設(shè)計(jì)案例 | 雙碳背景下污水廠的高標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造案例――唐山市某污水廠
全康環(huán)保:目前，我國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行GB 18918―2002標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步改善水環(huán)境質(zhì)量，滿足污水資源化利用的發(fā)展需求，近年來北京、天津、安徽、江蘇等地陸續(xù)出臺(tái)了較《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918―2002）更加嚴(yán)格的流域或區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)。
2021年1月11日，國(guó)家發(fā)展改革委等10部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》），明確發(fā)展目標(biāo)：到2025年，全國(guó)污水收集效能顯著提升，水環(huán)境敏感地區(qū)污水處理基本實(shí)現(xiàn)提標(biāo)升級(jí)；全國(guó)地級(jí)及以上缺水城市再生水利用率達(dá)到25%以上，京津冀地區(qū)達(dá)到35%以上。2021年10月24日，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》發(fā)布，26日國(guó)務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》。
在節(jié)能減排、綠色發(fā)展的政策背景下，污水廠提標(biāo)改造面臨新的發(fā)展要求。
唐山市屬于嚴(yán)重缺水城市，2018年11月，唐山市人民政府辦公廳發(fā)布《唐山市2019年全城治水清水潤(rùn)城工程工作方案》，提出通過實(shí)施河道綜合治理、河湖水系連通、污水處理廠改造提升、水源涵養(yǎng)及供水、水庫(kù)除險(xiǎn)加固、沿河村莊環(huán)境綜合治理等6大類工程措施，實(shí)現(xiàn)全城水質(zhì)達(dá)標(biāo)，要求唐山市現(xiàn)狀的污水處理廠均需完成類IV類水提標(biāo)改造。本次提標(biāo)改造中對(duì)多段AO生反池進(jìn)行MBBR改造和精確曝氣改造，深度處理采用臭氧催化氧化工藝，除臭采用全過程除臭，新建尾水排放管并安裝水力發(fā)電裝置。
1、項(xiàng)目概況
本污水處理廠位于唐山市區(qū)以北，始建于1990年，經(jīng)過一期新建、二期擴(kuò)建、三期提標(biāo)改造和中水回用工程建設(shè)，總處理規(guī)模達(dá)到12萬m3/d，出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)唐山市實(shí)施“全域治水，清水潤(rùn)城”戰(zhàn)略的需要，本污水處理廠的改造目標(biāo)為將出水標(biāo)準(zhǔn)由一級(jí)A提高到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890―2012）)中的B標(biāo)準(zhǔn)（京B標(biāo)準(zhǔn)），同時(shí)解決臭氣達(dá)標(biāo)排放問題。本工程進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。從一級(jí)A提升到京B標(biāo)準(zhǔn)，除了總氮不變，COD、BOD5，SS，氨氮和總磷的出水濃度都要求降低。現(xiàn)狀出水SS和總磷已經(jīng)能達(dá)到京B標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過優(yōu)化現(xiàn)狀高效沉淀池的藥劑投加量和運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)。因此，本次提標(biāo)改造的主要目標(biāo)是強(qiáng)化COD、BOD5和氨氮的去除。
2、提標(biāo)改造重點(diǎn)
我國(guó)城市污水處理廠的升級(jí)改造則多以主體工藝改造為主，主要思路包括對(duì)原工藝進(jìn)行改造，即強(qiáng)化生物處理，和增加深度處理兩個(gè)方面。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、新的出水水質(zhì)要求，對(duì)現(xiàn)狀生物處理池的處理能力進(jìn)行評(píng)估，本次提標(biāo)改造的重點(diǎn)如下。
