分析兩種城鎮污水處理工藝及關鍵設備
城鎮污水主要為生活污水和以有機廢水為主的工業廢水的混合污水，其水量較小，一般不超過5萬m3/d，但是水質和水量波動較大。由于資金和技術、管理水平等多方面的原因，決定了在城鎮污水處理廠必須經濟、高效、節能和操作簡便。經濟即占地面積少以節省征地費，必要的處理設施少以減少總投資；高效即出水在去除有機污染物的同時還能部分地脫氮除磷；節能即盡量采用經濟節能型設備和減少處理設施和設備的數量，或采用適當的處理工藝減少剩余污泥排放，從而減少運行費用；操作簡便即對運行人員的水平的素質和數量要求不高，也可減少運行費用。很多城鎮采用明渠排水，大量雨水流入和地下水滲入，加之城鎮生活水平不高等原因決定了污水中有機物濃度較低。因此，必須結合當地污水的水量、水質以及溫度、氣候、氣象、地理、經濟等實際情況選擇適宜的處理工藝。
一、水解－上向流曝氣生物濾池工藝
1、工程背景和工藝簡介
2001年10月，通過國際招標，我公司取得了廣東新會市東郊污水處理廠(4萬m3/d)BOT建設的合同。該污水廠設計指標如表1。
表1 新會東郊污水處理廠進出水指標
|
經過慎重比較，選擇了水解－上向流曝氣生物濾池工藝作為主處理工藝。曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，簡稱BAF)技術因有機負荷高(可達6 kgBOD5/m3.d甚至更高)、無需二沉池、占地面積小、投資少、出水水質好、能耗及運行成本低、運行靈活等優點至今已在世界各地有數百座BAF污水處理設施在運行。我國大連馬欄河污水處理廠(12萬噸/日)是我國第一個采用BAF技術的城市污水處理廠，目前已正常運行兩年多，出水水質優于設計水平，并已達到回用水標準。
上向流曝氣生物濾池(Up flow BAF，簡稱UBAF)的工藝原理是在濾池內部裝有新型陶粒(或輕質塑料)填料，在其表面生長有生物膜，污水由下至上流過濾料層，池底曝氣，使廢水中的有機物在好氧菌的作用下降解，同時硝化細菌進行硝化作用。由于陶粒比表面積可達1~2m2/cm3，積累的微生物量可達10~15g/L，因此曝氣生物濾池的容積負荷增大，故池容和占地面積可大大降低。曝氣生物濾池還可以將生物轉化過程中產生的剩余污泥和進水帶入的懸浮物截留在濾床內，所以在曝氣生物濾池后不需設二沉池。為避免積累的生物污泥和懸浮固體堵塞生物濾池，需定期利用處理后出水和空氣進行反沖洗。上向流曝氣生物濾池采用氣水同向流，使氣、水進行極好的均分，防止了氣泡在濾層中的凝結，可以更好地避免溝流或短流，氧氣利用率高，能耗低；同時，在水、氣上升過程中可把底部截留的SS帶入濾池深部，這就大大增加了濾池的納污能力，延長了工作周期。
由于曝氣生物濾池工藝占地小，投資省，無污泥膨脹問題，日常運行管理簡單，處理效果穩定，且可以模塊化結構設計，易于后期擴建，很適合城鎮污水廠使用。其主要缺點是對預處理要求高。為延長濾池反沖洗周期，一般要求濾池進水SS在60mg/L以下。為了解決此問題，同時為了污泥減量化和穩定化及進一步減少池容，降低投資，預處理采用了水解工藝，其工藝原理為：待處理污水及濾池反沖洗時脫落的微生物膜由底部進入水解池內，并通過布水系統同污泥床快速、均勻地混合。污泥床類似于過濾層，將進水中的顆粒物質與膠體物質迅速截留和吸附，然后被大量的水解菌分解，許多不溶性的有機物水解為溶解性物質，大分子、難降解的物質轉化為易生物降解的物質如有機酸類。同時，生物濾池反沖洗排放的剩余污泥菌體外多糖粘質層水解，細胞壁打開，污泥液態化，重新回到污水處理系統被細菌代謝分解，達到剩余污泥減容的目的。由于水解池的污泥泥齡較長，污泥可以消化穩定。污泥處理采用我公司自產的帶式濃縮脫水一體機脫水后外運。
.jpg) |
2、工藝流程
