多樣性技術路線實現(xiàn)更嚴格排放標準
——以江蘇省某污水處理廠提標改造工程為例

徐 瑛,趙欣萍,張新彥,商莉莉

(1.無錫市政公用環(huán)境檢測研究院有限公司,江蘇無錫 214000;2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津 300074;3.無錫市水務集團有限公司,江蘇無錫 214000)

近年來,隨著我國對水環(huán)境保護和水生態(tài)治理高度重視,不斷持續(xù)推進重點流域水環(huán)境綜合治理工作,各地因地制宜制定主要污染物排放地方標準要求,意在有效提升污染物削減能力,切實改善水環(huán)境質量。為優(yōu)化調整全流域產業(yè)結構,從根本上解決環(huán)境污染負荷與環(huán)境承載力之間的矛盾,促進太湖水質根本好轉,江蘇省《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)于2018年6月1日正式實施,要求太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水廠出水執(zhí)行本標準,其中,現(xiàn)有企業(yè)從2021年1月1日起執(zhí)行,江蘇省某污水處理廠提標改造工程迫在眉睫。本文以江蘇省某污水處理廠改造工程為案例,重點介紹了多樣性技術路線的高排放標準建設的設計應用。

1 提標改造工程概況

1.1 污水處理廠現(xiàn)狀

江蘇省某污水處理廠是某市第一座且規(guī)模最大、功能最齊全的城市污水處理廠,總設計規(guī)模為30萬m3/d,服務面積為80 km2,受益服務面積人口達82萬,廠區(qū)采用AAO處理工藝。污水處理廠分四期工程建設,一期工程最早于1988年8月開建,一二三期工程建設規(guī)模為20萬m3/d,四期工程建設規(guī)模為10萬m3/d,廠址分別位于粱塘河的南北兩側。在全面治理太湖流域水污染的大環(huán)境下,江蘇省某污水處理廠于2008年完成了升級改造工程建設,全廠出水標準由原來的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B提高到一級A。

1.2 提標改造工程概況

江蘇省某污水處理廠至今已運行30多年,歷經2008年一級A升級改造,設施設備運行時間長,處理規(guī)模有所下降,在廠區(qū)不停產并確保原處理量的情況下,改造難度非常大。本次提標改造工程,全面深入地開展工藝全流程分析、設備設施等前期調研及評估[1],因地制宜采用了改良Bardenpho工藝+高效沉淀池+深床濾池、Bardenpho工藝+氣浮池+深床濾池等多樣性技術路線,通過有針對性增容提標、設備設施更新等全方位提標改造工作,于2018年—2020年年底完成了30萬m3/d處理規(guī)模的廠區(qū)提標改造,達到江蘇省《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)排放標準并高效穩(wěn)定運行。

2 提標改造工藝分析及選擇

2.1 工藝運行效能評估與優(yōu)化運行技術研究

隨著污水處理廠進水水質水量的變化、工藝配套設備、管道、儀表長期使用等,該廠開始出現(xiàn)“衰老”現(xiàn)象,陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題亟待解決。為提高污水處理廠的運行效能,結合運行中存在的主要問題,以進水水質水量特性及達標難度分析為出發(fā)點,通過對工藝運行現(xiàn)狀效能評估及污染物去除能力模擬分析,開展工藝現(xiàn)狀評估與優(yōu)化運行措施研究,為改造提供技術支持。在此基礎上,系統(tǒng)梳理廠區(qū)現(xiàn)有問題,主要包括進水水質水量、工藝運行能力、配套設備儀表等方面,將“軟件模擬”與“硬件優(yōu)化”相結合,形成切實可行的優(yōu)化方案。污水處理廠評估及運行優(yōu)化技術研究路線如圖1所示。

圖1 污水處理廠評估及運行優(yōu)化技術路線

2.2 可利用地塊分析

江蘇省某污水處理廠一二三期工程經過2008年的升級改造后,廠區(qū)內已沒有整塊用地。四期工程廠區(qū)占地也十分緊張。因此,本次的提標改造工程用地主要是挖潛廠內的現(xiàn)有用地及充分利用四期工程的預留用地20畝(1畝≈666.67 m2)。

2.3 設計進出水水質確定

參考某污水處理廠近一年的進水水質涵蓋率90%時的指標值,并對比現(xiàn)狀進水水質(表1)及原設計進水水質,最終確定本次提標改造工程的設計進水水質。提標后污水處理廠出水中的CODCr、氨氮、TN和TP排放限值應達到《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)的要求,其他主要污染物指標參考一級A排放標準。污水處理廠設計進出水水質匯總如表2所示。

表1 廠區(qū)現(xiàn)狀進水水質

表2 提標改造工程設計進出水水質

2.4 現(xiàn)狀出水水質分析

根據近一年的出水統(tǒng)計數(shù)據可知,某污水處理廠一二三期工程和四期工程出水TN和TP與新標準要求差距較大,均主要集中體現(xiàn)在冬季。因此,在設計中將重點關注污水廠在冬季的運行及對生物池進行優(yōu)化[2],同時在深度處理單元中增加強化除磷單元。

