MBR在更严格排放标准污水处理厂不停产提标扩能改造中的应用

2023-10-23杨磊,赵健,郭瑜,王强

净水技术 2023年10期

杨磊,赵健,郭瑜,王强

(成都市兴蓉环境股份有限公司,四川成都 610041)

随着国家对水环境质量的要求进一步提高,各地出台了更为严格的污水处理厂污染物排放标准,比如四川省要求从2017年1月1日起实施《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)(以下简称“两江标准”),该标准要求城镇污水处理厂排放标准需达到地表水“准Ⅳ类”标准[即主要污染物CODCr、BOD5、氨氮和TP浓度达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类标准,TN质量浓度≤10 mg/L]。同时,城市化的进程导致城市人口增加,污水排放量增加。出水水质排放标准提高、污水处理量增加,对现有城市污水处理厂提出了提标扩能改造的新要求。

“准Ⅳ类”标准下提标扩能改造的要点是提高生化处理对CODCr、TN和TP的去除效能,同时增加污水处理厂的处理量,所以,改造过程需满足处理效能和处理量同时提高的要求。膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)工艺因占地面积小、出水水质稳定、耐冲击负荷、污泥产量低、运行控制灵活等优点被广泛应用于污水处理领域[1-4]。MBR工艺尤其适用于土地受限污水处理厂的提标改造。北方某污水处理厂采用MBR工艺,在占地仅增加85%的情况下,将原污水处理厂处理水量提升2.75倍[5]。另有北京市某污水处理厂采用MBR工艺在不新增用地的情况下完成提标改造[6]。研究[7]表明,西安市某县污水处理厂采用“厌氧-缺氧-好氧(AAO)+MBR”工艺对原采用氧化沟工艺的污水处理厂进行改造,可将处理规模从1.5万m3/d扩能到3万m3/d,且出水标准从《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(以下简称“国标一级A”)提高到“准Ⅳ类”。本文以某污水处理厂为例,分析了MBR工艺应用于污水处理厂不停产提标至“两江标准”的扩能改造效果,为类似污水处理厂的提标扩能改造提供参考。

1 污水处理厂改造背景

某污水处理厂原处理规模为10万m3/d,设计出水水质执行“国标一级A”,随着“两江标准”的实施,需对该厂进行提标改造。另外,该厂排水分区内来水量已显著增加,本次改造需同步考虑扩能需求。厂内剩余土地有限,所以,大规模新建污水处理构筑物难以实现。结合位于中心城区,改造期间需保证污水处理厂运行现状的要求,该厂需在不停水、不大量增加构筑物的情况下完成提标和扩能改造。

2 改造前污水处理厂概况

改造前主体工艺预处理采用“粗格栅+细格栅+曝气沉砂池”,生化处理采用“AAO+二沉池”合建的一体化池,深度处理采用“纤维滤料D型滤池+紫外消毒”。污水处理厂平面布置如图1所示,图中编号1～13为现状建(构)筑物,分别是预处理间、生化池、D型滤池、紫外消毒渠、沉淀池、鼓风机房及变配电间、滤池反冲洗房及变配电间、脱水及加药间、除臭装置、综合楼、车库及仓库、食堂、门卫。图中编号(1)～(6)为新建建(构)筑物,分别是曝气沉砂间、膜格栅及中间提升间、储泥池、膜池变配电间、储罐池、出水仪表间。改造建(构)筑物和对应改造措施如图1所示。由图1可知,污水处理厂剩余土地不充分,不具备大规模新增建(构)筑物的条件。

图1 厂区平面布置

统计分析污水处理厂改造前一年的处理水量和进出水水质,其中,最大日平均处理水量达到10.8万m3/d,超过设计规模约8%,月处理水量在全年中分布较平均。该污水处理厂处于海拔约500 m的平原地区,设计进水温度为12～25 ℃,改造前设计与实际进出水水质如表1所示。由表1可知,该厂进水水质(月平均值)中氨氮、TP和TN浓度有超过设计值的情况,出水能达到国标一级A(TP为2004年投产时的标准,≤1.0 mg/L),但是出水达不到“两江标准”,改造过程尤其需要考虑目前没有达到“两江标准”的氨氮和TP,同时需要考虑扩能对出水CODCr、TN等污染物浓度的影响。

表1 改造前设计与实际进出水水质

该厂进水基本没有工业废水,为典型的城镇生活污水处理厂,生化处理工艺为AAO,具有完整的生物脱氮除磷单元。因此,在剩余土地不足情况下,提标和扩能改造的重点和难点是提高目前生化处理单元的处理效能,在不新建工艺单元的基础上增加处理量,并提高出水水质标准。

3 改造要求及措施

该污水处理厂改造需满足以下几点。1)厂内剩余土地不足,且周边环境为建成区,交通便利,但均没有现成的扩建用地,只能在已有污水处理厂内实施提标扩能改造。2)现有生化池处理效能需提高,满足处理水量从10万m3/d增加到15万m3/d,出水水质从“国标一级A”提高到“两江标准”。3)该厂担负着中心城区的污水处理任务,在扩能提标改造过程中必须实现不停产,维持正常生产运行。

