大型污水處理廠集約式多段AAO低耗工藝設計

龔曉露

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

生態文明建設已納入國家發展總體布局,污水處理廠的建設是踐行生態文明建設的重要舉措。我國污水處理廠特別是南方地區污水處理廠存在進水碳氮比低、運行能耗大等問題,隨著排放標準的不斷提高,污水處理能耗將進一步增大,如何采用低能耗的污水處理工藝,已成為污水處理的熱點議題。此外,建設年代較遠的污水處理廠受工藝限制,存在占地較大的情況,當需要進行擴建或提標改造時,面臨新建部分用地指標受限的問題。近年來,以多段AO串聯為特征的多段處理工藝逐漸得到應用,在天津張貴莊、上海泰和等大型污水處理廠取得了較好的效果,發揮了提質增效的作用[1]。

本文通過對擴建工程存在的難點分析,設計采用了針對性強、去除率高、用地緊湊、能耗節約的多段AAO處理工藝,并在工程設計時將一座20萬m3/d規模的核心處理構筑物集約化建設,可為類似污水處理廠建設工程提供借鑒。

1 項目概況

上海海濱污水處理廠位于上海市浦東新區,與老港垃圾填埋場相鄰。服務范圍主要包括浦東新區中部區域(S32以南、大治河以北區域),服務面積約為443 km2。廠區一期工程現狀規模為20萬m3/d,隨著地區污水量快速增長,需進行擴建。擴建工程規模為20萬m3/d,擴建后全廠總規模為40萬m3/d,為上海郊區最大的污水處理廠,也是目前全市第三大污水處理廠。污水處理廠進水受工業廢水和填埋場滲瀝液尾水影響,水質濃度常年較高且可生化性較差,同時工程規模大但用地緊張,規劃面積約為9.7×104m2,單位處理量用地指標為0.485 m2/(m3·d-1)。工程于2020年10月啟動建設,2022年9月通水驗收,污水處理效果達到設計預期,取得了良好的工程效益。

2 設計水質及工藝流程

2.1 設計水質及標準

對現狀污水廠2013年1月—2019年6月的實際進水水質進行了統計,污水廠進水中污染物組分較復雜,且各項進水指標均較高,其中CODCr質量濃度甚至有連續超過污水納管標準規定的500 mg/L的情況。

根據《關于組織開展本市城鎮污水處理廠升級改造方案編制工作的通知》(滬水務〔2012〕662號)的文件要求,進水水質需考慮如下取值要求:有機物(CODCr、BOD5)和SS采用全年85%的天數都不超過的值,營養物(TN、氨氮、TP)采用全年90%的天數都不超過的值。工程設計進水水質的取值應結合地區污水處理廠的水質特點和進水實際濃度情況,并考慮地區發展可適當留有發展余地。經綜合研究,海濱污水處理廠擴建工程設計進水水質最高值以污水排入下水道水質標準限值為取值原則,并結合實際進水頻率分析和發展趨勢確定。

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標準。污泥處理根據規劃要求脫水至含水率為80%后送至集中污泥處置中心進行干化焚燒處置。

設計進水水質和出水水質取值如表1所示。

表1 設計進水、出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 處理工藝的選擇

(1)污水處理水質指標分析

通過對污水處理廠設計進出水水質指標分析,確定生物處理的可行性,以及需優先和重點控制的指標。

① CODCr/BOD5

擴建工程設計進水CODCr質量濃度為500 mg/L,BOD5質量濃度為170 mg/L,CODCr/BOD5≈2.9,污水生物降解性能較差。由于進水中含有一定量的垃圾滲濾液成分,生物可降解性較差,但考慮滲濾液排放標準的提高,進水的可生物降解性能可適當提高。

