上向流石英砂深床濾池在污水處理廠提標(biāo)中的應(yīng)用

謝益佳，戴仲怡，楊 墨，李 璐，都雪晨，李樹(shù)苑

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對(duì)原先排放標(biāo)準(zhǔn)較低的已建污水處理廠出水提標(biāo)勢(shì)在必行,大多數(shù)污水處理廠的提標(biāo)重點(diǎn)和難點(diǎn)都在TN達(dá)標(biāo)。深床濾池是目前污水處理廠提標(biāo)改造的主流脫氮工藝之一，具有占地面積小、動(dòng)力消耗低、脫氮效果好等特點(diǎn)，在提標(biāo)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-7]。但由于采用的水流方向和濾料材質(zhì)、濾速、濾料強(qiáng)度不同，脫氮效果也存在差異。實(shí)際工程應(yīng)用中，上向流深床濾池濾料材質(zhì)以生物陶粒及輕質(zhì)濾料居多，鮮少見(jiàn)有關(guān)石英砂濾料的報(bào)道。栗文明等[1]通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上向流深床濾池的濾料主要有兩種：生物陶粒及以威立雅公司Biostyr為代表的聚苯乙烯小球輕質(zhì)濾料(密度<1.0 g/cm3)。以某城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際提標(biāo)工程為例，詳細(xì)介紹了上向流石英砂濾料深床濾池的工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果，以期為類(lèi)似提標(biāo)改造工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

某城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10.0萬(wàn)m3/d，隨著外部管網(wǎng)的不斷完善，實(shí)際污水收集量已遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)模。根據(jù)運(yùn)行協(xié)議，該污水處理廠處理規(guī)模維持在10.0萬(wàn)m3/d，多余污水另外擴(kuò)建污水處理廠進(jìn)行處理。2019年月均處理水量為101 861～108 794 m3/d，2020年月均處理水量如表1所示。

表1 2020年月均處理水量Tab.1 Average Monthly Treated Water Quantity in 2020

提標(biāo)改造前，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，采用“粗格柵+進(jìn)水泵房+細(xì)格柵+旋流沉砂池+間歇式活性污泥工藝(SBR)生化池+濾布濾池+接觸消毒”的污水處理工藝。其中SBR生化池設(shè)2座，每座4格，共8格，每天4個(gè)周期，每個(gè)周期為6.0 h，各工序的時(shí)間依次為進(jìn)水反應(yīng)3.0 h、沉淀1.5 h、排水1.2 h、閑置0.3 h。

根據(jù)提標(biāo)前運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定，除TN外其他指標(biāo)均能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。提標(biāo)前污水處理廠實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

隨著受納水體環(huán)境要求的不斷提高，污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，現(xiàn)有出水標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足要求。現(xiàn)階段提出的要求是處理后出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其中TN≤15 mg/L，詳細(xì)指標(biāo)情況如表3所示。

2 提標(biāo)工程的重難點(diǎn)分析

2.1 重點(diǎn)

對(duì)照污水處理廠提標(biāo)改造要求，現(xiàn)狀污水處理廠出水CODCr、BOD5、氨氮、SS達(dá)標(biāo)率為100%，TP達(dá)標(biāo)率為99%，TN達(dá)標(biāo)率為52%(以d計(jì))，如表4所示。

表2 提標(biāo)前污水處理廠月均實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Actual Monthly Influent and Effluent Quality of WWTP before Upgrading

表3 提標(biāo)后設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.3 Designed Effluent Quality after Upgrading

表4 提標(biāo)前TN達(dá)標(biāo)率(≤15.00 mg/L)(以d計(jì))Tab.4 TN Standard-Compliance Rate before Upgrading (≤15.00 mg/L) (in days)

由表4可知，該工程提標(biāo)的重點(diǎn)是TN指標(biāo)。此外，目前污水處理廠實(shí)際進(jìn)水CODCr、BOD5、TN較低，隨著區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的不斷完善和提質(zhì)增效工作的逐步深入，預(yù)計(jì)污水處理廠實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)會(huì)進(jìn)一步提高。因此，提標(biāo)工程在重點(diǎn)考慮TN指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還需為將來(lái)進(jìn)水水質(zhì)提高后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)留有余地。

2.2 難點(diǎn)

(1)現(xiàn)狀SBR工藝處理能力有限

通過(guò)計(jì)算復(fù)核，在進(jìn)水BOD5含量達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)(150 mg/L)時(shí)，出水CODCr、BOD5、氨氮、TP、SS可以達(dá)到提標(biāo)后要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)。但SBR工藝本身脫氮功能較差(該工程現(xiàn)狀實(shí)際脫氮率約為60%)，即使改用其他運(yùn)行方式，也因池容不夠而不能使TN達(dá)標(biāo)。另因場(chǎng)地受限，該工程SBR池已無(wú)擴(kuò)容可能。

