山东省某污水处理厂原设计规模6万m³/d, 占地面积109亩 (1亩≈667 m²) , 其中一期工程于2001年建设, 设计规模4万m³/d, 二期工程于2013年建设, 设计规模2万m³/d, 均采用CASS工艺, 出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 中的一级A标准。首先, 随当地经济发展、纳污管网逐渐完善, 该厂已超负荷运行, 目前实际水量已达6.5万m³/d;另外, 随环保意识逐渐加强, 同时出于污水处理厂尾水作为受纳水体补充水用途目的, 该厂较大幅度提高了尾水排放标准, 改扩建工程势在必行, 在占地面积维持现状条件下, 扩建后该厂总规模将达8万m³/d, 出水水质标准执行当地地方标准, 部分主要指标需达到《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 中的Ⅲ～Ⅳ类水体标准。另外, 因污泥出路的改变, 该厂污泥脱水后含水率由80%降低至60%。以该厂改扩建工程设计为例, 由工艺设计、新旧工程结合、减弱施工对运行的影响、节省占地及工程投资等角度出发进行探讨。

山东省某污水处理厂原设计总规模6万m³/d, 目前污水处理平均水量已达6.5万m³/d。另外, 该厂现状一期、二期工程原设计进出水水质和近两年实际进出水水质如下表1所示。

由表1可看出, 该厂95%覆盖率实际进水均在原设计进水水质范围, 除COD、BOD₅外, 其他指标较原设计进水水质差异不大;另外, 95%覆盖率实际出水基本可稳定达到原设计出水水质标准。

该厂一期、二期工程除进水管道共用外, 其余均为独立建设, 工艺流程见图1。

现状一期粗格栅及进水泵井、细格栅及旋流沉砂池设计规模同二期工程, 均为4万m³/d;一期设备按4万m³/d配置, 二期进水泵设备按2万m³/d配置, 其余设备满足4万m³/d处理能力。

一期CASS池设计规模4万m³/d, 1座2组共8格, 单格池每天运行6个周期, 每周期4 h, 总池容32 400 m³。二期CASS池设计规模2万m³/d, 1座4格, 单格池每天运行6个周期, 每周期4 h, 总池容17 796.5 m³。

鼓风机房土建及设备均按6万m³/d建设, 现状风机形式为多级离心。

现状一期滤布滤池、紫外消毒渠设计规模同二期工程, 均为4万m³/d;一期设备按4万m³/d配置, 二期设备按2万m³/d配置。

现状污泥储池1座3格, 池体总高5.2 m, 有效水深4.5 m, 总有效容积2 268 m³。

现状污泥脱水机房1座, 土建及设备均按6万m³/d建设, 内设带式浓缩压滤一体机2台, 带宽2 m, 脱水后污泥含水率≤80%。

经由本次改扩建后, 该厂总规模将达8万m³/d。设计进出水水质如表2所示。

由表2可看出, 本次改扩建工程设计进水水质如现状工程, 设计出水水质大幅度提高, 其中COD、NH₃-N、TP已达到或接近《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) 中的Ⅲ类水体标准。另外, 本次改扩建工程位于厂区东侧, 可利用面积仅约25 000 m²。

针对污泥处理, 需将脱水后污泥含水率由现状的80%降低至60%。

本项目在可利用占地面积有限、工程投资受限、并尽可能减弱因改造工程对水厂正常运行造成的影响的情况下, 同时面临扩容和出水水质大幅度提高的问题。

经对比实际进出水水质与设计进出水水质, 需重点关注的污染物指标为有机物、氮和磷等污染物。主要通过3方面措施达到目标:①挖潜现状预处理及二级处理设施, 使其发挥极致效果以节省工程投资;②基于现状污水处理设施处理能力, 酌情考虑新建二级处理工艺, 满足扩容要求, 并使其具备较高的脱氮除磷效率;③新建占地面积少、工艺运行稳定可靠、强化对磷、悬浮物、有机物的去除。最终确保各项出水水质达标。

现状生化池为CASS工艺, 基于该工艺机理及大量工程运行实际经验, 其对有机物、氮、磷、SS去除效果均一般, 本次将其改造为多点进水改良AAO工艺。经核算, 一期CASS池现有池容约对应4万m³/d处理能力, 另外, 新建4万m³/d处理能力的改良AAO生化池及总规模为8万m³/d的二沉池。同时, 因该地区排水体制为雨污合流, 考虑到雨季溢流污染对环境的破坏, 将二期CASS池改造为雨水调蓄池。