BOD5設計去除率約為94%,采取生物脫氮除磷工藝后較容易滿足。CODCr設計去除率為90%,對于以生活污水為主并含有部分達標排放工業廢水的城市污水,一般CODCr出水質量濃度能達到50 mg/L以下。擴建工程含有工業廢水和填埋場滲瀝液尾水,為應對地區發展的不確定性,預留高級氧化深度處理措施。

② TN/氨氮

擴建工程進水TN質量濃度為52 mg/L,BOD5質量濃度為170 mg/L,BOD5/TN≈3.3,碳源基本滿足生物脫氮的要求。通過合理碳源分配、控制工藝參數,可以達到出水TN質量濃度≤15 mg/L。但在污水處理工藝選擇時,仍需要對碳源合理利用來保證TN的達標排放。同時為進一步提高出水TN達標保證率,需要預留碳源投加設備。

氨氮設計去除率約為85.7%,進水氨氮的去除主要靠硝化過程來完成,氨氮的硝化程度將成為控制生化處理好氧單元設計的主要因素,必須進行完全硝化。

③ TP

擴建工程進水TP質量濃度為8 mg/L,BOD5質量濃度為170 mg/L,BOD5/TP≈21.3,僅生物除磷難以達到出水要求,需在深度處理階段增加化學輔助除磷確保TP達標。

(2)生物處理工藝的選擇

根據進出水設計水質分析,擴建工程需選擇高效的生物脫氮除磷工藝,確保出水達標排放。多點進水多段AAO工藝由多個串聯的AO組成,污水按設定的比例從缺氧段進入生物反應池,回流污泥從反應池首端進入。該工藝具有脫氮效率高、污泥濃度高、碳源利用充分、抗沖擊負荷能力強和節能降耗等特點。海濱污水處理廠擴建工程進水BOD5/TN較低,且出水TN質量濃度需達到15 mg/L以下,相較于傳統AAO工藝,采用多段AAO工藝,在提高處理效果基礎上,保證工藝可靠性,特別是解決水質處于低碳高氮時的出水達標。

①脫氮效率高。多點進水多段AAO工藝的TN去除效率與AO段數和污泥回流比有關,AO分段數越多,即進水分段越多,污泥回流比越大,生物處理的脫氮效率越高。若多點進水多段AAO工藝分為3段,各段進水比例相同,污泥回流比取100%,則生物處理的脫氮效率為83%。常規AAO工藝需要污泥回流比為100%、混合液回流比為400%才可達到相同的脫氮效率。

②污泥濃度高。多點進水多段AAO工藝的進水分段進入生物反應池,污泥回流全部進入第一段厭氧區,由此在生物反應池內形成污泥濃度的梯度變化。前幾段的污泥濃度高于常規AAO工藝,使得污泥負荷降低,污染物降解徹底。若多點進水多段AAO工藝分為3段,各段進水比例相同,污泥回流比取100%,污泥回流質量濃度為7 g/L,則各段生物池的污泥質量濃度分別為5.3、4.2、3.5 g/L,生物反應池平均污泥質量濃度為4.3 g/L,高于常規AAO工藝(3.5 g/L)。

③碳源充分利用。污水進水分段進入缺氧區,使得碳源高效利用于反硝化脫氮,進水碳源利用效率更高,進而提高脫氮效率。

④抗沖擊負荷能力強。多點進水多段AAO工藝具有較高的污泥濃度和較低的污泥負荷,可根據污水處理廠進水水量水質的波動,靈活調整進水點和進水流量分配比例,以達到穩定的污染物去除效率,提高生物反應池的抗沖擊負荷能力。

⑤節能降耗。多點進水多段AAO工藝采用后置反硝化去除TN,一般情況無需設置混合液回流,降低回流能耗。進水分段進入缺氧區,進水碳源利用效率更高,對于碳氮比較低的污水可顯著減少外部碳源投加量。

