汙水處理廠改造

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姚崑 | 走出汙水處理廠提標改造土地製約的困境

姚崑 | 走出汙水處理廠提標改造土地製約的困境

發布日期:2019-02-21 作者: 點擊:

汙水處理廠原規劃控製用地指標多按照二級標準預留,隨著國家“水十條”發布,加速了城鎮汙水處理設施建設與改造。汙水、汙泥、除臭等處理要求不斷提高,在現有用地上,既要滿足規劃遠期處理量,又要滿足提標改造的需要,用地已是十分緊張。在這種情況下,占地麵積小,處理能力強的三級處理工藝被迫切需求。


前言

水資源是人類賴以生存的最重要資源,然而隨著我國經濟的發展和人口的增多,水汙染的加劇,水與人之間的矛盾更加突出,如何更好地利用水資源、保護水資源已經成為合欢视频在线网址亟待解決的問題之一。城市汙水處理廠作為汙水處理的最重要的設施越來越受到人們的關注。充分發揮汙水處理廠的作用才能有效地減輕水環境的壓力,實現資源環境可持續發展。隨著國家“水十條”發布,加速了城鎮汙水處理設施建設與改造。現有城鎮汙水處理設施,要因地製宜進行改造,2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。建成區水體水質達不到地表水Ⅳ類標準的城市,新建城鎮汙水處理設施要執行一級A排放標準。按照國家新型城鎮化規劃要求,到2020年,全國所有縣城和重點鎮具備汙水收集處理能力,縣城、城市汙水處理率分別達到85%、95%左右。因此,城鎮汙水處理廠提標改造已刻不容緩。


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城市汙水處理廠提標改造分析

為了避免城市汙染處理水廠尾水成為新的汙染源,必須加強對汙水處理廠的出水指標控製。汙水處理廠的進出廠水質主要與以下幾個方麵有關:


1.1與城市經濟發展水平相關


不同的城市所在地域和經濟發展水平不同,城市汙染水的水質也不同。比如南方沿海地區和南方城市用水量比較大,汙水濃度比較低;北方城市特別是西部地區的降雨少,用水量也相對比較少,所以汙水的濃度比較高。工業比重較大的城市,工業廢水排入地下水的濃度比較高,因此城市汙染水的濃度也比較高。


1.2工業廢水水質


按照我國製定的工業廢水排放要求,所有排入城市汙水下水道的水必須經過汙水處理廠的處理,隻有工業廢水達到了排放標準,才能排到城市管網。但是目前我國城市工業廢水排放的手段和管理製度還不健全。一些工廠,為了降低生產成本,工業廢水不經過處理,直接排放到地下水道的現象時有發生。


1.3其它汙染源


城市汙水除了工業廢水和生活汙水汙染源外,還包括垃圾處理廠填埋滲濾液、農牧業廢水等等。


目前,我國城市汙水廠提標改造主要是從原來的一級B標準提高到一級A標準,其主要的汙染物指標削減如表1所示。


汙水處理廠提標改造價格


注:括號外數值為水溫>12℃時的控製指標;括號內數值為水溫≤12℃時的控製指標。


通過表1可見,一級排放標準A標準中:①BOD5、NH3-N、SS、CODCr控製要求提高。②TN控製要求非常高,冬天水溫12℃時仍要控製在15mg/L以下。③TP的控製進一步加強,由1mg/L降低到0.5mg/L。


對於以上BOD5、NH3-N、CODCr和TN指標可以通過對城鎮汙水廠目前普遍采用的二級處理工藝進行強化來進一步去除,但對於SS和TP必須采用三級處理工藝才能實現達標排放。以為常規的生物除磷很難使TP的去除達到0.5mg/L的限值,必須采用化學除磷;而為了不影響現有的生化工藝,化學除磷應考慮放在三級處理工藝中進行。此外,城市汙水處理廠二級處理中常規重力沉澱也很難保證SS的穩定達標排放,因此也應考慮采用三級處理。


