水处理

反硝化滤池用于上海市城镇污水处理厂提标改造工程实例!

2020-05-25 09:30:18 《中国给水排水》 作者:商佳吉

摘 要:在上海市水污染防治行动中,城镇污水处理厂出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918—2002) 一级 A 标准,技术重点是实现总氮指标的控制。某城镇污水处理厂在提标改造工程中,深度处理采用反硝化滤池,总设计规模为 24 × 104 m³ /d,其中设备结合实际运行情况按 18 × 104 m³ /d 规模配置。运行结果表明,系统对硝态氮、总氮具有非常稳定的去除效果,出水总氮稳定在 10 mg /L 以下; 滤池微生物群落特征和溶解氧变化,可以作为考察滤池运行状态的必要辅助。经估算,该工程新增的直接运行费用为 0. 012 元/m³。

关键词:反硝化滤池; 提标改造; 总氮; 微生物特征; 溶解氧

为持续改善区域水环境质量,上海市于 2016 年—2017 年实施了 30 余座城镇污水处理厂提标改造和新建、扩建工程,执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918—2002) 一级 A 标准,其重点在于氮、磷等污染物的深度处理。近年来,作为深度处理生物脱氮的重要工艺———反硝化滤池已在国内得到广泛应用。夏文辉等、严国奇等介绍了反硝化滤池在大型污水厂的设计、调试与运行情况,系统脱氮效果稳定。周晓黎等依托实验室反硝化生物滤池,研究了生物膜胞外聚合物( EPS) 的空间分布特征,发现沿水流方向 EPS 含量呈先升高后降低的变化趋势,在滤料层中间段最高。但受多种条件影响,其实际处理效果报道不多,且较少结合微生物特征来判断运行状态。以某城镇污水处理厂工程为依托,探讨了反硝化滤池的调试运行情况,并提出设备选择的建议,旨在为该工艺的推广应用积累实际工程经验,为污水厂的运行管理提供参考。

1 工程概况

上海市某城镇污水处理厂于 2017 年初开始实施提标改造工程,改造后主体工艺流程为“粗/细格栅—曝气沉砂池—初沉池—改良型 Bardenpho—二沉池—磁混凝沉淀池—反硝化滤池—消毒池”,其中深度处理段“磁混凝沉淀池—反硝化滤池”为新增单体。反硝化滤池集生物脱氮和过滤为一体,结合传统过滤和反硝化作用,同时去除悬浮物和总氮。土建按远期 24 × 104 m³ /d 设计,共 14 格。近期运行按 18 × 104 m³ /d,投产 10 格。滤池设计进、出水水质见表 1( 其中,设计最低水温为 12 ℃,出水指标优于一级 A 标准) 。

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2 主要构(建)筑物及设备配置

①反硝化滤池

磁混凝沉淀池出水总渠分两路管道进入反硝化滤池,滤池为东西两侧布置,每侧布置混合池,设置1 台混合搅拌机,功率为 5. 5 kW,用于快速混合碳源。滤池共 14 格,单 格 尺 寸 ( L × B × H ) 为 22. 75 m × 4. 88 m × 5.85 m。池底安装高密度聚乙烯滤砖,作为配水布气系统,收集滤液至池底中央的集水槽; 反冲洗过程中,均匀分布反冲洗气流和水流; 同时作为滤料层的承载结构。由下至上布置承托层和石英砂层,规格依次为 5 层砾石( 19 mm × 13 mm、13 mm × 6 mm、6 mm × 3 mm、13 mm × 6 mm、 19 mm × 13 mm) ,以及石英砂层。石英砂粒径为1. 70 ~ 3. 35 mm,均匀系数为 1. 35,滤层高度为 2 m,球形度 > 0. 8,莫氏硬度为 7。

② 反冲洗清水池

尺寸( L × B × H) 为 21. 0 m × 9. 0 m × 4. 3 m( 有效水深为 3. 3 m) ,与清水渠连通。设反冲洗水泵( 潜水泵 3 台,2 用 1 备) ,流量为 839 m3 /h,扬程为98 kPa,功率为 35 kW。

