大型污水处理厂集约式多段AAO低耗工艺设计

龚晓露

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092)

生态文明建设已纳入国家发展总体布局,污水处理厂的建设是践行生态文明建设的重要举措。我国污水处理厂特别是南方地区污水处理厂存在进水碳氮比低、运行能耗大等问题,随着排放标准的不断提高,污水处理能耗将进一步增大,如何采用低能耗的污水处理工艺,已成为污水处理的热点议题。此外,建设年代较远的污水处理厂受工艺限制,存在占地较大的情况,当需要进行扩建或提标改造时,面临新建部分用地指标受限的问题。近年来,以多段AO串联为特征的多段处理工艺逐渐得到应用,在天津张贵庄、上海泰和等大型污水处理厂取得了较好的效果,发挥了提质增效的作用[1]。

本文通过对扩建工程存在的难点分析,设计采用了针对性强、去除率高、用地紧凑、能耗节约的多段AAO处理工艺,并在工程设计时将一座20万m3/d规模的核心处理构筑物集约化建设,可为类似污水处理厂建设工程提供借鉴。

1 项目概况

上海海滨污水处理厂位于上海市浦东新区,与老港垃圾填埋场相邻。服务范围主要包括浦东新区中部区域(S32以南、大治河以北区域),服务面积约为443 km2。厂区一期工程现状规模为20万m3/d,随着地区污水量快速增长,需进行扩建。扩建工程规模为20万m3/d,扩建后全厂总规模为40万m3/d,为上海郊区最大的污水处理厂,也是目前全市第三大污水处理厂。污水处理厂进水受工业废水和填埋场渗沥液尾水影响,水质浓度常年较高且可生化性较差,同时工程规模大但用地紧张,规划面积约为9.7×104m2,单位处理量用地指标为0.485 m2/(m3·d-1)。工程于2020年10月启动建设,2022年9月通水验收,污水处理效果达到设计预期,取得了良好的工程效益。

2 设计水质及工艺流程

2.1 设计水质及标准

对现状污水厂2013年1月—2019年6月的实际进水水质进行了统计,污水厂进水中污染物组分较复杂,且各项进水指标均较高,其中CODCr质量浓度甚至有连续超过污水纳管标准规定的500 mg/L的情况。

根据《关于组织开展本市城镇污水处理厂升级改造方案编制工作的通知》(沪水务〔2012〕662号)的文件要求,进水水质需考虑如下取值要求:有机物(CODCr、BOD5)和SS采用全年85%的天数都不超过的值,营养物(TN、氨氮、TP)采用全年90%的天数都不超过的值。工程设计进水水质的取值应结合地区污水处理厂的水质特点和进水实际浓度情况,并考虑地区发展可适当留有发展余地。经综合研究,海滨污水处理厂扩建工程设计进水水质最高值以污水排入下水道水质标准限值为取值原则,并结合实际进水频率分析和发展趋势确定。

污水厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。污泥处理根据规划要求脱水至含水率为80%后送至集中污泥处置中心进行干化焚烧处置。

设计进水水质和出水水质取值如表1所示。

表1 设计进水、出水水质Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 处理工艺的选择

(1)污水处理水质指标分析

通过对污水处理厂设计进出水水质指标分析,确定生物处理的可行性,以及需优先和重点控制的指标。

① CODCr/BOD5

扩建工程设计进水CODCr质量浓度为500 mg/L,BOD5质量浓度为170 mg/L,CODCr/BOD5≈2.9,污水生物降解性能较差。由于进水中含有一定量的垃圾渗滤液成分,生物可降解性较差,但考虑渗滤液排放标准的提高,进水的可生物降解性能可适当提高。

BOD5设计去除率约为94%,采取生物脱氮除磷工艺后较容易满足。CODCr设计去除率为90%,对于以生活污水为主并含有部分达标排放工业废水的城市污水,一般CODCr出水质量浓度能达到50 mg/L以下。扩建工程含有工业废水和填埋场渗沥液尾水,为应对地区发展的不确定性,预留高级氧化深度处理措施。

② TN/氨氮

扩建工程进水TN质量浓度为52 mg/L,BOD5质量浓度为170 mg/L,BOD5/TN≈3.3,碳源基本满足生物脱氮的要求。通过合理碳源分配、控制工艺参数,可以达到出水TN质量浓度≤15 mg/L。但在污水处理工艺选择时,仍需要对碳源合理利用来保证TN的达标排放。同时为进一步提高出水TN达标保证率,需要预留碳源投加设备。

氨氮设计去除率约为85.7%,进水氨氮的去除主要靠硝化过程来完成,氨氮的硝化程度将成为控制生化处理好氧单元设计的主要因素,必须进行完全硝化。

③ TP

扩建工程进水TP质量浓度为8 mg/L,BOD5质量浓度为170 mg/L,BOD5/TP≈21.3,仅生物除磷难以达到出水要求,需在深度处理阶段增加化学辅助除磷确保TP达标。

