改良Bardenpho+浸沒式超濾工藝在污水處理廠的應用

周玄月

(武漢市城市排水發展有限公司,湖北武漢 430062)

高質量、高標準是水務行業發展的趨勢和方向。從2015年環境保護部發布《城鎮污水處理廠污染物排放標準(征求意見稿)》,首次提出水污染物特別排放限值[CODCr≤30 mg/L、BOD5≤6 mg/L、SS≤5 mg/L、氨氮≤1.5(3)/3(5)mg/L、TN≤10/15 mg/L、TP≤0.3 mg/L等],到2021年發展改革委等印發《關于推進污水資源化利用的指導意見》中明確“到2025年,水環境敏感地區污水處理基本實現提標升級,全國地級及以上缺水城市再生水利用率達到25%以上”,意味著對城鎮污水處理廠排放標準和再生水回用的要求更高、更嚴格。當前,北京、天津、長沙、四川、江蘇、安徽、河北、浙江等地新(改)建城鎮污水處理廠陸續采用地方標準或特別排放限值,同時,再生水多用于景觀環境用水或城市雜用水。

AAO工藝作為城鎮污水處理中的常規生物脫氮除磷工藝,具有耐沖擊負荷大、系統穩定性高、運行檢修方便、不易發生污泥膨脹等優點,但該工藝的固有缺陷是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、泥齡和碳源需求上存在著競爭。最突出的是在厭氧環境下,反硝化過程和釋磷過程對碳源的競爭。為了優化AAO工藝過程中碳源不足以及由其引起的硝酸鹽進入厭氧區干擾釋磷效率的問題,以達到更高水平的除碳、脫氮和除磷效果,Bardenpho及其改良工藝應運而生。其中,以五階段改良Bardenpho為代表的多級AAO工藝因其具有進一步強化脫氮除磷的優勢,被廣泛應用于新(改、擴)建城鎮污水處理廠中[1-3]。

在深度處理單元,為進一步強化TP、SS、CODCr的去除,滿足再生水利用需求,通常采用基于混凝、沉淀、過濾、吸附原理的各類絮凝沉淀池、濾池、膜工藝等。其中,超濾膜可以分離粒徑為納米級的顆粒,保證出水SS穩定達標,該工藝在生活飲用水[4]、生活污水[5]、工業廢水[6]、海水淡化[7]等領域中都有應用,過濾效果優于傳統深度處理工藝。然而,目前國內尚無“五階段改良Bardenpho+超濾膜”的組合工藝在大型污水處理廠中實際應用的案例?？紤]未來市政污水處理廠尾水提標的趨勢,以及再生水回用的要求,秉承“簡約合理、適度超前”的原則,本項目案例主體工藝采用“五階段改良Bardenpho+超濾膜”的組合工藝。本文探索該工藝的建設模式、運維成本及污染物處理效果,旨在為有提標改造或再生水回用要求的市政污水處理廠新(改、擴)建工程提供參考。

1 工程概況

華中地區某市政污水處理廠2030年設計規模為60萬m3/d,其中已建一、二期工程的設計處理規模為20萬m3/d,出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準,經青菱河、巡司河后,最終排入長江。近年來,隨著地區發展、人口增加以及污水收集系統的逐步完善,污水處理廠服務范圍內總產污水量已達33萬m3/d,實際收集進廠污水量約20萬m3/d,亟需進行三期擴建。

本次三期擴建工程設計規模20萬m3/d,工程建成后,廠區總體設計規模達到40萬m3/d。該污水處理廠受納水體青菱河、巡司河水質管理目標為Ⅳ類,為提高再生水回用量,發揮市政污水處理廠尾水作為生態補水、綠化灌溉的重要作用,三期擴建工程出水主要水質指標采用優于一級A標準,其余指標執行一級A標準。

1.1 設計進出水水質

該污水處理廠三期擴建工程設計進、出水水質如表1所示。

表1 設計進出水水質

1.2 擴建工程難點

(1)出水標準高

本次三期擴建工程,主要污染物水質指標提高到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類限值,出水標準要求嚴格,對工藝的處理效果要求更高。