③ 废水池

尺寸( L × B × H) 为 19. 7 m × 9. 0 m × 6. 1 m( 有效水深为 5. 1 m) ,与清水渠连通。设置废水泵( 潜水泵 2 台,1 用 1 备) ,流量为 296 m³ /h,扬程为 81 kPa,功率为 10 kW。设潜水搅拌机 2 台,功率为 4 kW。

④ 鼓风机房

尺寸( L × B × H) 为 22. 0 m × 9. 3 m × 8. 2 m,与滤池合建。设反冲洗鼓风机 3 台( 2 用 1 备) ,风量为 5 074 m³ /h,风压为 0. 07 MPa,功率为 160 kW。

设空压机 2 套,风量为 0. 84 m3 /min,风压为 0. 7 MPa,功率为 5. 5 kW,配套冷干机、储气罐等。

⑤ 碳源投加系统

新建储液池,设投加泵 2 台,互为备用,流量为1 500 L /h,压力为 0. 3 MPa,功率为 0. 75 kW,分别投加至东西两侧碳源混合池。

⑥ 控制系统

每格滤池设置 5 个气动蝶阀/闸门,分别为进水闸门、出水调节蝶阀、反冲洗进水蝶阀、反冲洗空气蝶阀、废水蝶阀。反冲洗水泵出口总管设置 1 个调节蝶阀,反冲洗鼓风机出口总管设置 1 个电动放空阀。系统内主要仪表包括: 进水流量计、反冲洗水流量计、超声波液位计、进出水硝酸盐分析仪、进水溶氧仪,以及配套所需的压力开关和液位开关等。滤池配套 1 个主控柜,防护等级 IP55,含 PLC 及人机界面,用于控制滤池运行,包括反冲洗鼓风机、反冲洗水泵、废水泵及所有自动控制阀门和仪表。

3 运行效果及分析

3.1 调试启动

该工程于 2017 年 12 月建设完工,12 月底正式进入调试运行阶段。初期进水量为 12 × 104 m³ /d, 以 8 格运行。调试阶段正值冬季,启动初期水温为10 ~ 12 ℃,进水 DO 为 8. 5 ~ 9. 7 mg /L,SS 较低,为 3 ~ 14 mg /L,COD 为 15. 2 ~ 44. 2 mg /L,平均值为24. 6 mg /L。启动方案有两种: ①采用污泥接种,降低滤池的液位至砂面上 300 ~ 500 mm,连接污泥泵和软管后,开启污泥泵,首批投泥; 将二沉池污泥分别投加到每格滤池作为接种污泥,并通过曝气使污泥均匀分布。②当水质浓度较低或外部因素受限时,采用自然培养挂膜的方式,依靠前端二沉池出水SS 所携带的微生物完成污泥培养及积累,在启动的前 2 ~ 3 天,系统可超越磁混凝沉淀池运行或者暂停混凝加药。方案①接种生化污泥,在缺氧环境下可能出现释磷现象,存在磷超标的风险。因此,该工程采用自然培养的方式挂膜,依靠前段出水 SS 所携带的微生物完成污泥培养及积累,培养反硝化细菌。

根据水量和进水中硝酸盐浓度,计算醋酸钠投加量( Q) 。启动时,先按 25% Q 投加碳源( 20% 的醋酸钠) 。由于滤池初期无反硝化效果,在这个阶段出水 COD 会有所上升,但因少量投加醋酸钠, COD 浓度上升不明显,不致引起出水有机物超标。每天早晨 8 点取样,根据出水硝酸盐浓度逐步提高碳源投加量。在冬季建议投加比例分别按 45% 、 65% 、85% 和 100% ,略微过量供给,以促使反硝化细菌尽快占据主导地位。

3.2 微生物特征

生物培养驯化 过 程 中 采 用 双 目 生 物 显 微 镜( XSP - 4C) 镜检。在反冲洗过程中,气水冲洗约 10 min( 2 /3 进程) 时取反冲洗废水镜检。培养初期( 第 1 周内) 污泥镜检图片见图 1。镜检发现菌胶团、微生物种类和数量较少,只能看到少量扭头虫、楯纤虫,偶尔发现 1 ~ 2 只线虫。

