常溫UASB-SBR-人工濕地工藝處理集便廢水應(yīng)用研究

李傳松，何曉斌，李紹平，曾慶華，李宗明，吉 陽

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

目前，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)力度的增大，旅客列車卸污項(xiàng)目也逐漸增多，所產(chǎn)生的高濃度集便廢水處理已經(jīng)成為一個亟待解決的難題。集便廢水具有高有機(jī)物、高SS、可生化性差等特點(diǎn)[1-2]，采用厭氧處理技術(shù)具有低能耗、投資省、污泥產(chǎn)量低、占地面積少等優(yōu)勢[3-5]。目前升流式厭氧污泥床技術(shù)(Up-flow Anaerobic Sludga Blanket， UASB)已經(jīng)成為厭氧污水處理技術(shù)的主流之一，在高濃度有機(jī)廢水處理中得到廣泛應(yīng)用[5-9]。但通常UASB反應(yīng)器運(yùn)行多采用中溫厭氧(35～40 ℃)或高溫厭氧(50～55 ℃)[3-4]，需要加熱及嚴(yán)格的保溫措施，限制了UASB技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。目前，針對常溫厭氧的UASB的相關(guān)研究及應(yīng)用已初具規(guī)模[10-13]，但缺乏相關(guān)工程案例。

以新建海南環(huán)島高鐵東環(huán)線三亞動車所旅客列車卸污項(xiàng)目為依托，利用三亞獨(dú)特的氣候資源，使用常溫環(huán)境下UASB工藝處理高濃度旅客列車集便廢水，出水與動車所內(nèi)其余生產(chǎn)、生活污水混合與調(diào)節(jié)沉淀，并由SBR反應(yīng)器合并處理后排放；后結(jié)合西環(huán)線建設(shè)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在SBR池出水后增加多級人工濕地處理單元進(jìn)行深度處理；為避免生產(chǎn)廢水中較多的陰離子表面活性劑對污水生物處理系統(tǒng)的不利影響[14-15]，將生產(chǎn)廢水獨(dú)立收集后經(jīng)隔油、混凝、氣浮和過濾后[14，16-17]與SBR池出水經(jīng)人工濕地進(jìn)行深度處理[18-21]，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的出水水質(zhì)及其穩(wěn)定性與可靠性，最終實(shí)現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于三亞市，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫25.7 ℃，最高月(6月)平均28.7 ℃，最低月(1月)平均21.4 ℃。動車所初期(2010年12月東環(huán)線通車)集便廢水最大排水量150 m3/d，生產(chǎn)廢水主要為洗車廢水和檢查庫清洗廢水約50 m3/d，生活污水約100 m3/d，后期(西環(huán)線2015年12月通車)新增集便廢水50 m3/d，生產(chǎn)廢水50 m3/d，生活污水100 m3/d，集便廢水采用獨(dú)立管網(wǎng)分別收集。依據(jù)環(huán)境保護(hù)部關(guān)于本線環(huán)評報(bào)告批復(fù)的要求，出水需滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) mg/L

2 工程內(nèi)容

2.1 工藝流程和平面布局

本工藝流程和廠區(qū)工藝布置分別如圖1和圖2所示。

圖1 動車所污水處理工藝流程

高濃度的集便廢水經(jīng)化糞池沉淀及初步穩(wěn)定后，提升至UASB反應(yīng)器進(jìn)行厭氧反應(yīng)；為降低處理負(fù)荷，出水采用內(nèi)回流；UASB反應(yīng)器出水與動車所內(nèi)其余生產(chǎn)和生活污水混合、經(jīng)調(diào)節(jié)沉淀池進(jìn)行水質(zhì)與水量調(diào)節(jié)后，由潛污泵提升至SBR池。本工程在初期時僅接納東環(huán)線工程的生產(chǎn)和生活污水，SBR池出水經(jīng)紫外線消毒后就近排放。考慮后期(西環(huán)線引入)污水處理規(guī)模的增加，預(yù)留了后期新增污水處理位置及場坪。

受海南旅游淡季/旺季旅客數(shù)量的波動影響，集便廢水的設(shè)計(jì)水量與水質(zhì)存在較大的波動并導(dǎo)致SBR池出水水質(zhì)不穩(wěn)定。故在西環(huán)線引入時，在原工藝末端增加了人工濕地處理單元，以提高出水水質(zhì)及處理穩(wěn)定性；同時因生產(chǎn)廢水中含有較多的陰離子表面活性劑(LAS)和石油類物質(zhì)，且石油類中非浮油類的成分較多；因LAS對SBR池的生物處理有較大影響，出水發(fā)黑且不達(dá)標(biāo)，將生產(chǎn)廢水和其余污廢水進(jìn)行分質(zhì)分流，設(shè)生產(chǎn)廢水處理棚1處(30m×17m)，生產(chǎn)廢水采用“隔油+混凝+氣浮+過濾”工藝處理后，與SBR出水均排入人工濕地單元進(jìn)行深度處理后就近排入鄰近水體。