1）污水處理廠進(jìn)廠水污染物的C/N較高，污水的可生化性較好，選擇在二級(jí)生物處理階段作為脫氮除磷的主要場(chǎng)所，是經(jīng)濟(jì)合理的?，F(xiàn)狀污水處理廠共5組生反池，總處理規(guī)模為12萬m3/d。根據(jù)核算，厭氧段、缺氧段和好氧段停留時(shí)間為1.0、6.6 h和9.7 h，總水力停留時(shí)間為17.3h?，F(xiàn)狀厭氧池和缺氧池的停留時(shí)間基本滿足新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)狀好氧區(qū)停留時(shí)間不足，不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)需求。由于本污水處理廠提標(biāo)改造工程在原用地范圍內(nèi)進(jìn)行，無新征用地，需要在不增加池容的情況下，增加生反池的污染物去除能力。
2）本提標(biāo)改造項(xiàng)目對(duì)出水CODCr和BOD5有較高的要求，要求分別從50 mg/L降到3 0mg/L，從10 mg/L降到6 mg/L。污水處理廠實(shí)際進(jìn)水中混有工業(yè)廢水，水中含有難降解有機(jī)物。前端生化工藝對(duì)可生物降解有機(jī)污染物的降解比較充分，進(jìn)一步削減COD需要去除難生物降解有機(jī)物。因此，需要增加深度處理進(jìn)一步去除難降解有機(jī)物。高級(jí)催化氧化技術(shù)是去除難降解有機(jī)物的有效方法。高級(jí)催化氧化技術(shù)中，臭氧氧化應(yīng)用較為廣泛。臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，能與許多有機(jī)物或官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，有效地改善水質(zhì)。綜合考慮，本項(xiàng)目深度處理采用了臭氧催化氧化工藝。
3）現(xiàn)狀曝氣系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，由于多組生反池之間存在壓力不平衡、配水動(dòng)態(tài)變化等問題，手動(dòng)調(diào)節(jié)無法準(zhǔn)確控制生反池內(nèi)的溶解氧濃度?，F(xiàn)狀生反池運(yùn)行過程中DO在2.5 ~8.5 mg/L大幅波動(dòng)，離散度達(dá)到了3.42，生反池好氧環(huán)境處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。
在這種狀態(tài)下，不僅硝化菌的活性會(huì)受到影響，自身氧化速度加快，而且有機(jī)污染物分解過快，從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，加速污泥老化。同時(shí)高DO的污水回流到缺氧池中會(huì)破壞反硝化所需的缺氧環(huán)境，有機(jī)物的過快分解又使反硝化反應(yīng)缺少碳源，如不及時(shí)補(bǔ)充碳源，會(huì)影響出水總氮指標(biāo)。在實(shí)際工程中，若進(jìn)入反硝化段的污水BOD5：TN<4 mg/L時(shí)，應(yīng)考慮外加碳源；若BOD5：TN≥4 mg/L，可認(rèn)為反硝化完全。當(dāng)碳源不足時(shí)，系統(tǒng)需投加的外部碳源量可根據(jù)生物法去除總氮所需的BOD5與進(jìn)水實(shí)際BOD5的差值除以外部碳源的BOD5當(dāng)量得到。本項(xiàng)目改造前進(jìn)入反硝化段的污水BOD5/TN為3.2，所需乙酸鈉投加量約為80 mg/L。因此，運(yùn)行時(shí)在第二段AO池的缺氧段進(jìn)水端投加乙酸鈉（含量為58%，以C2H3NaO2計(jì)），投加量為15~16 t/d。
4）一方面，溶解氧濃度直接影響污水生物處理效果；另一方面，污水處理過程中，二級(jí)生物處理能耗最高，占全流程污水處理工藝能耗的50%~70%，而鼓風(fēng)機(jī)的能耗占到二級(jí)生物處理過程的60%左右，是生化處理過程的關(guān)鍵能耗設(shè)備。因此，需要對(duì)曝氣過程采用合適的控制系統(tǒng)以精確控制溶解氧濃度，同時(shí)降低能耗。
5）現(xiàn)狀污水處理廠的污泥濃縮池已設(shè)加蓋除臭設(shè)施，廠界指標(biāo)基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918―2002）廠界二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。如何更加經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行除臭優(yōu)化設(shè)計(jì)，使臭氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也是本項(xiàng)目要解決的問題。
