李一龍
(中國中元國際工程有限公司,北京 100089)
隨著我國城市化進程的發(fā)展,城市邊界向外圍擴展,毗鄰鄉(xiāng)村地區(qū)的土地利用性質(zhì)逐漸從農(nóng)業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)以及其他職能,形成一種土地利用、社會和人口特征的獨特的過渡區(qū)域,稱為城鄉(xiāng)過渡區(qū)。該區(qū)域具有城市和鄉(xiāng)村的特征,是城鄉(xiāng)互相包含、互有飛地和犬牙交錯的地域。復(fù)雜的用地性質(zhì)和高速的城市化進程,造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題,其中,流域污染問題逐漸成為影響和限制可持續(xù)發(fā)展的重點因素之一。截至2016年底,全國共建設(shè)運行污水處理廠3 991座,污水處理能力達到1.73億m3/d,其中,北京共建設(shè)運行污水處理廠85座,污水處理能力為672萬m3/d,總污水處理率達到90%,但城鄉(xiāng)過渡區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的污水處理率并未得到有效提升。根據(jù)《北京市進一步推進污水處理和再生水利用三年行動方案(2016年7月—2019年6月)》的要求,區(qū)縣政府同時編制農(nóng)村污水治理規(guī)劃,以“城帶村、鎮(zhèn)帶村、聯(lián)村、單村”等方式解決農(nóng)村的污水收集處理問題。事實上,我國大部分流域跨越城市、城鄉(xiāng)過渡區(qū)和農(nóng)村,河道水質(zhì)也隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的城市化轉(zhuǎn)變而愈發(fā)污染嚴(yán)重。在流域治理項目中,應(yīng)充分認識城市、鄉(xiāng)村及城鄉(xiāng)過渡區(qū)的差異,研究排洪安全、景觀營造及截污治污問題[1],做到一河一策。一般城市河道的污染源較為單一,城鄉(xiāng)過渡區(qū)河道兼具城市和農(nóng)村河道的特點[2],緩解水質(zhì)的惡化應(yīng)優(yōu)先做好外源性污染防控措施,如管網(wǎng)改造、污水處理等。污水處理中工程規(guī)模、設(shè)計工藝及運行策略根據(jù)城鄉(xiāng)過渡區(qū)的特點進行計算和優(yōu)化。本文以北京市某城鄉(xiāng)過渡區(qū)流域治理工程為例,介紹了污水處理設(shè)施的設(shè)計和應(yīng)用,為同類型地區(qū)在高水質(zhì)排放要求下的污水處理設(shè)計提供參考。
北京市某流域治理工程的范圍主要為該流域南部,河道全長為27 km。該河道是區(qū)域重要的行洪排水河道,也是主要的污廢水受納水體。根據(jù)調(diào)查,該水體年納污量巨大,大部分污水未經(jīng)過妥善的處理直接排入河道,導(dǎo)致水污染嚴(yán)重、水質(zhì)惡化、水體黑臭、周邊景觀環(huán)境惡劣。流域附近主要為村鎮(zhèn)居民聚居地,同時混雜部分工業(yè)區(qū)、養(yǎng)殖業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)等。近年來,流域周圍局部城市化片區(qū)進行了排水分流制改造,但大部分村鎮(zhèn)排水采用合流制渠道,部分區(qū)域僅有簡易的排水溝渠。現(xiàn)狀污水排放口較分散,污水不便集中收集。污染源主要為生活污水,其余為少量的工業(yè)廢水、初期雨水徑流和其他污染。工業(yè)廢水通過管道排入河道,導(dǎo)致重金屬、油等嚴(yán)重超標(biāo),流域周邊的農(nóng)田遭受污染。其他污染包括農(nóng)業(yè)污染、禽畜業(yè)養(yǎng)殖污染等。城鄉(xiāng)過渡區(qū)域既具有現(xiàn)代城市的特性,又具有傳統(tǒng)農(nóng)村的特征。
