污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)改造工藝
根據(jù)污水處理的目標(biāo)和程度，城市污水處理工廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。
(1)一級(jí)污水廠，主要去除懸浮物和較大顆粒，一般采用沉砂池和初沉池。這類(lèi)污水處理廠主要建于20世紀(jì)初，污水中BOD5和SS的去除率分別為30%和50%左右。目前，一級(jí)污水廠僅在特殊情況下使用，或作為更高級(jí)污水廠分期建設(shè)的第一階段。
(2)以生物處理為主體的二級(jí)污水廠，即一般在預(yù)處理的基礎(chǔ)上增加曝氣反應(yīng)池和二級(jí)沉淀池。這類(lèi)污水處理廠在20世紀(jì)50年代后發(fā)展迅速，能去除水中可生物降解的有機(jī)物、懸浮物和部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)，特別是污水中COD和BOD5的去除率分別可達(dá)80%和90%。二級(jí)生物處理主要包括活性污泥法(AO法、AAO法、氧化溝OD法、SBR法等。)和生物膜法(生物濾池等。).目前兩者都覆蓋了國(guó)內(nèi)90%以上的城市污水處理設(shè)施主體流程。
(3)“混凝沉淀過(guò)濾”深度處理工藝是三級(jí)污水處理廠的代表。這種污水處理廠于20世紀(jì)60年代末開(kāi)始建設(shè)，90年代逐漸受到重視。主要用于進(jìn)一步去除廢水中剩余的懸浮物、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及其他微量有機(jī)物。三級(jí)污水處理廠的出水大大降低了污染負(fù)荷，對(duì)控制水體富營(yíng)養(yǎng)化和改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。
City 污水處理工廠的工藝流程如圖1所示。
近年來(lái)，由于城市水環(huán)境綜合治理的需求日益增加，作為城市水環(huán)境保護(hù)末端屏障的污水處理植物的作用日益凸顯。相應(yīng)地，污水廠的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高，城市污水處理廠的升級(jí)改造也越來(lái)越受到重視。污水處理工廠升級(jí)是指在現(xiàn)有處理規(guī)?；静蛔兊那闆r下，通過(guò)工藝的改進(jìn)或增加深度處理設(shè)施，使污水廠的出水水質(zhì)達(dá)到更高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實(shí)際工程，探討了污水處理廠出水升級(jí)至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，并對(duì)深度處理工藝中主要構(gòu)筑物的選擇和特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，為污水處理廠升級(jí)工藝的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。
I .廢水處理廠的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
目前，我國(guó)現(xiàn)行的《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)將基本控制項(xiàng)目的常規(guī)污染物標(biāo)準(zhǔn)值分為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分為A標(biāo)準(zhǔn)和B標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，中國(guó)共建設(shè)了3552污水處理座工廠，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的比例約為27%。根據(jù)《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB18918—2002)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838—2002)的相關(guān)規(guī)定，如果污水廠的出水水質(zhì)要從B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提升到A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)進(jìn)一步降低水中SS、BOD5、COD等物質(zhì)的濃度，重點(diǎn)是脫氮除磷。另一方面，污水廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水與地面V類(lèi)水質(zhì)還有一定差距。為了滿足水體富營(yíng)養(yǎng)化控制的要求，污水處理廠需要采用深度處理技術(shù)來(lái)減少總氮和總磷的排放。此外，隨著國(guó)家“水十條”的發(fā)布，切實(shí)加強(qiáng)了水污染防治，部分地區(qū)制定了更加嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步接近或達(dá)到了氮、磷等污染物的地表水體水質(zhì)。但結(jié)合我國(guó)實(shí)際發(fā)展情況，大部分地區(qū)應(yīng)以一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為主要目標(biāo)，因地制宜實(shí)施污水處理廠。
二、污水處理廠一級(jí)a升級(jí)改造工藝
2.1污水處理廠現(xiàn)狀及問(wèn)題分析
我國(guó)污水廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的主要難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。
(1)已建生物反應(yīng)池的脫氮除磷效率不高，因?yàn)?
