基于小城鎮(zhèn)污水特征的兩級(jí)生物膜法處理工藝設(shè)計(jì)研究

文／魏鵬 合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司 安徽合肥 230001

引言：

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，小城鎮(zhèn)在城鎮(zhèn)總數(shù)中所占的比例不斷增大，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)環(huán)境污染問(wèn)題隨之出現(xiàn)，城鎮(zhèn)污水排放量不斷增加，然而小城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在小城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)和處理設(shè)施不健全，污水處理率較低等[1]。與大中城市相比，小城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)還受到資金來(lái)源缺乏和管理技術(shù)水平等條件制約。因此，選擇一套適合小城鎮(zhèn)污水特性、高效低耗、管理簡(jiǎn)單的污水處理工藝，有助于更加全面提高污水處理水平，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。

某建制鎮(zhèn)位于江蘇省宿遷市城郊，屬于駱馬湖流域保護(hù)范圍。按照國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》提出的基本無(wú)生活污水直排口、基本消除城中村、老舊城區(qū)和城鄉(xiāng)接合部生活污水收集處理設(shè)施空白區(qū)，基本消除黑臭水體，城市生活污水集中收集效能顯著提高目標(biāo)，加快補(bǔ)齊鎮(zhèn)區(qū)污水收集和處理設(shè)施短板，實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集。該鎮(zhèn)于2020年初開(kāi)展中心鎮(zhèn)區(qū)污水處理提質(zhì)增效工程，在該鎮(zhèn)區(qū)東南部新建污水處理廠1 座，污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為2500m3/d，主要處理鎮(zhèn)區(qū)居民生活污水和部分工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)廢水。

1.設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

工程設(shè)計(jì)初期，為更準(zhǔn)確地確定其設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，在全面分析該鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局以及規(guī)劃發(fā)展的基礎(chǔ)上，參考本地區(qū)同類(lèi)型污水處理廠的進(jìn)水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并考慮一定的設(shè)計(jì)余量，確定污水處理廠設(shè)計(jì)水水質(zhì)；根據(jù)《江蘇省城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體詳見(jiàn)下表1。

表1 污水廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

2.工藝比選與流程設(shè)計(jì)

2.1 處理工藝比選

常規(guī)的城市污水二級(jí)生化處理工藝有氧化溝、A/O 法、A2/O 工藝等，若小城鎮(zhèn)污水處理采用這些常規(guī)工藝，會(huì)造成建設(shè)成本過(guò)高、技術(shù)支持難度大等問(wèn)題，導(dǎo)致小城鎮(zhèn)污水處理廠無(wú)法有效建成或難以正常運(yùn)行。小城鎮(zhèn)污水處理工藝的選擇，應(yīng)充分考慮污水來(lái)源、收集和運(yùn)行管理等具體情況，選擇建設(shè)成本低、運(yùn)維管理簡(jiǎn)便、運(yùn)行成本低且具有穩(wěn)定處理效果的工藝。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以下常見(jiàn)的6 種小城鎮(zhèn)污水處理工藝進(jìn)行比較分析，見(jiàn)下表2。

表2 小城鎮(zhèn)污水處理適用工藝比選分析

人工濕地和CRI工藝屬于人工強(qiáng)化自然水處理，基建、運(yùn)行成本低。管理難度低，占地面積大，處理效果相對(duì)較差，人工濕地主要的缺點(diǎn)是受氣候影響大，使其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。活性污泥法是城市污水處理的常規(guī)處理方式，其中IBR 和CASS 工藝均較為適合我國(guó)小城鎮(zhèn)污水處理，在這6 種工藝中，基建、運(yùn)行費(fèi)用、管理難度均偏高[2]。也會(huì)相對(duì)產(chǎn)生大量的污泥，但是出水水質(zhì)穩(wěn)定，效果好；高負(fù)荷生物濾池和生物接觸氧化工藝均屬于生物膜法，盡管處理效果不及上述2 種活性污泥法，但其運(yùn)行成本低、管理難度低和污泥量較少等優(yōu)點(diǎn)，使其受到廣泛應(yīng)用[3]。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