污水由潛污泵提升至旋流沉砂池進水渠，經2臺3mm間距的細格柵，進入旋流沉砂池。除砂處理后，經分配井進入4座并聯運行的水解池。水解池的作用是最大限度地截留污水中的懸浮物并將其中的部分有機物進行降解，一方面減少后續曝氣生物濾池截留SS的量，以延長濾池的反沖洗周期；同時污泥得以減容與相對穩定。為了保證出水的氨氮達標，采用兩級曝氣生物濾池，分別是C/N和N濾池。水解池的出水經配水槽進入C/N上向流曝氣生物濾池進行有機物的降解和部分硝化作用。C/N上向流曝氣生物濾池出水再進入后一級的N曝氣生物濾池進行硝化處理。在該級濾池中，優勢生長著硝化菌和亞硝化菌，這兩種細菌對有機物濃度較低的C/N池出水中的氨氮進行硝化。另外，在C/N濾池出水渠道上投加化學除磷藥劑，由于速度梯度和擴散作用使脫穩的膠體互相接觸生成絮凝體，在N濾池中被截流，通過周期性的反沖洗，將磷排出系統外，達到污水除磷目的。經上述兩級生物濾池處理后的出水進行消毒后即可達標排放。
水解池中的污泥定期排入污泥均質池，由螺桿泵提升至污泥濃縮脫水一體機進行脫水處理，脫水后的泥餅外運處置。曝氣生物濾池的反沖洗排水排至緩沖池，由泵提升至水解池前的分配井，污泥濃縮脫水一體機的濾后液和脫水機房的地面沖洗廢水經管道匯集至集水池，再進入污水處理系統進行處理。
3、主要生產構筑物和設備
水解池4座，并聯運行，每座尺寸27000×9450×5300mm，停留時間HRT=2.3h，其中混合區負荷1.8~3.6m3/m2.h，分離區負荷1.8m3/m2.h，水解池本身產生的污泥總量1.6t DS/d。
C/N曝氣生物濾池1座，分為8格，其功能是將污水中的碳化有機物進行好氧生物降解，并將污水中的部分氨氮硝化。設計參數：每格尺寸6800×6800×7300mm。配水通過288塊濾池專用濾板(1050×1050×110mm)和10368個濾池專用長柄濾頭(濾頭契型縫隙2.5mm，濾頭長度390mm)。出水采用8套柵型穩流器、單堰出水。反沖洗方式排泥。用14800個(膜孔直徑∮1mm)無堵塞濾池專用單孔膜曝氣器曝氣。反沖洗形式為氣洗、氣水聯合、水漂洗，反沖洗周期據實際運行情況而定，一般24h。填料為輕質球型陶粒，體積為1410m3(粒徑∮3~6mm)，堆積密度0.9~1.0g/cm3。濾料厚3.8m，空塔流速4.96m/h，實際流速9.92m/h，填料層停留時間23min，容積負荷2.84kgBOD5/m3濾料.d，供氧量369.4kgO2/h，反沖洗水速15m/h，反沖洗氣速50m/h。
N曝氣生物濾池1座，分為8格，其功能是對污水中剩余氨氮進行硝化作用，并對未完全利用完的碳源進行降解，對化學除磷沉析物的截留、過濾。設計參數：每格尺寸6800×6800×5900mm。反沖洗周期一般36~48h。陶粒濾料980m3(粒徑∮3~6mm)，厚2.6m，空塔流速4.96m/h，實際流速9.92m/h，填料層停留時間16min，容積負荷0.7kgNH3-N/m3濾料.d，供氧量236.5kgO2/h。
鼓風機房主要設備有：3臺(2用1備)C/N濾池鼓風機，單機風量40~45m3/min，風壓P=7.5mmH2O。3臺(2用1備)N濾池鼓風機，單機風量25~30m3/min，風壓P=6.0mmH2O。1臺濾池反沖洗鼓風機，風量40~45m3/min，風壓P=6.5mmH2O。
污泥脫水機房平面尺寸為：25.2m×13.5m。濕污泥量Q=830m3/d(含水率99.4%)。主要設備有帶式濃縮脫水一體機2臺(同時使用)，帶寬1.0m。螺桿泵2臺，單機流量Q=20~40m3/h。
4、工程投資及主要經濟指標
本工程項目總投資為4263萬元，污水廠占地面積29畝。本工程投產后正常年份處理水量1460萬m3，年用電量283.2萬kW.h，絮凝劑年耗用量5.5t，化學除磷藥劑年耗用量為516.5t，直接運營成本0.33元/m3污水。