(3)深度處理工藝的選擇

高效沉淀池可通過混凝沉淀有效去除污水中的TP和SS,考慮進水TP僅生物除磷難以達到出水要求,設置高效沉淀池進行化學除磷,保障TP達標。深床濾池主要去除TN和SS,進水碳源基本滿足生物脫氮的要求,但為提高出水TN達標保證率,并為后續進一步升級改造預留余地,設置深床濾池。因此,深度處理采用高效沉淀池+深床濾池。

進水工業廢水占比高,且納入了老港填埋場三期和四期的垃圾滲濾液,特別是經過處理后的垃圾滲濾液,所殘留的CODCr絕大部分為不可降解可溶性CODCr,無法通過生物降解去除。因此,將高級催化氧化技術作為降解溶解性不可生物降解CODCr、確保出水CODCr達標的主要手段。參考一期工程僅預留臭氧催化氧化池的土建,且考慮到擴建后污水成分會發生波動和不確定性,本次擴建工程臭氧催化氧化池僅建設土建部分,設備暫緩實施。

(4)集約化設計

工程用地面積為9.7×104m2,指標僅為國家標準的60%。考慮到用地指標的局限,設計采用平流式初沉池和矩形周進周出二沉池,并且采用與生物反應池合建形式,形成初沉池、生物反應池和二沉池三聯體,同時池頂豎向疊合建設配電、控制和除臭設施,使土地資源最大化得到利用。總平面布置同樣考慮集約化設計,統籌銜接進出水、供配電設施、場地給排水等,分區布置預處理區、污水主處理區、深度處理區和污泥處理區。

根據本項目進出水水質情況,各項控制指標的控制次序如表2所示。

表2 污水水質各項控制指標控制次序Tab.2 Order of Various Indices Control of Wastewater Quality

2.3 工藝流程

本工程污水處理采用“預處理(曝氣沉砂)工藝+前處理工藝(初沉池)+生物處理主體工藝(多段AAO工藝)+深度處理工藝(混凝沉淀過濾)”組合式污水處理工藝路線,并輔以次氯酸鈉消毒工藝。該工藝具有良好的水質適應能力、處理效果穩定、切換模式靈活、運行能耗低等優點[2]。污泥處理采用機械濃縮脫水一體化工藝。工程整體流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

3 工程設計

3.1 總平面布置和工程分組

擴建廠區總平面布置遵循功能分區、流程簡捷、負荷集中、交通順暢、便于養護等原則,由西向東共布置以下區域:(1)預處理區,布置配水井、細格柵及曝氣沉砂池;(2)污水主處理區,主要構筑物有初沉池、生物反應池、二沉池、鼓風機房、變電所;(3)深度處理區,包括中間提升泵房及高效沉淀池、深床濾池、消毒氧化池、加藥加氯間、臭氧發生器間等;(4)污泥處理區,主要布置儲泥池、污泥濃縮脫水機房及料倉等。

考慮到全廠40萬m3/d中一期已按5萬m3/d規模分組,且擴建工程用地面積較小,本次擴建工程的20萬m3/d中,預處理、深度處理按一座建設,二級處理按一座污水處理構筑物建設,分成兩組,每組10萬m3/d,每組處理單元均可獨立運行。

3.2 預處理單元設計

污水廠總進水管為壓力進水管,因此,不設置粗格柵和進水泵房。預處理單元包括配水井、細格柵及曝氣沉砂池,初沉池與生物反應池合建。

(1)細格柵:共設置2道,分別為6臺轉鼓式格柵除污機(格柵間隙為6 mm)以及6臺網板式細格柵(格柵間隙為3 mm)。

(2)曝氣沉砂池:分為2組共4格,高峰流量時水力停留時間為6.9 min,單格凈寬為4.0 m,設計有效水深為3.0 m,有效長度為30 m。

3.3 主處理單元設計

主處理單元包括初沉池、生物反應池和二沉池,以及輔助的鼓風機房。

(1)初沉池:去除進水中不可降解無機物,以減少后續生物反應池的負荷。設計為平流式沉淀池,分2組,每組處理規模為10萬m3/d,可單獨運行,每組分3格。高峰流量時表面負荷為3.47 m3/(m2·h),水力停留時間為0.92 h,有效水深為3.2 m。當進水濃度較高或雨季時,污水進初沉池;當平時進水濃度較低時可超越初沉池。

