乡镇

为满足日益严格的环境保护要求,污水处理厂尾水水质标准不断提高,既有污水处理厂按照新标准、新规划适时开展改造工作势在必行。乡镇污水处理厂设计规模偏小、水质水量变化大、新工艺使用比例高,是升级改造工作的重点对象。

污水处理厂改造的关键在于生物处理和泥水分离环节,而生物池改造又是以恢复和提升污水处理厂处理功能为根本目的。因此,从原因来讲污水处理厂的改造基本上可分为两大类:一类是处理规模达标,出水水质不达标;另一类则是处理规模不达标,出水水质也不达标。原因不同,改造方法不同,工艺的选取宜因地制宜、对症下药。

本项目所在地区为国家重大跨区域调水工程的水源地,此次实施升级改造的乡镇污水处理厂(共计12座)现状处理规模为600～15 000 m³/d,于2010年前后设计并投产,核心水处理工艺有STCC、AO、CASS及BL工艺等(见表1),出水水质执行国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。此次改造完成后,C污水处理厂出水水质的部分指标执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水标准(见表2),其余污水处理厂的出水水质均执行一级A标准。本次升级改造主要使用了常规AAO+二沉池、改良AO+二沉池、AAO+MBR池和MBBR+二沉池4种工艺,本文以A、B、C、D 4个水厂为例,对4种工艺逐一介绍。各水厂概况和进出水设计水质见表1。

处理工艺直接影响厂区的用地,厂区用地情况反向制约工艺的选择。乡镇污水处理厂升级改造工程面对的首要问题,就是如何解决厂区用地紧张和现状处理标准较低之间的矛盾。改造应尽量避免新征用地,厂区平面布局合理、竖向设计得当,与现状水处理设施衔接顺畅,并适当考虑厂区远期发展。改造后厂区建筑风格力求统一,简洁明快、美观大方、绿化达标,并与厂区周围景观相协调。

乡镇污水处理厂设计规模往往偏小,一体化处理设施、新型处理工艺使用比例较高。因此,在改造过程中,要认真分析现有处理设施的工艺特点和改造潜力,尽量使新老设施形成良性有机整体。改造应充分利用现有处理设施,尽量减少新增设施。工艺的选取应力求运行安全可靠、技术先进成熟、出水水质优良、抗冲击负荷能力强、易于维护管理、高效节能,且宜减少工程投资及运行成本。

改造工程实施期间,应通过科学的组织、合理的调度维持水厂的运行,尽可能缩短改造工期和减少尾水对受纳水体的污染。改造前制定安全可靠的应急方案,实施中错峰施工(在水厂处理负荷较小时实施)、分组改造,完成后迅速扫尾、尽快恢复正常运行。

污水处理厂的厂区面积,一般按项目总规模控制,分期建设。因此,多数污水处理厂都留有远期预留用地,在升级改造工程实施过程中,可根据排水系统实际收水量和现状处理设施的处理能力,适时扩充厂区容量。A污水处理厂目前已超负荷运行,因此本次升级改造和水厂远期扩建同步实施,改造后处理规模为3 000 m³/d,工艺流程见图1。

改造中将现状BL生物池改造为AAO生物池,处理规模核减为1 000 m³/d,泥水分离仍采用现状二沉池。另外,在远期用地范围内新建1座AAO生物池和1座二沉池。为便于准确控制新旧生物池的处理负荷,沉砂池出水经配水井调节后进入生物池,且新建生物池和二沉池的设计参数均与现状构筑物保持一致。生物池出水经水泵提升进入二沉池,二沉池排泥采用静压排泥。

新建生物池设计规模为2 000 m³/d,总停留时间为12.3 h,厌氧池停留时间1.5 h,缺氧池停留时间3.5 h,好氧池停留时间7.3 h。二沉池设计规模为1 000 m³/d,单池直径为8.6 m,水力负荷为0.93 m³/(m²·h),固体通量为120.5 kg/(m²·d)。

B污水处理厂现状生物池为缺氧/好氧池(AO),没有独立的厌氧区,除磷效果不好。增加厌氧区可利用生物除磷减少除磷药剂使用量,因此改造时需在水质核算的基础上将现状缺氧池分割成厌氧池和缺氧池,采用多模式运行。进水负荷低、出水水质可达标时,硝化液回流至缺氧池,运行AAO模式;出水TN不达标、需强化脱氮时,硝化液同时回流至厌氧池和缺氧池,运行AO模式^[1]1]。改造后的工艺流程见图2。

改造后生物池总有效容积578 m³,总水力停留时间为11.5 h。厌氧池平均停留时间为1 h,单格尺寸4 m×1.6 m,有效容积50 m³。缺氧池平均停留时间为2 h,单格尺寸4 m×3.2 m,有效容积100 m³。好氧池平均停留时间为6 h,单格尺寸4 m×10.5 m,有效容积300 m³。由于外回流比增大,需新建一座二沉池,设计规模为600 m³/d,单池直径为6.4 m(同现状二沉池),水力负荷为0.78 m³/(m²·h),固体通量为130.5 kg/(m²·d)。