本项目对出水COD有较高的要求。基于表1中该厂近年实际运行数据, 出水COD基本可维持在≤30 mg/L, 单纯靠常规二级处理无法满足出水标准。工程上常用的深度脱除COD的工艺主要有高级氧化 (臭氧氧化法、芬顿法等) 、活性炭吸附、膜分离工艺等^[1], 相关研究及工程案例表明^[2,3], 臭氧氧化法因应用相对广泛、技术成熟、出水水质有保障、工程经济性相对可接受, 本项目针对COD深度脱除采用臭氧氧化法。

TP可由微生物的同化作用, 通过剩余污泥排放形式得以部分去除, 但出水总磷浓度要低于0.2 mg/L, 必须采用化学除磷的方法。考虑到本项目占地面积极为有限, 传统高效沉淀池难以布置得下, 拟采用占地节约、处理效率较高的磁混凝沉淀技术作为深度除磷工艺^[4]。同时, 该工艺对SS也具有较好的去除效果, 将其置于臭氧接触氧化工艺前, 可减小臭氧投加量。

在现状设施的利旧方面, 经核算, 现状预处理工程、滤布滤池、紫外消毒渠构筑物满足8万m³/d处理规模, 本次仅需针对进水提升泵、纤维转盘过滤器、紫外灯管等设备进行更换或增设, 使之与该厂扩建后规模匹配, 上述各工艺段功能得到充分利用。一期CASS池改造后, 现状鼓风机房内风机可满足一期供气要求;另因厂内占地限制, 一期及新建生化池距离较远, 需新建鼓风机房为新建生化池供气。

受限于现状预处理、一期生化池、现状滤布滤池的水力高程, 新建中间提升泵仅服务于现状二级处理系统, 通过抬高新建设施高程的措施达到尽可能减小全厂运行能耗的目的。

现状污泥脱水设备无法满足本工程污泥脱水后含水率要求, 需新增隔膜板框压滤机系统。拟将现状脱水机房利旧, 将现状带式浓缩压滤脱水一体机替换为带式浓缩机, 作为污泥预浓缩设备, 剩余污泥及化学污泥进入现状储泥池后, 经新增带式浓缩机预浓缩, 含水率为95%～96%污泥进入污泥调理池 (新建) , 经絮凝剂、石灰的化学调理, 进入新建污泥脱水机房内板框压滤机系统, 最终脱水后污泥可满足小于60%含水率的设计要求。

经由如上方案分析, 本次改扩建工程工艺流程如图2所示。

构筑物利旧。于二期进水泵井内预留泵位处新增2台潜污泵 (Q=1 100 m³/h, H=14 m, N=75 kW) , 原有3台水泵作为备用泵;因现状一期工程1台粗格栅年久失修, 本次更换 (栅隙20 mm, N=1.5 kW) 。

构筑物利旧。因现状一期工程1台细格栅年久失修, 本次更换 (栅隙4 mm, N=1.1 kW) 。

将原有一期1座8格CASS池改造为处理能力仍为4万m³/d的1座2组多点进水改良AAO池, 充分利用CASS池隔墙对AAO池进行功能分区。现状CASS池总池容32 400 m³, 改造后AAO池总HRT约19.5 h, (其中预缺氧区HRT为0.5 h, 厌氧区HRT为1.6 h, 一段缺氧区HRT为3.5 h, 缺氧好氧调节区HRT为2.3 h, 一段好氧区HRT为9.3 h, 后缺氧区HRT为1.3 h, 后好氧区HRT为1 h) , 有效水深4.5 m, 气水比为7.5, 内回流比为200%, 总泥龄20.1 d。同时, 拆除池内8台滗水器, 预缺氧区内新增4台N=2 kW搅拌器, 厌氧、缺氧区内共增设16台N=7.6 kW搅拌器, 新增内回流泵6台 (Q=900 m³/h, H=1 m, N=5.5 kW) , 原CASS池底管式微孔曝气器利旧。