(2)生物反應池:采用分點進水多段AAO工藝。建設1座構筑物,分2組,每組處理規模為10萬m3/d。

針對進水水質特點,生物處理工藝必須考慮工藝的成熟性、可靠性和穩定性,同時還要考慮工藝的適應性和靈活性。

本次設計中,將污水生物處理工藝優化為多段AAO工藝,從而更能適應污水廠進水水質的波動變化,提高污水處理的穩定性。海濱污水處理廠擴建工程進水BOD5/TN較低,且出水TN質量濃度需達到15 mg/L以下,采用多段AAO工藝,在提高處理效果基礎上,保證工藝可靠性,特別是解決水質處于低碳高氮時的出水達標。此工藝運行模式如下:污水分別進入缺氧池A1、缺氧池A2和缺氧池A3,需要強化除磷時,部分污水進入厭氧池,外回流污泥進入缺氧池A1,好氧內回流進入缺氧池A3,形成多段AAO工藝。

多段AAO處理流程如圖3所示,生物反應池主要工藝參數如表3所示。

圖3 多段AAO工藝功能分區布置Fig.3 Functional Area Layout of Multi-Stage AAO Process

表3 多段AAO工藝參數Tab.3 Designed Parameters of Multi-Stage AAO Process

本工程多段AAO除常規優勢外,還有以下技術特點:

① 厭氧池保留進水點,可強化厭氧釋磷效果;

② 好氧內回流在第三段AO中進行,第一段和第二段AO維持高污泥濃度,減小池容;

③多段AAO生物反應池的各池長度相等,寬度按比例分隔(圖4),池內的進水、回流、空氣管、除臭管均設置渠道,互不干擾,便于維護管理[3]。

圖4 生物反應池多段AAO工藝布置Fig.4 Layout of Biological Reaction Tank with Multi-Stage AAO Process

(3)二沉池:設計采用平流式周進周出二沉池,與生物反應池合建,寬度基本相同。1座構筑物分2組,每組處理規模為10萬m3/d,每組分為8格,共16格。二沉池峰值流量考慮疊加濾池反沖洗水。最大表面負荷為1.30 m3/(m2·h),有效水深為4.5 m,設計流量下水力停留時間為3.45 h。

(4)鼓風機房:為生物反應池提供氧氣,保證生物系統正常運行。共設置單級離心鼓風機8臺,6用2備,單機流量為180 m3/min,設計氣水比為7.78。

3.4 深度處理單元設計

深度處理單元包括中間提升泵房及高效沉淀池、深床濾池、消毒氧化池、加藥加氯間等。

(1)高效沉淀池:通過混凝沉淀工藝輔助除磷。沉淀區分4組,每組處理規模為5萬m3/d,直徑為16 m,水深為7 m,高峰負荷為15.54 m3/(m2·h)。

(2)深床濾池:對沉淀池出水進行過濾,以進一步去除SS及附著在SS上的TP等污染物;通過投加碳源,可進一步去除TN。1座濾池,共分20格,高峰流量設計濾速為6.23 m/h。本次擴建工程設置乙酸鈉投加裝置作為應急補充,在進水碳源不足時投加。

(3)消毒氧化池:進水工業廢水占比高,且納入了老港填埋場三期和四期的垃圾滲濾液,特別是經過預處理后的垃圾滲濾液,所殘留的CODCr絕大部分為不可降解可溶性CODCr,無法通過生物降解去除,因此,將高級催化氧化技術作為降解溶解性不可生物降解CODCr、確保出水CODCr達標的主要強化手段。考慮到擴建后污水成分會發生波動和不確定性,為節省工程投資,本次擴建工程臭氧的土建部分建設,設備暫緩實施。消毒氧化池池容按臭氧催化氧化所需的50 min設計,近期投加次氯酸鈉以保證尾水糞大腸菌群消毒達標[4]。

