兩級上向流生物濾池及模塊化裝備應(yīng)用于污水廠提標(biāo)改造的工程實(shí)例
摘要：對于部分城市生活污水處理廠，進(jìn)、出水水質(zhì)隨季節(jié)性波動(dòng)較大。以山西省某污水處理廠為例，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）準(zhǔn)Ⅴ類（TN≤10mg/L）標(biāo)準(zhǔn)考核，夏季出水TN不能達(dá)標(biāo)，冬季NH3-N不能達(dá)標(biāo)，通過新增兩級生物濾池的深度處理工藝，采用上向流生物濾池及專有的布水布?xì)庀到y(tǒng)，可根據(jù)水質(zhì)處理需求實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化模式的切換，保證TN及NH3-N全年穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。本項(xiàng)目采用智能模塊化裝備的建造模式，具有安裝便捷，占地面積小，不受施工場地限制等優(yōu)勢。
01 工程概述
為了保護(hù)和改善水環(huán)境，國家加大水污染防治力度。近幾年，國家“水十條”和地方標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺(tái)，許多污水處理廠面臨提標(biāo)改造的問題。山西省水污染防治行動(dòng)計(jì)劃及水污染防治條例要求城鎮(zhèn)生活污水廠出水COD、NH3-N及TP等指標(biāo)參照地表水Ⅴ類及以上標(biāo)準(zhǔn)。以山西省某污水處理廠為例，其水質(zhì)隨季節(jié)波動(dòng)較大，且碳氮比較低，亟需尋求一種靈活的污水提標(biāo)改造工藝，既能適合進(jìn)水水質(zhì)的變化，又能保障出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。
該污水處理廠設(shè)計(jì)日處理規(guī)模為3萬m3/d，于2007年9月建成通水，2016年4月在污水廠內(nèi)完成第一次提標(biāo)改造，處理工藝為“改良型A2O+網(wǎng)格絮凝沉淀+精密過濾”，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最新政策要求，需將出水標(biāo)準(zhǔn)提至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）地表準(zhǔn)V類（其中TN≤10mg/L）。從污水廠2018年的運(yùn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)分析，出水水質(zhì)達(dá)不到地表V類標(biāo)準(zhǔn)且隨季節(jié)波動(dòng)較大，即使污水廠通過優(yōu)化前端生化系統(tǒng)，夏季TN仍不達(dá)標(biāo)，冬季NH3-N不達(dá)標(biāo)。當(dāng)夏季TN進(jìn)水指標(biāo)升高時(shí)，在原生化處理系統(tǒng)缺氧池內(nèi)投加碳源，實(shí)際運(yùn)行碳源利用率較低，藥劑成本高，前置反硝化脫氮能力有限。在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)且運(yùn)行成本合理的前提下，該污水廠需新建處理設(shè)施進(jìn)行提標(biāo)改造。由于污水廠用地緊張，且周邊征地困難，根據(jù)業(yè)主要求，僅能在廠內(nèi)剩余很小的空地上新建深度處理設(shè)施。深度處理設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。
02 處理工藝概述
根據(jù)主要超標(biāo)的污染物因子隨季節(jié)波動(dòng)的情況，本項(xiàng)目提標(biāo)改造采用新增兩級生物濾池的深度處理工藝，二沉池出水提升至新增生物濾池，經(jīng)兩級生物濾池處理后出水進(jìn)入原網(wǎng)格絮凝沉淀池，經(jīng)沉淀及過濾，最后在清水池消毒后達(dá)標(biāo)排放，工藝流程如圖1。
兩級生物濾池均采用上向流濾池形式，且濾池的建設(shè)采用鋼制模塊化裝備結(jié)構(gòu)，根據(jù)水質(zhì)的變化可將生物濾池的運(yùn)行模式切換成以下兩種：
模式一：硝化濾池+反硝化濾池，NH3-N不達(dá)標(biāo)，TN不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，去除NH3-N、TN；
模式二：反硝化濾池+硝化濾池，TN不達(dá)標(biāo)，NH3-N不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，去除TN、NH3-N。
03 主要工藝單元及設(shè)計(jì)參數(shù)
3.1 一級生物濾池
設(shè)計(jì)鋼制模塊化裝備共6組，單組設(shè)計(jì)處理規(guī)模5000m3/d，單組尺寸10.5m×3.0m×4.5m，火山巖濾料粒徑4-6mm，填裝高度為2.8m，鵝卵石承托層8-32mm，填裝高度0.3m，空床停留時(shí)間25min。
3.2 二級生物濾池
