改良ICEAS+MBBR工藝在高標(biāo)準(zhǔn)污水廠提標(biāo)改造中的應(yīng)用

封匯川，陳 良,*，周 波，倪方坤

(1.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院，江蘇南京 210000；2.湖南省水處理過程與裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410007；3.長沙市水處理過程與裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，湖南長沙 410007；4.云南新聯(lián)環(huán)境科技有限公司，云南昆明 650000)

隨著環(huán)境保護(hù)愈加嚴(yán)格，對污水處理廠出水水質(zhì)要求也在不斷提高，特別是部分重點(diǎn)流域和區(qū)域已經(jīng)將污水處理廠出水由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)準(zhǔn)IV類甚至準(zhǔn)III類排放標(biāo)準(zhǔn)(部分指標(biāo)達(dá)IV類或III類標(biāo)準(zhǔn))[1-5]。如北京市2012年要求新建污水廠一級A標(biāo)準(zhǔn)中將總氮(TN)出水限值由15 mg/L提升至10 mg/L，總磷(TP)提升至0.2 mg/L。2015年—2018年，天津市、巢湖流域、四川省、浙江省、太湖流域也分別將TN出水限值提升至10 mg/L，同時(shí)TP出水限值提升至0.3 mg/L。顯然，污水處理廠高標(biāo)準(zhǔn)排放已成為大勢所趨。老舊城鎮(zhèn)污水處理廠處理水量不斷增加，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)水量，成為污水處理廠實(shí)際提標(biāo)改造過程中所遇到的常態(tài)問題。由于規(guī)劃及設(shè)計(jì)等原因，廠內(nèi)預(yù)留用地面積有限，且近期征地困難，短期內(nèi)難以對污水處理廠進(jìn)行擴(kuò)容等[6]。

云南某污水處理廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3.00萬m3/d，其生化處理工藝采用間歇式循環(huán)延時(shí)曝氣活性污泥法(ICEAS)，深度處理采用高效沉淀池和V型濾池工藝。根據(jù)環(huán)保要求需要進(jìn)行提標(biāo)改造，出水部分水質(zhì)指標(biāo)由現(xiàn)狀一級A排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)至IV類排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，現(xiàn)狀污水處理廠實(shí)際進(jìn)水量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)水量，污水無法及時(shí)處理，需要同時(shí)提高污水處理廠的處理規(guī)模。但由于現(xiàn)狀用地有限，無法新建大量建構(gòu)筑物，只能在原有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行挖潛改造，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水量雙提升以及高標(biāo)準(zhǔn)排放。

1 污水處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀

云南某污水處理廠工藝流程如圖1所示，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)進(jìn)出水標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖1 現(xiàn)狀工藝流程圖Fig.1 Current Process Flow Chart

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality

2019年—2020年，該污水處理廠日均進(jìn)水量為2.71萬m3/d，雨季最大日處理量為4.54萬m3/d，旱季時(shí)達(dá)到3.40萬m3/d，進(jìn)水量如圖2所示。同時(shí)，污水廠實(shí)際平均進(jìn)水水質(zhì)部分指標(biāo)已超過設(shè)計(jì)值，其實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)如表2所示，進(jìn)水B/N曲線如圖3所示。污水廠長期處于滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)共有ICEAS反應(yīng)池4座，每座尺寸為50.0 m×20.0 m×5.0 m，有效水深為4.5 m。其中預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)池容為675 m3和3 825 m3。實(shí)際運(yùn)行周期為4.0 h，其中曝氣2.0 h，沉淀1.0 h，潷水1.0 h。混合液懸浮固體(MLSS)含量為3 000～5 000 mg/L，水力停留時(shí)間(HRT)為14.10 h，污泥停留時(shí)間(SRT)為24.3 d，設(shè)計(jì)氣水比為7.68∶1，污泥負(fù)荷為0.22 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