(2)用地規劃緊湊

該污水處理廠規劃控制總用地面積為40.12 hm2,其中,一、二期現狀用地面積為11.00 hm2;合流制溢流污染(CSO)用地面積為4.02 hm2;污泥處置用地面積為5.90 hm2;三、四期控制用地面積為19.20 hm2(預留四期規劃用地面積不少于7.29 hm2)。因此,本次三期擴建預留面積用地不超過11.91 hm2,且包含三、四期合建設施用地及預留發展用地。

為節約用地,提高土地利用率,本次三期擴建工程中,主要建(構)筑物采用地上式現澆鋼筋砼結構,其中二級生物處理單元與污泥泵房合建。預處理、污泥處理及鼓風、消毒、加藥等單元按2023年遠期剩余規模(40萬m3/d)進行一次性土建設計。二級生物處理和深度處理單元土建按本期20萬m3/d設計。即三、四期平均單位水量占地不超過0.48 m2/(m3·d),低于有深度處理的污水處理廠建設用地指標。

1.3 工藝流程選擇

本項目規模較大,出水標準較高,采用改良Bardenpho生物反應池,強化脫氮的同時提高CODCr、BOD5和氨氮的去除率。深度處理采用超濾膜,保證出水TN、TP、SS和CODCr的達標。三期擴建工程工藝流程如圖1所示。

圖1 三期擴建工程工藝流程

以改良Bardenpho為代表的多級AAO工藝一般由厭氧段、第一缺氧段、第一好氧段、第二缺氧段、第二好氧段構成[8-9]。第二個缺氧段利用好氧段產生的硝酸鹽作為電子受體,利用剩余碳源(或外加碳源)作為電子供體進一步強化反硝化效果[10],最后第二好氧段用于氮氣吹脫。整個工藝具有碳源利用率高[9-11]、脫氮效率高[8-12]、利于污泥穩定[12]等優勢。改良Bardenpho工藝流程如圖2所示。

圖2 改良Bardenpho工藝流程

超濾膜工藝是以壓力差為驅動力進行機械截留的膜過濾工藝,通過抽吸(產水)泵的抽吸,在中空纖維膜內部形成真空,在膜兩側形成壓力差。待處理水經過超濾膜的微孔時,直徑大于膜孔徑的物質被截留,水和直徑小于膜孔徑的物質則進入中空纖維內部的主通道,最終通過抽吸泵進入產品水箱(池),其具有操作壓力較低、產水水質穩定[13]等優點。浸沒式超濾系統工藝流程如圖3所示。

圖3 浸沒式超濾系統工藝流程

浸沒式超濾系統由下列各單元組成。超濾膜:使用孔徑為0.01 μm浸沒式超濾膜元件;膜池與膜組器:采用無框柱式膜組器,膜池為混凝土結構;抽吸(產水)泵和反沖洗泵系統:每個膜池均配有將待處理水從超濾膜中抽出的抽吸(產水)泵(系統需要反洗時,由反洗泵對膜系統進行反沖洗);排污控制系統:負責將反洗水自動排出膜池;空氣擦洗:采用鼓風機向超濾膜系統提供擦洗空氣(膜的完整性測試和氣動閥的啟閉均通過配套的空壓機提供的壓縮空氣來完成);清洗加藥系統:當膜污染到一定程度時,采用次氯酸鈉和檸檬酸化學清洗來恢復膜通量,次氯酸鈉主要用來氧化有機污染物,硫代硫酸鈉和氫氧化鈉分別用來中和、清洗剩余的次氯酸鈉和檸檬酸。

浸沒式超濾膜系統配置鼓風機曝氣系統和反沖洗系統,維護性沖洗采用水反沖和氣沖洗結合的方式,用水反向沖洗膜組件的同時在膜組件下部曝氣,通過氣體與液體的混合在超濾膜表面形成渦流,上升的氣泡擦洗并清潔超濾膜絲外表面,膜表面污物脫落,膜通量得以恢復。反沖洗廢水排放至反沖洗排水池,由反沖洗排水泵定期將反沖洗廢水輸送至廠內指定處理單元進行凈化處理。當跨膜壓差上升到一定值,反洗效果不再明顯時,則需對超濾膜系統進行化學清洗,化學清洗后的廢液排放至中和系統,經中和處理后進入反沖洗排水池與反沖洗廢水一并進入廠內指定處理單元進行凈化處理。