针对提标后的排放标准,结合现有AAO生化池,考虑采用适用于高排放标准的“AAO+MBR”工艺或“AAO+二沉池+深度处理(高效沉淀池+反硝化滤池)”工艺,后者需要新建深度处理工艺,同时需要新建一部分生化处理工艺满足扩能要求,改造过程用地面积将大大增加,不适用于本改造工程。采用“AAO+MBR”工艺不需要新建生化池,保留原有AAO生化池,将原有二沉池改造为MBR池,尽量不新增构筑物,不扩大占地面积,满足扩能、提标和不停产改造要求。具体改造措施有以下几点。1)预处理新增曝气沉砂池规模,并新建膜格栅间。2)生化处理更改为“AAO+MBR”工艺,原来厌氧池保持不变,好氧池前端3个廊道划归缺氧池,扩大缺氧池容积,增强系统脱氮能力。将二沉池改造为膜池,增加好氧池容积,同时充分利用MBR的截留作用去除污染物,并将生化区内的活性污泥浓度提高2～3倍,达到4～10 g/L[8-9]。新增膜池至好氧池、好氧池至缺氧池、缺氧池至厌氧池污泥混合液回流系统。3)设置碳源和化学除磷药剂投加装置,保障出水稳定达到排放标准。4)改造施工期间合理安排,分阶段实施,单池单格逐一改造,快速切割,尽量减少停水停产时间。

4 提标扩能改造方案

4.1 设计水质水量

因该污水处理厂处理水量已经达到并超过设计能力,结合统计分析和水量预测结果,本次改造工程设计处理规模为15万m3/d,变化系数K=1.3。进水CODCr、BOD5、SS虽未达到原设计水质,但TN、TP、氨氮已超过原设计水质,通过分析实际进水水质对改造工程的进水水质进行调整,设计出水水质达到“两江标准”,改造后设计进出水水质如表2所示,设计进水温度为12～25 ℃。

表2 改造后设计进出水水质

4.2 工艺流程

目前,“生化池+MBR”和“生化池+移动床生物膜反应器(MBBR)”工艺均具有污泥浓度高、抗冲击负荷、占地面积小的优点,可应用于土地受限的污水处理厂的提标扩能改造,但是MBR无需设置二沉池,扩能比例高于MBBR[5,10-11]。鉴于本项目要求提标的同时扩能1.5倍,综合考虑提标规模、进出水水质、用地情况和改造工程要求等因素,改造主体工艺采用“AAO+MBR”,流程如图2所示。改造工程保留现状设施为粗格栅渠、原有曝气沉砂池和生化池鼓风机房。改造或添加设备设施为提升泵房、细格栅渠、生化池、膜池、膜池鼓风机房、紫外线渠、加药间和污泥脱水机房。新建设施为曝气沉砂池、膜格栅间、中间提升、储泥池和除臭滤池。

图2 改造后工艺流程

4.3 主要建(构)筑物设计参数

(1)已建预处理间。现状粗格栅、提升泵房、细格栅、曝气沉砂池构筑物合建在已建预处理间内。配格栅2道,每道进水渠宽为1.4 m,格栅垂直高度为9.95 m,水深为1.2 m,栅条间隙为25 mm,安装倾角为80°。提升泵房现状潜水泵为5台,单泵流量Q=1 354 m3/h,扬程H=15 m,拆除一台,新增2台大规格潜污泵。每台泵Q=3 250 m3/h,H=16 m,5用1备。设格栅渠3条,现状使用2条,采用回转式机械细格栅,渠道宽为1.25 m,渠深为2.05 m,栅条间隙为5 mm,安装倾角为75°,本次改造增加同规格细格栅1道。曝气沉砂池一座,分两格,尺寸为27.46 m×9.20 m,池深为4.3 m。设计最大流量Qmax=1.50 m3/s,水平流速为0.11 m/s,水力停留时间(HRT)为2.48 min,气水比为0.2∶1.0。

(2)曝气沉砂间。新建曝气沉砂间一栋,分一格,设计最大流量Qmax=0.75 m3/s,水平流速为0.11 m/s,HRT为2.48 min,气水比为0.2∶1.0。

(3)膜格栅间。安装板式细格栅,进水渠宽为0.8 m,出水渠宽为1.6 m,安装角度90°,栅条间隙1 mm。

(4)生化池。理论HRT为10.0 h,其中,厌氧区为0.816 h,缺氧区为3.43 h,好氧区为5.75 h(含膜池好氧区和膜区)。厌氧池污泥质量浓度(MLSS)为3.41 g/L,缺氧池MLSS为5.12 g/L,好氧池MLSS为6.4 g/L,膜池MLSS为8.0 g/L。膜池回流至好氧池回流比为400%,好氧池回流至缺氧池回流比为400%,缺氧池回流至厌氧池回流比为200%。生化池气水比为4.76∶1.00,膜池前好氧区气水比为1.01∶1.00。