圖2 改造前進(jìn)水量曲線Fig.2 Influent Quantity Curve before Reconstruction

表2 實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Actual Influent Quality

圖3 改造前進(jìn)水B/N曲線Fig.3 Influent B/N Curve before Reconstruction

現(xiàn)狀出水水質(zhì)基本能達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)如表3所示，但出水TN仍存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。主要原因?yàn)椋孩僭O(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)較實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)低，例如85%累積頻率下，進(jìn)水BOD5濃度超過設(shè)計(jì)水質(zhì)的35.4%，氨氮和TN超標(biāo)更為嚴(yán)重，但進(jìn)水B/N平均值為3.5，碳源不足；②原ICEAS工藝主要針對CODCr和氨氮的去除，無單獨(dú)缺氧區(qū)，反硝化效果有限，無法有效去除TN；③現(xiàn)狀曝氣器及鼓風(fēng)機(jī)老化嚴(yán)重，故障頻發(fā)，無法穩(wěn)定滿足污水廠正常運(yùn)行需要。部分指標(biāo)執(zhí)行IV類排放標(biāo)準(zhǔn)后(即CODCr限值為30 mg/L，BOD5限值為6 mg/L，氨氮限值為1.5 mg/L，TN限值為15 mg/L，SS限值為10 mg/L，TP限值為0.3 mg/L)，CODCr、TN、氨氮及TP等指標(biāo)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。

表3 實(shí)際出水水質(zhì)Tab.3 Actual Effluent Quality

由于現(xiàn)狀廠區(qū)占地面積緊張，基本無預(yù)留用地進(jìn)行提標(biāo)及擴(kuò)容工程建設(shè)。其TP可以通過增大除磷劑加藥量、強(qiáng)化深度處理達(dá)到新排放標(biāo)準(zhǔn)[7]，但TN和氨氮只能通過生化工藝挖潛改造進(jìn)行處理，方可實(shí)現(xiàn)處理水量和出水水質(zhì)雙提升，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)排放。

2 改造方案

2.1 ICEAS工藝改造方案

傳統(tǒng)ICEAS工藝主要在SBR反應(yīng)器的進(jìn)水端增加一個(gè)預(yù)反應(yīng)區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)池中連續(xù)進(jìn)水、生物氧化、硝化、反硝化、固液分離等過程[8]。ICEAS由于其占地面積小、控制方便、不受水質(zhì)和水量大范圍波動帶來的影響，在城鎮(zhèn)污水廠、食品生產(chǎn)廢水處理以及制藥廢水處理中取得廣泛應(yīng)用[9-10]。但由于其運(yùn)行模式及工藝特性所限，其處理效果較差，僅能滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，對于高標(biāo)準(zhǔn)排放要求，需要對其進(jìn)行挖潛改造。

目前，對ICEAS工藝進(jìn)行挖潛改造的路線包括投加生物填料從而提高其處理能力。如朱云鵬等[11]通過在主反應(yīng)區(qū)中投加MBBR填料，其出水可以達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。段存禮等[12]也采用類似的方法在實(shí)踐中取得成功。在好氧區(qū)增加MBBR填料可以提高CODCr和氨氮等的去除效果，但對TN去除效果有限。主要是因?yàn)镮CEAS只能通過沉淀階段進(jìn)行反硝化脫氮，無硝化液回流和污泥回流，脫氮效果有限。其余改造路線則是通過調(diào)控各階段的停留時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行ICEAS工藝優(yōu)化，脫氮能力同樣有限[13]。

為提高現(xiàn)狀生化池碳化、硝化以及脫氮能力，馬華敏等[14]采用缺氧-好氧兩級MBBR處理工藝對低溫生活污水進(jìn)行處理，在提高CODCr和氨氮等處理效果的同時(shí)取得了較好的脫氮效果。Husham[15]研究也發(fā)現(xiàn)兩級MBBR處理工藝其好氧區(qū)氨氮去除率可達(dá)到97.89%，缺氧區(qū)反硝化率可達(dá)到66.76%，甚至發(fā)現(xiàn)在缺氧區(qū)出現(xiàn)了缺氧氨氮氧化反應(yīng)，去除率為45.74%。缺氧-好氧兩級MBBR工藝主要適用于對現(xiàn)有污水廠進(jìn)行挖潛改造的工程，目前處于小試及中試研究較多，工程案例報(bào)道較少。

按照進(jìn)水水質(zhì)(CODCr含量為400 mg/L，BOD5含量為180.0 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為55.00 mg/L)和超設(shè)計(jì)規(guī)模20%的水量，對現(xiàn)狀生化池進(jìn)行復(fù)核，為達(dá)到去除BOD5的目標(biāo)，所需曝氣區(qū)池容為27 700 m3，遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀主反應(yīng)區(qū)池容(15 300 m3)，氨氮能夠達(dá)到1.5 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，但TN去除效果有限。本工程結(jié)合上述研究成果，將現(xiàn)狀I(lǐng)CEAS改造為“改良ICEAS+MBBR”工藝，將ICEAS分割為缺氧段和主反應(yīng)區(qū)，分別投加MBBR填料，充分挖潛現(xiàn)狀生化池的處理能力，同時(shí)提高其出水水質(zhì)。