2.5 多樣性技術路線工藝思路分析

2.5.1 分流量處理——減輕原處理負荷

經過核實,一二三期工程的生物池池容嚴重不足,影響了除磷脫氮的能力,需要分流量來減輕處理負荷。將一二三期工程中的4萬m3/d來水分流至四期,在四期預留用地上新建一個處理能力為4萬m3/d的全處理流程單元,同時也能使一二三期工程的分組改造順利實施。

2.5.2 充分挖潛原生物池處理能力

經過對一二三期工程分流量處理后,一二三期工程生物系統(tǒng)處理能力還有2萬m3/d的差距,此部分差距需通過對一二三期工程生物池的改造及挖潛來解決[2]。將原有的傳統(tǒng)AAO生物池改為具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3],該工藝流程如圖2所示。

圖2 Bardenpho工藝流程

2.5.3 強化深度處理單元,因地制宜采用最佳處理路線

針對高標準的出水TP要求,某污水處理廠一二三期工程和四期工程均需強化深度處理單元。工程實施前在廠內開展了混凝沉淀和氣浮小試,主要考察藥劑投加量和TP出水指標,試驗結果顯示以上兩種工藝均能滿足處理要求。在確定推薦方案時,既要考慮工程的建設費用,也應充分結合新建池體的用地情況。最終某污水處理一二三期工程深度處理單元中采用高效沉淀池方案。四期工程深度處理單元中采用高架形式的氣浮池方案以節(jié)省占地。

2.5.4 充分挖掘原水中碳源,優(yōu)化預處理單元

某污水處理一二三期工程和四期工程中均建有初沉池。通過對現(xiàn)狀分析,某污水處理廠進水中碳源較欠缺,為了避免進一步削減碳源,初沉池沒有運行,僅起到過水的作用。因此,改造中將初沉池改造成厭氧池,既增加了生物池池容,也提高了生物池進水中的碳源。

2.6 工藝設計

根據以上對本工程重點要素的分析,最終采用的整體處理工藝為一二三期工程中的4萬m3/d分流至四期工程預留用地進行處理,使一二三期工程的分組改造可以順利實施,最大程度上減少因改造對污水廠運行造成的影響。一二三期工程分流處理后的設計規(guī)模為16萬m3/d,四期工程設計規(guī)模為14萬m3/d。一二三期工程和四期工程的處理工藝分別總結如下。

(1)提標改造后的一二三期工程(16萬m3/d)

一二三期工程的整體處理工藝為將原有的曝氣沉砂池和初沉池拆除,新建曝氣沉砂池和新建生物池,同時將原有生物池進行改造,生物處理工藝采用具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3]。深度處理工藝為高效沉淀池+深床濾池。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。

(2)提標改造后的四期工程(10萬m3/d+4萬m3/d)

該污水廠四期工程中有兩個系統(tǒng),分別為原有的四期工程10萬m3/d和新建的4萬m3/d處理系統(tǒng)。原有四期10萬m3/d工程的處理工藝為改造初沉池,作為4萬m3/d生物池的部分池容,維持原有的AAO處理工藝,深度處理單元中增加氣浮單元,以進一步增強化學除磷的能力,減少濾池的負擔。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。新建4萬m3/d系統(tǒng)的生物處理工藝,采用具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3]。深度處理工藝為氣浮+深床濾池。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。

一二三期工程和四期工程的工藝流程如圖3～圖4所示。

注:PAC為聚合氯化鋁,PAM為聚丙烯酰胺。

圖4 四期廠區(qū)內的工藝流程

2.7 主要構筑物設計參數(shù)

①四期工程(10萬m3/d)-初沉池改造:改造為4萬m3/d生物池中的回流污泥反硝化池和厭氧池。水力停留時間為3.5 h,拆除原有刮泥機,采用立式攪拌器24臺。

②四期工程(4萬m3/d)-新建生物池:包括缺氧池、好氧池、后缺氧池、后好氧池。整個生物池系統(tǒng)(含初沉池改造)總泥齡為14.3 d,總停留時間為21.8 h。采用立式渦輪攪拌器(用于缺氧池)8臺,立式渦輪攪拌器(用于后缺氧池)6臺,管式微孔曝氣器達780 m,內回流泵6臺(4用2備)。

③四期工程(4萬m3/d)-新建二沉池:采用周進周出二沉池,共1座4池,設計表面負荷為1.13 m3/(m2·h),停留時間為3.9 h。

④四期工程(4萬m3/d)-新建氣浮池:采用淺層離子氣浮池,共2座,為高架形式一體化設備,設計表面負荷為6 m/h,直徑為16 m。采用高效微氧化強溶氣裝置2套,微氣泡發(fā)生裝置2套和淺層離子氣浮裝置2套及配套回流水泵、螺桿空壓機。