由于該鎮(zhèn)區(qū)企業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性較強(qiáng)、居民生活污水排放的規(guī)律導(dǎo)致鎮(zhèn)區(qū)污水的水質(zhì)、水量變化大。針對(duì)該鎮(zhèn)的污水排放特點(diǎn)，兼顧考慮降低后期運(yùn)維費(fèi)用和管理難易程度，污水處理廠采用預(yù)處理+兩級(jí)生物膜法工藝+深度處理組合工藝，生化段工藝采用高負(fù)荷生物滴濾池+生物接觸氧化池兩級(jí)生物膜法，具體處理工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理工藝流程

3.污水處理單元工藝設(shè)計(jì)

3.1 污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 粗格柵及進(jìn)水泵房

污水由主干管輸送至污水提升泵房，經(jīng)由粗格柵欄攔除污水中較大污染物，確保水泵安全運(yùn)行。污水經(jīng)水泵提升至細(xì)格柵及平流沉砂池。粗格柵渠和進(jìn)水泵房合建，平面尺寸為L(zhǎng)×B=10.8×8.0，地下部分深度6.5m，地上部分高度0.3m。采用回轉(zhuǎn)式機(jī)械格柵，柵寬1m，柵條間隙15mm，柵條厚度10mm，安裝傾角75°。格柵清渣采用機(jī)械清渣方式，定期進(jìn)行清渣，同時(shí)配備1 套人工格柵作為備用。泵房?jī)?nèi)配備潛污泵（Q=100m3/h、H=13m、N=7.5kw）3 臺(tái)，2 用1 備。

3.1.2 細(xì)格柵及平流沉砂池

細(xì)格柵和平流沉砂池合建，平面尺寸L×B×H=14.5×2.8×2.8m，分細(xì)格柵及平流沉砂池兩個(gè)處理段。其中細(xì)格柵寬0.7m，格柵間隙5mm，設(shè)計(jì)柵前水深0.35m，格柵安裝傾角45°，配備規(guī)格為GH700、N=0.55kw的格柵除污機(jī)一套。平流沉砂池設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間30s，水平流速0.25m/s，其中渠寬1m，沉砂區(qū)高度0.42m，有效水深為0.5m，設(shè)2 個(gè)砂斗，斗深1.72m。配備砂水分離器（Q=12L/s、N=0.25kw）1 臺(tái)；吸砂泵（Q=12m3/h、H=16m、N=2.2kw）2 臺(tái)。

3.1.3 中間水池

設(shè)置中間水池1 座，鋼混凝土結(jié)構(gòu)，總外形尺寸為L(zhǎng)×B×H=8.6×4.8×3.5m，配備潛水污水泵（Q=150m3/h、H=10m、N=11kw）2 臺(tái)，1 用1 備。沉砂池出水經(jīng)自流進(jìn)入中間水池，然后經(jīng)由中間水池內(nèi)的水泵提升進(jìn)入高負(fù)荷生物濾池。

3.1.4 高負(fù)荷生物濾池

高負(fù)荷生物濾池近期設(shè)置1 座，設(shè)計(jì)規(guī)模為2500m3/d。污水經(jīng)由濾池上部的旋轉(zhuǎn)布水器噴淋下來(lái)，經(jīng)過(guò)堆積的濾料層，濾料表面生長(zhǎng)的生物膜對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行降解，濾池供氧由自然通風(fēng)完成。設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為27m3/(m2·d)，有機(jī)負(fù)荷1.0kgCOD/(m3·d)，運(yùn)行回流稀釋比R=1～2。濾池設(shè)計(jì)采用圓形構(gòu)造，直徑D=16m，濾池高H=6.5m。其中底部構(gòu)造層1.75m，濾料層3.55m，超高1.2m。濾池內(nèi)采用無(wú)機(jī)固體活性生物填料，其中下層為承托層，填料粒徑70～100mm，厚1.05m；上層為濾料層，填料粒徑40～100mm，厚2.5m。濾池頂部配備自旋轉(zhuǎn)布水器一套，布水器直徑D=15.8m，布水器轉(zhuǎn)速為15r/min。濾池下部設(shè)集水池，經(jīng)濾池處理過(guò)的污水通過(guò)其底部匯水渠收集后，輸送至集水池。集水池尺寸為L(zhǎng)×B×H=4.0×1.5×2.5m。

