四台矿生活污水处理厂改造工程工艺设计

翟平全

(煤炭工业太原设计研究院,太原 030001)

大同煤矿集团有限责任公司四台矿原有生活污水处理站一座,始建于20世纪80年代末,原设计规模6 000 m3/d,处理工艺采用传统活性污泥法,由于年代久远,处理工艺落后,而且收水管网不完善,该污水厂已经不能运行,所有设备老化报废,处理构筑物及建筑物均需要修缮。四台矿大部分生活污水没有处理直接排入十里河,污染当地水体,不符合国家环境保护的相关规定,为响应国家环保政策,集团公司积极对污水处理厂进行改造,可缓解水资源的供需矛盾,全面提高该区节能、节水、节地、治污总体水平,促进城市水资源和水环境的可持续发展。

1　处理规模及水质特征

1)处理规模:处理规模为2 000 m3/d。

2)进出水水质:BOD5的质量浓度为200 mg/L,COD为400 mg/L,SS为250 mg/L,NH3-N为40 mg/L,TN为60 mg/L,TP为4 mg/L。

出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准: COD的质量浓度为50 mg/L,BOD5为10 mg/L, SS为10 mg/L,NH3-N为5(8) mg/L,TN为15 mg/L,TP为0.5 mg/L。

2　处理工艺

2.1　工艺选择

污水处理工艺的选择直接关系到污水处理厂出水水质能否达标、工程投资的大小、污水厂运行成本的高低以及运行管理是否简便等,因而选择适当的污水处理工艺是污水处理厂建设的关键。根据确定的四台矿生活污水处理厂进水水质及出水水质,污水处理厂应采用具有脱氮除磷功能的污水处理工艺,处理工艺应对BOD5、COD、NH3-N、TN、TP等均具有较高的去除率。同时,由于污水水量、水质变化相对较大,所以应采用能较好适应水质、水量变化,具有较强抵抗冲击负荷能力的工艺。

另外,煤矿生活污水与市政生活污水有一个比较明显的区别,就是煤矿生活污水中含有较高的洗浴水,一般的煤矿生活污水中有机物浓度都偏低,所以,处理工艺应该选择对原水水质变化适应性强的工艺,低浓度也能够运行。

基于以上思路,参考同类型污水厂的设计运行经验,考虑采用工艺先进、技术可靠、能实现自动化控制和便于集中管理的方案,又力求经济合理、节省占地、节约能源、降低运行管理费用,并且在保证工艺完善的基础上,尽量考虑利用现有设施,节省投资费用。污水处理厂改造选择“A/A/O/A+MBR”工艺。

2.2　工艺原理

膜生物反应器是结合了膜分离技术和传统的活性污泥法的一种高效污水处理技术,由于膜的过滤作用,生物完全被截留在生物反应器中,实现了水力停留时间和污泥龄的彻底分离,使生物反应器内保持较高的MLSS，硝化能力强,污染物去除率高。

本次设计选用的一体化膜生物反应器是在A/A/O/A(参照强化内源反硝化膜生物反应器脱氮除磷专利工艺设计)的基础上,用MBR膜池取代传统的二沉池,具有A/A/O/A工艺的一切优点,有良好的脱氮、除磷效果,由于MBR膜池具有较高的污泥浓度,所以,系统的污泥浓度比传统的活性污泥法高2～3倍,可大大减小生化池的池容。另外,由于MBR膜丝表面孔径只有0.1 μm～0.4 μm,出水比一般的活性污泥法的二沉池要好很多。

2.2.1A/A/O/A工艺(厌氧、1#缺氧、好氧、2#缺好氧调节池)的优点

1)在进水有机物含量不足时,可进行内源反硝化,保证脱氮效果和最终出水水质。此工艺由厌氧、1#缺氧、好氧、2#缺好氧调节池、膜池组成。经过厌氧区、缺氧区、好氧区的消耗,此处污水中的COD含量已很低。在营养贫乏的状态下,一些微生物开始消耗自身的细胞组成成分,同时也有一些微生物死亡和溶解,在污泥减量的同时一些有机物成分被释放出来,这时仍存活的反硝化细菌可利用这些来自于细胞自身的碳源进行反硝化,即内源反硝化。

2)提高膜通量,减少膜堵塞及清洗频率,延长膜使用时间及使用寿命。2#缺好氧调节池在营养贫乏的条件下,反硝化菌会在缺氧条件下消耗降解由于微生物自身氧化及死亡所分解积累的胶体大分子有机物及污水中难降解的有机物大分子。而膜堵塞的主要因素也是大分子胶体有机物,因此,此工艺能降低膜堵塞及清洗频率1/3以上,延长了膜的使用时间及寿命。