2.2 中試試驗(yàn)效果

實(shí)際工程改造前，采用中試試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)可行性。中試采用按現(xiàn)狀生化池同比縮小后的一體化中試試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備尺寸為長×寬×高=6.5 m×2.0 m×3.0 m，有效水深為2.5 m，有效池容為32.5 m3，處理量為72 m3/d。將生化池分為預(yù)反應(yīng)區(qū)、缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，各區(qū)池容比為0.125∶0.400∶1.000。

表4 中試試驗(yàn)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.4 Influent and Effluent Water Quality of Pilot-Scale Test

中試分為兩階段進(jìn)行，第一階段為污泥的接種及填料掛膜階段。中試試驗(yàn)采用實(shí)際污水廠生化池污泥進(jìn)行接種，減少污泥培養(yǎng)周期，在缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)均投加MBBR填料。掛膜階段，進(jìn)水采用間歇進(jìn)水，隨掛膜情況逐漸提高進(jìn)水比例。結(jié)果表明，接種15 d后MBBR填料可以初步掛膜，填料表面出現(xiàn)少量輪蟲和鐘蟲，30 d后MBBR填料表面出現(xiàn)大量微生物，鏡檢發(fā)現(xiàn)大量累枝蟲，生物相較好。其鏡檢照片如圖4所示。

圖4 中試試驗(yàn)鏡檢結(jié)果Fig.4 Schematic Diagram of Microscopic Results of Pilot Test

第二階段驗(yàn)證改造工藝處理能力，中試設(shè)備運(yùn)行參數(shù)如下：HRT為11.00 h，進(jìn)水流量為3 m3/h，連續(xù)進(jìn)水間歇出水，反應(yīng)周期為4.0 h，即曝氣、攪拌及回流共130 min，沉淀50 min，出水60 min。污泥質(zhì)量濃度為3～5 g/L，內(nèi)回流比為100%～300%，外回流比為50%～100%，缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)MBBR填料投加量分別為相應(yīng)反應(yīng)區(qū)池容的25%和30%。

中試進(jìn)出水水質(zhì)如表4所示。結(jié)果表明，在最高進(jìn)水水質(zhì)條件下(CODCr含量為500 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為50.00 mg/L，TP含量為6.00 mg/L)，部分出水水質(zhì)指標(biāo)仍然可以穩(wěn)定達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)(TP、SS除外)。中試試驗(yàn)驗(yàn)證了通過投加懸浮填料可顯著提高單位池容的處理負(fù)荷，MBBR工藝可解決現(xiàn)有污水處理廠池容不足的實(shí)際問題。通過增設(shè)回流比及內(nèi)回流比可提高脫氮除磷效率，出水部分指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，工藝可行。

3 工程設(shè)計(jì)

本工程改造中保留現(xiàn)有預(yù)反應(yīng)池；在缺氧區(qū)進(jìn)水端設(shè)置碳源投加點(diǎn)，池內(nèi)設(shè)置攪拌器，投加缺氧MBBR填料，強(qiáng)化反硝化效果；在主反應(yīng)區(qū)投加好氧MBBR填料，強(qiáng)化有機(jī)物氧化和氨的硝化作用；在主反應(yīng)區(qū)末端設(shè)置混合液回流系統(tǒng)，促進(jìn)缺氧區(qū)反硝化脫氮；在主反應(yīng)區(qū)前端設(shè)置PAC加藥點(diǎn)，加強(qiáng)化學(xué)除磷；同步更換曝氣器和鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。具體ICEAS改造平面及剖面如圖5和圖6所示。

圖5 ICEAS改造平面示意圖Fig.5 Schematic Plan Diagram of Reconstruction ICEAS Process

圖6 ICEAS改造剖面示意圖Fig.6 Schematic Section Diagram of Reconstruction ICEAS Process

設(shè)計(jì)將主反應(yīng)池劃分為缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，池容比取0.400∶1.000。根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)水水量和水質(zhì)(CODCr含量為400 mg/L，BOD5含量為180.0 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為55.00 mg/L)，反推各區(qū)分別被活性污泥和填料去除的污染物的量。