3.1.5 綜合反應(yīng)池（包含接觸氧化、混合池等）

生物接觸氧化池近期設(shè)置1 座，設(shè)計(jì)規(guī)模為2500m3/d，遠(yuǎn)期按照同等規(guī)模增設(shè)1 座。池體凈尺寸L×B×H=25×5×5m，平均分為5 格，第一格為缺氧區(qū)，其余4 格為好氧區(qū)。池內(nèi)安裝彈性立體填料，設(shè)計(jì)填料有機(jī)負(fù)荷0.8kgCOD/(m3·d)，填料層高2.80m，填料總體積為350m3。池底采用膜片式微孔曝氣器，每個(gè)曝氣頭服務(wù)面積為0.4m2，曝氣強(qiáng)度為12.55m3/min。配備曝氣風(fēng)機(jī)（Q=12.55m3/min、H=5m、N=18.5kw）2 臺(tái)，一用一備。池末端（第5格內(nèi)）設(shè)置內(nèi)循環(huán)泵（Q=150m3/h、H=8m、N=7.5kw）1 臺(tái)，將好氧區(qū)硝化液通過(guò)內(nèi)循環(huán)泵回流到缺氧區(qū)，設(shè)計(jì)最大回流比為200%。

混合絮凝沉淀池采用機(jī)械混合絮凝+ 平流沉淀工藝?；旌闲跄卦O(shè)計(jì)HRT=24min，設(shè)計(jì)尺寸L×B×H=5×2×5m，均分為3 格，鋼混凝土結(jié)構(gòu)，投加聚合氯化鋁作為絮凝劑，投加量為30mg/L。平流沉淀池設(shè)計(jì)表面負(fù)荷0.93m3/(m2·h)，水力停留時(shí)間2.30h，沉淀池總尺寸L×B×H=23×5×5m。

3.1.6 轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾池

轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾池1 座，設(shè)計(jì)處理流量為2500m3/d，濾池池體部分采用鋼混凝土結(jié)構(gòu)，外形尺寸為L(zhǎng)×B×H=6.2×3.2×6.8m。濾池平均濾速為15m3/（h·m2），安裝濾盤(pán)數(shù)量為2 片，濾布有效過(guò)濾面積11.4m2。

3.1.7 紫外消毒池

污水處理廠尾水采用紫外消毒工藝進(jìn)行消毒滅菌。消毒渠土建規(guī)模按照2500m3/d 設(shè)計(jì)，平面尺寸為L(zhǎng)×B=8.4×2.7m，設(shè)置紫外消毒渠1 道，渠深1.4m，水深0.62m。一期工程安裝一個(gè)紫外消毒燈模塊組，共2 根燈管。采用低壓高強(qiáng)紫外燈管，單根燈管的功率為250W。

3.2 污泥處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥大部分為深度處理化學(xué)污泥，沉淀池產(chǎn)污泥量約0.25t/d，污泥含水率99.9%。設(shè)計(jì)污泥池一座，外形尺寸L×B×H=12.2×10.2×5.5m。用于儲(chǔ)存沉淀池排出的污泥，廠區(qū)剩余污泥由專(zhuān)用槽罐車(chē)運(yùn)至距其約10km 外的龍河污水處理廠進(jìn)行板框壓濾后填埋處理，排泥間隔時(shí)間為15d。

4.工藝設(shè)計(jì)特色

針對(duì)小城鎮(zhèn)生活污水處理廠進(jìn)水的水量和水質(zhì)波動(dòng)較大的特點(diǎn)，選擇高負(fù)荷生物滴濾池與生物接觸氧化池串聯(lián)的兩級(jí)生物膜法工藝作為生物處理單元，并將高負(fù)荷生物滴濾池作為前端處理單元，能夠有效地抵抗來(lái)水高負(fù)荷沖擊，利用其無(wú)需機(jī)械曝氣，自然通風(fēng)供氧的特點(diǎn)，大量去除污水中的有機(jī)物，減少了污水處理中的能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，本工程在高負(fù)荷生物滴濾池底部設(shè)有集水池，內(nèi)置回流泵，可根據(jù)水質(zhì)、水量情況調(diào)整回流比，受來(lái)水波動(dòng)沖擊小，耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)。即使在夜間污水處理廠無(wú)進(jìn)水情況下，仍然能夠通過(guò)回流運(yùn)行維持濾料表面生物膜活性，保證處理單元穩(wěn)定運(yùn)行。