3)能实现反硝化除磷,提高生物脱氮除磷效果,减少了化学除磷药剂的使用量。2#缺好氧调节池/厌氧区/1#缺氧区交替的环境来代替传统的好氧/厌氧环境,能培养驯化出一类硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌(DPB)为代表的优势菌种,通过他们的代谢作用来同时完成过量吸收磷和反硝化过程,最终达到强化微生物脱氮除磷效果。

2.2.2MBR水处理技术工艺的优点

1)采用的膜丝表面孔径只有0.1 μm～0.4 μm,能够高效地进行固液分离,出水水质标准高,品质稳定,悬浮物和浊度接近于零,出水水质优于普通的处理工艺,经消毒后可直接用于绿化、冲洗、消防、楼房中水回用补充观赏水体等非饮用水的目的,从而省去了深度处理环节,工艺流程短。

2)抗冲击负荷强,对水质、环境、气温适应性强,水温在不低于5℃时,可以正常启动、调试、运行。

3)系统采用PLC控制,可实现全程自动化控制,运行管理方便,对操作人员技术水平要求低;同时系统启动快,不受污泥膨胀的影响。

4)解决了传统活性污泥法造成的沉淀部分对最大生物浓度的限制,反应器内的微生物浓度高,是传统方法的2～3倍,达8 000 mg/L～10 000 mg/L,对水质水量的变化适应力强,耐冲击负荷强。

5)有利于增殖缓慢的硝化细菌及其它专性细菌的截留、生长和繁殖,系统硝化效率、CODcr去除率等各项指标得以提高,反应时间也大大缩短;同时大的有机物被截留在池内,保证其被继续降解,提高了难降解有机物的降解效率。

6)污泥龄长,膜分离使污水中的大分子难降解成分在生物反应器内有足够的停留时间。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄条件下运行,剩余污泥排放量是传统方法的1/3。

7)容积负荷高,占地少,模块化设计易于扩容。

8) 膜的高效截流作用,使微生物完全截流在反应器内,实现了反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,使运行控制更加灵活稳定。

9) 膜材质为PVDF(聚偏氟乙烯),抗污染性强,易清洗,适于污水处理;化学性能稳定,抗氧化性强,可采用常用氧化性药剂清洗。

2.2.3MBR水处理技术工艺的缺点

1)MBR工艺预处理要求严格,和其他活性污泥法比较,需要增加超细格栅,格栅间隙一般为0.5 mm～1.0 mm,截流原水中更细小的头发丝等物质,以减轻MBR膜丝的断丝。

2)由于MBR出水需要靠水泵负压抽吸,而且MBR膜在运行过程中,需要不断的曝气来清洗膜丝,所以运行电耗较普通的活性污泥法高。

3)MBR膜使用寿命短,一般5 a需要完全更换,折旧成本高。

4)MBR膜定期需要用酸、碱来对膜丝进行化学清洗,以防止污堵,一般1周用低浓度药液清洗1次,1个季度用高浓度药液清洗1次, 1 a～2 a还需要将膜取出来进行浸泡清洗。

5)MBR工艺需要靠PLC全自动控制其运行,一旦控制系统出现问题,整个系统靠手动运转较困难。

2.3　工艺流程

MBR水处理工艺流程见图1。

图1　工艺流程图Fig.1　Process flow diagram

3　处理单元技术参数

设计规模为2 000 m3/d,由于设有调节池,除格栅外均按平均流量进行构筑物设计。

1)进水井、格栅、调节池(新建)。设进水井1座,钢筋混凝土结构,尺寸4.0 m×2.0 m×2.8 m。内设进水闸门2台,闸门600 mm×600 mm。

设格栅井1座,钢筋混凝土结构,分2格,单格尺寸7.4 m×0.8 m×2.8 m。内设回转式机械粗格栅2台，旋转式机械细格栅各2台。回转式机械粗格栅:单台格栅宽B=0.7 m,栅条间隙b=10 mm,N=1.1 kW；旋转式机械细格栅:单台格栅宽B=0.7 m,栅条间隙b=6 mm,N=1.1 kW。

设调节池1座,钢筋混凝土结构,有效调节容积540 m3,尺寸15 m×12 m×4.9 m。内设潜水提升泵2台(1备),设潜水搅拌器2台。潜水提升泵:Q=42 m3/h,H=14.5 m,N=5.5 kW；潜水搅拌器:N=5.5 kW。

2)超细格栅(新建)。设超细格栅井1座,钢筋混凝土结构,分2格,单格尺寸7.2 m×1.0 m×1.5 m。内设超细格栅2台,超细格栅:单台格栅宽B=1.0 m,栅条间隙b=1 mm,N=1.1 kW。

