高效沉淀+精密过滤工艺用于污水厂提标改造工程

2021-05-12尹华升刘晋阳吴冀宣龙燕平

净水技术 2021年5期

姚雨，刘丽，*，尹华升，刘晋阳，刘军，吴冀宣，龙燕平

(1.中国葛洲坝集团水务运营有限公司，湖南长沙 410000；2.湖南省建筑科学研究院有限责任公司，湖南长沙 410000)

随着我国经济的高速发展，水体纳污能力严重不足，水环境污染问题形势严峻。近年来，国家加大了对水污染的治理力度，出台了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)和《水污染防治行动计划》(水十条)等一系列标准和政策，要求重点流域、区域的城镇污水处理厂出水水质满足一级A标准[1]。对于大部分城镇污水处理厂来说，由于排水体制问题(主要是雨污分流不彻底)，SS和TP是制约大部分城镇污水处理厂稳定达到一级A标准的主要因素[2]。絮凝沉淀和过滤工艺技术成熟可靠，通过投加絮凝剂沉淀(辅助化学除磷)以及滤网的拦截和筛滤作用，可有效去除污水中的TP、SS[3]。污水厂出水大大降低了污染负荷，对于控制水体富营养化、改善水环境质量具有重要意义[4]。本提标改造项目，通过对一期工程系统改造，解决预处理段拦渣效果差的问题，并解决一期氧化沟弯道沉泥问题，提高生化脱氮除磷效率；通过增加高效沉淀池+精密过滤器的组合工艺，既提高了高效除磷效果，出水稳定达标排放，又解决了污水厂占地紧张、征地困难、投资受限的普遍难题，工程实际运行效果良好。本文介绍了一期工程运行存在的问题、工艺流程、主要构筑物和设计参数、经济指标分析，该工程对类似污水处理项目提标改造的工艺选用具有指导意义

1 工程概况

1.1 工程背景

湖南某生活污水处理厂于2009年12月正式运行，规模为2万m3/d，设计排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，主要处理县城生活污水，主体工艺为改良型氧化沟工艺。为提高人民的生活环境，打造生态经济圈，改善河流水质，政府出台相应环保政策，要求污水处理设施进行提标改造，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。本次提标改造工艺采用“高效沉淀池+精密过滤器+联合消毒”的工艺，运行稳定，出水达标排放，出水水质优于一级A标准，且CDO满足地方标准《湖南省城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB43/T 1546—2018)的二级标准要求[5]。

1.2 规模和进出水水质

湖南某县城生活污水处理厂处理规模为2万m3/d，高峰时满足1 241 m3/h的处理能力。污水处理厂服务范围内老城区排水体制为合流制，截流倍数为1.0。旱季运行时，水量为1.7万～2.0万m3/d；进水水质CODCr、SS、TN、TP分别为140～170、130～150、25～30、2.5～3.5 mg/L。雨季运行时，水量为2.0万～2.4万m3/d；进水水质CODCr、SS、TN、TP分别为100～140、60～130、15～25、1.5～2.5 mg/L。厂区运行11年，实际进水水质低于原设计水质，一期工程出水水质优于一级B标准。本次提标改造后，出水水质执行一级A标准。具体进出水水质数据如表1所示。

表1 进出水水质Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent

2 改造重点难点及改造方案

2.1 改造重点难点

从污水处理厂实际运行情况来看，污水处理厂的出水水质除了TP、SS和大肠杆菌不能达到新标准外，其他指标基本可以达到一级A标准。但目前污水处理厂进水浓度尚未达到设计值，随着城市化进程及雨污分流的推进，进水浓度将会在未来慢慢提高，现有运行情况不能保证污水厂未来满负荷运行。因此，对氧化沟的处理能力进行核算，以推测污水处理厂在满负荷状态下是否能达到一级A标准，便于采取有针对性的改造措施。在进水水质确定的情况下，决定污水处理厂是否能处理达标的主要指标为供氧量和生物池容积。在设计浓度下(进水上限值)，经核算氧化沟曝气机参数及池容，能满足提标改造的要求。根据现状水质，在没有投加碳源设施的情况下，TN基本能达到一级A标准。本次提标改造中暂不考虑碳源投加设施，待水质提高后根据水厂运行情况酌情增设碳源投加。但氧化沟运行至今，存在较多问题，局部需进行改造，以提高氧化沟运行效率，确保NH3-N和TN稳定达标排放。