5、兩個值得注意的問題
濾料是生物膜的載體，并且有截留懸浮物物質的作用，它直接影響到曝氣生物濾池的功效，同時濾料對于工程的一次性投資、運行成本等均有很大影響，一般要求濾料：(1)孔隙率大，比表面積大；(2)密度小，強度大，耐磨損，耐水沖刷；(3)阻力小，過水率高，形狀好(以球狀為佳)；(4)表面粗糙，掛膜好；(5)屬惰性物質。常用的濾料材料有：石英砂、陶粒、塑料等，但目前在實際應用中多采用陶粒濾料，其形狀多為圓形，考慮到成本和取材方便等因素，現在多采用頁巖陶粒。本工程經過招標選擇了北京三和聯創水務公司生產的陶粒。
反沖洗是保持BAF正常運行的關鍵環節，它的工作質量對出水水質、工作周期、運行狀況的影響都很大。通常BAF一天沖洗一次，不宜過多，否則可能會使生物膜嚴重脫落，造成填料層內生物量減少，損壞濾料，影響處理效果，增加運行費用。當然，反沖洗過少將達不到沖洗效果。現有的反沖洗工藝也存在著如下問題：(1)采用長柄濾頭小阻力配氣、配水系統不僅增加了工程造價，而且在濾池面積增大后使配水、配氣很難均勻分布，影響沖洗效果。(2)固定式的濾頭安裝方式一旦損壞，檢修困難。
二、表曝型氧化溝工藝及關鍵設備
1、工程背景和工藝簡介
2002年，我公司參與了西北地區某縣級市污水處理廠(3萬m3/d)的建設，并提供了主要設備。該污水廠海拔1100米，當地最高水溫20℃，最低溫度10℃，設計指標如表2。
表2 設計進出水指標
|
厭氧池分三格。二沉池回流污泥中的微量硝酸鹽在第一格內能很快地被去除，消除了后續工藝對磷去除的不利影響。經過預處理后，在沒有溶解氧和硝態氮存在的厭氧條件下，兼性細菌可在后面兩格內將溶解性BOD5轉化成低分子發酵產物，生物聚磷菌將優先吸附這些低分子發酵物，將其運送到細胞內、同化成細胞內碳源存儲物，并導致磷酸鹽的釋放。經厭氧狀態釋放磷酸鹽的聚磷菌在好氧狀態下可吸收、存儲超出生長需求的磷量，合成新的聚磷菌細胞、產生富磷污泥，最終通過剩余污泥的排放將磷從系統中出去。
2、氧化溝系統尺寸
本工程設計厭氧池停留時間為1.5h，保證磷的釋放達到約80%。工藝尺寸為：L×B×H=32.0×7.0×4.2m3，超高0.6m。取MLSS=4000mg/L，T=10℃，對于中小型污水處理廠，單獨處置污泥成本高，本工程設計經氧化溝后污泥相對穩定，確定污泥齡為18d。水力停留時間HRT＝12.8h。污泥負荷=0.08kgBOD5/kgVSS.d。缺氧區工藝尺寸為：L×B×H=32.0×10.5×4.2m3，超高0.6m。氧化溝主體部分工藝尺寸為：L×B×H=54.2×32.0×4.2m3，超高0.6m。
總需氧量AOR=氧化有機物需氧+細胞內源呼吸需氧+硝化過程需氧－脫氮過程產氧＝184.5kgO2/h，轉化為標準狀態需氧量SOR =AOR×Cs(20)/(α(βρCs(t)-C)×1.024(t-20))＝323kgO2/h。大功率倒傘表面曝氣機動力效率取2.1kgO2/kW.h，需配置功率數=323/2.15=154kW。
.jpg) |
3、主要設備和儀表
厭氧池為防止污泥沉降及保證≥0.3m/s的流速，設計攪拌功率密度為7.0W/m3(一般7.0~9.0 W/m3)，采用3臺我公司生產的GQT022×480(功率=2.2kW)的潛水高速推進器，通過電機、減速箱帶動三葉后掠式葉輪的旋轉，產生強有力的推流作用，有效防止顆粒狀雜物在池壁或池底沉積，兼具攪拌混合和推流的功能。厭氧池設置一臺MLSS計及ORP儀，對厭氧段進行在線檢測，分析是否存在磷的釋放和吸收。通過ORP(氧化還原電位)值的變化及NO3--N的濃度來調整外回流比，使厭氧池處于厭氧環境。實際運行表明：當明顯存在磷的釋放和吸收時，厭氧池的硝酸鹽在0 .5mg/L以下，同時由于系統中溶解氧濃度極低且厭氧氨化作用，造成還原物種COD及NH4+-N濃度積累，氧化還原電位值會突然下降，一般降至-150mv~-250mv左右。