3)平流式沉砂池(修缮利用)。利用平流沉砂池1座,钢筋混凝土结构,分2格,单格渠宽B=0.6 m,渠长L=9.56 m。内设插板渠道闸门4套,排泥阀4个,闸门:600 mm×1 000 mm,排泥阀:DN200。

4)初沉淀池(修缮利用)。利用初沉淀池4座,钢筋混凝土结构,单座平面尺寸6.2 m×6.2 m,沉淀池总高度H=7.55 m,沉淀池设计表面负荷q=1.1 m3/(m2·h),设计停留时间4 h，内设中心管,直径1 000 m。

5)A/A/O/A生化池及MBR池(修缮利用)。利用现有的曝气池改造为A/A/O/A池和MBR池,对原曝气池进行修补,并在池内增加隔墙,分割成厌氧池、1#缺氧池、好氧池、2#缺氧好氧调节池及MBR池。生化池分2组,钢筋混凝土结构,单组尺寸32 m×7.35 m×5.3 m。

主要设计参数:单组设计流量1 000 m3/d,混合液悬浮固体浓度6 000 mg/L,污泥产率0.60 kg DS/(kgBOD5),反硝化速率0.014 kg NO2-N/(kg·MLSS·d),污泥回流比400%,硝化液内回流比100%～400%,外回流比100%。

① 厌氧池(单池)。厌氧池单池有效容积82.7 m3,尺寸2.5 m×7.35 m×5.3 m,设计停留时间2 h,内设潜水搅拌器2台,潜水搅拌器:N=1.5 kW。

② 1#缺氧池(单池)。缺氧池单池有效容积165 m3,尺寸5.0 m×7.35 m×5.3 m,设计停留时间3.96 h，内设潜水搅拌器2台,潜水搅拌器:N=1.5 kW。

③好氧池(单池)。好氧池单池有效容积393.6 m3,尺寸11.9 m×7.35 m×5.3 m,设计停留时间9.45 h,污泥龄25 d，内设膜片式曝气器832套。

④2#缺氧好氧调节池(单池)。2#缺氧好氧调节池单池有效容积198.5 m3,尺寸6.0 m×7.35 m×5.3 m,设计停留时间 4.76 h，内设复叶(推流式)液下曝气搅拌两用机1台,O2YLBG-15/5型,电机功率:曝气15 kW,搅拌5 kW。

⑤MBR池(单池)。MBR池单池尺寸5.4 m×7.35 m×5.3 m,每池设置2组膜组器,预留1个空位。单组设膜组器2台,单台膜组器产水量550 m3/d,单台膜组器膜面积1 800 m2,过滤通量13 L/(m2·h)～16 L/(m2·h),膜材质PVDF,膜孔径0.2 μm,运行模式为过滤9 min,静止1 min,反洗1 min。

6)MBR辅助间(新建)。新建MBR辅助间1座,设备间尺寸为21.3 m×6 m,砖混结构。内设渗透抽吸泵 (自吸泵) 4台(2备),Q=50 m3/h,H=9 m,N=3.0 kW,设反冲洗CIP泵2台(1备),Q=12 m3/h,H=8 m,N=0.75 kW,设剩余污泥泵4台(2备),Q=18 m3/h,H=15 m,N=1.5 kW,另外设次氯酸钠加药装置和柠檬酸加药装置各1台,设PAC加药装置1台,用于化学除磷,设二氧化氯发生器2台,发生量600 g/h。

7)清水池(新建)。设清水池1座,有效容积200 m3,钢筋混凝土结构。

8)污泥池(新建)。设污泥池1座,尺寸3.5 m×3.5 m×4.5 m,钢筋混凝土结构。

9)污泥脱水间(新建)。设污泥脱水间1座,平面尺寸21.3 m×9 m,砖混结构。内设带式浓缩脱水一体机1台,带宽1 000 mm,配套相应辅助设备。

10)鼓风机房(修缮利用)。利用原鼓风机房1座,砖混结构,平面尺寸20.1 m×6.9 m。内设好氧池曝气鼓风机3台(1备)和MBR池膜吹扫鼓风机3台(1备)。曝气鼓风机单台性能Q=7.14 m3/min,P=58.8 kPa,N=15 kW,转速1 310 r/min,膜吹扫鼓风机单台性能Q=12.28 m3/min,P=70 kPa,N=19.27 kW。

4　主要经济指标

工程总投资1 995.0万元,其中，建设工程费1 667.4万元，其他费用232.6万元，预备费95.0万元,直接运行费用约为1.53元/m3。

5　结束语

四台矿生活污水处理采用“A/A/O/A+MBR”工艺,工艺具有出水水质好、运行稳定、流程短、控制简单等优点;针对煤矿企业缺水的大同地区,出水不仅可稳定地达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A排放标准,同时还可直接回用于洗煤厂用水、绿化及道路洒水等,对节约矿区水资源有重要意义。