2 工程設計

2.1 改良型Bardenpho生物池

2.1.1 主要設計參數

設計流量為Q=2×105m3/d≈2.31 m3/s;單格設計水量為Q=4 167 m3/h;數量為1座(共2格);平面尺寸為B×L=137 m×165 m;剩余污泥干重為28 500 kg/d;總需氧量為40 660 kg O2/d(標準狀態下,20 ℃)。

2.1.2 主要設備

橡膠盤式微孔曝氣器:Φ215,單池數量為11 724個,單池供氣量為2～4 m3/h,氧轉移效率≥25%;選擇區潛水推進器:葉片直徑D=2 500 mm,功率N=5 kW,共2臺;厭氧區潛水推進器:D=2 500 mm,N=6 kW,共4臺;第一缺氧區潛水推進器:D=2 500 mm,N=6 kW,共6臺;第一好氧區潛水推進器:D=2 500 mm,N=3 kW,共12臺;第二缺氧區潛水推進器:D=2 500 mm,N=5 kW,共6臺;第二好氧區潛水推進器:D=1 800 mm,N=3 kW,共3臺;用于脫溶氧區潛水推進器:D=1 800 mm,N=3.5 kW,共2臺;外回流用潛水離心泵(無堵塞):Q=1 042 m3/h,高度H=4.5 m,N=20 kW,共5臺,4用1備;內回流用穿墻循環泵(無堵塞):Q=2 084 m3/h,H=1.0 m,N=16.5 kW,共5臺,4用1備;剩余污泥用潛水排污泵(無堵塞):Q=170 m3/h,H=10 m,N=7.5 kW,共2臺,1用1備。

2.1.3 主要運行參數

單格生物池容積為71 250 m3;有效水深為7.1 m;污泥質量濃度為3.5 g MLSS/L;污泥齡為16.38 d;污泥負荷0.097 kg BOD5/(kg MLSS·d);選擇區停留時間為0.57 h;厭氧區停留時間為1.87 h;第一缺氧區停留時間為3.12 h;第一好氧區停留時間為8.43 h;第二缺氧區停留時間為3.32 h;第二好氧區(脫氣區)停留時間為1.0 h;生物池總停留時間為18.31 h;污泥外回流比為100%;硝化液回流比為200%。

原水分段進入選擇池、厭氧池、第一缺氧池、第二缺氧池,通過多點進水的方式,充分利用內部碳源,同時適當延長第二缺氧池停留時間,使反硝化脫氮過程更充分,從而強化脫氮效果,達到減少甚至不投加外部碳源的目標。為保證系統脫氮的穩定及可靠性,設置外部碳源投加裝置備用。

2.2 二沉池及綜合井

2.2.1 主要設計參數

設計流量為Q=2.6×105m3/d≈3.01 m3/s;周進周出圓形二沉池數量為6座,配建綜合井2座(每座綜合井對應3座二沉池,對二沉池的進出水進行分配、匯集)。

二沉池D=45 m;最大表面負荷為1.13 m3/(m2·h);平均表面負荷為0.87 m3/(m2·h);池邊水深為4.0 m;停留時間為3.5 h。綜合井采用同心圓結構,D1=12.4 m,D2=16.9 m,中間部分為配水井,外側為出水井。

本次三期擴建工程除磷措施為優先發揮生物除磷效果,并輔以化學除磷。為減少PAC藥劑對生化系統的影響,減少污泥量,PAC投加點設在二沉池綜合井出水總管處,形成的沉淀物、微絮凝體在后續膜格柵、超濾膜池進行分離。