根据实测，水质TP、SS不能达到新标准，单纯依靠生物处理不能达到要求，需增设辅助化学除磷设施。本次项目主要考虑新增深度处理段，保证TP和SS稳定达到新标准要求。针对污水处理厂运行存在的问题，本次项目也一并改造。

(1)粗、细格栅。现有设备栅隙较大、捞渣效果差、设备老化严重、故障率高、维修频繁，影响处理效果。为保证本次提标改造效果，需更换粗、细格栅，确保污水中的漂浮物在预处理段去除，提高处理效率。

(2)旋流沉砂池。一期旋流沉砂池底部砂砾沉积板结，导致水体中的砂砾进入后续氧化沟，影响氧化沟处理效率。提标改造工程实施中疏通沉砂池，确保沉砂池处理效率。

(3)卡鲁赛尔氧化沟。氧化沟2台推流设备老化且频繁故障，导致缺氧段混流效果较差，污泥沉积严重，反硝化反应不彻底，脱氮效率低；且1台倒伞曝气机不能正常运行，维修频次高，溶解氧偏低，污泥失去活性，影响COD和NH3-N的去除效果。需对氧化沟进行整改，提高生化段的处理效率，确保出水水质长期稳定达标。

(4)消毒渠。紫外灯管为一级B标准配置，需提高紫外灯管配置，以满足一级A标准要求。

(5)污泥处理系统。储泥池有效容积为22.5 m3，容积太小；配套带式脱水机，污泥脱水至80%。根据新环保要求，污泥需脱水至60%。

(6)产生的臭气未进行治理，影响员工生产生活环境，且不满足环保要求。

2.2 深度处理比选

因TP、SS不能达到新标准，需增加深度处理段。常见的污水深度处理工艺为“沉淀+过滤”的组合工艺，通过投加药剂完成SS、TP等污染物的去除。沉淀段一般采用传统的混凝沉淀与高效沉淀，2种工艺原理一样。混凝沉淀是传统的沉淀工艺；高效沉淀是在混凝沉淀基础上，对污泥回流、填料、搅拌设备及沉淀设备进行改进，利用较高的表面负荷达到高效的处理效果，且在占地面积及总投资上具有较大的优势。传统的过滤一般采用V型滤池，此次采用的精密过滤器在其他项目应用成熟稳定。本项目提标段无新征地可用，且政府投资较紧张，在有限的空地且投资紧张的前提下，本工程深度处理工艺主要对占地与投资对比分析，选择占地小、投资节省的组合工艺，如表2所示。

表2 占地及投资对比分析Tab.2 Comparative Analysis of Land Covering and Investment

通过2种工艺占地与投资比选分析，深度处理采用“高效沉淀+精密过滤”组合工艺，既解决了污水厂征地难、占地小的难题(占地节省50%)，在保证出水稳定达标排放的前提下，工程总投资节省40%。

2.3 改造方案

针对现状问题及改造的要求，本工程改造方案如下。

(1)更换粗、细格栅，保证捞渣效果。

(2)疏通旋流沉砂池，且以后运行中风机与抽砂泵根据工艺运行状况设置自控运行模式，确保砂砾不沉积且抽入砂水分离器。

(3)针对氧化沟缺氧段污泥沉积、推流效果差及设备损坏的问题，在缺氧段弯道处新增1台推流器、更换损坏的推流器2台。这样加大了缺氧段搅拌与混合，提高了缺氧段水流流速，防止污泥沉淀，确保反硝化的顺利进行，提高了缺氧段的脱氮效率，保证处理后TN稳定达到新标准15 mg/L以下的要求。针对氧化沟溶解氧不足的问题，更换老化的倒伞曝气机1台，并设置变频控制，更换曝气机后，确保溶解氧控制在2～3 mg/L，逐步培养污泥浓度，提高污泥活性和氧化沟的处理效率，确保COD和NH3-N在设计负荷下达到新标准要求。