(2)生物处理工艺的选择

根据进出水设计水质分析,扩建工程需选择高效的生物脱氮除磷工艺,确保出水达标排放。多点进水多段AAO工艺由多个串联的AO组成,污水按设定的比例从缺氧段进入生物反应池,回流污泥从反应池首端进入。该工艺具有脱氮效率高、污泥浓度高、碳源利用充分、抗冲击负荷能力强和节能降耗等特点。海滨污水处理厂扩建工程进水BOD5/TN较低,且出水TN质量浓度需达到15 mg/L以下,相较于传统AAO工艺,采用多段AAO工艺,在提高处理效果基础上,保证工艺可靠性,特别是解决水质处于低碳高氮时的出水达标。

①脱氮效率高。多点进水多段AAO工艺的TN去除效率与AO段数和污泥回流比有关,AO分段数越多,即进水分段越多,污泥回流比越大,生物处理的脱氮效率越高。若多点进水多段AAO工艺分为3段,各段进水比例相同,污泥回流比取100%,则生物处理的脱氮效率为83%。常规AAO工艺需要污泥回流比为100%、混合液回流比为400%才可达到相同的脱氮效率。

②污泥浓度高。多点进水多段AAO工艺的进水分段进入生物反应池,污泥回流全部进入第一段厌氧区,由此在生物反应池内形成污泥浓度的梯度变化。前几段的污泥浓度高于常规AAO工艺,使得污泥负荷降低,污染物降解彻底。若多点进水多段AAO工艺分为3段,各段进水比例相同,污泥回流比取100%,污泥回流质量浓度为7 g/L,则各段生物池的污泥质量浓度分别为5.3、4.2、3.5 g/L,生物反应池平均污泥质量浓度为4.3 g/L,高于常规AAO工艺(3.5 g/L)。

③碳源充分利用。污水进水分段进入缺氧区,使得碳源高效利用于反硝化脱氮,进水碳源利用效率更高,进而提高脱氮效率。

④抗冲击负荷能力强。多点进水多段AAO工艺具有较高的污泥浓度和较低的污泥负荷,可根据污水处理厂进水水量水质的波动,灵活调整进水点和进水流量分配比例,以达到稳定的污染物去除效率,提高生物反应池的抗冲击负荷能力。

⑤节能降耗。多点进水多段AAO工艺采用后置反硝化去除TN,一般情况无需设置混合液回流,降低回流能耗。进水分段进入缺氧区,进水碳源利用效率更高,对于碳氮比较低的污水可显著减少外部碳源投加量。

(3)深度处理工艺的选择

高效沉淀池可通过混凝沉淀有效去除污水中的TP和SS,考虑进水TP仅生物除磷难以达到出水要求,设置高效沉淀池进行化学除磷,保障TP达标。深床滤池主要去除TN和SS,进水碳源基本满足生物脱氮的要求,但为提高出水TN达标保证率,并为后续进一步升级改造预留余地,设置深床滤池。因此,深度处理采用高效沉淀池+深床滤池。

进水工业废水占比高,且纳入了老港填埋场三期和四期的垃圾渗滤液,特别是经过处理后的垃圾渗滤液,所残留的CODCr绝大部分为不可降解可溶性CODCr,无法通过生物降解去除。因此,将高级催化氧化技术作为降解溶解性不可生物降解CODCr、确保出水CODCr达标的主要手段。参考一期工程仅预留臭氧催化氧化池的土建,且考虑到扩建后污水成分会发生波动和不确定性,本次扩建工程臭氧催化氧化池仅建设土建部分,设备暂缓实施。

(4)集约化设计

工程用地面积为9.7×104m2,指标仅为国家标准的60%。考虑到用地指标的局限,设计采用平流式初沉池和矩形周进周出二沉池,并且采用与生物反应池合建形式,形成初沉池、生物反应池和二沉池三联体,同时池顶竖向叠合建设配电、控制和除臭设施,使土地资源最大化得到利用。总平面布置同样考虑集约化设计,统筹衔接进出水、供配电设施、场地给排水等,分区布置预处理区、污水主处理区、深度处理区和污泥处理区。

根据本项目进出水水质情况,各项控制指标的控制次序如表2所示。

表2 污水水质各项控制指标控制次序Tab.2 Order of Various Indices Control of Wastewater Quality

2.3 工艺流程

本工程污水处理采用“预处理(曝气沉砂)工艺+前处理工艺(初沉池)+生物处理主体工艺(多段AAO工艺)+深度处理工艺(混凝沉淀过滤)”组合式污水处理工艺路线,并辅以次氯酸钠消毒工艺。该工艺具有良好的水质适应能力、处理效果稳定、切换模式灵活、运行能耗低等优点[2]。污泥处理采用机械浓缩脱水一体化工艺。工程整体流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process Flow