2.2.2 主要設備

二沉池設中心傳動單管吸泥機6套,套筒式排泥閥6套,綜合井設電動調節堰門6套。

2.3 膜格柵間

2.3.1 主要設計參數

設計流量為Q=2.6×105m3/d≈3.01 m3/s;配置渠道10條。

2.3.2 主要設備

內進流板式格柵(膜格柵),數量10臺,8用2備,渠寬B=1.6 m,設備寬為1 m,設計柵前水深為1.95 m,柵后水深為1.6 m,柵條間距為1 mm;單套膜格柵處理流量為Qmax=32 500 m3/d,過柵水損為Δhmax=350 mm;格柵前檢修平板鋼閘門為B×H=1 600 mm×2 050 mm,共10臺;格柵后檢修平板鋼閘門尺寸為B×H=1 600 mm×1 700 mm,共10臺。

2.4 浸沒式超濾膜設計

2.4.1 主要設計參數

設計流量為Q=2×105m3/d≈2.31 m3/s;膜池數量為2座,單座10格,每格池可獨立運行,8用2備;單個膜池尺寸為6.1 m×4.4 m×4.5 m;有效水深為3.65 m。

2.4.2 主要運行參數

總組器數量為80套;每個膜組器安裝膜柱數為24個;每個膜組件面積為70 m2;單個膜組器膜面積為1 680 m2;平均名義膜通量為32 L/(m2·h);組器產水量為1 250 m3/d;平均孔徑<0.1 μm;跨膜壓差(TMP)為-60～0 kPa;反沖洗水量為1.0～1.5倍的平均產水量;反沖洗頻率為1次/h;維護性清洗頻率為3～7 d 1次;恢復性清洗頻率為6～12次/月;回收率≥95%;膜的壽命為5～8年。

3 運行效果

該污水處理廠三期擴建工程于2021年10月建成,經調試和試運行后,于2022年1月進入穩定運行期,運行12個月以來,出水各項指標穩定達到一級A標準,部分主要指標達到地表水Ⅳ類標準。

3.1 CODCr、BOD5及SS處理效果

污水處理廠三期擴建工程實測進出水CODCr、BOD5及SS分別如圖4～圖6所示。

圖4 2022年1月—12月CODCr處理效果

圖5 2022年1月—12月BOD5處理效果

圖6 2022年1月—12月SS處理效果

2022年1月—12月,進水CODCr質量濃度最大值為448.1 mg/L,最小值為65.3 mg/L,平均進水CODCr為211.4 mg/L。進水BOD5質量濃度在18.61～152.6 mg/L,平均進水BOD5為61.61 mg/L。進水SS質量濃度基本穩定在80 mg/L。7月—9月(182～273 d),進水CODCr集中在150 mg/L,進水BOD5在40 mg/L左右,考慮受季節性降水和長江上游來水影響,進一步稀釋了進水有機物濃度。

出水CODCr最大值為21.3 mg/L,平均值為10.1 mg/L。出水BOD5、SS較穩定,平均值分別為2.19、4 mg/L。CODCr去除率為95.2%,BOD5去除率為96.4%,SS去除率為95.0%。出水CODCr為99.7%概率達到地表Ⅲ類標準,出水BOD5全年穩定達到地表Ⅲ類標準。

運行一年以來,進水CODCr濃度變化大、BOD5偏低,不僅增加生物處理難度,也會帶來藥劑成本增加的風險。但從出水CODCr、BOD5及SS的去除效果來看,本組合工藝運行穩定,具有良好的抗沖擊負荷能力。

3.2 氨氮、TN處理效果

污水處理廠三期擴建工程實測進出水氨氮如圖7所示,進出水TN如圖8所示。

圖7 2022年1月—12月氨氮處理效果

圖8 2022年1月—12月TN處理效果

2022年1月—12月,進水氨氮質量濃度在1.74～27.72 mg/L,平均進水氨氮為16.85 mg/L。前半年氨氮波動較大,后半年趨于穩定,基本符合設計進水指標。平均出水氨氮質量濃度為0.21 mg/L,去除率為98.75%,91.7%概率值達到地表Ⅲ類標準。出水氨氮在一年中前3個月(1～90 d)及后2個月(305～365 d)變化較大,考慮受冬季低溫影響,不利于硝化菌繁殖。