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城市汙水廠提標改造工藝路線選擇

城市汙水處理廠提標改造前,需要結合各種因素,綜合對比分析,明確改造的重點和難點,最後確定最終的提標改造工藝路線。a.應先充分理解現狀及汙水廠的原設計要點,包括原設計的進水指標,各工藝單元的主要設計參數;b.要全麵了解汙水廠現階段的運行狀況,主要出水指標數據分析,確定不達標指標有哪些;c.結合原設計及現狀世紀運行情況,確定提標改造的工藝路線。


2.1 二級工藝的改造方案


對於現狀城市汙水廠的提標改造可以分為以下幾部分:一是對現狀汙水廠普遍采用的二級處理工藝進行改造,來強化處理效果;二是新建三級處理構築物,來進一步去除汙染物,進而做到達標排放;三是新技術膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)的運用,MBR出水不需經三級處理即可實現達標排放和滿足直接回用要求。


二級處理工藝的改造,主要是為了提高對BOD、COD、和氮磷的去除效果,因此改造的重點在於生化池。目前,城市汙水廠的生化池采用的形式主要有A/A/O和氧化溝。因此對於生化池的改造主要有減荷增效和泥法-膜法聯用。


2.1.1生化池減荷增效


在汙水的生化處理中,根據活性汙泥法的反應器理論[1],當生化池進水汙染物負荷降低時,能夠有效提高微生物的去汙效果,使出水中汙染物的各類指標進一步降低。目前工程中通常采用的措施有:(1)進水的分流量減荷;(2)生化池的擴容減荷。


1)分流量減荷


當平麵布置允許時,可以通過新建生化池來達到分流量,最終實現生化池負荷的降低。此方案最大的優點是不影響汙水廠現有工藝的正常運行,大大降低了因改造而對汙水廠帶來的損失和不便,做到生產和改造同步進行。


2)擴容減荷


生化池的擴容主要是降低負荷,延長汙泥泥齡和水力停留時間,進而提高生物處理效果。具體措施有:(1)擴大原有生化池的容積,其前提是必須有足夠的場地;(2)把原有初沉池改造成生化池,初沉池對BOD5有20%~30%的去除率[2],降低了進入生化池的BOD 濃度,碳氮比的下降不利於脫氮。因此把初沉池改造成生化池,不僅有利於TN的去除,同時平麵布置和高程銜接上也無任何困難。此方案最大的優點是充分利用了現有構築物,做到了挖潛增效。


2.1.2泥法-膜法聯用


在汙水的生物處理中,主要有懸浮生物法,簡稱泥法(即常見的活性汙泥法)和固定膜生物法,簡稱膜法。目前城市汙水廠采用的主流工藝是活性汙泥法,主要是固定膜生物法需要設置填料,而填料的費用一般較高。但是在微汙染飲用水的生物預處理中,生物膜法已經得到廣泛運用,並取得了顯著的效果[3]。生物膜法的主要優點是生物量大,汙泥齡長,抗衝擊負荷,具有良好的硝化功能,尤其在低溫季節,生物膜法的脫氮效果明顯比活性汙泥法要好。活性汙泥法的優點是運行靈活,可靠,出水質量高,抗短時有機負荷和水力負荷能力比較強[4]。在城市汙水廠的提標改造中,可以在原有生化池中設置填料,充分利用兩者的優點,做到取長補短,優勢互補。


1)生化池增設填料


生化池中增設填料就是在活性汙泥曝氣池中投加懸浮型填料作為微生物附著生長的載體。由於填料的加入,使汙水處理機理和效能都大為改變。在這種係統中,微生物生存的基礎環境由原來的氣、液兩相轉變為氣、液、固三相,載體表麵的生物膜與液相中的懸浮汙泥共同發揮作用,各自發揮降解優勢,形成了一個更複雜的複合式生態係統。在複合係統中由於曝氣的作用,懸浮狀態和填料表麵附著狀態的微生物處於好氧狀態,主要由去除有機物的異養菌和硝化、亞硝化菌組成。從填料表麵的好氧區到填料的內部,由於受到氧轉移的影響,形成中間兼氧區、內部厭氧區,存在兼性反硝化細菌,將硝酸鹽氮轉化成氮氣,起到去除總氮的作用。