(5)膜池及配套设备间。本工程的核心是将现状的沉淀区改为膜池,如图3所示。5格沉淀区分别改为5格膜池,每格膜池包括4个廊道,每个廊道安装10个膜架。每格膜池包括好氧区、膜区,其中,好氧区HRT约为0.485 h,膜区及污泥回流区HRT约为1.667 h。MBR采用聚偏氟乙烯(polyvinyli-dene difluoride,PVDF),孔径为0.1 μm,每个膜架108片膜,每个膜架产水量为31.25 m3/h。膜区气水比为15.54∶1.00,产水周期为10 min,产9 min停1 min。膜丝维护性清洗周期为1～3 d,采用200～300 mg/L的次氯酸钠。膜丝恢复性清洗周期90～180 d,分别采用1 000～3 000 mg/L的次氯酸钠+氢氧化钠和0.5%～3.0%的柠檬酸。

图3 改造前后膜池平面布置

(6)膜池鼓风机房。将现状D型滤池的反冲洗房改造为膜池鼓风机房。空气悬浮单级高速离心鼓风机6台,其中用于提供为膜区膜设备提供吹扫空气的鼓风机4台,3用1备,Q=180 m3/min,H=5.5 m;用于膜池好氧区曝气的鼓风机2台,1用1备,Q=105 m3/min,H=5.5 m。

(7)储泥池。原有储泥池1座,尺寸为3 m×3 m,高度为4.0 m。新建两座储泥池,直径为10 m,高度为4.0 m。

(8)脱水机房。脱水机房内原有且继续使用的设备有转筛浓缩机2台,每台处理能力为75 m3/h,离心脱水机2台,每台处理能力为15 m3/h。新增卧式螺旋沉降离心浓缩脱水一体机1台,处理能力为70 m3/h。

(9)紫外线渠。现状消毒渠为2道,平面尺寸为9.0 m×5.5 m,渠深为1.55 m,改造后渠深为1.95 m。

4.4 不停水施工方案

本次改造施工周期为8个月,经过合理安排和论证,施工过程除短时间停水外,可以保证污水处理厂现状运行,在维持正常运行情况下完成扩能提标改造。结合图1和图3所示建(构)筑物平面图,按以下次序完成不停水施工。

(1)维持现状运行条件下,建设5万m3/d的曝气沉砂池并将新建曝气沉砂池进水管铺设至接管位置。同时,建设膜格栅南侧出水管道,分别至现状生化池进水管、现状曝气沉砂池南侧的出水管道碰头位置。此外,在现状细格栅渠安装5万m3/d的细格栅。

(2)短时间停水,将现状曝气沉砂池与生化池之间的连接管道上生化池处的阀门关闭,管内污水排出,将新建膜格栅南侧出水管道分别与现状曝气沉砂池南侧的出水管道、现状生化池南侧进水管道相连接。同时,更换连接现状北侧曝气沉砂池和现状北侧生化池的管道。

(3)重新以10万m3/d规模运行,建设15万m3/d的中间提升泵房和膜格栅。同时,将1号沉淀区改造成1号膜池,改造过程中,2号、3号、4号、5号沉淀区仍维持运行,处理现状污水处理厂10万m3/d污水量。期间将膜池回流管道暂时回流至现状污泥回流渠道,同时完成膜池出水管道工程(期间短时停水)。

(4)改造1号生化池内部,并改造和切改相关管渠。同时,将2号沉淀区改造成2号膜池。一格粗格栅间扩建5万m3/d的水泵和管道,同时连接一组现状曝气沉砂池与膜格栅之间管道、一组新建曝气沉砂池与膜格栅之间管道、一组膜格栅出水管道。

(5)将3号沉淀区改造成3号膜池。

(6)改造2号生化池内部,并改造和切改相关管渠。同时,将4号沉淀区改造成4号膜池。

(7)将5号沉淀区改造成5号膜池。

(8)连接新建曝气沉砂池进水管道与预留管道,同时,连接一组现状曝气沉砂池与膜格栅之间管道、一组膜格栅出水管道,完成膜池出水管至紫外消毒渠出水井管道工程(期间短时停水)。

5 改造后运行情况

该污水处理厂提标扩能改造后,调试稳定后基本可以满负荷运行,进出水月平均值如表3所示,出水可稳定达到“两江标准”。

表3 改造后实际进出水水质

提标扩能改造后,用地面积没有增加,处理规模为改造前的1.5倍,且出水水质标准提高。如图4和图5所示,相比原“AAO+二沉池”工艺,“AAO+MBR”工艺有三级回流,回流至厌氧区的混合液来源于缺氧池,溶解氧或硝酸盐浓度相对更低,更易控制厌氧区低氧化还原电位(ORP)环境,有利于聚磷菌释磷,强化反硝化除磷,实现“一碳两用”。与传统脱氮除磷相比,反硝化除磷可以节省30%的曝气量和50%的碳源需求[12-13]。经测定该厂改造后缺氧区的反硝化除磷比例长期保持在50%以上。同时,“AAO+MBR”工艺避免了二沉池内发生释磷和反硝化。改造后厌氧区和好氧区(包括膜区)的HRT降低,缺氧区的HRT增加,同时缺氧区和好氧区的MLSS显著增加,如表4所示。工艺的优化,污泥浓度的增加以及MBR的截留作用,保障了扩能和提标的双重目标。