缺氧池設計采用2臺我公司生產的DQT055×1800(功率=5.5kW)的潛水低速推進器，功率密度7.6W/m3(一般6.5~8.5W/m3)。采用低速推進器可利用其大側斜外形葉輪將液體在向前推進的同時，將活性污泥與污水進行充分的攪拌混合，可改善水流條件，防止污泥沉降。混合液回流至氧化溝主體內采用LB4.0×1.0型的內回流控制閘門，控制范圍：100%~600%。缺氧池設置一臺ORP儀與內回流控制閘門形成閉環控制，通過ORP檢測數值確定內回流閘門的開啟角度，從而有效保證反硝化處理效果。在缺氧區NO3--N還原成N2，濃度逐漸降至最低，而NH4+-N濃度則因為基質持續推流累積而增高，因此氧化還原電位將下降至-30mv~-45mv左右。
根據計算，本工程選用DS350型大倒傘表面曝氣機兩臺，電機功率90kW，總供氧量 =90×2.1×2 =378 kgO2/h，氧富余55kgO2/h。從節能方面考慮采用一臺變頻調速曝氣機(充氧量90~ 189kgO2/h)、一臺恒速曝氣機(充氧量189 kgO2/h)。氧化溝主體根據工藝要求，氧化溝前置缺氧區應保證為缺氧狀態才能達到預期的反硝化處理效果，因此，靠近內回流閘門的曝氣機在進行充氧的同時應盡量避免對回流混合液溶解氧的影響，本工程在該處設置一臺DO計，可根據其測得的溶解氧數據，與變頻曝氣機組成閉環控制回路，通過改變曝氣機的轉速來改變混合液中的溶解氧值，使其達到最佳工況。出水端為有效保證段溶解氧≥2mg/L以防止二沉池污泥厭氧放磷，設計該處曝氣機為恒速，并設置在線檢測DO計一臺。同時，氧化溝中還設置了一臺MLSS計，在線檢測污泥濃度。
4、本工藝特點
運行費用低。該氧化溝曝氣系統設計總裝機容量為180kW，若采用L=9000mm的轉碟，動力效率1.6kgO2/kW.h，則需配置8臺30 kW的轉碟曝氣機，總裝機容量240kW，比倒傘曝氣機有較大幅增加。
設備維修點少，運行管理方便。一座氧化溝只有兩臺倒傘曝氣機，比轉碟或轉刷曝氣機的數量少幾倍，設備養護簡單。
自控系統簡單，氧化溝內一般僅3~4個閉環控制即可滿足工藝要求，操作比SBR法容易。
污泥齡長，循環稀釋水量大，能承受水量、水質的沖擊負荷。對某些含有濃度較高的工業廢水的城鎮生活污水具有較強的適應能力。
工藝流程簡單，運行管理方便。不需要初沉池和污泥消化池。
污泥穩定，可直接進入濃縮壓榨一體機進行后續處理。
運行穩定，處理效果好。BOD5平均處理水平可達到95%左右。
5、應注意的問題
為保證氧化溝系統在寒冷條件下能夠穩定運行，防止曝氣機葉輪和軸在嚴寒氣候下產生冰棱，可對設備采取一定的保溫措施：在倒傘曝氣機安裝平臺上，建造方亭，高度不小于3.5米。夏天可遮陽，冬天用加芯保溫版材質圍起，內用電暖器加熱空氣保溫，可有效改善寒冷氣候下的工藝狀況；同時可消減噪音，改善污水處理廠環境條件。
在污水廠日常工作中可通過氧化還原電位值的變化來初步判斷運行狀況，但需注意的是脫氮與除磷之間互為矛盾，控制運行中應兼顧這兩個指標，即努力控制氧化溝系統內的硝化和反硝化以降低回流污泥中NO3--N對生物除磷的影響。
三、結語
水解－上向流曝氣生物濾池工藝和表曝型氧化溝分別是膜法和泥法生物處理的代表，兩種工藝各有特色：前者水力停留時間少，占地小；后者設備少。兩者運行維護方便，抗沖擊負荷能力強，均適用于城鎮污水處理。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
