多樣性技術路線實現更嚴格排放標準
——以江蘇省某污水處理廠提標改造工程為例

徐 瑛,趙欣萍,張新彥,商莉莉

(1.無錫市政公用環境檢測研究院有限公司,江蘇無錫 214000;2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津 300074;3.無錫市水務集團有限公司,江蘇無錫 214000)

近年來,隨著我國對水環境保護和水生態治理高度重視,不斷持續推進重點流域水環境綜合治理工作,各地因地制宜制定主要污染物排放地方標準要求,意在有效提升污染物削減能力,切實改善水環境質量。為優化調整全流域產業結構,從根本上解決環境污染負荷與環境承載力之間的矛盾,促進太湖水質根本好轉,江蘇省《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)于2018年6月1日正式實施,要求太湖地區城鎮污水廠出水執行本標準,其中,現有企業從2021年1月1日起執行,江蘇省某污水處理廠提標改造工程迫在眉睫。本文以江蘇省某污水處理廠改造工程為案例,重點介紹了多樣性技術路線的高排放標準建設的設計應用。

1 提標改造工程概況

1.1 污水處理廠現狀

江蘇省某污水處理廠是某市第一座且規模最大、功能最齊全的城市污水處理廠,總設計規模為30萬m3/d,服務面積為80 km2,受益服務面積人口達82萬,廠區采用AAO處理工藝。污水處理廠分四期工程建設,一期工程最早于1988年8月開建,一二三期工程建設規模為20萬m3/d,四期工程建設規模為10萬m3/d,廠址分別位于粱塘河的南北兩側。在全面治理太湖流域水污染的大環境下,江蘇省某污水處理廠于2008年完成了升級改造工程建設,全廠出水標準由原來的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B提高到一級A。

1.2 提標改造工程概況

江蘇省某污水處理廠至今已運行30多年,歷經2008年一級A升級改造,設施設備運行時間長,處理規模有所下降,在廠區不停產并確保原處理量的情況下,改造難度非常大。本次提標改造工程,全面深入地開展工藝全流程分析、設備設施等前期調研及評估[1],因地制宜采用了改良Bardenpho工藝+高效沉淀池+深床濾池、Bardenpho工藝+氣浮池+深床濾池等多樣性技術路線,通過有針對性增容提標、設備設施更新等全方位提標改造工作,于2018年—2020年年底完成了30萬m3/d處理規模的廠區提標改造,達到江蘇省《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)排放標準并高效穩定運行。

2 提標改造工藝分析及選擇

2.1 工藝運行效能評估與優化運行技術研究

隨著污水處理廠進水水質水量的變化、工藝配套設備、管道、儀表長期使用等,該廠開始出現“衰老”現象,陸續出現了一些問題亟待解決。為提高污水處理廠的運行效能,結合運行中存在的主要問題,以進水水質水量特性及達標難度分析為出發點,通過對工藝運行現狀效能評估及污染物去除能力模擬分析,開展工藝現狀評估與優化運行措施研究,為改造提供技術支持。在此基礎上,系統梳理廠區現有問題,主要包括進水水質水量、工藝運行能力、配套設備儀表等方面,將“軟件模擬”與“硬件優化”相結合,形成切實可行的優化方案。污水處理廠評估及運行優化技術研究路線如圖1所示。

圖1 污水處理廠評估及運行優化技術路線

2.2 可利用地塊分析

江蘇省某污水處理廠一二三期工程經過2008年的升級改造后,廠區內已沒有整塊用地。四期工程廠區占地也十分緊張。因此,本次的提標改造工程用地主要是挖潛廠內的現有用地及充分利用四期工程的預留用地20畝(1畝≈666.67 m2)。

2.3 設計進出水水質確定

參考某污水處理廠近一年的進水水質涵蓋率90%時的指標值,并對比現狀進水水質(表1)及原設計進水水質,最終確定本次提標改造工程的設計進水水質。提標后污水處理廠出水中的CODCr、氨氮、TN和TP排放限值應達到《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2018)的要求,其他主要污染物指標參考一級A排放標準。污水處理廠設計進出水水質匯總如表2所示。

表1 廠區現狀進水水質

表2 提標改造工程設計進出水水質

2.4 現狀出水水質分析

根據近一年的出水統計數據可知,某污水處理廠一二三期工程和四期工程出水TN和TP與新標準要求差距較大,均主要集中體現在冬季。因此,在設計中將重點關注污水廠在冬季的運行及對生物池進行優化[2],同時在深度處理單元中增加強化除磷單元。