2)增設曝氣生物濾池


曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF)是將接觸氧化與過濾工藝有機結合在一起的一種好氧生物膜法處理工藝。反應器內存在著不同的好氧、缺氧區域,可同步實現硝化和反硝化,對廢水中的有機物、氨氮、磷等都有較好的去除效果,同時該工藝具有容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短、所需基建投資少、占地麵積小、出水水質好等特點[5]。


2.2三級處理工藝的新建方案


三級處理工藝的新建主要是為了去除二級處理中不能有效穩定去除的汙染物,如SS和TP。二沉池出水中的SS一般波動較大,很難達到良好的去除率;而TP的去除在二級處理中主要依靠生化池的生物效應,而冬季水溫一般較低,單獨的生物效應很難保證達標排放。為實現中水回用和達標排放的目的,二級處理出水必須進行深度處理。


2.2.1混凝-沉澱-過濾


混凝-沉澱-過濾是目前自來水廠采用的主流工藝,當用於汙水三級處理時其各處理單元的主要作用有:混凝主要是:(1)澄清降濁;(2)化學除磷。沉澱主要是:減輕後續過濾單元的負荷,防止濾料阻塞,減少濾池反衝洗次數。過濾主要是:進一步去除水中的固體懸浮物,確保出水穩定達標。


2.2.2微絮凝-過濾


微絮凝-過濾就是原水加藥混合經過絮凝後不經沉澱而直接過濾的工藝。當汙水廠二級處理中SS去除效果較好,同時工藝運行穩定,但需要進一步有效除磷的,後續三級處理工藝可以考慮采用微絮凝-過濾。通過加藥微絮凝過程使二級處理出水中溶解態的磷酸離子形成難溶性的磷酸鹽,再通過後續的過濾單元得到進一步去除。本工藝減少了沉澱單元,使得工程造價減少,同時工藝流程簡潔,運行簡單。


2.2.3直接過濾


直接過濾就是二級處理出水直接通過濾池過濾。在汙水廠二級處理出水水質較好,並能穩定運行,三級處理可以采用直接過濾。該工藝流程簡單,運行費用節省。


從以上三種工藝可以看出:過濾單元是三級處理工藝的核心,是保障出水水質的把關措施。目前,過濾在實際工程中普遍采用V型濾池。V型濾池的特點是:過濾周期長,采用均質深層砂濾料,濾料層利用率高,截汙能力強、濾速高、濾後水質好,反衝洗方式為氣水反衝加表麵掃洗,反衝洗強度小,節省衝洗水量和電耗,反衝洗效果好。此外還有翻板濾池和D型濾池,以及最近從國外引進的轉盤過濾器和濾布濾池等。


2.3膜生物反應器(MBR)的運用


MBR[6,7]是將超、微濾膜技術與汙水處理中的生物反應器相結合的一種新的汙水處理裝置。超、微濾膜截留活性汙泥混合液中微生物絮體,使之停留在生化池內,使生化池內活性汙泥濃度大大提高,並延長了汙泥齡,極大提高了微生物對有機物的降解,同時超、微濾膜作為泥水分離單元,可以完全取代二沉池。MBR工藝適用於需要除磷脫氮,同時用地緊張,出水水質要求高或有回用要求的場合。目前MBR工藝的工程投資及運行成本還是相對較高,但隨著膜材料研究的不斷深入,MBR工藝也將更具有實用價值。


3

城市汙水廠提標改造困境及對策分析

3.1存在的困難和問題


3.1.1建設用地製約


汙水處理廠原規劃控製用地指標多按照二級標準預留,近年來,汙水、汙泥、除臭等處理要求不斷提高,在現有用地上,既要滿足規劃遠期處理量,又要滿足提標改造的需要,用地已是十分緊張。隨著城市發展的不斷擴張,汙水處理廠廠址從最初的城市邊緣逐漸向城市中心靠攏,周邊被民用、商用等各種建築包圍,汙水廠周邊新征用地不僅受到環保距離約束,拆遷也存在較大難度。在這種情況下,汙水廠管理企業多被要求在原廠址範圍內進行擴建、提標等建設任務,這無疑給設計、施工、運營帶來了相當的壓力和難度。