設(shè)計(jì)鋼制模塊化裝備共4組，單組設(shè)計(jì)處理規(guī)模7500m3/d，單組尺寸10.5m×3m×3.4m，空床停留時(shí)間15min，火山巖濾料粒徑3-5mm，填裝高度為2.1m。
兩級生物濾池均采用專門研發(fā)的中阻力配水、大阻力配氣的多功能濾管替代傳統(tǒng)的小阻力濾頭濾板配水配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行布水布?xì)?，兼具布水、曝氣布?xì)?、反沖洗布水布?xì)獾墓δ埽蓪?shí)現(xiàn)濾池布水布?xì)飧泳鶆?，反沖洗更加徹底，需曝氣功能時(shí)，無需單設(shè)單孔膜曝氣系統(tǒng)，僅配備鼓風(fēng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化的轉(zhuǎn)化運(yùn)行。
3.3 自控系統(tǒng)
本深度處理濾池系統(tǒng)在提標(biāo)改造車間設(shè)有中控室，并配置有2臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)，一主一副互為備用，上位機(jī)系統(tǒng)采用西門子WINCC7.3版組態(tài)軟件，下位機(jī)采用分布式系統(tǒng)，主站1臺(tái)，采用西門子300系列PLC，子站10臺(tái)，采用西門子200SMART系列PLC。主站用于控制反洗風(fēng)機(jī)、反洗水泵、曝氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。子站用于控制各組濾池的閥門。濾池控制子站負(fù)責(zé)完成每格硝化/反硝化濾池正常過濾、氣洗、氣水同時(shí)反洗、水洗的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制以及操作狀態(tài)監(jiān)視。每格硝化/反硝化濾池設(shè)置超聲波液位計(jì)、水頭損失儀以實(shí)現(xiàn)反洗條件判斷。子站利用控制指令，控制進(jìn)水閥開度，從而實(shí)現(xiàn)各格濾池進(jìn)水均衡控制，同時(shí)上傳反洗工況信號供上位機(jī)采集。主站與子站之間，主站與上位機(jī)之間都是通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)交換。在主站配置有無線遠(yuǎn)程模塊，實(shí)現(xiàn)對深度處理濾池自控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守，全自動(dòng)化運(yùn)行的要求。
3.4 提標(biāo)改造系統(tǒng)車間
提標(biāo)改造系統(tǒng)車間放置閥門氣源系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、碳源加藥系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、自控系統(tǒng)及其他輔助配套設(shè)備。
閥門氣源系統(tǒng)：空壓機(jī)Q=1m3/min，P=0.8MPa，N=7.5kW，1臺(tái)，冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐各1臺(tái)。曝氣系統(tǒng)主要為曝氣風(fēng)機(jī)及管道，曝氣風(fēng)機(jī)Q=5m3/min，P=0.06MPa，N=11kW，共11臺(tái)，10用1冷備。碳源加藥系統(tǒng)：溶藥裝置V=10m3，材質(zhì)PE，共2套，投加計(jì)量泵Q=550L/h，P=0.4MPa，N=0.55kW，共2臺(tái)，1用1備。
反沖洗系統(tǒng)：兩級生物濾池共用一套反沖洗系統(tǒng)，反洗風(fēng)機(jī)Q=13.72m3/min，P=0.06MPa，N=22kW，3臺(tái)，2用1備，反洗水泵Q=360m3/h，H=15m，N=22kW，3臺(tái)，2用1備。水洗強(qiáng)度6 L/m2.S，氣洗強(qiáng)度14 L/m2.S。
3.5 總平面布置
深度處理生物濾池采用鋼制模塊化裝備，一級生物濾池模塊分為1-6組，二級生物濾池模塊分為1-4組，底部進(jìn)水，穿越濾料層從上部出水，兩級生物濾池模塊總平面布置如下圖2。
由于污水廠改造場地受限，改造系統(tǒng)分兩層排布，上層放置生物濾池模塊，下層設(shè)置為提標(biāo)改造系統(tǒng)車間，車間內(nèi)放置配套設(shè)施及管道系統(tǒng)。改造總占地面積約為400m2，平面尺寸為32.4m×12.3m。
04 運(yùn)行模式及運(yùn)行效果
本項(xiàng)目于2019年10月建設(shè)完成并投產(chǎn)，運(yùn)行至今貫穿了冬季與夏季，平均處理水量為2.85萬噸/天。針對本項(xiàng)目深度處理的水質(zhì)，同時(shí)結(jié)合所使用濾池的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)通過功能切換，發(fā)揮濾池的硝化及反硝化功能，保證全年的出水水質(zhì)。
（1）冬季氨氮超標(biāo)運(yùn)行模式