拆除二期CASS池内滗水器, 于池内新建泵井, 增设3台Q=680 m³/h, H=7 m, N=18.5 kW (变频) 轴流泵。雨季超出该厂设计规模水量经预处理后进入该池暂存, 待旱季时通过提升泵将雨水均匀泵送入一期生化池处理, 减小溢流污染。

设计规模4万m³/d, 1座2组, 尺寸为99 m×65 m×7.5 m, 有效水深6.5 m, 总HRT为24 h (其中预缺氧区HRT为0.5 h, 厌氧区HRT为1.5 h, 一段缺氧区HRT为6 h, 一段好氧区HRT为12.2 h, 后缺氧区HRT为2.7 h, 后好氧区HRT为1.1 h) , 气水比为6.5, 内回流比为300%, 污泥回流比100%, 总泥龄20.1 d。为充分利用原水中碳源, 预处理来水可分别进入预缺氧区、厌氧区、一段缺氧区, 各区进水比例可通过闸门调节;为增加工艺运行调整的灵活性, 设两级内回流, 其中一段好氧至一段缺氧区内回流比300%, 二级内回流可由后好氧区分别回流至一段缺氧、二段缺氧, 二级内回流比为150%。

一期生化池距二沉池较远, 且受限于占地, 难以实现对称布置。为保证一期2座二沉池进水量均等, 设1座配水井, 尺寸为8 m×4 m×5 m。

新建规模为8万m³/d周进周出圆形辐流式二沉池4座, 2座服务于一期二级处理系统、2座服务于新建二级处理系统, 池径D为34 m, 有效水深4.5 m, 设计表面负荷为0.92 m³/ (m²·h) , 采用半桥式中心传动单管刮吸泥机。为尽可能减小中间提升能耗, 一期二沉池设计高程较二期二沉池设计高程低2.2 m。

为一期生化池供气, 建筑物及设备利旧。

为新建生化池配套建设规模为4万m³/d鼓风机房1座, 尺寸17.1 m×7.5 m×5 m, 设空悬浮风机4台 (3用1备) , Q=60 Nm³/min, H=80 kPa, N=121.5 kW。

因原有一期与新建二级处理系统高程不同, 一期二沉池出水需经中间提升进入深度处理;另外, 限于厂内占地, 将一期中间提升泵井与一期、新建二期系统回流及剩余污泥泵井合建。该组合池1座共分3格, 尺寸29.1 m×6m×8 m。设中间提升泵3台 (2用1备) , Q=1 100 m³/h, H=3.0 m, N=15 kW;一期回流污泥泵3台 (2用1备) , Q=900 m³/h, H=5 m, N=22 kW;二期回流污泥泵3台 (2用1备) , Q=900 m³/h, H=4 m, N=18.5 kW;剩余污泥泵4台 (2用2备) , Q=80 m³/h, H=10 m, N=5.5 kW。

1座2组, 规模为8万m³/d, 尺寸为24.9 m×19.3 m×8.7 m。T₁反应池HRT 1.5 min, 内投加10% PAC, 设计投加量50 mg/L;T₂反应池HRT 1.5 min, 内投加磁粉, 设计最大投加量 (补充量) 5 mg/L;T₃反应池HRT 3 min, 内投加0.1%阴离子PAM, 设计最大投加量1 mg/L;沉淀池平均表面负荷15.4 m³/m²/h。T₁、T₂、T₃反应池内分别安装N=3 kW、N=4 kW、N=5.5 kW搅拌器各1台;沉淀池装设D=12 m刮泥机1台;系统设回流污泥泵4台 (2用2备) , Q=80 m³/h, H=10 m, N=5.5 kW, 回流比5%;剩余污泥泵4台 (2用2备) , Q=30 m³/h, H=10 m, N=3 kW;高剪切机2台, 处理能力30 m³/h, N=0.75 kW;磁分离机2台, 处理能力30 m³/h, N=3 kW。

1座2组, 规模为8万m³/d, 尺寸为21 m×18.4 m×7.5 m, 有效水深6.5 m。设计HRT 30 min, 每组接触池分3段, 臭氧投加比50%:25%:25%, 设计臭氧投加量20 mg/L, 臭氧通过池底微孔曝气盘投加。池内进出水附壁闸门、臭氧投加管线等主要设备材质均为SS316 L, 管材在安装前经脱脂处理。