3.1.2建設、運營資金的增加


根據對江蘇、上海等地提標改造典型工程的實地調查獲知,深度處理常規工藝混凝沉澱池、濾池等處理單元,投資均在100元/噸水以上。以一個10萬噸/天汙水廠為例,從一級B提標至一級A,主要工藝采用生物池投加填料+混凝沉澱池+濾布濾池方案,則主要大型設備需要增加5000萬元左右投資,運行成本也相應增加。


3.1.3技術瓶頸


(1)進水水質存在著較嚴重的工業廢水衝擊。原則上工業廢水必須經過處理後達到“汙水排入城市下水道水質標準”後才可納入城市管網,最終進入汙水處理廠。但由於目前我國對點源汙染的管理體製和手段尚未健全,工業廢水不經處理後直接排入城市下水道的現象屢有發生,因此在確定汙水處理廠提標改造進水水質時,必須充分考慮該因素的影響。而根據幾家城市汙水處理廠主要汙染物來源調查研究,經進水水質水量特性分析後發現,工業企業生產廢水排放已經對城市汙水處理廠進水水質和出水穩定達標產生了不同程度的影響,例如垃圾滲濾液等廢水、重金屬、有毒有害有機物、硝化抑製物和含氮雜環化合物(不可氨化有機氮)工業廢水直接影響到微生物的生存。這些廢水不加以禁止或者總量控製,對進水水質波動很大、對生物處理係統造成不可逆的影響,因此如果不加強汙染物源頭控製,汙水處理廠升級改造想要達到預期目標很難得到保障。(2)進水有機濃度低(低碳源)特性。進水水質水量特性和出水水質標準的確定是汙水處理工藝方案選擇的關鍵環節,也是我國當前汙水處理工程設計中存在的薄弱環節之一。調查結果表明,大多數情況是實際進水水質低於設計值,造成部分汙水處理廠未進行升級改造前,大部分出水指標就己經達到要求,但同時由於進水有機汙染物濃度(碳源)偏低,導致微生物缺乏營養基質,生物處理效果較差,脫氮除磷效果不理想,影響出水指標很難穩定達標。在目前國內汙水廠升級改造過程中,進水低濃度已成為一個共性問題,在水質構成複雜或特殊時,有必要進行工藝動態試驗或中試研究,否則即便選擇合理的工藝,進水濃度偏低也將成為製約提標改造能否成功的關鍵因素之一。


3.2因廠而異,選擇合適的工藝


目前國內汙水廠提標改造生物核心工藝段采用生物脫氮除磷工藝以及膜生物反應器技術較多,而汙水廠的提標改造一般包括水力改造、設備改造和工藝提標改造等,其中汙水處理工藝升級改造是提高出水水質的關鍵。與新建汙水處理廠不同,汙水處理廠升級改造的工藝選擇問題相對複雜,通常情況下要考慮三個問題:①盡量利用原有構築物,投資少;②工藝運行可靠,靈活性強;③處理效率高,能耗低。就處理功能而言,生物脫氮除磷和膜生物反應器技術均可實現工藝升級改造的目的,但從運行成本、管理和節能等方麵綜合考慮,對工藝的選擇仍是提標改造的關鍵所在。


4

解決汙水廠提標改造土地製約新方案

雖然目前的城市汙水廠提標改造工藝路線中,常用的三級處理工藝可滿足汙水廠外排水對磷及懸浮物的要求,但土地製約問題突出,很多城市汙水廠根本沒有多餘的土地去新建三級處理設施,在這種情況下,占地麵積小,處理能力強的三級處理工藝被迫切需求。



4.1KWI氣浮深度除磷新工藝(DephoPackTM)