污水量的預(yù)測一般以過去多年的統(tǒng)計資料為依據(jù),以未來用水的趨向、經(jīng)濟條件、人口變化、資源情況等為條件,結(jié)合上位規(guī)劃給出的人口調(diào)查數(shù)據(jù)、用水標(biāo)準(zhǔn)、污水收集率等指標(biāo),在用水量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的系數(shù)得出污水量及工程規(guī)模。車建明等[3]研究表明,城市發(fā)展區(qū)由于外來人口較多,人均用水量較高,如大興區(qū)約為111.43 L/(人·d),為全市城鎮(zhèn)總體用水水平的1.24倍。事實上,城鄉(xiāng)過渡區(qū)的用水量和污水量高于單一的城市或農(nóng)村居民。結(jié)合對村鎮(zhèn)供水情況的實地調(diào)查,設(shè)計人均日用水量為120 L/d。污水收集率根據(jù)管網(wǎng)普及率及用水特點情況取0.8。經(jīng)計算,日均污水流量為2 200 m3/d。
河道周邊區(qū)域大部分為合流制管道或渠道。一般合流制管道雨水截流倍數(shù)宜為2~5倍[4]。張懷宇等[5]研究指出,增加截流倍數(shù)或調(diào)蓄量可有效提高雨期的COD污染物截留率,達到或高于傳統(tǒng)的不處理雨水徑流的分流制排水系統(tǒng)的截留率。項目水質(zhì)指標(biāo)考核斷面位于河道下游,合流制溢流污染、河道附近的面源污染等均應(yīng)有效控制。為防治雨季溢流污染,發(fā)達國家的合流制系統(tǒng)截流倍數(shù)一般為3~6倍。考慮現(xiàn)狀管渠混接情況嚴(yán)重,管網(wǎng)分流制改造尚未完成,設(shè)計截流倍數(shù)考慮取高值,即5倍。雨水調(diào)蓄池進水時間宜取0.5~1 h,安全系數(shù)取1.1~1.5[4]。設(shè)計均取最高值,調(diào)蓄時間取1 h,安全系數(shù)取1.5。高截流倍數(shù)和調(diào)蓄池的聯(lián)合應(yīng)用,保證初期污染較嚴(yán)重的雨水經(jīng)過處理后再排入河道,降低雨水溢流頻次。經(jīng)計算,截流雨水總量為699 m3,設(shè)計截流的雨水分12 h進入處理站內(nèi),則截流雨水流量為58.3 m3/h。
污水處理廠最終規(guī)模為污水量和截流雨水量之和,如表1所示。

表1 某污水處理廠工程規(guī)模Tab.1 Design Capacity of WWTP
設(shè)計水質(zhì)是污水處理廠的基本參數(shù),對工藝流程、設(shè)計參數(shù)和運行策略均有指導(dǎo)性意義。一般根據(jù)實地調(diào)查水質(zhì)資料或鄰近類似污水處理廠的水質(zhì)資料分析后確定。污水處理廠進水主要為城鄉(xiāng)生活污水,包含少量工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)廢水,水質(zhì)特點為可生化性良好,B/C較高,水溫夏季為18~24 ℃、冬季約為14~16 ℃。綜合考慮附近已建的3座污水處理廠設(shè)計進水水質(zhì)和濱河公園的雨季排出口水質(zhì)(表2),水質(zhì)保證率取90%,擬定設(shè)計進水水質(zhì)。污水處理廠附近河道水質(zhì)考核斷面要求達到準(zhǔn)IV類水體標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計出水水質(zhì)按照北京市地標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/ 890—012)中B標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。設(shè)計進出水水質(zhì)如表3所示。