溫度對硝化菌的活性影響較大，當(dāng)12月-2月期間，冬季水溫低于12℃時(shí)，污水廠原A2O生化處理系統(tǒng)硝化速率下降，因此進(jìn)入深度處理系統(tǒng)NH3-N濃度較高，在TN濃度中占比也較高。針對NH3-N超標(biāo)，深度處理需強(qiáng)化硝化，采用模式一運(yùn)行：1-6#一級生物濾池開啟曝氣進(jìn)行硝化，1-4#二級生物濾池根據(jù)需要投加少量碳源，保證出水NH3-N、TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。硝化濾池濾速6.3m/h，反洗周期約60-72h；反硝化濾池濾速9.4m/h，反洗周期約36-48h。碳源投加采用“模糊控制”法，通過進(jìn)水流量計(jì)、進(jìn)出水在線硝態(tài)氮濃度儀的反饋，建立數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)控制碳源加藥量。在保證出水COD、BOD5達(dá)標(biāo)的前提下，精確的控制總氮的去除。以2月份運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，平均水溫8℃，深度處理系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N為7-10mg/L，進(jìn)水TN為9-13mg/L，出水NH3-N≤1.5mg/L，出水TN≤10mg/L。
（2）夏季總氮超標(biāo)運(yùn)行模式
夏季降雨量大，集中在7月-8月期間，雨污合流使污水廠進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低，硝化效果較好，但碳氮比較低限制了反硝化的脫氮效果，通過在原生化處理增加碳源，但利用率較低，脫氮效果得不到明顯改善，原A2O出水TN濃度偏高，大部分均為硝態(tài)氮。針對TN超標(biāo)，深度處理需強(qiáng)化反硝化，以模式二運(yùn)行為主：1-6#一級生物濾池不開啟曝氣并投加碳源作為反硝化濾池，去除硝態(tài)氮，1-2#二級生物濾池根據(jù)氨氮濃度決定是否開啟曝氣進(jìn)行硝化補(bǔ)充，3-4#二級生物濾池不曝氣作為過濾濾池，更好地保證出水效果。反硝化濾池濾速6.3m/h，反洗周期約36-48h；硝化濾池濾速9.4m/h，反洗周期約60-72h。以7月份運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，水溫約23-25℃，深度處理系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N為0.2-0.9mg/L，進(jìn)水TN為12-18mg/L，出水NH3-N≤0.5mg/L，出水TN≤8mg/L。
（3）其他時(shí)段主要運(yùn)行模式
根據(jù)本項(xiàng)目深度處理的進(jìn)水情況，除上述集中水質(zhì)指標(biāo)較高的月份，其他時(shí)段NH3-N及TN少許超標(biāo)，NH3-N相對超標(biāo)頻率較高，主要以模式一方式運(yùn)行，根據(jù)NH3-N濃度開啟1-6#一級生物濾池的幾組進(jìn)行曝氣，1-4#二級生物濾池根據(jù)需要投加少許碳源作為水質(zhì)保障。
綜上述運(yùn)行模式，兩級濾池全年大部分為“硝化+反硝化”模式，其中7，8月份切換為“反硝化+硝化”模式。根據(jù)水質(zhì)提前分組進(jìn)行切換，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，反硝化切換為硝化時(shí)，停止投加碳源，強(qiáng)制反沖洗兩次后開啟曝氣，培菌期間反洗周期為72-96h，再逐漸調(diào)整至60-72h；硝化切換為反硝化時(shí)，停止曝氣，調(diào)整碳源加藥泵沖程，培菌期間反洗周期設(shè)置為96h，一周后恢復(fù)反洗周期至36-48h。
05 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
本項(xiàng)目改造深度處理系統(tǒng)裝機(jī)功率348.5kw，最大運(yùn)行功率為170kw，電費(fèi)0.07元/m3，年平均碳源投加費(fèi)為0.08元/m3，人工費(fèi)0.01元/m3，年平均直接運(yùn)行成本約0.16元/m3。深度處理系統(tǒng)占地面積400m2，建設(shè)周期僅為一個(gè)月。
06 結(jié)論
對于進(jìn)、出水水質(zhì)呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)較大時(shí)，深度處理采用兩級上向流生物濾池的組合工藝及其專有的布水布?xì)庀到y(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化的切換，根據(jù)水質(zhì)需求啟用硝化或反硝化功能，分別針對性去除NH3-N或TN，出水可滿足TN≤10mg/L，NH3-N≤1.5mg/L，并能根據(jù)溫度變化靈活運(yùn)行，確保全年水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。上向流生物濾池采用鋼制標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鋼混建設(shè)模式相比，占地及工期優(yōu)勢顯著。
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