隨著汙水處理的排放標準不斷提高,要求排入重點流域及湖泊、水庫等水域時,執行一級A標準總磷限值為0.5 mg/L,甚至對於某些敏感水體如滇池,周邊汙水處理廠總磷限值達到了0.05 mg/L,現有汙水處理廠除磷技術不足以改善水質達到總磷限值標準。在這種情況下,汙水廠的提標改造,需要通用以及穩定可靠、占地麵積小、運行成本低的深度除磷工藝。來自於溶氣氣浮鼻祖奧地利KWI的浮濾一體化除磷工藝DephorPack™能夠滿足這三方麵要求。


汙水處理廠提標改造價格


圖1.KWI的浮濾一體化除磷工藝DephorPack™


環境工程工藝師開發出新工藝利用化學混凝絮凝、沉澱、過濾、浮選的組合機製可產生低於0.01 mg/L的出水正磷酸鹽(PO4-P)濃度,總磷濃度通常小於0.10 mg/L。


4.2ItN陶瓷平板膜應用於MBR


與許多傳統的生物水處理工藝相比, MBR 具有以下主要特點:


一、出水水質優質穩定


由於膜的高效分離作用,分離效果遠好於傳統沉澱池,處理出水極其清澈,懸浮物和濁度接近於零,細菌和病毒被大幅去除。      


同時,膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應器內,使得係統內能夠維持較高的微生物濃度,不但提高了反應裝置對汙染物的整體去除效率,保證了良好的出水水質,同時反應器對進水負荷(水質及水量)的各種變化具有很好的適應性,耐衝擊負荷,能夠穩定獲得優質的出水水質。


二、剩餘汙泥產量少


該工藝可以在高容積負荷、低汙泥負荷下運行,剩餘汙泥產量低(理論上可以實現零汙泥排放),降低了汙泥處理費用。


三、占地麵積小,不受設置場合限製


生物反應器內能維持高濃度的微生物量,處理裝置容積負荷高,占地麵積大大節省;該工藝流程簡單、結構緊湊、占地麵積省,不受設置場所限製,適合於任何場合,可做成地麵式、半地下式和地下式。


四、可去除氨氮及難降解有機物


由於微生物被完全截流在生物反應器內,從而有利於增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長,係統硝化效率得以提高。同時,可增長一些難降解的有機物在係統中的水力停留時間,有利於難降解有機物降解效率的提高。


五、操作管理方便,易於實現自動控製


該工藝實現了水力停留時間(HRT)與汙泥停留時間(SRT)的完全分離,運行控製更加靈活穩定,是汙水處理中容易實現裝備化的新技術,可實現微機自動控製,從而使操作管理更為方便。


六、易於從傳統工藝進行改造


該工藝可以作為傳統汙水處理工藝的深度處理單元,在城市二級汙水處理廠出水深度處理(從而實現城市汙水的大量回用)等領域有著廣闊的應用前景。


傳統的膜-生物反應器也存在一些不足。主要表現在以下幾個方麵:


o 膜汙染容易出現,給操作管理帶來不便;


o 能耗高:首先 MBR 泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力,其次是 MBR 池中 MLSS 濃度非常高,要保持足夠的傳氧速率,必須加大曝氣強度,還有為了加大膜通量、減輕膜汙染,必須增大流速,衝刷膜表麵,造成 MBR 的能耗要比傳統的生物處理工藝高。


與傳統的有機聚合物MBR相比,ItN陶瓷平板膜應用於MBR主要有以下優勢:


o 不需要進行離線化學清洗(極少的人工和維護成本);


o 占地麵積小,穩定的高質量產水;


o 極長的工作壽命(大於20年);


o 高通量(35-60LMH);


o 較低的反洗頻率和化學清洗頻率導致很低的運行成本(節省超過50%);


o 在10年以上的運行後仍然可以通過反洗/化學清洗達到接近100%的通量恢複能力。


KWI的浮濾一體化設備用於城市汙水廠三級處理工藝,不僅可以使尾水的SS及TP達標排放,由於占地麵小,可滿足於受土地製約影響的汙水處理廠的提標改造;ItN陶瓷平板膜應用於MBR,不僅可以彌補傳統有機聚合物MBR的不足,還可以使MBR的占地麵積更小。當土地成為製約因素的時候,地價從30萬到100萬,mbr 工藝代替二級和深度處理是有投資優勢的。


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