主反應(yīng)區(qū)主要進(jìn)行碳化反應(yīng)和硝化反應(yīng)，好氧階段先進(jìn)行碳化反應(yīng)后進(jìn)行硝化反應(yīng)。扣除碳化反應(yīng)所需容積以及出水中攜帶的氨氮量、同化作用去除的氨氮量等，實(shí)際單池需要硝化的氨氮為397 kg氨氮/d。其中主反應(yīng)區(qū)能夠硝化的氨氮為99 kg氨氮/d，需要填料硝化的氨氮量為298 kg氨氮/d，設(shè)計(jì)填料的硝化速率為0.5 g氨氮/(m2·d)，填料有效比表面積為800 m2/m3，則好氧填料量為743 m3，占整個(gè)主反應(yīng)區(qū)容積的27.3%，考慮一定余量，取好氧區(qū)填料填充比為0.31。

同時(shí)調(diào)整ICEAS各階段運(yùn)行參數(shù)，具體運(yùn)行參數(shù)為如下。運(yùn)行周期、時(shí)間與中試一致，污泥負(fù)荷為0.19 kg BOD5/(kg MLSS·d)，設(shè)計(jì)污泥質(zhì)量濃度為5 g/L，硝化液內(nèi)回流比為100%～300%，外回流比為50%～100%。HRT為12.73 h，SRT為15.0～24.0 d，充水比為0.32，平均供氧量為225 m3/min。PAC采用成品液體PAC溶液，投加量為30 mg/L，在現(xiàn)狀加藥間內(nèi)改造。新建碳源加藥間，平面尺寸為14.0 m×6.0 m，碳源采用固體乙酸鈉，設(shè)計(jì)投加量為92 mg/L。

4 實(shí)際效果

4.1 實(shí)際進(jìn)出水效果

2021年3月改造完成，截至2021年7月，經(jīng)過5個(gè)月運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果表明，改造后的污水廠平均日處理量可達(dá)到3.51萬m3/d，較設(shè)計(jì)值提高了17%。在進(jìn)水水質(zhì)超過設(shè)計(jì)水質(zhì)情況，出水部分指標(biāo)能穩(wěn)定達(dá)到IV類標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如表5所示，有效達(dá)到了處理水量和水質(zhì)雙提升效果。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本項(xiàng)目工程總投資為3 084萬元，其中工程費(fèi)約為2 505萬元，水處理經(jīng)營成本為1.05元/m3。

本項(xiàng)目對主體處理工藝僅進(jìn)行挖潛改造，不新增主工藝流程，僅增加一座占地面積為84 m2的碳源加藥間，折合新增用地面積為23.93 m2/(104m3·d)。

本項(xiàng)目全年新增電耗為22.23萬kW·h，新增噸水電耗為0.12 kW·h，電價(jià)為1.0元/( kW·h)，新增噸水電費(fèi)成本為0.12元，新增運(yùn)營成本為0.22元/m3，單位總成本為1.38元/m3，單位經(jīng)營成本為1.05元/m3。

表5 改造后2021年3月—7月實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.5 Actual Influent and Effluent Water Quality during March to July in 2021 after Reconstruction

5 結(jié)論

(1)針對高標(biāo)準(zhǔn)排放需求的污水處理廠，本工程占地面積有限，將現(xiàn)狀I(lǐng)CEAS工藝挖潛改造為“改良ICEAS+MBBR”工藝，僅增加碳源加藥間等輔助用房，大大節(jié)省土建費(fèi)用、占地面積小、投資少、改造周期短、操作管理方便，對類似項(xiàng)目具有一定的參考意義。

(2)缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)MBBR填料培養(yǎng)15 d可初步掛膜，30 d可達(dá)到設(shè)計(jì)處理效果。通過輔助投加碳源和除磷劑，能夠?qū)崿F(xiàn)出水部分水質(zhì)指標(biāo)由一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至IV類標(biāo)準(zhǔn)，處理水量提升17%，對同類型項(xiàng)目產(chǎn)生良好的示范作用。

(3)提標(biāo)改造工程全年新增電費(fèi)成本為0.12元/m3，新增運(yùn)營成本為0.22元/m3，單位總成本為1.38元/m3，單位經(jīng)營成本為1.05元/m3。