6）本次提標(biāo)改造無新征用地，所有改造均需在廠區(qū)現(xiàn)狀場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行。新建的臭氧接觸池需要先拆除一期廢棄的生反池、二沉池和污泥濃縮池后原址新建。根據(jù)現(xiàn)狀平面布置，現(xiàn)狀尾水排放管距離新建深度處理池較遠(yuǎn)，且廠區(qū)圍墻內(nèi)無空間新建工藝管將尾水接入現(xiàn)狀尾水排放管，同時(shí)，新建深度處理池距離排放水體較近，綜合考慮，設(shè)計(jì)新建一根排放管，就近排入受納水體。一方面，由于受納水體上游有水庫(kù)攔蓄，受納水體在非汛期主要以本污水處理廠尾水為主，水體常水位常年較低，現(xiàn)有污水處理廠尾水水位與受納水體有較大的落差，造成水力勢(shì)能浪費(fèi)。另一方面，河道斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)狀尾水排放口下游斷面水質(zhì)好于上游，即污水處理廠的尾水對(duì)受納水體水質(zhì)有一定改善作用，本次提標(biāo)改造工程完成后尾水水質(zhì)將進(jìn)一步提高?？紤]到本污水處理廠的尾水水質(zhì)好，水量穩(wěn)定且基本不受季節(jié)影響，是可穩(wěn)定利用的再生水資源，如何進(jìn)行尾水資源化利用也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)。
綜合考慮，本項(xiàng)目主要改造內(nèi)容為：生反池采用精確曝氣和MBBR改造，新增臭氧催化氧化池，除臭采用全過程除臭，新建12萬m3/d規(guī)模尾水管及排放口。提標(biāo)改造工藝流程如圖2所示。
3、項(xiàng)目設(shè)計(jì)亮點(diǎn)
3.1 生反池同時(shí)進(jìn)行精確曝氣和MBBR改造
生反池需同時(shí)進(jìn)行MBBR改造和精確曝氣改造，曝氣控制需同時(shí)兼顧MBBR填料掛膜和流化要求，好氧池DO濃度穩(wěn)定在2.0 mg/L以及節(jié)能降耗的要求。為了兼顧MBBR和精確曝氣的需求，本項(xiàng)目精確曝氣對(duì)MBBR穿孔曝氣采用給定風(fēng)量控制策略，對(duì)好氧區(qū)微孔曝氣采用溶解氧控制策略，從而有效協(xié)調(diào)和分配多段AO+MBR工藝的曝氣量，實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。
本改造獲得的效益包括以下情況。
1）通過精確曝氣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少了操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的工作量。
2）實(shí)現(xiàn)了DO濃度的精準(zhǔn)控制。改造后，生反池DO穩(wěn)定維持在設(shè)定值2.0 mg/L附近，離散度只有0.15，與設(shè)定值偏差在±0.3 mg/L以內(nèi)。在這種穩(wěn)定的狀態(tài)下，硝化反應(yīng)效率較高，同時(shí)2.0 mg/LDO的回流也不會(huì)對(duì)缺氧環(huán)境造成影響，反硝化反應(yīng)得到保障，出水總氮濃度降低且更加穩(wěn)定。
3）本項(xiàng)目將第二段AO的好氧段進(jìn)行改造，形成環(huán)形通道，同時(shí)在出水口安裝攔截穿孔罩和穿孔曝氣管，成功解決了MBBR改造后普遍存在的填料聚集到生反池出水口，堵塞出水口造成生反池水位升高、污水從生反池上部溢出的問題。
4）顯著節(jié)約運(yùn)行成本。改造后，曝氣系統(tǒng)的電耗由0.2 kW?h/m3降至0.1 kW?h/m3，降幅達(dá)到49.8%，每年節(jié)約電費(fèi)約為120萬元。適度的溶解氧也不會(huì)造成碳源的過度消耗，進(jìn)水正常情況下，本項(xiàng)目改造后進(jìn)入反硝化段的污水BOD5/TN為4.0，系統(tǒng)無需外加碳源，則可節(jié)約外加碳源15~16 t/d，按外加碳源單價(jià)約1 500~1 800元/t，則節(jié)省碳源投加成本約1100萬元/a。
3.2 同步采用溶氣式與填料式尾水臭氧催化氧化工藝
根據(jù)招標(biāo)文件要求，本項(xiàng)目臭氧催化氧化接觸池分為兩組，每組為6萬m3/d，分別采用溶氣式和填料式臭氧催化氧化工藝，臭氧投加量為12 mg/L。臭氧接觸池設(shè)計(jì)停留時(shí)間為45 min，池體尺寸為51.2 m×15.7 m×8.3 m，同時(shí)兼顧兩種工藝。溶氣式臭氧催化氧化是通過均相催化反應(yīng)器向水中投加具有催化作用的離子，利用電磁的作用改變污水分子的微觀物質(zhì)形態(tài)，通過高效臭氧溶氣裝置投加臭氧，提高臭氧氣體的溶解效率，并有效減少臭氧投加量。填料式臭氧催化氧化是以高效催化劑作為濾料，催化劑投加量為416 m3，利用催化劑較大的比表面積和孔隙率，提供活性吸附位，生成高活性、低活化能的中間絡(luò)合物，然后產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的?OH，提高臭氧氧化效能。兩種催化氧化工藝對(duì)池型要求不同，且填料式臭氧催化氧化工藝的水頭損失比溶氣式臭氧催化氧化高1.0 m，一座池子采用兩種處理工藝，設(shè)計(jì)難度極大。