在初沉池、UASB反應(yīng)器、SBR池、氣浮過濾器和調(diào)節(jié)沉淀池內(nèi)所產(chǎn)生的污泥由污泥管道收集后匯入污泥泵井，經(jīng)污泥干化場自然干化后外運(yùn)處理。

2.2 主要處理構(gòu)筑物與設(shè)備

2.2.1 化糞池

采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，G13-100SF型，尺寸為13.4 m×3.7 m×3.3 m，容積為100 m3(1座)，并預(yù)留后期1座。

2.2.2 UASB反應(yīng)器

近期設(shè)1座，預(yù)留后期場坪1座；單體處理能力為Q=8 m3/h，包括布水系統(tǒng)、循環(huán)/回流系統(tǒng)、三相分離器、出水收集系統(tǒng)、阻火器、回流泵等。池體采用不銹鋼圓形池體，外徑9.0 m，主體高度10.5 m，布水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、分離區(qū)、出水區(qū)和氣體區(qū)的高度分別為0.5，6.8，3.2，0.7 m和1.6 m，設(shè)備總高度12.0 m，如圖3所示。UASB反應(yīng)器不設(shè)置保溫，加熱系統(tǒng)采用常溫厭氧，運(yùn)行溫度為20～25 ℃，水力停留時間HRT=74 h。為降低后續(xù)工藝負(fù)荷及強(qiáng)化系統(tǒng)氨化效果，設(shè)回流泵2臺，單臺回流水量Q=40 m3/h，回流比R=5[22]，在進(jìn)水COD≤4 500 mg/L的條件下，出水COD≤1 000 mg/L，去除率約為77.8%。進(jìn)水管、排水管、放空管等采用鍍鋅鋼管，內(nèi)外壁均采用防腐涂料保護(hù)。因動車所內(nèi)對沼氣利用需求較低且產(chǎn)量小，所產(chǎn)生的的沼氣經(jīng)收集后排入大氣，并在末端設(shè)二級阻火器系統(tǒng)以提高系統(tǒng)安全性。

注：1—鋼筋混凝土化糞池；2—污水泵井；3—UASB厭氧塔；4—鋼筋混凝土調(diào)節(jié)沉淀池；5—提升泵井；6—SBR反應(yīng)器；7—計(jì)量堰及消毒井；8—格柵井；9—污泥泵井；10—污泥干化場；11—控制間；12—鼓風(fēng)機(jī)房；1′—預(yù)留化糞池位置；3′—預(yù)留UASB厭氧塔位置；6′—預(yù)留SBR反應(yīng)器位置；13—廢水調(diào)節(jié)池；14—污泥泵井圖2 污水處理站平面布置(單位：m)

圖3 UASB反應(yīng)器構(gòu)造(單位：mm)

后期在西環(huán)線引入時，集便廢水的水量受旅游季節(jié)波動較大且僅達(dá)到設(shè)計(jì)處理能力的50%～60%，既有UASB反應(yīng)器可滿足新增集便廢水處理要求，無需新增UASB反應(yīng)器設(shè)備。

2.2.3 調(diào)節(jié)沉淀池

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2格，單池尺寸14.8 m×3.0 m×4.65 m，有效容積V=100 m3，HRT=12.5 h，預(yù)留后期用地。

2.2.4 SBR池

近期設(shè)2組，單組處理能力7.5 m3/h，單組尺寸10.0 m×7.5 m×4.55 m，不銹鋼結(jié)構(gòu)。配置BK5006型曝氣機(jī)2臺(1用1備)，曝氣管采用DN80，配微孔爆氣頭。SBR反應(yīng)器反應(yīng)周期設(shè)置為T=8 h，工作模式為：進(jìn)水(0.5 h)—曝氣(4.5 h) —沉淀(1.0 h) —排水(1.0 h) —待機(jī)(1.0 h)，每天運(yùn)行3個周期。后期新增1組SBR池，尺寸與處理能力與原設(shè)備相同；為提高系統(tǒng)對COD及氨氮等的去除效果，將原T=8 h改為T=12 h，工作模式為：進(jìn)水(0.5 h) —曝氣(6.5 h)—沉淀(1.0 h)—排水(1.5 h)—待機(jī)(2.5 h)，每天運(yùn)行2周期，總實(shí)際處理水量350 m3/d。