(4)提高紫外灯管配置，以满足一级A标准要求。并配套氯酸钠辅助加药设施，确保紫外设备不稳定时，启动辅助加药设施。

(5)新增污泥储存池，改造脱泥设备，污泥脱水至60%。

(6)新增除臭系统，改善厂区生产生活环境，满足环保要求。

(7)因TP、SS不能达到新标准，需增加深度处理段。深度处理采用“高效沉淀+精密过滤”的工艺，高效沉淀具有絮凝沉降效果好、沉淀分离速度快、污泥浓度高、出水水质好[7]等优点，且利用污泥回流减少药剂投加，降低运行成本。精密过滤器工艺具有占地面积小、可连续运行、自动化控制程度高、投资少、运行费用低等优点。精密过滤器采用连续进水，连续反冲洗的方式运行，清洗水采用过滤后的出水。原水自流进入滤筒内表面，依靠重力作用，透过滤网，从滤筒外表面排出，实现了滤网过滤，原水中的SS被截留在滤网内表面，通过清洗后排出[8]。通过分析，深度处理采用“高效沉淀+精密过滤”组合工艺，既解决了污水厂征地难、占地小的难题(通过对比分析，占地节省30%～40%)，又保证了各项出水指标稳定达标排放。

2.4 工艺流程

工艺流程如图1所示。一期工程建设至今已运行11年，考虑到提标的要求，对粗格栅、细格栅、氧化沟、二沉池进行改造及更换部分设备，确保出水稳定达标运行。二沉池出水进入新建的中间提升泵站，污水提升进入高效沉淀池，经高效沉淀池和精密过滤器后，进一步去除TP及SS，出水经联合消毒后，达标排放。厂区污泥经污泥处理脱水至60%以下外运填埋。厂区产生的臭气进行收集后，统一进行生物除臭处理。

图1 污水处理工艺流程Fig.1 Flow Chart of Wastewater Treatment Process

3 提标改造工程内容

3.1 现有设施改造

3.1.1 粗格栅改造

新增回转式粗格栅2台，宽度为0.8 m，栅缝为15 mm，渠高为6.0 m，去除污水中粗大的漂浮物，保护水泵的正常工作。

3.1.2 细格栅改造

新增回转式细格栅2台，宽度为1.0 m，栅缝为3 mm，渠高为2.0 m，进一步去除污水中较小的漂浮物。

3.1.3 氧化沟改造

更换损坏的推流器并在弯道处新增1台搅拌器，加强混合搅拌推流，提高脱氮效率。对老化的倒伞曝气机进行更换，并设置变频控制，保证好氧段氧气利用率，保证COD、NH3-N的降解及TN、TP的去除。

3.1.4 二沉池出水堰调整

二沉池出水不均衡，对出水堰板进行调整，保证出水均衡稳定。

3.2 新增深度处理工程

3.2.1 中间提升泵站

1座，钢砼结构。设计规模为2万m3/d，总变化系数为1.49，尺寸为6.6 m×7.2 m×4.5 m。安装轴流泵3台，2用1备，泵参数Q=621 m3/h，H=6.0 m，功率N=15 kW。