3 工程设计

3.1 总平面布置和工程分组

扩建厂区总平面布置遵循功能分区、流程简捷、负荷集中、交通顺畅、便于养护等原则,由西向东共布置以下区域:(1)预处理区,布置配水井、细格栅及曝气沉砂池;(2)污水主处理区,主要构筑物有初沉池、生物反应池、二沉池、鼓风机房、变电所;(3)深度处理区,包括中间提升泵房及高效沉淀池、深床滤池、消毒氧化池、加药加氯间、臭氧发生器间等;(4)污泥处理区,主要布置储泥池、污泥浓缩脱水机房及料仓等。

考虑到全厂40万m3/d中一期已按5万m3/d规模分组,且扩建工程用地面积较小,本次扩建工程的20万m3/d中,预处理、深度处理按一座建设,二级处理按一座污水处理构筑物建设,分成两组,每组10万m3/d,每组处理单元均可独立运行。

3.2 预处理单元设计

污水厂总进水管为压力进水管,因此,不设置粗格栅和进水泵房。预处理单元包括配水井、细格栅及曝气沉砂池,初沉池与生物反应池合建。

(1)细格栅:共设置2道,分别为6台转鼓式格栅除污机(格栅间隙为6 mm)以及6台网板式细格栅(格栅间隙为3 mm)。

(2)曝气沉砂池:分为2组共4格,高峰流量时水力停留时间为6.9 min,单格净宽为4.0 m,设计有效水深为3.0 m,有效长度为30 m。

3.3 主处理单元设计

主处理单元包括初沉池、生物反应池和二沉池,以及辅助的鼓风机房。

(1)初沉池:去除进水中不可降解无机物,以减少后续生物反应池的负荷。设计为平流式沉淀池,分2组,每组处理规模为10万m3/d,可单独运行,每组分3格。高峰流量时表面负荷为3.47 m3/(m2·h),水力停留时间为0.92 h,有效水深为3.2 m。当进水浓度较高或雨季时,污水进初沉池;当平时进水浓度较低时可超越初沉池。

(2)生物反应池:采用分点进水多段AAO工艺。建设1座构筑物,分2组,每组处理规模为10万m3/d。

针对进水水质特点,生物处理工艺必须考虑工艺的成熟性、可靠性和稳定性,同时还要考虑工艺的适应性和灵活性。

本次设计中,将污水生物处理工艺优化为多段AAO工艺,从而更能适应污水厂进水水质的波动变化,提高污水处理的稳定性。海滨污水处理厂扩建工程进水BOD5/TN较低,且出水TN质量浓度需达到15 mg/L以下,采用多段AAO工艺,在提高处理效果基础上,保证工艺可靠性,特别是解决水质处于低碳高氮时的出水达标。此工艺运行模式如下:污水分别进入缺氧池A1、缺氧池A2和缺氧池A3,需要强化除磷时,部分污水进入厌氧池,外回流污泥进入缺氧池A1,好氧内回流进入缺氧池A3,形成多段AAO工艺。

多段AAO处理流程如图3所示,生物反应池主要工艺参数如表3所示。

图3 多段AAO工艺功能分区布置Fig.3 Functional Area Layout of Multi-Stage AAO Process

表3 多段AAO工艺参数Tab.3 Designed Parameters of Multi-Stage AAO Process

本工程多段AAO除常规优势外,还有以下技术特点:

① 厌氧池保留进水点,可强化厌氧释磷效果;

② 好氧内回流在第三段AO中进行,第一段和第二段AO维持高污泥浓度,减小池容;

③多段AAO生物反应池的各池长度相等,宽度按比例分隔(图4),池内的进水、回流、空气管、除臭管均设置渠道,互不干扰,便于维护管理[3]。

图4 生物反应池多段AAO工艺布置Fig.4 Layout of Biological Reaction Tank with Multi-Stage AAO Process

(3)二沉池:设计采用平流式周进周出二沉池,与生物反应池合建,宽度基本相同。1座构筑物分2组,每组处理规模为10万m3/d,每组分为8格,共16格。二沉池峰值流量考虑叠加滤池反冲洗水。最大表面负荷为1.30 m3/(m2·h),有效水深为4.5 m,设计流量下水力停留时间为3.45 h。