为使出水SS达到一级A标准,二沉池后新增1座一体化纤维转盘滤池,用以去除污水中以悬浮状态存在的各种杂质。滤池总尺寸B×L×H=2.3 m×2.9 m×3.8 m,池内有效水深为2.8 m,水头损失60 cm,配套纤维转盘、反冲洗泵等主要设备。

MBR工艺以膜分离代替传统二沉池的重力分离,固液分离效果好,出水水质优良;容积负荷高,占地面积小;污泥龄长,污泥排放少;抗冲击性强。MBR工艺在太原晋阳污水处理(12万m³/d)、武汉北湖污水处理厂(40万m³/d)中都得到了良好运用^[2,3]2,3]。自2015年运行起C污水处理厂实际日均处理水量已达到设计负荷,本次改造需予以扩建。本次改造设计中,近期处理规模为2.25万m³/d,远期逐步达到3万m³/d,出水TN和SS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,其他执行《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) Ⅳ类水标准,工艺流程见图3。

为保护MBR膜,本次改造设计中新增膜格栅1座,栅条间隙为2 mm。CASS生物池拆除内部现状隔墙,按规范要求重新划分出厌氧区、缺氧区和好氧区,总停留时间为12.5 h。厌氧池平均停留时间为1.7 h,单格尺寸14.55 m×6 m,有效容积522 m³。缺氧池平均停留时间为4.6 h,单格尺寸14.55 m×13 m,有效容积1 125 m³。好氧池平均停留时间为6.2 h,单格尺寸14.55 m×16.9 m,有效容积1 450 m³。好氧池至缺氧池的混合液回流比为300%,缺氧池至厌氧池的混合液回流比为200%。

MBR膜池的设计,土建按30 000 m³/d设计,设备按22 500 m³/d安装。采用由中空纤维膜组成的成品膜组器,单台膜组器外观尺寸L×B×H=2.9 m×1.5 m×2.8 m,有效产水面积2 100 m²。MBR膜池共设计6个安装廊道,每个廊道8个安装位置。远期使用6个廊道、安装42个膜组器,膜通量为14.2LMH。近期使用5个廊道、安装30个膜组器,膜通量为14.9 L/(m²·h)。

MBBR工艺容积负荷高,节约占地,抗冲击负荷能力强,不易堵塞、不需要反冲洗,系统寿命长,新增生物质为固着相活性污泥,不影响二沉池处理负荷^[4]4]。D污水处理厂改造后工艺流程见图4。

D污水处理厂现状生物池总有效容积450 m³。厌氧池总有效容积75 m³,水力停留时间为1.5 h,单组平面尺寸为4.8 m×2.3 m。缺氧池总有效容积187 m³,水力停留时间为3.7 h,单组平面尺寸为4.8 m×5.6 m。根据计算,好氧区所需总有效容积283 m³,水力停留时间为5.6 h。好氧池实际有效容积仅为188 m³(生物池剩余容积),难以满足规范要求,因此好氧池有效容积缺额需投加填料予以弥补。设计选用某公司生产的SPR-1型柱状悬浮填料,好氧池填料的需求量和填充率计算如式(1)和式(2)所示。

$\begin{array}{l}S{}_{\text{d}}=\frac{V{}_{\text{q}}X}{S{}_{\text{m}}}=\frac{95\times 3.5\times 1000}{7.05}=47163\text{m}{}^2(1)\\ \text{ϕ}=\frac{S{}_{\text{d}}}{S{}_{0}V{}_o}=\frac{47163}{450\times 188}=55.7\%(2)\end{array}$

式中 S_d——悬浮填料设计有效生物膜面积,m²;

V_q ——好氧池缺额容积,m³;

X ——生物池污泥浓度,g/m³;

S_m ——填料单位生物膜面积生物量,SPR-1型取7.05 g/m²;

S₀ ——单位体积填料总有效比表面积,SPR-1型取450 m²/m³;

ϕ ——生物池填充率,实际中一般取10%～55%。

随着经济社会的发展,国家环境保护要求愈发严格,出水水质差的污水处理厂的升级改造工作势在必行。实施过程中,应认真研究国家环境保护政策、地方相关排水规划,在广泛调研、全面论证的基础上,合理选择提标工艺。AAO工艺技术成熟、出水稳定、应用广泛,在升级改造工程中饱受青睐。随着技术的进步,MBR工艺和MBBR工艺的应用也越来越多,而且二者容积负荷大、占地面积小、出水水质优良,在厂区用地紧张、发展受限的污水处理厂升级改造工程中优势明显。