3.2.2 高效沉淀池

1座，钢砼结构。为混凝区、絮凝区、沉淀区一体的高效沉淀池，通过投加化学药剂，进一步去除水中TP和SS。设计规模为2万m3/d，总变化系数为1.49，混合区停留时间为1.50 min，反应区停留时间为11.4 min，沉淀区平均时表面负荷为8.8 m3/(h·m2)，污泥回流比为3%～5%，聚铁投加10%浓度50～80 mg/L，PAM投加2‰浓度2～4 mg/L。构筑物尺寸为22 m×12 m×7 m。设置混合搅拌器1台，N=5.5 kW，叶轮直径为1.0 m；絮凝搅拌器1台，N=2.2 kW；中心传动刮泥机1台，N=0.55 kW，直径为11.0 m；回流污泥泵及排泥泵各1台，Q=30 m3/h，H=15 m，N=2.2 kW。

3.2.3 精密过滤器

进一步去除水中污染物，使得出水达标排放。设计规模为2万m3/d，总变化系数为1.49，过滤精度为20 μm，转筒直径为1.6 m，长为2.7 m，过滤功率为1.5 kW，清洗功率为2.2 kW。设置2套精密过滤器，1用1备，通过自控命令交替运行使用。精密过滤设备由旋转滤筒、驱动装置、清洗装置、机箱及控制装置组成，主体结构采用316 L不锈钢主材，尺寸为11.8 m ×7.85 m×2.6 m。

3.2.4 联合消毒池改造

更换一期紫外灯管设备，并设置次氯酸钠辅助消毒装置备用。配置64根灯管和配套的稳流器及自控设备。配置15 m3次氯酸钠储罐，配套加药泵，并设置围堰。

3.2.5 巴氏计量槽

设计规模为2万m3/d，总变化系数为1.49，宽为0.3 m，尺寸为1.25 m×11.8 m×2.5 m。设置不锈钢巴氏计量槽1套，超声波流量计1套。

3.2.6 污泥储存池

接纳剩余污泥及化学污泥，绝干污泥为3 t/d，含水率为99.2%，污泥量为375 m3/d，尺寸为6.6 m×6.6 m×5.0 m。设置立式搅拌器1套，转子泵2台，Q=60 m3/h，H=8.0 m，N=3.7 kW。

3.2.7 污泥脱水系统改造

绝干污泥为3 t/d，污泥脱水至60%，外运填埋。设置高压隔膜板框机1台，型号为200 m2；前端未设置污泥浓缩池，污泥含水率太高，加大了板框机运行时间、板框机配套调理罐及进料泵的选型参数，为了提高污泥含固率，将污泥含水率从99.5%降低至97%～98%，设置预脱水叠螺机1台，从而节省投资；设置污泥调理罐1套、进料泵2台、压榨水泵2台。

3.2.8 除臭系统

收集预处理段、污泥储存池、污泥脱水机等多处臭气，采用生物除臭装置进行除臭，确保厂区臭气达标排放。处理量为10 000 m3/d，设置生物除臭装置1套，主体设备玻璃钢材质。

4 主要技术经济指标

项目总投资为2 058.07万元，第一部分工程费为1 638.38万元，包括建安费和设备费。提标工程单位电耗为0.11 kW·h/m3，直接运行成本为0.19元/m3。本提标改造工程采用“高效沉淀+精密过滤器”的工艺，具有投资较低、占地节省、工艺运行稳定的特点。

5 运行效果

5.1 改造前后出水指标分析

本工程已完工并投入运行，有运行数据可知，提标工程采用“高效沉淀+精密过滤”的工艺，出水运行稳定，去除效率高，COD、NH3-N、TN、SS、TP去除效率平均值分别为85%、75%、70%、95%、90%。近半年工程运行稳定，处理效果佳，运行操作简便，设备故障率低，处理后出水水质达标排放。其中，COD达到《湖南省城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB43/T 1546—2018)二级标准要求。提标后，污染物向河流排放量进一步削减，COD、NH3-N、TN、SS、TP削减总量年平均值分别为985.5、80.3、116.8、824.9、17.52 t，环境效益进一步提高。COD、NH3-N、TN、SS、TP及大肠杆菌通过提标改造工程后的数据变化，分别如图2～图7所示。