(4)鼓风机房:为生物反应池提供氧气,保证生物系统正常运行。共设置单级离心鼓风机8台,6用2备,单机流量为180 m3/min,设计气水比为7.78。

3.4 深度处理单元设计

深度处理单元包括中间提升泵房及高效沉淀池、深床滤池、消毒氧化池、加药加氯间等。

(1)高效沉淀池:通过混凝沉淀工艺辅助除磷。沉淀区分4组,每组处理规模为5万m3/d,直径为16 m,水深为7 m,高峰负荷为15.54 m3/(m2·h)。

(2)深床滤池:对沉淀池出水进行过滤,以进一步去除SS及附着在SS上的TP等污染物;通过投加碳源,可进一步去除TN。1座滤池,共分20格,高峰流量设计滤速为6.23 m/h。本次扩建工程设置乙酸钠投加装置作为应急补充,在进水碳源不足时投加。

(3)消毒氧化池:进水工业废水占比高,且纳入了老港填埋场三期和四期的垃圾渗滤液,特别是经过预处理后的垃圾渗滤液,所残留的CODCr绝大部分为不可降解可溶性CODCr,无法通过生物降解去除,因此,将高级催化氧化技术作为降解溶解性不可生物降解CODCr、确保出水CODCr达标的主要强化手段。考虑到扩建后污水成分会发生波动和不确定性,为节省工程投资,本次扩建工程臭氧的土建部分建设,设备暂缓实施。消毒氧化池池容按臭氧催化氧化所需的50 min设计,近期投加次氯酸钠以保证尾水粪大肠菌群消毒达标[4]。

3.5 污泥处理单元设计

污泥处理单元主要布置有储泥池、污泥浓缩脱水机房及料仓等。

污泥浓缩脱水机房规模为20万m3/d污水处理对应的污泥量(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和化学污泥9.0 t DS/d,混合污泥含水率为99.0%。采用离心浓缩脱水一体机6台,5用1备,污泥脱水至80%后由泵送或车运至临近的污泥处置中心进行干化焚烧处置。

4 设计特点

(1)安全韧性,污水处理保障率高

海滨污水处理厂接纳浦东中部地区污水以及上海老港基地渗滤液尾水,进水浓度高、波动大、成分复杂。污水处理针对性采用三段式处理工艺,实现工艺高效性、运行稳定性、调整灵活性和出水保障性。

(2)绿色低碳,降低污水处理能耗

采用的三段式强化脱氮除磷多段AAO工艺,高效利用宝贵的进水碳源,设置多点进水可调节各段进水比例,降低内回流比及其能耗。配合鼓风机和曝气量精准调控,实现全方位的节能降耗,降低运行成本。

(3)集约节约,充分利用有限的土地

工程用地面积为9.7×104m2,指标仅为国家标准的60%。总平面集约布置,处理流线清晰,恶臭单元集中,人车路线合理。为使土地资源最大化利用,主处理构筑物集约紧凑化设计了初沉池、生反池和二沉池三联体合建,整座池体总尺寸达到241.9 m×167.6 m,3个单体宽度设计相同,池顶统一覆土种植绿化,外观整齐美观,且便于巡检维护(图5)。

图5 主处理构筑物照片Fig.5 Picture of Main Treatment Structure

5 运行效果

扩建工程于2022年8月开始调试及试运行,处理水量在2022年12月开始达到19万m3/d,为设计规模的95%,2022年9月—2023年1月的实际进出水水质如表4所示。通过表中数据分析,扩建工程出水水质稳定,各项水质指标均优于设计标准。进水TN质量浓度为13.20～54.80 mg/L,出水质量浓度为0.93～13.80 mg/L,最大去除率达到83.92%;进水TP质量浓度为1.75～12.50 mg/L,出水质量浓度为0.01～0.49 mg/L,最大去除率达到98.40%。污水处理厂进水水质波动较大,但出水水质稳定,系统脱氮除磷效果显著。

表4 实际进出水水质Tab. Fig.4 Actual Quality of Influent and Effluent

6 经济分析

扩建工程总投资为112 763万元,其中建安费用为95 801万元。经营成本为1.6元/m3,包括水电药剂费、职工薪酬、折旧费、修理费等,其中电费和药剂费成本为0.66元/m3。相比于同类型项目,海滨污水处理厂具有经济性,仅内回流能耗每年可节省约150万kW·h。

7 结语

(1)针对进水碳氮比低、运行能耗大的污水处理厂,可采用多点进水多段AAO工艺,提高污染物生物去除效率,降低运行能耗,提高应对冲击负荷的能力。

(2)对于用地受限的污水处理厂,统筹衔接进出水、供配电设施、场地给排水等,集约分区布置处理设施。同时可采用初沉池、生物反应池和二沉池三联体形式,进一步减少构筑物占地。

(3)海滨污水处理厂扩建工程实际运行结果表明,扩建工程出水水质处理效果好,各项水质指标均优于设计标准,设计方案可供类似大规模污水厂工程参考借鉴。