2.5 多樣性技術路線工藝思路分析

2.5.1 分流量處理——減輕原處理負荷

經過核實,一二三期工程的生物池池容嚴重不足,影響了除磷脫氮的能力,需要分流量來減輕處理負荷。將一二三期工程中的4萬m3/d來水分流至四期,在四期預留用地上新建一個處理能力為4萬m3/d的全處理流程單元,同時也能使一二三期工程的分組改造順利實施。

2.5.2 充分挖潛原生物池處理能力

經過對一二三期工程分流量處理后,一二三期工程生物系統處理能力還有2萬m3/d的差距,此部分差距需通過對一二三期工程生物池的改造及挖潛來解決[2]。將原有的傳統AAO生物池改為具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3],該工藝流程如圖2所示。

圖2 Bardenpho工藝流程

2.5.3 強化深度處理單元,因地制宜采用最佳處理路線

針對高標準的出水TP要求,某污水處理廠一二三期工程和四期工程均需強化深度處理單元。工程實施前在廠內開展了混凝沉淀和氣浮小試,主要考察藥劑投加量和TP出水指標,試驗結果顯示以上兩種工藝均能滿足處理要求。在確定推薦方案時,既要考慮工程的建設費用,也應充分結合新建池體的用地情況。最終某污水處理一二三期工程深度處理單元中采用高效沉淀池方案。四期工程深度處理單元中采用高架形式的氣浮池方案以節省占地。

2.5.4 充分挖掘原水中碳源,優化預處理單元

某污水處理一二三期工程和四期工程中均建有初沉池。通過對現狀分析,某污水處理廠進水中碳源較欠缺,為了避免進一步削減碳源,初沉池沒有運行,僅起到過水的作用。因此,改造中將初沉池改造成厭氧池,既增加了生物池池容,也提高了生物池進水中的碳源。

2.6 工藝設計

根據以上對本工程重點要素的分析,最終采用的整體處理工藝為一二三期工程中的4萬m3/d分流至四期工程預留用地進行處理,使一二三期工程的分組改造可以順利實施,最大程度上減少因改造對污水廠運行造成的影響。一二三期工程分流處理后的設計規模為16萬m3/d,四期工程設計規模為14萬m3/d。一二三期工程和四期工程的處理工藝分別總結如下。

(1)提標改造后的一二三期工程(16萬m3/d)

一二三期工程的整體處理工藝為將原有的曝氣沉砂池和初沉池拆除,新建曝氣沉砂池和新建生物池,同時將原有生物池進行改造,生物處理工藝采用具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3]。深度處理工藝為高效沉淀池+深床濾池。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。

(2)提標改造后的四期工程(10萬m3/d+4萬m3/d)

該污水廠四期工程中有兩個系統,分別為原有的四期工程10萬m3/d和新建的4萬m3/d處理系統。原有四期10萬m3/d工程的處理工藝為改造初沉池,作為4萬m3/d生物池的部分池容,維持原有的AAO處理工藝,深度處理單元中增加氣浮單元,以進一步增強化學除磷的能力,減少濾池的負擔。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。新建4萬m3/d系統的生物處理工藝,采用具有強化除磷脫氮效果的改良Bardenpho工藝[3]。深度處理工藝為氣浮+深床濾池。消毒工藝為次氯酸鈉消毒。

一二三期工程和四期工程的工藝流程如圖3～圖4所示。

注:PAC為聚合氯化鋁,PAM為聚丙烯酰胺。

圖4 四期廠區內的工藝流程

2.7 主要構筑物設計參數

①四期工程(10萬m3/d)-初沉池改造:改造為4萬m3/d生物池中的回流污泥反硝化池和厭氧池。水力停留時間為3.5 h,拆除原有刮泥機,采用立式攪拌器24臺。

②四期工程(4萬m3/d)-新建生物池:包括缺氧池、好氧池、后缺氧池、后好氧池。整個生物池系統(含初沉池改造)總泥齡為14.3 d,總停留時間為21.8 h。采用立式渦輪攪拌器(用于缺氧池)8臺,立式渦輪攪拌器(用于后缺氧池)6臺,管式微孔曝氣器達780 m,內回流泵6臺(4用2備)。

③四期工程(4萬m3/d)-新建二沉池:采用周進周出二沉池,共1座4池,設計表面負荷為1.13 m3/(m2·h),停留時間為3.9 h。

④四期工程(4萬m3/d)-新建氣浮池:采用淺層離子氣浮池,共2座,為高架形式一體化設備,設計表面負荷為6 m/h,直徑為16 m。采用高效微氧化強溶氣裝置2套,微氣泡發生裝置2套和淺層離子氣浮裝置2套及配套回流水泵、螺桿空壓機。