表2 已建污水處理廠設(shè)計進水水質(zhì)及濱河公園雨季排出口水質(zhì)Tab.2 Influent Water Quality of Exsiting WTTP and Effluent Water Quality of Riverside Park in Rainy Season

表3 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.3 Design of Influent and Effluent Water Quality
設(shè)計出水水質(zhì)為準(zhǔn)IV類,對工藝的去除率和穩(wěn)定性提出了更高的要求。根據(jù)調(diào)查,城鄉(xiāng)過渡區(qū)污水水質(zhì)各項指標(biāo)均劣于其他地區(qū),且水質(zhì)水量穩(wěn)定性較低。蔣嵐嵐等[6]研究表明,MBR工藝生物池的高污泥濃度和膜的高效截留作用使其對水質(zhì)水量的變化適應(yīng)能力強,抗沖擊負荷能力強,且冬季低溫影響較小。從污染物去除率、建設(shè)運行費用、占地面積、出水要求等方面綜合考慮,適宜采用MBR工藝處理[7]。
污水處理廠采用改良AAO+MBR工藝,具體流程如圖1所示。污水通過粗格柵,在此攔截污水中較大雜質(zhì)。然后由污水泵提升,進入沉淀調(diào)蓄池,調(diào)節(jié)均勻合流水量,并進行沉淀初步去除污水內(nèi)的雜物及懸浮物等。后由二次提升泵送至膜格柵(生物池頂部)進一步去除水中細小雜質(zhì),重力流入生物池。污水經(jīng)過厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)去除各類污染物后,進入膜池,膜池出水經(jīng)自吸泵送至清水池消毒,達到排放水體的要求,最終尾水排入河道。生物處理產(chǎn)生的剩余污泥由剩余污泥泵提升至貯泥池,然后進入濃縮脫水機進行濃縮脫水,脫水后泥餅外運處置。
北京農(nóng)村、城鄉(xiāng)過渡區(qū)的污水處理設(shè)施采用MBR工藝的比例超過50%。工藝的主要導(dǎo)向因素為排放標(biāo)準(zhǔn)高于國標(biāo)、占地面積限制和地區(qū)技術(shù)推廣程度。絕大部分MBR工藝采用國產(chǎn)中空纖維膜,實際運行中多發(fā)生膜絲纏繞、斷裂,低溫下膜產(chǎn)水量下降、膜壽命減少、清洗頻率增加等問題。不考慮膜產(chǎn)品質(zhì)量因素,膜組件產(chǎn)生問題的工藝原因主要為預(yù)處理不到位、膜低溫下跨膜壓差增大性能不佳、排泥不暢或清洗頻率不足引起堵塞,各項原因多產(chǎn)生在運行管理階段。鑒于小規(guī)模污水處理廠運行管理水平限制,選擇運行管理簡單、水質(zhì)適應(yīng)能力較強的平板膜。改良AAO位于MBR前端進行同步脫氮除磷,主要考慮2種極端工況,即冬季時低溫、高污染物濃度,低水量和雨季時常溫、中低污染物濃度波動、高水量。AAO工藝的改良型種類繁多,包括前后置缺氧工藝、UCT工藝、MUCT工藝、Bardenpho工藝、Phoredox工藝等。針對本項目常規(guī)工況和2種極端工況,降低建設(shè)成本和運行管理難度,仍采用厭氧、缺氧、好氧的傳統(tǒng)排列形式。在好氧池前半部分設(shè)置缺氧區(qū),可關(guān)閉曝氣、開啟攪拌機切換為缺氧運行,組成MUCT工藝,單獨控制厭氧區(qū)、缺氧區(qū)的硝酸鹽氮濃度,增強反硝化聚磷性能,提高除磷效率。針對冬季反硝化速率降低,TN難以達標(biāo)的特點,適當(dāng)提高污泥濃度,增大膜池混合液回流比,減小內(nèi)回流比,降低好氧池溶解氧混合液對反硝化的影響。雨季高水量、低濃度,可根據(jù)來水情況調(diào)節(jié)曝氣量,降低回流比和污泥濃度,增加排泥量,節(jié)能且延長膜使用壽命。