①進(jìn)水C/N比低導(dǎo)致反硝化過(guò)程中碳源不足，除磷效果差；
②低溫的限制，尤其是冬季12℃以下的水溫，嚴(yán)重影響反硝化速率；
③水力停留時(shí)間不足，微生物降解不充分，不利于脫氮除磷。
(2)二級(jí)生物處理本身難以保證出水SS、TP、TN同時(shí)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
針對(duì)以上問(wèn)題，需要在實(shí)際工程中加強(qiáng)二級(jí)生物處理工藝或增加深度處理工藝進(jìn)行升級(jí)達(dá)標(biāo)，以保證污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
此外，由于不同地區(qū)污水廠運(yùn)行狀況不同，在升級(jí)改造的工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)分析污水廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)要求，確定污水廠升級(jí)改造中主要污染物的去除重點(diǎn)和優(yōu)先控制順序。通常污水處理廠水質(zhì)升級(jí)時(shí)，已建生物反應(yīng)池的脫氮除磷能力可能不足，尤其是對(duì)TN，需要對(duì)生物反應(yīng)池進(jìn)行改造，強(qiáng)化生物脫氮，增加后置脫氮工藝，補(bǔ)充碳源。關(guān)于TP，目前常用的有生物除磷和化學(xué)輔助除磷，化學(xué)除磷所用的藥劑主要有鐵鹽和鋁鹽。兩者相比，鐵鹽形成的明礬致密，沉降性能更好，但鐵鹽過(guò)量加入容易導(dǎo)致出水顏色增加，影響紫外線投射率。而且氯化鐵腐蝕性強(qiáng)，對(duì)設(shè)備耐腐蝕性要求高。因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合選擇和確定。
2.2流程選擇
(1)污水生物脫氮除磷原理
在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝中，污水中氮的去除是通過(guò)有機(jī)物氧化、氨化、硝化和反硝化實(shí)現(xiàn)的，這些過(guò)程被認(rèn)為是相對(duì)獨(dú)立的。污水中中等磷的去除是利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下過(guò)量吸收磷，然后去除富磷污泥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在工程應(yīng)用中，同一反應(yīng)池中的生物脫氮除磷過(guò)程容易受到各種因素的影響(包括溫度、pH、碳源、溶解氧、污泥齡、混合液或污泥的回流比等。)且兩者相互制約，實(shí)際上很難同時(shí)獲得生物脫氮和生物除磷的高效率。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有二級(jí)生物處理工藝的脫氮除磷效率進(jìn)行分析，深入挖掘傳統(tǒng)工藝的脫氮除磷能力，在污水處理廠升級(jí)改造時(shí)縮短后續(xù)工藝的長(zhǎng)度。不同工藝的生物脫氮除磷特性見(jiàn)表1。
(2)升級(jí)工藝的選擇
二級(jí)污水處理廠出水的TN主要是氨氮和硝酸鹽氮；TP主要是溶解的正磷酸鹽，這是進(jìn)一步水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的主要去除對(duì)象。根據(jù)水質(zhì)升級(jí)對(duì)脫氮除磷的要求，工藝設(shè)計(jì)方案可分為三種:只脫氮除磷、同時(shí)脫氮除磷。在工程上，如果要進(jìn)行生物脫氮除磷，一般要求進(jìn)水BOD5/TKN >:或4 BOD5/TP >: 17，以保證足夠的碳源；對(duì)于同步脫氮除磷，所需的C/N和C/P較高，因?yàn)樯锩摰蜕锍字g存在碳源競(jìng)爭(zhēng)，碳源不足可能是限制生物脫氮除磷效率提高的關(guān)鍵因素。隨著厭氧氨氧化、短程硝化反硝化、反硝化除磷等新型生物脫氮除磷工藝的應(yīng)用，可大幅降低污水處理過(guò)程的碳源和能耗。
但上述工藝在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程中應(yīng)用較少。因此，現(xiàn)階段我國(guó)污水處理廠升級(jí)改造的工藝設(shè)計(jì)總原則仍是以生物脫氮為主，強(qiáng)化生物除磷，輔助化學(xué)除磷，同時(shí)宜考慮碳源補(bǔ)充措施。
2.3流程設(shè)計(jì)
2.3.1現(xiàn)有處理裝置的改造
(1)初沉池改造
污水廠的初沉池主要用于降低懸浮物的含量(TSS去除率為50%~70%，圖2)，保證后續(xù)生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另一方面，初沉池也去除了一定比例的碳源(BOD去除率為25%~40%，圖2)，使得污水廠生物反應(yīng)池進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題更加突出，影響了生物脫氮除磷的效率。目前，針對(duì)污水處理廠現(xiàn)有的初沉池，如果需要根據(jù)具體工程條件進(jìn)行改造，一是將初沉池改為厭氧區(qū)或(預(yù))缺氧區(qū)，增加生物反應(yīng)池的水力停留時(shí)間；其次，初沉池污泥發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，充分利用內(nèi)部碳源，提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果。楊敏的研究表明，在進(jìn)水BOD5/TN較低時(shí)(BOD5/TN1.2)，應(yīng)設(shè)置初沉發(fā)酵罐，可有效提高生物系統(tǒng)的污泥活性，減少外加碳源的投加量。