進水TN質量濃度基本穩定在30.00～35.00 mg/L,平均進水TN為33.16 mg/L。出水TN在2.70～14.10 mg/L,平均出水TN為9.56 mg/L。常規市政污水處理廠TN去除率一般在40%～60%,本工藝在未投加外部碳源的條件下,年均TN去除率可達到71.2%?？紤]是多點進水方式為硝化和反硝化過程提供了充足的碳源,同時合理分配各生物處理段停留時間和回流比,使反硝化和氮的吹脫更充分。若遠期對TN出水指標提出更高要求,則可采取以下措施:(1)提高硝化液回流比、污泥回流比,提高活性污泥總量;(2)加大曝氣量維持較高硝化速率;(3)延長泥齡;(4)調整缺氧區容積;(5)調整多點進水比例;(6)投加外部碳源等。

3.3 TP處理效果

污水處理廠三期擴建工程實測進出水TP如圖9所示。

圖9 2022年1月—12月TP處理效果

2022年1月—12月,進水TP較穩定,平均進水TP質量濃度為2.81 mg/L。出水TP最大值為0.29 mg/L,均值為0.19 mg/L。期間平均TP去除率為93.24%,穩定達到地表Ⅳ類標準。PAC(質量分數為10%,液體)單耗約為103 g/m3。為進一步降低PAC單耗,同時降低膜格柵及超濾膜池淤堵的風險,減少清洗頻次,可采取以下措施:(1)將PAC單一投加點改為多點投加,如保留二沉池綜合井出水總管投加點的同時,在改良Bardenpho生物池出水口處增設投加點;(2)將PAC原液投加改為稀釋后投加,同時考慮增加在線原液稀釋系統,利用再生水和后反饋自動控制系統,提高絮凝效果;(3)在1 mm膜格柵處增設高壓沖洗系統,與中壓沖洗系統聯動,及時清除附著絮凝物;(4)在超濾膜池上方增設中水沖洗及撇渣收集裝置,避免上浮絮凝物堆積等。

4 主要經濟指標

三期擴建工程總投資為13.63億元(含三、四期合建設施),工程費用為9.44億元。折合單位水量總投資為6 815元/m3。單位總處理成本為2.064元/m3,單位經營成本為0.933元/m3,其中藥劑費0.188元/m3,電耗0.338 kW·h/m3,超濾膜每年更換2次,單次費用為1 460萬元。

其中,改良Bardenpho+二沉池及綜合井+超濾膜池及設備間的土建及設備按20萬m3/d規模計算,工程費用為3.04億元,用地共4.86 hm2,折合單位水量工程費用投資為1 520元/m3,占地約為0.243 m2/(m3·d),用地緊湊,占地面積小。本項目可減少對水體的污染物排放量,其中,BOD5削減量為8 322 t/a、SS削減量為12 775 t/a、CODCr削減量為15 330 t/a、TN削減量為1 825 t/a、TP削減量為197 t/a。

5 結論

(1)華中地區某市政污水處理廠三期擴建工程是國內首個采用改良型Bardenpho+超濾膜組合工藝的大型市政污水處理廠,出水各項指標穩定達到一級A標準。其中,BOD5全年穩定達到地表水Ⅲ類標準,CODCr99.7%概率值、氨氮91.7%概率值達到地表水Ⅲ類標準,TP穩定達到地表水Ⅳ類標準。

2022年1月—12月,平均出水CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP質量濃度分別為10.1、2.19、4、0.21、9.56、0.19 mg/L,平均去除率分別為95.2%、96.4%、95.0%、98.75%、71.2%、93.24%。該組合工藝結構緊湊,占地面積小,改良Bardenpho+二沉池及綜合井+超濾膜池單元折合單位水量占地約為0.243 m2/(m3·d),單位總處理成本為2.064元/m3。

(2)改良型Bardenpho+超濾膜組合工藝結合了生化處理系統和膜處理系統兩者的優點,不僅處理效果穩定,抗沖擊負荷能力強,同時,工藝流程較短、構筑物較少。未來,在市政污水處理廠新改擴建用地面積很緊張、尾水提標至地表水Ⅲ類標準和再生水回用需求進一步提高的大趨勢下,該組合工藝因具備實現更高更穩定的出水標準的能力,從而具有廣闊的運用前景。