3.5 污泥處理單元設計

污泥處理單元主要布置有儲泥池、污泥濃縮脫水機房及料倉等。

污泥濃縮脫水機房規模為20萬m3/d污水處理對應的污泥量(53.3 t DS/d),包括初沉污泥24.3 t DS/d、剩余污泥20.0 t DS/d和化學污泥9.0 t DS/d,混合污泥含水率為99.0%。采用離心濃縮脫水一體機6臺,5用1備,污泥脫水至80%后由泵送或車運至臨近的污泥處置中心進行干化焚燒處置。

4 設計特點

(1)安全韌性,污水處理保障率高

海濱污水處理廠接納浦東中部地區污水以及上海老港基地滲濾液尾水,進水濃度高、波動大、成分復雜。污水處理針對性采用三段式處理工藝,實現工藝高效性、運行穩定性、調整靈活性和出水保障性。

(2)綠色低碳,降低污水處理能耗

采用的三段式強化脫氮除磷多段AAO工藝,高效利用寶貴的進水碳源,設置多點進水可調節各段進水比例,降低內回流比及其能耗。配合鼓風機和曝氣量精準調控,實現全方位的節能降耗,降低運行成本。

(3)集約節約,充分利用有限的土地

工程用地面積為9.7×104m2,指標僅為國家標準的60%。總平面集約布置,處理流線清晰,惡臭單元集中,人車路線合理。為使土地資源最大化利用,主處理構筑物集約緊湊化設計了初沉池、生反池和二沉池三聯體合建,整座池體總尺寸達到241.9 m×167.6 m,3個單體寬度設計相同,池頂統一覆土種植綠化,外觀整齊美觀,且便于巡檢維護(圖5)。

圖5 主處理構筑物照片Fig.5 Picture of Main Treatment Structure

5 運行效果

擴建工程于2022年8月開始調試及試運行,處理水量在2022年12月開始達到19萬m3/d,為設計規模的95%,2022年9月—2023年1月的實際進出水水質如表4所示。通過表中數據分析,擴建工程出水水質穩定,各項水質指標均優于設計標準。進水TN質量濃度為13.20～54.80 mg/L,出水質量濃度為0.93～13.80 mg/L,最大去除率達到83.92%;進水TP質量濃度為1.75～12.50 mg/L,出水質量濃度為0.01～0.49 mg/L,最大去除率達到98.40%。污水處理廠進水水質波動較大,但出水水質穩定,系統脫氮除磷效果顯著。

表4 實際進出水水質Tab. Fig.4 Actual Quality of Influent and Effluent

6 經濟分析

擴建工程總投資為112 763萬元,其中建安費用為95 801萬元。經營成本為1.6元/m3,包括水電藥劑費、職工薪酬、折舊費、修理費等,其中電費和藥劑費成本為0.66元/m3。相比于同類型項目,海濱污水處理廠具有經濟性,僅內回流能耗每年可節省約150萬kW·h。

7 結語

(1)針對進水碳氮比低、運行能耗大的污水處理廠,可采用多點進水多段AAO工藝,提高污染物生物去除效率,降低運行能耗,提高應對沖擊負荷的能力。

(2)對于用地受限的污水處理廠,統籌銜接進出水、供配電設施、場地給排水等,集約分區布置處理設施。同時可采用初沉池、生物反應池和二沉池三聯體形式,進一步減少構筑物占地。

(3)海濱污水處理廠擴建工程實際運行結果表明,擴建工程出水水質處理效果好,各項水質指標均優于設計標準,設計方案可供類似大規模污水廠工程參考借鑒。