原一期、二期设备及构筑物利旧, 二期新增处理能力为2万m³/d转盘过滤器一套 (含冲洗水泵) , 装机功率8.5 kW。

原一期、二期设备及构筑物利旧, 二期新增处理能力为2万m³/d紫外灯管1套 (64支灯管) 、镇流器柜1台等, 装机功率20.48 kW。

新建加药间1座, 用以储存、制备及投加化学除磷所需混凝剂、絮凝剂, 并设磁粉储存间、碳源投加间 (预留) 。主要设10% PAC储罐2套, V=20 m³/套;PAC投加泵3台 (2用1备) , Q=500 L/h, H=3 bar, N=0.75 kW;PAM制备装置1套, 制备能力5 kg/h, N=0.75+0.55×2 kW;PAM投加螺杆泵3台 (2用1备) , Q=2 m³/h, H=3 bar, N=1.1 kW。

臭氧发生间1座, 尺寸为22.5 m×11.2 m×5.2 m。设氧气源臭氧发生器3台, 单台发生器制备能力25 kg/h (浓度150 mg/L) , 装机功率262.5 kW。发生器配套板式换热器、内循环冷却水系统、外循环冷却水系统、露点仪、臭氧泄露报警仪、氧气泄露报警仪等设备, 发生间内照明、通风及仪表均采用防爆型, 发生间内消防器材选用七氟丙烷柜式灭火器。

液氧站为租赁形式, 设V=30 m³液氧储罐1台, 储存3 d液氧用量, 并配套远程液位监控系统、空温气化器、调压阀组等设备。

利旧, 全厂剩余污泥及化学污泥分别进入污泥储池的不同分格。

建筑物利旧, 扩建后设计总泥量14 tDS/d。将现状2台带式浓缩脱水一体机拆除, 更换为2台带式浓缩机, 每台带宽2.5 m, N=3 kW。配套带机进泥螺杆泵4台 (2用2备) , Q=70 m³/h, H=20 m, N=22 kW;絮凝剂制备装置1套, 制备能力3.5 kg/h;带机出泥通过螺杆泵 (4台, 2用2备, Q=20 m³/h, H=20 m, N=5.5 kW) 进入污泥调理池。

1座2格, 单格尺寸4.2 m×4.2 m×4.5 m, 每格设竖轴搅拌器1台, N=11 kW。进入板框机前含水率约96%污泥在此进行化学调理, 设计10%液体PAC最大投加量200 kg/tDS, PAM最大投加量4 kg/tDS, 石灰最大投加量200 kg/tDS。

1座2层, 尺寸为40 m×17.5 m×15.2 m。首层布置1套污泥调理加药系统 (石灰料仓及投加系统布置于脱水机房外) 、2套压榨及洗布系统、2套板框机高低压进料系统、1套空压机系统 (气动阀门气源) 等, 二层布置2套500 m²全自动隔膜板框压滤机、配电间及控制室、值班室等。经脱水后, 污泥含水率<60%。

(1) 可通过合理安排施工计划, 实现对现有污水处理系统正常运行影响最小的目的。

(2) 通过充分挖潜一期原有CASS池并对其进行合理化改造, 强化其脱氮除磷能力、增强运行灵活性、节省运行成本。

(3) 充分利用现状设施及水力高程, 减少工程投资、节省提升能耗, 同时兼顾原有与新建工程的有机协调。

(4) 采用磁混凝沉淀+臭氧接触氧化+滤布滤池的深度处理组合工艺, 占地面积小、处理效率高、出水水质得到保障。

本工程在新增占地面积较小的情况下, 充分利用原有设施, 使该厂出水水质大幅度提高并将规模由6万m³/d提高至8万m³/d。本工程改扩建后污水二级处理采用改良AAO工艺, 深度处理采用磁混凝沉淀+臭氧氧化+滤布滤池组合工艺, 污泥脱水采用机械预浓缩+污泥调理+隔膜板框压滤机工艺。本工程设计在各方面细节之处均进行了研究、论证, 在保证出水水质稳定达标的前提下, 充分利用或改造现有设施, 节约了工程投资和占地, 突出了环境和经济效益, 可为同类污水处理厂设计提供借鉴。