污水經(jīng)過(guò)高負(fù)荷生物滴濾池處理后，污水中的COD降解能到達(dá)50%以上。經(jīng)由提升泵進(jìn)入接觸氧化池，接觸氧化工藝作為一種浸沒(méi)式生物膜法，也具有抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，不存在污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，將其與高負(fù)荷生物滴濾池串聯(lián)使用，能夠最大程度減少處理構(gòu)筑物的池容，降低污水處理廠的建設(shè)投資費(fèi)用。生物接觸氧化池內(nèi)采用YDT 立式彈性填料，該填料具有掛膜快，生物附著量大，致密不脫落，無(wú)堵塞、剛?cè)徇m度等特點(diǎn)。填料以尼龍繩為中心，使絲條呈立體均勻排列輻射狀態(tài)，填料在有效區(qū)域內(nèi)能夠立體全方位均勻舒展?jié)M布池內(nèi)。填料絲條拉毛處理，表面粗糙，其特殊構(gòu)造對(duì)水中的氣泡作密集性多層次的切割，對(duì)微氣泡有良好的吸附作用，使微生物、污水和氧氣充分接觸。接觸氧化池分為5 格，在末端設(shè)置回流泵一臺(tái)，根據(jù)運(yùn)行狀況以及進(jìn)水水質(zhì)靈活的調(diào)節(jié)回流量，并且利用每格曝氣干管控制其曝氣量，在接觸氧化池內(nèi)形成缺氧區(qū)和好氧區(qū)，有利于污水中氨氮的有效去除。

工程中將接觸氧化池、機(jī)械絮凝池和平流沉淀池合建，形成一體化綜合池，既簡(jiǎn)化了單獨(dú)建設(shè)這些構(gòu)筑物時(shí)配套的管道以及閥門(mén)系統(tǒng)，又節(jié)省工程占地，可有效降低項(xiàng)目投資，簡(jiǎn)化運(yùn)維管理難度。

5.運(yùn)行效果及主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

5.1 運(yùn)行效果

污水處理廠于2020年10月份開(kāi)始運(yùn)行調(diào)試，2021年3月份正式運(yùn)行，處理負(fù)荷保持在2200m3/d 左右，處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表3。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，出水指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠建成后，鎮(zhèn)區(qū)整體水環(huán)境質(zhì)量明顯得到了較大的改善。

表3 污水處理廠運(yùn)行效果

5.2 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

本工程總投資1200 萬(wàn)元，其中土建費(fèi)用840 萬(wàn)元，設(shè)備采購(gòu)及安裝費(fèi)用320 萬(wàn)元，調(diào)試費(fèi)用40 萬(wàn)元。本工程建成投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，噸水處理成本為0.56 元/m3（其中電費(fèi)0.32 元，藥劑費(fèi)0.15 元，人工費(fèi)0.05 元，其他費(fèi)用0.04 元）。

結(jié)語(yǔ)：

經(jīng)過(guò)近兩年運(yùn)行表明，以高負(fù)荷生物滴濾池+生物接觸氧化為主體的兩級(jí)生物膜法處理工藝處理效果穩(wěn)定，污泥產(chǎn)量少，從工藝設(shè)計(jì)的角度對(duì)小城鎮(zhèn)污水處理污泥產(chǎn)量進(jìn)行減量化，減輕了小城鎮(zhèn)污水處理廠處理剩余污泥處置的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步降低了其運(yùn)行成本。該工藝在小城鎮(zhèn)污水處理中成功應(yīng)用，有效解決當(dāng)前很多小城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建得起用不起，建得好用不好的困境，對(duì)小城鎮(zhèn)污水處理具有較好適用性，可為小城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。