圖1 污水處理廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of WWTP
污水通過2條進水渠道進入裝有粗格柵的格柵間,設(shè)備采用1臺回轉(zhuǎn)式機械格柵和1臺人工格柵,柵條間隙25 mm,污水經(jīng)過格柵后進入提升泵提升。提升泵設(shè)計流量按合流最大時的流量選取,單臺Q=190 m3/h,H=10 m,N=11 kW,3用1備。
項目處理規(guī)模較小,水質(zhì)水量波動較大,一般需設(shè)置調(diào)節(jié)池。由于現(xiàn)狀為合流制管道,需考慮截留一定量的雨水進行處理;初期雨水?dāng)y帶的雜質(zhì)較多,需進行初步的沉淀。因此,綜合考慮將調(diào)節(jié)、調(diào)蓄、沉淀功能進行結(jié)合,統(tǒng)一設(shè)置1座調(diào)蓄沉淀池,分2個系列,總停留時間為7.2 h。調(diào)蓄池末端設(shè)二次提升泵,設(shè)計流量按合流平均時的流量選取,單臺Q=75 m3/h,H=11 m,N=5.5 kW,2用1備。
污水二次提升后進入生化池上方合建的膜格柵渠。膜格柵渠位于厭氧池、缺氧池上方,采用轉(zhuǎn)鼓式膜格柵,柵條間隙為3 mm,另一側(cè)設(shè)置超越渠。污水經(jīng)過膜格柵后通過管道重力流入?yún)捬醭叵虏浚瑪嚢韬笸屏鬟M入缺氧池、好氧池。厭氧池、缺氧池設(shè)置雙曲面攪拌機,低速攪拌防止沉積,同時對水在池內(nèi)的流態(tài)進行改善。好氧池設(shè)微孔曝氣頭,由鼓風(fēng)機房風(fēng)機供氣,保證好氧池的供氧效率和處理效果。同時,好氧池局部設(shè)潛水?dāng)嚢铏C,可根據(jù)情況切換缺氧、好氧狀態(tài)。在好氧池和膜池池壁上設(shè)置穿墻提升泵,污水經(jīng)過提升進入膜池,膜池設(shè)置浸沒平板式膜組件,污水經(jīng)過膜過濾,由設(shè)備間自吸泵打入清水池。
生物池總停留時間為11 h,其中,厭氧池、缺氧池、好氧池的停留時間分別為1.5、3.5、6.0 h。膜池停留時間為2.4 h。好氧池污泥濃度為8 000~9 000 mg/L,膜池污泥濃度為10 000~12 000 mg/L。膜池至好氧池前端回流比為200%~400%,好氧池至厭氧池或缺氧池前端回流比為0~200%,通過水泵變頻和閥門進行切換或調(diào)節(jié)。膜池采用平板膜,膜通量雨季取0.62 m3/(m2·d),旱季為0.38 m3/(m2·d),膜有效過濾面積為5 800 m2,單張膜過濾面積為1.45 m2,需膜元件4 000張。單臺膜組件含400張膜原件,共布置10臺膜組件,分2池,每池5臺。清水消毒池及各類加藥池集中設(shè)置在膜池另一側(cè)。其中,清水消毒池加次氯酸鈉消毒,確保出水余氯,接觸停留時間為44 min。各區(qū)域如圖2所示,斜線區(qū)域為厭氧池、橫線區(qū)域為缺氧池、交叉線區(qū)域為好氧池、豎線區(qū)域為膜池,斜點劃線區(qū)域為清水池等。

圖2 組合池各工藝段示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Each Process Section of Combined Tank
設(shè)置好氧池曝氣鼓風(fēng)機及膜曝氣擦洗鼓風(fēng)機,參數(shù):Q=7.5 m3/min,風(fēng)壓為75 kPa,N=18.5 kW,2用1備;Q=20 m3/min,風(fēng)壓為75 kPa,N=45 kW,2用1備。另外設(shè)備間布置膜設(shè)備配套的產(chǎn)水泵、加藥泵、藥罐及膜格柵沖洗泵、廠區(qū)回用水泵等。