為解決上述難題，本項(xiàng)目進(jìn)行了工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括均勻配水，兩組接觸池設(shè)置不同堰高、液位高和超高，調(diào)整設(shè)備安裝位置，保證兩組工藝運(yùn)行效果。
3.3 全過程除臭
本項(xiàng)目除臭采用全過程除臭工藝，包括微生物培養(yǎng)系統(tǒng)和除臭污泥投加系統(tǒng)。本除臭工藝需要在污水處理廠生反池內(nèi)安裝一定數(shù)量的除臭微生物培養(yǎng)箱，在污泥回流泵房安裝污泥泵，按2%~6%的回流比將污泥回流至污水處理廠進(jìn)水端，除臭微生物可以貫穿整個(gè)處理工藝，分解水中產(chǎn)生臭氣的污染物，達(dá)到全過程除臭的目的。該方法無需加蓋，無需臭氣收集和輸送系統(tǒng)，無需新建除臭設(shè)施，系統(tǒng)精簡(jiǎn)、占地小、投資運(yùn)行成本大幅降低，運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便，尤其對(duì)于老廠改造，無需停產(chǎn)。
3.4 尾水排放耦合勢(shì)能發(fā)電
本項(xiàng)目新建一根DN1400的尾水排放管，尾水排放水位與河道常水位存在約4.0 m高差，設(shè)跌水井一座。污水處理廠的尾水水質(zhì)、水量穩(wěn)定，且基本不受季節(jié)影響，是可穩(wěn)定利用的再生水資源，因此，本項(xiàng)目后續(xù)考慮將對(duì)跌水井進(jìn)行水力發(fā)電改造，利用尾水水力勢(shì)能發(fā)電。水力發(fā)電裝置安裝在排放管上，同時(shí)設(shè)旁通管一根，當(dāng)排放管因發(fā)電設(shè)備故障需停水，或遇河道洪水位排水不暢時(shí)，尾水可從旁通管排出。經(jīng)過計(jì)算，該發(fā)電設(shè)備為水輪機(jī)，功率為60 kW，可實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電1 200 kW?h，可用于廠區(qū)內(nèi)照明等用電設(shè)備供電，電費(fèi)按0.68元/（kW?h）計(jì)，則每年節(jié)約電費(fèi)約30萬元。利用污水處理廠尾水發(fā)電是對(duì)我國(guó)碳達(dá)峰碳中和政策的積極響應(yīng)，可以有效減少污水處理廠的碳排放。
3.5 污水處理廠尾水資源化利用
唐山屬于缺水型地區(qū)，為響應(yīng)國(guó)家污水資源化利用的號(hào)召，本項(xiàng)目推廣實(shí)施了尾水資源化利用。一路尾水通過再生水泵輸送到再生水清水池，供給周邊工業(yè)企業(yè)，規(guī)模為3萬m3/d，再生水回用在節(jié)約工業(yè)企業(yè)自來水用量和成本的同時(shí)，為污水處理廠帶來的收益為400萬元/年。同時(shí)，在臭氧接觸池出水渠安裝潛水泵，設(shè)計(jì)了三條資源化利用路線，一路用作臭氧發(fā)生器的冷卻循環(huán)水；一路供給廠內(nèi)水源熱泵；一路供給廠內(nèi)景觀綠化用水。污水處理廠內(nèi)再生水回用規(guī)模為0.5萬m3/d，節(jié)約自來水費(fèi)約1 000萬元/年。
本污水處理廠改造完成通水后出水水質(zhì)月均值如圖10所示，各項(xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到京B標(biāo)準(zhǔn)。
4、結(jié)論與建議
（1）本污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為12×104m3/ d，在不新增用地的情況下，出水標(biāo)準(zhǔn)由原國(guó)標(biāo)一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)提升到北京市地標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890―2012) 的 B 標(biāo)準(zhǔn)。
（2）本工程對(duì)多段 AO生反池進(jìn)行MBBR改造和精確曝氣改造，深度處理采用臭氧催化氧化工藝，除臭采用全過程除臭，新建尾水排放管并安裝水力發(fā)電裝置。
（3）實(shí)際運(yùn)行表明，本工程出水CODCr低于30 mg/L，氨氮低于1.0 mg/L，總磷低于0.2 mg/L，總氮低于12 mg/L，出水水質(zhì)完全滿足京B標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行良好。