區已經計劃對設備進行技改,通過增加變頻器、精確曝氣控制、備用低功率設備等方式來控制DO、降低能耗,提高TN去除效率。

(6)進水TP質量濃度在1.9～5.99 mg/L,平均值為3.96 mg/L;出水TP質量濃度在0.03～0.18 mg/L,平均值為0.082 mg/L。此項工程通過將生化除磷和化學除磷相結合的方式來保障除磷效果。RPIR池出水TP實測值在0.39～0.99 mg/L,此時TP去除率已達到75.0%～90.2%,生化除磷效果較好。后續磁混凝沉淀池中由于磁種的重力作用加快了絮體的沉降速度,有效提高了處理效率,實現了高效除磷,配合加藥出水TP由原來的質量濃度≤0.5 mg/L提標到質量濃度≤0.3 mg/L。TP平均去除率為97.9%,優于其他同類項目[5-7],但是卻不如同廠AAO和同類項目4[8],如表3所示。由于TP已達標排放,磁混凝的精確加藥控制會是下階段研究重點。

2.1.2 RPIR沿程分析結果

沿程各單元污染物濃度變化情況(圖4),圖中濃度為各單元出水口濃度 。

(2) 進水TP經過厭氧池沒有大幅度提高,可見污泥中的磷沒有得到充分釋放,而經過缺氧池后TP的濃度卻出現大幅度降低,去除率達到了89%,證明了反硝化聚磷菌(DPB)的存在,該缺氧池能同步實現脫氮除磷。再經過RPIR池,在好氧聚磷菌(PAO)作用下TP被污泥吸收質量濃度降到了0.41 mg/L,已滿足出水設計標準要求。最后經過磁混凝后TP質量濃度降到了0.03 mg/L,滿足蘇州特別排放限值管理要求。

2.2 經濟效益分析

2.2.1 工程投資分析

在原廠址不增加建設面積的基礎上進行擴能改造,項目總投資額為13 599.4元(100%環保投資),其中工程費用為11 530.6元。項目建設期2年,生產運營期14年。

2.1.2 財務分析

建設前本項目單位總成本預計1.15元/m3,經營成本預計0.72元/m3,測算收費單價為1.65元/m3,測算借款償還期(不含建設期)為6.3年。

2.1.3 運行成效分析

以“蘇州特別排放限值”標準值為基準,用2023年1月—3月實際出水水質推算該項目建成后的年污染物減排量如表4所示。由于出水標準提標至優于設計標準(DB 32/1072—2018),該項目通過工藝調控等管理手段實現了CODCr、氨氮、TN、TP等指標的有效減排。

表4 污染物減排量Tab.4 Discharging Reduction of Pollutant

2.1.4 運行能耗分析

針對新增工藝能耗分析如表5所示。擴能改造后新增RPIR工藝的噸水電耗占了全廠能耗的38%。與武漢某同類項目的噸水電費0.13元[7]比較發現,本項目調試期電費噸水成本約0.216元,偏高,但武漢該項目執行標準為GB 18918—2002,本項執行的標準遠高于此。運營期穩定后噸水耗電成本下降到0.206元,較深圳某同類項目的0.252元[8]偏低,且本項目出水標準要求的TN質量濃度≤10 mg/L是高于深圳該項目出水標準要求的。根據本項目目前的實際情況分析,外管網缺水造成的進水的低負荷運行(≤68.8%)是引起噸水能耗無法進一步下降的主要原因。大多數大功率設備都在低效區運轉,尤其是曝氣風機的開度無法進一步調小造成RPIR末端DO質量濃度維持在1.5 mg/L附近,而同廠執行同樣出水標準的一期AAO工藝的生化池末端DO一般維持在1 mg/L附近。后期隨著處理水量回升,這部分噸水能耗將會有所回落。綜合以上,本項目的實際運行能耗水平是優于國內同類其他項目的。

表5 能耗分析Tab.5 Analysis of Energy Consumption

2.1.5 運行藥耗分析

本工程主要涉及的水處理藥劑如表6所示。經過調試,磁混凝中PAC及PAM加藥量已減少到最初的1/6,PAC+PAM噸水耗藥本由工藝調整前的0.026元下降至0.004 6元;磁粉費用計入建設期投資成本,其噸水藥劑成本按2023年預算水量均攤,由于該項目運營期較短,目前暫未獲取磁粉損耗數據;次氯酸鈉需按固定濃度投加確保出水糞大腸菌群穩定達標。AA/RPIR工藝在脫氮方面的優勢極為明顯,即使在溫度較低的冬季運行,在沒有外加碳源(乙酸鈉)時,依然能實現出水TN質量濃度≤10 mg/L的管理目標。與同類項目[16]相比,本項目將各項藥劑成本控制在較好范圍,占同類項目的1/10不到。另外,由于實際生產中測得RPIR池出水TP質量濃度基本維持在0.3～1.0 mg/L,如能將其穩定控制在0.3 mg/L以下,那么理論上磁混凝沉淀池除磷劑用量還能有進一步的節省空間。

表6 藥耗分析Tab.6 Analysis of Chemicals Consumption

3 結論

(1)AA/RPIR與磁混凝沉淀工藝的結合有效節省了工程占地面積,建設面積在原來該污水廠5 200 hm2的基礎上僅增加了8.57 hm2,而處理水量卻提升了一倍。運營期噸水耗電成本為0.206元,總噸水耗藥成本由調試期0.046 2元下降至0.024 8元,磁混凝PAC+PAM噸水藥耗則由0.026元下降至0.004 6元。

(2)該工藝對CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN的去除效果均達到了出水排放管理要求,其中CODCr質量濃度≤30 mg/L、BOD5質量濃度≤10 mg/L、SS質量濃度≤10 mg/L、氨氮質量濃度≤1.5(3) mg/L、TN質量濃度≤10 mg/L。

(3)RPIR高效脫氮優勢明顯,在冬季不外加碳源情況下,仍然能保證TN質量濃度最高不超過9.89 mg/L。

(4)AA/RPIR具有良好的生物除磷效果,生化除磷占75.0%～90.2%,剩余部分基本由磁混凝加藥脫除直至達標排放。