剩余污泥排至儲泥池,儲泥池設(shè)潛水?dāng)嚢铏C防止厭氧釋磷。隨后采用離心污泥脫水機進行處理,水力負荷為15 m3/h,固體負荷為100 kg/h,出泥含水率低于80%,污泥統(tǒng)一外運處置。
項目所在地區(qū)為雨污合流制管道,污水處理站位于管網(wǎng)末端近河處。考慮到出水指標(biāo)考核斷面為河道下游,需收集沿岸污染較嚴(yán)重的初期雨水。污水處理站規(guī)模考慮夏季最高日雨水5倍的截流量,調(diào)蓄時間為1 h。高截流倍數(shù)和調(diào)蓄池的聯(lián)合應(yīng)用保證了初期污染較嚴(yán)重的雨水經(jīng)過處理后再排入河道,有效控制合流制溢流污染,滿足了在各種環(huán)境條件、工況下達標(biāo)排放的設(shè)計思路。
由于項目水量較小,且設(shè)置了2個系列,各工藝環(huán)節(jié)的池體尺寸較小。大型污水處理廠生物池的設(shè)計流態(tài)一般采用推流式,池型方便布置,且水力流態(tài)較易控制。小型污水處理廠一般設(shè)計成完全混合式,設(shè)置潛水?dāng)嚢杵骺刂迫芙庋鹾头乐钩练e。本項目結(jié)合攪拌和流態(tài)控制的需求,設(shè)計為矩形池體,設(shè)置雙曲面攪拌器,形成圓形流態(tài)的循環(huán)水流,防止池體進出口較近造成的短流。同時,通過控制調(diào)節(jié)攪拌速度,可以控制溶解氧,確保較好的脫氮除磷效果。實際運行中,厭氧池、缺氧池流態(tài)順暢,污泥呈懸浮狀,好氧池進水?dāng)U張區(qū)呈紊流狀態(tài),池底均布曝氣頭使污泥呈完全混合狀態(tài),總體運行情況良好。
AAO及膜池均設(shè)置可調(diào)節(jié)的回流方式,同時好氧池前半部分設(shè)置了攪拌和曝氣2種運行工況。沈連峰等[8]研究表明,多功能UCT工藝,可根據(jù)季節(jié)和水溫變化調(diào)整其功能,保證在不同的環(huán)境條件下均能達到最佳的運行工況。當(dāng)系統(tǒng)處于夏季未降雨時,水溫的提高會增強生物池硝化反硝化的效果,相應(yīng)的可調(diào)整好氧池前半部分只開啟攪拌器作為缺氧區(qū),同時減少回流比,節(jié)約能源。當(dāng)處于夏季雨季時,水量因初期雨水的納入較充沛,同時,其他的污染源組分復(fù)雜,可能導(dǎo)致進水水質(zhì)的波動,可根據(jù)進水水質(zhì)和脫氮除磷的具體情況,調(diào)整各個階段的回流比,充分利用有限的碳源,加強處理效果。在春、冬季水溫低、水量小但污染物負荷高的時期,為優(yōu)先保證脫氮除磷效果,可增大回流比,使硝化反硝化更充分,保證出水水質(zhì)。
污水處理廠所有的構(gòu)筑物均設(shè)計為矩形集成化構(gòu)筑物,主工藝段和膜格柵集成設(shè)置為一個池體。相比常規(guī)的生物池池體設(shè)計,集成化節(jié)約占地、方便施工,同時,充分利用自由水頭,避免多余的提升。另外污水處理廠位于河道附近,地質(zhì)條件及基礎(chǔ)承載力較差,矩形池體能減少地基處理難度,便于施工。
MBR工藝污水處理中應(yīng)用的主要為中空纖維膜和平板膜。項目采用久保田平板膜,比較平板膜和中空纖維膜的運行特性,平板膜更適合較低的通量和較高的污泥濃度運行[9],其各項特性更適合城鄉(xiāng)過渡區(qū)污水處理使用。城鄉(xiāng)過渡區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)欠缺、污染源復(fù)雜,污水中雜質(zhì)含量高于單純的城市污水或農(nóng)村污水,即便經(jīng)過預(yù)處理,也會有毛發(fā)、纖維等物體進入膜處理系統(tǒng),中空纖維膜會導(dǎo)致膜絲纏繞等問題,嚴(yán)重影響膜通量和使用壽命。平板膜可以通過氣水混合物在膜片表面的沖刷作用清除各類附著物,延長使用壽命。