⑤四期工程(4萬m3/d)-新建深床濾池:共設1座4格,設計濾速為7.51 m/h。

⑥四期工程(10萬m3/d)-新建氣浮池:采用淺層離子氣浮池,共2座,為高架形式一體化設備,設計表面負荷為7.7 m/h,直徑為22 m。采用高效微氧化強溶氣裝置4套,微氣泡發生裝置4套和淺層離子氣浮裝置2套及配套回流水泵、螺桿空壓機。

⑦一二三期工程(16萬m3/d)-新建生物池:利用原有初沉池建設用地,新建2座生物池,包括生物池中的回流污泥反硝化池、厭氧池及部分缺氧池。停留時間為7.8 h,采用立式攪拌器36臺。

⑧一二三期工程(16萬m3/d)-生物池改造:原生物池改造為缺氧池、好氧池、后缺氧池和后好氧池。主要改造內容包括對部分導流墻進行切割、拆除填料區現有推流器及年久失修的攪拌器、新增不銹鋼進出水系統、重新布置池內曝氣頭。改造后生物池系統(含初沉池改造)總泥齡為22.2 d,總停留時間為20.8 h。

⑨一二三期工程(16萬m3/d)-新建高效沉淀池:采用混凝反應沉淀一體化池體,共4池,設計表面負荷為13.4 m/h。采用混凝攪拌器8臺,絮凝攪拌器4臺,刮泥機4臺和斜管4套,配套回流污泥泵和排泥泵。

⑩一二三期工程(16萬m3/d)-新建深床濾池:共設1座12格,設計濾速為7.51 m/h。

因廠內布置緊湊,建筑物構筑物間距小,且廠內管網密度大,布局復雜,尤其是在一二三期改造時只能在狹窄的空間區域內施工,難度較大。在工程實施過程中,采用統籌考慮,分段實施的方式,結合污水處理工藝優化施工程序,確保舊管拆除、新管及閥門安裝過程中污水處理系統正常運行,通過水下作業、局部超越等措施,最大程度地縮短停水持續時間,基本實現“不停水”改造。

3 處理效果

江蘇省某污水處理廠經過提標改造后于2021年底投入試運行。從2021年12月26日—2023年4月25日的運行數據可知,某污水處理廠提標效果良好,出水穩定達標排放,主要出水指標同時還能滿足江蘇省于2022年年底頒布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 32/4440—2022)。實際出水水質如表3和表4所示。

表3 提標改造后一二三期工程出水水質

表4 提標改造后四期工程出水水質

4 工程投資及增加成本

項目總投資約為50 957萬元,一類工程費為43 052萬元。運行成本中增加了電耗、藥劑消耗和定員數量等。本工程進行提標改造后噸水經營成本合計1.1元。

5 結論

本提標改造工程建設,屬于江蘇省太湖流域較早成功提標的大型污水處理廠之一。工程設計中能先行開展全面深入調研,充分分析廠內現狀情況,對現有構筑物等深度挖潛利用,在有限的用地條件下選擇因地制宜的工藝路線,保障出水達標的同時也做到了用地集約、低碳節能、安全環保。

工程特點如下。

(1)提標改造設計前,建議先行開展現狀污水處理廠能效評估與優化運行措施研究,系統梳理廠區運行水質水量、設備設施狀況、工藝運行能力等問題,為改造工程設計及工程實施提供技術支撐。

(2)提標改造工程在提升水質的同時,需對廠內現有處理構筑物等進行核算分析評估,充分挖潛。若有用地則盡量同步開展污水處理能力水量的提升改造,以滿足運行整體要求,實現設計處理水量和高排放標準出水水質的雙提標處理實效。

(3)技術路線多樣性優選。本次提標改造工程,因地制宜地采用了改良Bardenpho工藝+高效沉淀池+深床濾池、Bardenpho工藝+氣浮池+深床濾池等多樣性技術路線,并結合項目自身特點在設計細節處創新創優,通過有針對性開展增容提標、設備設施更新等全方位提標改造工作,運行至今,出水穩定達標。

(4)深度協同、不停產改造。項目本底復雜,現狀工藝系統改造、管線切改,電氣系統改造及切換,均在幾乎不停產的條件下進行。與運營單位深度溝通改造實施方案,各專業在協同匹配建設進度的基礎上優化設計。