(2)碳源不足

BOD5/TN是鑒別能否生物脫氮或脫氮程度的主要指標(biāo)。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)，一般BOD5/TN≥4.0可認(rèn)為污水有足夠的碳源供生物脫氮。目前國(guó)內(nèi)大部分污水處理廠都很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，均需要外加碳源。該工程實(shí)際進(jìn)水BOD5/TN=1.5～3.5(平均為2.0)，需另外補(bǔ)充碳源。

3 提標(biāo)工程設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于工藝可靠、運(yùn)行管理方便、在施工期“不停水、不減量、不降標(biāo)”的提標(biāo)原則，結(jié)合現(xiàn)狀設(shè)施和用地情況，經(jīng)綜合比較，采用在現(xiàn)狀SBR池后、濾布濾池前增設(shè)深床濾池的工藝方案。與下向流深床濾池相比，上向流深床濾池脫氮效果好，無(wú)需設(shè)置“驅(qū)氮”裝置，可以采用較高的濾速，且水頭損失小，不存在跌落充氧的現(xiàn)象，可節(jié)省碳源，特別適合用于污水處理廠提標(biāo)工程中去除TN。深圳某污水處理廠采用以石英砂為濾料的上向流深床濾池進(jìn)行提標(biāo)改造，將出水水質(zhì)由不能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升至地表準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(部分指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，TN≤10 mg/L)[8]。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，現(xiàn)狀SBR池在運(yùn)行中仍有不少漂浮物和懸浮物進(jìn)入濾布濾池，為防止后續(xù)構(gòu)筑物堵塞和影響設(shè)備運(yùn)行，在SBR池出水后設(shè)精細(xì)格柵。

現(xiàn)狀SBR池采用浮筒式潷水器潷水，出水量變化較大，實(shí)際潷水出水量為3 000～6 670 m3/h。為使后續(xù)處理構(gòu)筑物平穩(wěn)運(yùn)行，在精細(xì)格柵后設(shè)中間調(diào)節(jié)水池。

提標(biāo)后污水處理流程如圖1所示。

圖1 提標(biāo)后污水處理工藝流程Fig.1 Sewage Treatment Process Flow after Upgrading

3.2 反硝化深床濾池工藝設(shè)計(jì)

(1)流向與濾料選擇

目前，反硝化濾池按照水流方向可分為上向流和下向流兩種。上向流反硝化濾池中的濾料級(jí)配是大顆粒濾料在底層，小顆粒濾料在上層。其過(guò)濾過(guò)程是含有一定渾濁度的水由納污量大的濾層下部流入濾料層，而由空隙較小的上部濾層流出，可以更好地發(fā)揮濾料層的截污能力，過(guò)濾的周期更長(zhǎng)且出水水質(zhì)更好；同時(shí)因采用了下進(jìn)水、上出水的反向過(guò)濾型式，帶濾水完全與空氣隔絕，更有利于營(yíng)造反硝化微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，能更有效地進(jìn)行脫氮。而下向流反硝化濾池在進(jìn)水時(shí)不斷地從空氣中帶入不利于反硝化微生物生長(zhǎng)的氧氣進(jìn)入濾池，導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率低下。其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表5所示。

表5 上向流與下向流濾池的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.5 Comparison of Advantages and Disadvantages of Upflow and Downflow Filters

鑒于上向流反硝化濾池不會(huì)產(chǎn)生氣阻,不用設(shè)置“驅(qū)氮”裝置,脫氮效率較高,可以采用較高的濾速,占地面積較小,水頭損失小,運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，同時(shí)不存在跌落充氧的現(xiàn)象，相比傳統(tǒng)的下向流反硝化濾池可節(jié)省約20%～30%的碳源[6]，因此，該工程選用上向流反硝化濾池。

濾料有石英砂、陶粒、輕質(zhì)濾料、纖維絲濾料等多種材質(zhì)，各有優(yōu)勢(shì)，其中應(yīng)用較多的是陶粒及輕質(zhì)濾料。相較于其他濾料，石英砂濾料具有硬度高、耐腐蝕性好、密度高、機(jī)械強(qiáng)度高、截污能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、原材料易得、經(jīng)濟(jì)效益佳等優(yōu)點(diǎn)，因此，該工程采用石英砂濾料，濾料粒徑為2～4 mm。礫石承托層粒徑為2～40 mm，厚度為300 mm。