設(shè)計中,膜格柵和細格柵合為一道,間隙采用3 mm,高于中空纖維膜常規(guī)采用的間隙,無需設(shè)置精細膜格柵,避免傳統(tǒng)中空纖維膜MBR需設(shè)置粗、細、精細3道格柵的繁瑣預(yù)處理環(huán)節(jié)。另外,平板膜一般在線清洗即可,設(shè)計清洗周期為3~6個月/次,相比中空纖維膜在線清洗較為頻繁、清洗工序復(fù)雜,平板膜更適應(yīng)河道附近設(shè)置、相對交通不便的污水處理廠對簡便運行的需求。實際運行中膜格柵較易堵塞,一般情況下使用中壓(P=0.6 MPa)沖洗即可恢復(fù),當(dāng)堵塞嚴(yán)重,液位差大于0.7 m時,需使用高壓(P=12.0 MPa)沖洗。每日平均柵渣量約為0.15 m3。平板膜在實際運行中未出現(xiàn)破損或污堵,產(chǎn)水穩(wěn)定,在線清洗約4個月/次,單次清洗時間為3 h,藥洗消耗稀釋后的藥劑,單次約為10.2 m3次氯酸鈉溶液(0.6%)及10.2 m3檸檬酸溶液(1%)。
項目在2018年進行試運行,出水各項指標(biāo)穩(wěn)定達標(biāo)。部分進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 2018年部分月份試運行平均進出水水質(zhì)Tab.4 Average Influent and Effluent Water Quality during Trial Operation in Serveral Months of 2018
出水水質(zhì)在試運行階段完全達到北京市地標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/ 890—2012)中B標(biāo)準(zhǔn)的要求。在7月、8月,由于部分雨水?dāng)y帶面源污染進入污水處理廠,進水COD、BOD指標(biāo)均有所降低,SS、NH3-N和TN無明顯降低。該階段水質(zhì)BOD/TN降低,同時,氣溫升高加快了反應(yīng)速率,導(dǎo)致碳源不足。為加強反硝化作用,保證TN達標(biāo),運行階段將好氧池前半部分曝氣設(shè)備關(guān)閉,開啟推流器,增大反硝化反應(yīng)區(qū);好氧池后半部分曝氣量降低,控制溶解氧在2 mg/L左右,內(nèi)回流比采用50%回流至厭氧池,100%回流至缺氧池,減少對其池內(nèi)溶解氧的影響,增強反硝化反應(yīng);降低膜池擦洗風(fēng)機的曝氣量,控制溶解氧在5 mg/L以下,膜池至好氧池前端回流比采用350%,減少回流好氧池溶解氧的影響。調(diào)整運行策略后,TN指標(biāo)平均值在13.8 mg/L,除極少數(shù)極端水質(zhì)情況下投加了少量碳源,其他工況均在無額外碳源的情況下達到了出水標(biāo)準(zhǔn)要求。TP指標(biāo)在試運行中通過減少厭氧池的回流比,加大膜池排泥量和頻次,在少量投加PAC的情況下達標(biāo),固體PAC投加量平均為54 kg/d,污泥脫水用PAM投加量平均為5 kg/d。
項目總投資為1 780萬元,噸水投資為4 944元/m3。項目直接運行成本主要包括電費、人工費、藥劑費、污泥外運費用、設(shè)備維修費等,為1.63元/m3。全廠折舊年限以15年計,總運行成本約為2.82元/m3。
城鄉(xiāng)過渡區(qū)的流域治理應(yīng)因地制宜、因河施策。污水處理廠作為末端的水質(zhì)保障環(huán)節(jié),應(yīng)基于調(diào)研資料,根據(jù)用水量、管網(wǎng)情況計算污水量,考慮雨水對河道水質(zhì)的影響來核算雨水收集處理量,進而確定污水處理廠工程規(guī)模,進出水水質(zhì)、工藝流程、設(shè)計參數(shù)及運行方式等充分結(jié)合地區(qū)的特點進行設(shè)計和選取。運行階段靈活調(diào)整策略,采取非工程措施保障出水達標(biāo),為其他類似項目設(shè)計運行提供參考。