(2)生物反應(yīng)池改造
在廢水升級(jí)改造的工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析，對(duì)已建生物反應(yīng)池的容量進(jìn)行復(fù)核。通過(guò)技術(shù)改造，充分發(fā)揮二級(jí)生物處理功能，提高生物脫氮除磷效率。目前，對(duì)已建生物反應(yīng)池改造常用的方法有:①調(diào)整功能區(qū)。如果已建生物反應(yīng)池容積基本滿足要求，可通過(guò)增加土建隔墻或結(jié)合初沉池改造對(duì)原池內(nèi)的分區(qū)進(jìn)行調(diào)整，或改為倒置AAO工藝、五級(jí)Bardenpho工藝、UCT工藝等。②MBBR工藝改造，即一般在優(yōu)先考慮厭氧區(qū)和缺氧區(qū)容積的情況下，在好氧區(qū)投加懸浮填料，富集微生物，實(shí)現(xiàn)活性污泥法和生物膜法的結(jié)合，保證二級(jí)生物處理效果。這種方法更適用于用地有限、不增加反應(yīng)池容積的老廠改造；(3)擴(kuò)減改造，通過(guò)降低現(xiàn)有生物反應(yīng)池的處理規(guī)模，降低負(fù)荷，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，同時(shí)新建生物反應(yīng)池，滿足污水處理水量要求。
2.3.2增加深度處理工藝。
目前，在污水廠二級(jí)生物處理后增加深度處理工藝是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的重要步驟。根據(jù)工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)分析和主要污染物控制目標(biāo)，深度處理工藝設(shè)計(jì)一般可分為四類(lèi)，如圖3所示。在工程設(shè)計(jì)中，若二級(jí)處理出水水質(zhì)指標(biāo)接近或能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)標(biāo)率高，且污水廠進(jìn)水水質(zhì)趨于穩(wěn)定，可采用直接過(guò)濾(混凝-過(guò)濾)或接觸過(guò)濾(混凝-過(guò)濾)工藝；如果二級(jí)處理出水的NH3-N和TN較低，TP和SS指標(biāo)較高，可采用混凝-絮凝-沉淀-過(guò)濾工藝。消毒后，出水可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。其次，如果二級(jí)處理的出水水質(zhì)遠(yuǎn)未達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N、TN也較高，可采用曝氣生物濾池強(qiáng)化脫氮，再增加混凝-絮凝-沉淀-過(guò)濾-消毒工藝，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。后期如果二級(jí)處理的出水還需要脫氮除磷，污水處理廠用地很緊張，出水標(biāo)準(zhǔn)也高(或者高于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn))，可以采用MBR工藝，出水消毒后排放。
污水處理廠的升級(jí)改造方法還包括氣浮、臭氧氧化、活性炭吸附等。由于各污水處理廠的實(shí)際情況不同，出水標(biāo)準(zhǔn)要求也不同，因此最終的設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過(guò)綜合比選后確定(表2)。但在工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先加強(qiáng)二級(jí)生物處理的脫氮除磷效率，減少后續(xù)工藝流程的長(zhǎng)度，否則可能會(huì)增加工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，也不符合污水廠節(jié)能減排的要求。
2.3.3污泥處理工藝的改進(jìn)
由于污水提質(zhì)工程的設(shè)計(jì)規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)基本不變，新增污泥主要是化學(xué)除磷過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)污泥，其產(chǎn)量與剩余污泥相比相對(duì)較少，因此可以利用污水處理廠現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施。但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，污泥處置方式也發(fā)生了變化。因此，在提升污水廠水質(zhì)的同時(shí)，還應(yīng)注意改造老廠現(xiàn)有的污泥處理設(shè)施，并提供除臭裝置等。，以滿足城市環(huán)境衛(wèi)生和污泥最終處置的要求。郝等人的研究表明，剩余污泥的填埋和污泥的農(nóng)用方法日益受到限制，而污泥脫水干燥和直接焚燒的處置方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的參考意義。