⑤四期工程(4萬m3/d)-新建深床濾池:共設1座4格,設計濾速為7.51 m/h。

⑥四期工程(10萬m3/d)-新建氣浮池:采用淺層離子氣浮池,共2座,為高架形式一體化設備,設計表面負荷為7.7 m/h,直徑為22 m。采用高效微氧化強溶氣裝置4套,微氣泡發(fā)生裝置4套和淺層離子氣浮裝置2套及配套回流水泵、螺桿空壓機。

⑦一二三期工程(16萬m3/d)-新建生物池:利用原有初沉池建設用地,新建2座生物池,包括生物池中的回流污泥反硝化池、厭氧池及部分缺氧池。停留時間為7.8 h,采用立式攪拌器36臺。

⑧一二三期工程(16萬m3/d)-生物池改造:原生物池改造為缺氧池、好氧池、后缺氧池和后好氧池。主要改造內容包括對部分導流墻進行切割、拆除填料區(qū)現(xiàn)有推流器及年久失修的攪拌器、新增不銹鋼進出水系統(tǒng)、重新布置池內曝氣頭。改造后生物池系統(tǒng)(含初沉池改造)總泥齡為22.2 d,總停留時間為20.8 h。

⑨一二三期工程(16萬m3/d)-新建高效沉淀池:采用混凝反應沉淀一體化池體,共4池,設計表面負荷為13.4 m/h。采用混凝攪拌器8臺,絮凝攪拌器4臺,刮泥機4臺和斜管4套,配套回流污泥泵和排泥泵。

⑩一二三期工程(16萬m3/d)-新建深床濾池:共設1座12格,設計濾速為7.51 m/h。

因廠內布置緊湊,建筑物構筑物間距小,且廠內管網密度大,布局復雜,尤其是在一二三期改造時只能在狹窄的空間區(qū)域內施工,難度較大。在工程實施過程中,采用統(tǒng)籌考慮,分段實施的方式,結合污水處理工藝優(yōu)化施工程序,確保舊管拆除、新管及閥門安裝過程中污水處理系統(tǒng)正常運行,通過水下作業(yè)、局部超越等措施,最大程度地縮短停水持續(xù)時間,基本實現(xiàn)“不停水”改造。

3 處理效果

江蘇省某污水處理廠經過提標改造后于2021年底投入試運行。從2021年12月26日—2023年4月25日的運行數(shù)據可知,某污水處理廠提標效果良好,出水穩(wěn)定達標排放,主要出水指標同時還能滿足江蘇省于2022年年底頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(DB 32/4440—2022)。實際出水水質如表3和表4所示。

表3 提標改造后一二三期工程出水水質

表4 提標改造后四期工程出水水質

4 工程投資及增加成本

項目總投資約為50 957萬元,一類工程費為43 052萬元。運行成本中增加了電耗、藥劑消耗和定員數(shù)量等。本工程進行提標改造后噸水經營成本合計1.1元。

5 結論

本提標改造工程建設,屬于江蘇省太湖流域較早成功提標的大型污水處理廠之一。工程設計中能先行開展全面深入調研,充分分析廠內現(xiàn)狀情況,對現(xiàn)有構筑物等深度挖潛利用,在有限的用地條件下選擇因地制宜的工藝路線,保障出水達標的同時也做到了用地集約、低碳節(jié)能、安全環(huán)保。

工程特點如下。

(1)提標改造設計前,建議先行開展現(xiàn)狀污水處理廠能效評估與優(yōu)化運行措施研究,系統(tǒng)梳理廠區(qū)運行水質水量、設備設施狀況、工藝運行能力等問題,為改造工程設計及工程實施提供技術支撐。

(2)提標改造工程在提升水質的同時,需對廠內現(xiàn)有處理構筑物等進行核算分析評估,充分挖潛。若有用地則盡量同步開展污水處理能力水量的提升改造,以滿足運行整體要求,實現(xiàn)設計處理水量和高排放標準出水水質的雙提標處理實效。

(3)技術路線多樣性優(yōu)選。本次提標改造工程,因地制宜地采用了改良Bardenpho工藝+高效沉淀池+深床濾池、Bardenpho工藝+氣浮池+深床濾池等多樣性技術路線,并結合項目自身特點在設計細節(jié)處創(chuàng)新創(chuàng)優(yōu),通過有針對性開展增容提標、設備設施更新等全方位提標改造工作,運行至今,出水穩(wěn)定達標。

(4)深度協(xié)同、不停產改造。項目本底復雜,現(xiàn)狀工藝系統(tǒng)改造、管線切改,電氣系統(tǒng)改造及切換,均在幾乎不停產的條件下進行。與運營單位深度溝通改造實施方案,各專業(yè)在協(xié)同匹配建設進度的基礎上優(yōu)化設計。