(2)濾速與濾料高度

(3)濾池池型

為節(jié)省用地，防止和減少濾料流失，選用翻板濾池，單格濾池尺寸為L(zhǎng)×B×H=12.0 m×6.0 m×4.8 m，共8格，分2組，每組4格。

(4)濾池沖洗

反硝化濾池的沖洗主要是為了將老化的生物膜脫落更新，防止濾料板結(jié)，增強(qiáng)處理效果并減少濾池水頭損失，并不需要將濾料表面沖洗干凈。該工程沖洗周期為48～72 h，采用三段式氣水沖洗。

單獨(dú)氣沖：氣沖強(qiáng)度為13.8 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為2.0～3.0 min。

氣水聯(lián)合沖洗：氣沖強(qiáng)度為13.8 L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度為4.5 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為4.0～6.0 min。

單獨(dú)水沖：水沖強(qiáng)度為9.0 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為3.0～5.0 min。

配套沖洗水泵3臺(tái)，2用1備，單泵流量Q=1 200 m3/h，揚(yáng)程H=15 m。沖洗羅茨風(fēng)機(jī)2臺(tái)，1用1備，風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=60 m3/min，風(fēng)壓P=60 kPa。

(5)碳源投加

碳源采用液態(tài)乙酸鈉，每組設(shè)1個(gè)投加點(diǎn)(共2個(gè)投加點(diǎn))，最大投加量為40 mg/L(20%液體)。

設(shè)隔膜計(jì)量泵3臺(tái)，2用1備。投加泵流量Q=0～150 L/h，壓力P=0.3 MPa。

投加系統(tǒng)可根據(jù)反硝化濾池進(jìn)水流量和進(jìn)水水質(zhì)準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投加。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該工程建筑安裝工程費(fèi)用約為3 800萬(wàn)元，單位水量工程投資約為380元/m3；上向流石英砂反硝化深床濾池運(yùn)行電耗為0.048 kW·h/m3；全年乙酸鈉平均投加量為108 g/m3(乙酸鈉含量為20%)，以乙酸鈉單價(jià)為1 500元/t計(jì)，碳源投加費(fèi)用為0.162元/m3，其中夏季乙酸鈉平均投加量為100 g/m3，冬季乙酸鈉平均投加量為132 g/m3。與同類(lèi)工程相比，該工程投資及運(yùn)行費(fèi)用略?xún)?yōu)。

5 提標(biāo)工程運(yùn)行效果

提標(biāo)工程于2019年4月建成投產(chǎn)，2020年、2021年月均實(shí)際進(jìn)出水TN指標(biāo)如表6、表7所示。

表6 提標(biāo)后2020年月均實(shí)際進(jìn)出水TN含量Tab.6 Actual TN Concentration of Average Monthly Actual Influent and Effluent after Upgrading in 2020

表7 提標(biāo)后2021年月均實(shí)際進(jìn)出水TN含量Tab.7 TN Concentration of Average Monthly Actual Influent and Effluent after Upgrading in 2021

由表6可知，2020年進(jìn)水TN月均值為23.40～43.70 mg/L，出水TN月均值為6.30～10.40 mg/L。由表7可知，2021年進(jìn)水TN月均值為41.20～46.60 mg/L，在進(jìn)水濃度明顯提高的情況下，出水TN月均值為9.10～9.50 mg/L，均明顯優(yōu)于提標(biāo)要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)。

除TN外，其他幾項(xiàng)出水指標(biāo)為CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、氨氮≤0.5 mg/L、TP≤0.3 mg/L、SS≤6 mg/L，明顯優(yōu)于提標(biāo)要求的設(shè)計(jì)出水水質(zhì)，均達(dá)到了地表Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

(1)基于在施工期“不停水、不減量、不降標(biāo)”的前提條件下，通過(guò)在原有SBR工藝基礎(chǔ)上新增“精細(xì)格柵+中間調(diào)節(jié)水池+上向流石英砂濾料深床濾池”深度處理工藝，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(其中TN≤15 mg/L)。實(shí)際運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)上向流深床濾池脫氮效果好，無(wú)需設(shè)置“驅(qū)氮”裝置，可以采用較高的濾速，水頭損失小，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，不存在跌落充氧的現(xiàn)象，相比傳統(tǒng)的下向流深床濾池可節(jié)省20%～30%的碳源，特別適合用于污水處理廠提標(biāo)工程中去除TN。

(3)該工程上向流深床濾池未采用應(yīng)用較廣的陶粒及輕質(zhì)濾料，而是選用應(yīng)用較少的石英砂濾料，濾料粒徑為2～4 mm，濾料高度為3.0 m，設(shè)計(jì)上升流速為7.2 m/h，空床接觸時(shí)間為25.0 min。該項(xiàng)目可為以石英砂為濾料的上向流反硝化深床濾池在提標(biāo)工程中的應(yīng)用提供案例參考。