2.4主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
(1)高效沉淀池
高效沉淀池是一種集混凝、絮凝、沉淀于一體的新型沉淀池。由于其占地面積小、水力負(fù)荷高、污染物去除效果好，被廣泛應(yīng)用于污水處理廠升級(jí)改造的深度處理工藝中。高效沉淀池一般包括三個(gè)部分:快速混合區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)。通過(guò)投加化學(xué)藥劑，可以有效去除COD、SS和TP，去除率分別可達(dá)60%、80%和90%。根據(jù)《城市污水回用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50335—2016)，高效沉淀池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:攪拌時(shí)間宜為0.5~1.0min，絮凝時(shí)間宜為8~15min，沉淀池表面負(fù)荷宜為10 ~ 20 m3/(m2 & # 8226；h)，污泥回流比應(yīng)為3%~6%。近年來(lái)，出現(xiàn)了用磁粉或微砂強(qiáng)化的高效沉淀池。通過(guò)添加磁粉或微砂，可以提高絮體密度，縮短沉降時(shí)間，減少化學(xué)藥劑用量。但在工程應(yīng)用中，應(yīng)注意丟失的磁粉或微砂對(duì)后續(xù)污泥處理處置的影響。
(2)過(guò)濾過(guò)程
過(guò)濾單元作為污水廠深度處理工藝的核心，是保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。目前工程過(guò)濾工藝的選擇有纖維濾布濾池、V型濾池、微濾、脫氮深床濾池和曝氣生物濾池(表3)。其中前三種一般只有過(guò)濾功能，主要是去除SS；脫氮深床濾池和曝氣生物濾池兼有過(guò)濾和生物脫氮的功能，尤其是曝氣生物濾池。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的池型，可以對(duì)BOD5、SS、NH3-N、TN等產(chǎn)生較好的去除效果。在工藝設(shè)計(jì)上，曝氣生物濾池應(yīng)置于化學(xué)除磷之前，以保證進(jìn)水中磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足；此外，還應(yīng)特別注意控制硝化過(guò)濾器進(jìn)水中的氨氮濃度，以保證硝化細(xì)菌在冬季的正常生長(zhǎng)。
三。結(jié)論
(1)未來(lái)城市污水處理廠將更加重視污水的深度處理和回用。污水處理廠的升級(jí)改造應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)現(xiàn)狀的差異，通過(guò)充分研究和因地制宜，確定合理的出水標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方案，以充分發(fā)揮污水處理廠更大的工程效益。
(2)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，應(yīng)首先分析其進(jìn)出水水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)合水質(zhì)提升要求確定污染物去除目標(biāo)，以便在后續(xù)工藝設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮；深度處理工藝設(shè)計(jì)需要全面的方案比選。對(duì)于TP超標(biāo)，化學(xué)除磷是必要措施；若TN超標(biāo)，宜優(yōu)先對(duì)現(xiàn)有生物反應(yīng)池進(jìn)行改造，縮短后續(xù)工藝流程長(zhǎng)度，必要時(shí)增加后脫氮工藝，并設(shè)置額外的碳源補(bǔ)充措施。此外，在升級(jí)達(dá)標(biāo)的過(guò)程中，還要重視老廠區(qū)污泥和臭氣的處理，以舊帶新，實(shí)現(xiàn)污水廠水、污泥、氣同步處理達(dá)標(biāo)。
(3)城市污水處理廠面臨新形勢(shì)下技術(shù)升級(jí)的挑戰(zhàn)，以厭氧氨氧化和反硝化除磷為代表的新型生物處理工藝的工程化應(yīng)用成為迫切需要。因此，通過(guò)技術(shù)升級(jí)，提高生物處理效率，實(shí)現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)，降低藥劑消耗和能耗成本，探索能源的可持續(xù)性，對(duì)污水處理廠的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。(來(lái)源:上海市市政工程設(shè)計(jì)研究院<集團(tuán)>有限公司；同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)
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