2.2.5 氣浮設(shè)備

采用加壓溶氣氣浮，處理能力Q=10 m3/h，二班制運(yùn)行，空壓機(jī)為V-0.25/6型，Q=250 L/min，汽水分離罐采用TR-3型，尺寸為φ300 mm×1 800 mm，碳鋼材質(zhì)；另配混凝網(wǎng)格混凝池1座和PAC和PAM自動加藥設(shè)備各1套。

2.2.6 過濾設(shè)備

采用GL-10型均質(zhì)濾料過濾器，處理能力Q=10 m3/h，尺寸為φ1 200 mm×3 800 mm，濾料采用石英砂濾料(φ1.2～2 mm)，定時反沖洗，配中間儲水箱、過濾提升泵及反沖洗泵等各1套。

2.2.7 人工濕地

人工濕地為西環(huán)線引入時新增工程，對生產(chǎn)廢水和SBR池出水進(jìn)行深度處理，以提高系統(tǒng)的處理能力并增強(qiáng)系統(tǒng)的出水穩(wěn)定性[18-20]。人工濕地設(shè)計(jì)處理能力500 m3/d，分2組，每組可獨(dú)立運(yùn)行，單組分為4級人工濕地并在中部設(shè)儲水塘，末端設(shè)出水觀測塘；濕地主體采用“下行垂直流濕地+上行垂直流濕地+水平潛流濕地”構(gòu)造，占地為68 m×30 m，有效水力停留時間為2.0 d，填料自上而下依次采用直徑5～10 mm的礫石及瓜子石，直徑8～10 mm生物陶粒及直徑4～8 mm的礫石及卵石填料，厚度分別為300，350 mm和300 mm，總厚度1.0 m。植物采用常見的紙莎草、魚腥草、再力花、水白菜和睡蓮等常見植物。如圖4所示。

圖4 單組人工濕地平面布置(單位：m)

3 處理效果

經(jīng)改造后的集便廢水、生活污水和生產(chǎn)廢水的各處理構(gòu)筑物與設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)分別如表2和表3所示。

表2 各單元出水水質(zhì) mg/L

表3 生產(chǎn)廢水設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) mg/L

經(jīng)過調(diào)試和多年運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)可滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，產(chǎn)泥量低，管理簡便。

4 結(jié)論

本工程中，充分利用三亞市的氣候資源，針對集便廢水有機(jī)物濃度高等特點(diǎn)與難點(diǎn)，采用內(nèi)回流強(qiáng)化處理的常溫UASB反應(yīng)器進(jìn)行處理，在20～25 ℃的常溫環(huán)境下，出水的COD濃度可低至1 000 mg/L，去除率約為77.8%，處理效果良好。同時，為避免生產(chǎn)廢水中的較高濃度的LAS對生物處理過程產(chǎn)生不利影響，對生活污水與生產(chǎn)廢水進(jìn)行分質(zhì)分流，生產(chǎn)廢水采用“混凝—沉淀—過濾”工藝進(jìn)行處理；UASB反應(yīng)器出水與生活污水混合后經(jīng)SBR池進(jìn)行二級處理后，其出水與生產(chǎn)廢水一起進(jìn)入人工濕地單元進(jìn)行深度處理后，出水的COD、BOD5、SS和NH3-N的濃度可分別低于50，20，35 mg/L和15 mg/L，去除率分別為98.9%，98.7%，97.7%和98.3%；出水可滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

因本工程設(shè)計(jì)初期已經(jīng)充分考慮遠(yuǎn)期工程的需要，預(yù)留了遠(yuǎn)期污水規(guī)模及處理設(shè)施的接入條件，使得新增污水處理工程的實(shí)施大為簡便，并依據(jù)初期運(yùn)行中的不足與存在問題進(jìn)行深入分析，對既有設(shè)施進(jìn)行了科學(xué)、合理的改擴(kuò)建，實(shí)現(xiàn)了良好的技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

實(shí)踐證明，本套常溫UASB-SBR-人工濕地處理工藝對旅客列車集便廢水有良好的處理效果，對東南亞和“一帶一路”沿線國家中存在相似氣候地區(qū)的鐵路建設(shè)中所產(chǎn)生的集便廢水處理，具有良好的示范及推廣應(yīng)用價(jià)值。