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2 周后,出水硝酸盐浓度呈降低趋势,在碳源供给稳定的情况下,一旦反硝化效果产生,脱氮效果增长明显,2 ~ 3 d 内趋于稳定。培养后期的污泥镜检结果见图 2。

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由图 2 可以观察到,随着调试的进行,首先是丝状菌大量出现,再逐渐出现原生动物和后生动物,如累枝虫、钟虫、轮虫、线虫等,微生物种类丰富,对照硝酸盐的去除效果,说明系统已具备反硝化功能。后期运行期间也发现,当系统受到外界冲击时,微生物种群特征变化,菌种种类和数量减少,特别是丝状菌明显减少。这种情况也与刘凯等的研究报道一致。丝状菌作为反硝化作用的指示生物之一,既有助于其他菌落围绕其生长,也能依靠菌丝体的交织作用增加膜块的机械强度。因不同的污水处理厂水源水质的差异,主要微生物种类也存在较大差异,应按照全厂构筑物的流向进行观察,寻找优势种群的生态演替规律,指示系统运行的状态和判断处理效果。

3.3 溶解氧的变化

采用 HACH HQ40d 溶解氧分析仪,浸入式检测滤池内 DO 的变化情况,分别测定 2#、10#滤池进水渠内、滤池内( 高低液位及砂面) 、清水池内几处,其中高液位为液面淹没进水堰堰口( 距滤料顶 1. 75 m) ,低液位为经出水调节阀调节后的最低液位( 距滤料顶 1. 55 m) ,调试初期高低液位波动为 ± 0. 1 m。1 月—2 月水温维持在 11 ~ 13 ℃,2#、10#滤池DO 浓度相近,进水渠内、滤池内高低液位的 DO 变化范围依次为 8. 47 ~ 9. 31、8. 49 ~ 9. 63、8. 46 ~ 9. 48 mg /L,且高低液位的 DO 无明显变化。许多研究认 为,应控制恒液位避免跌水而产生二次充氧。而上述数据与现有研究结果不同,分析因进水 DO 接近饱和,此阶段跌水对 DO 影响较小。

图 3 为滤池内 DO 的变化情况。通过对比发现启动初期清水池 DO 略降低,约为 6 ~ 8 mg /L,此时进、出水 NO -3 - N 无明显变化; 随着清水池 DO 逐渐降至 3 mg /L 以下,进、出水 NO -3 - N 呈下降趋势;当清水池 DO < 1 mg /L 时,系统对 NO -3 - N 的去除趋于稳定。按设计规范,活性污泥法缺氧反硝化要求 DO < 0. 5 mg /L,而在实际反应中,由于污泥颗粒尺寸较大,沿粒径方向存在 DO 浓度梯度,故反硝化对 DO 的要求显著降低。但当同时存在分子态氧和硝酸盐时,氧会与硝酸盐竞争电子供体,DO 会优先消耗掉碳源有机物,造成无效的药耗,且不利于反硝化菌的优势生长,并且可能使反硝化反应集中在填料区后段,从而造成反硝化滤池空间利用不足,影响脱氮效率。

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3.4 系统运行效果

经连续运行,系统整体、各子系统和设备运行正常,稳定可靠。主要监测项目有进、出水的 COD、SS、 TP、TN、NH3 - N、NO-3 - N、NO-2 - N 等,出水水质稳定达到且优于一级 A 标准。2018 年 3 月主要水质指标变化如图 4 所示。

由图 4 可见,系统对 NO-3 - N、 TN 具有非常稳定的去除效果,出水 TN 稳定在 < 10 mg /L。

稳定运行后,初期水量为 12 × 104 m³ /d,以 8 格运行; 反冲洗频率每 48 h 一格; 驱氮频率为每 3 ~ 4 h 一次; 碳源采用 20% 的乙酸钠溶液,自动投加,投加比率为 6 ~ 11; 碳源前馈计算依据为( 进水硝态氮- 目标硝态氮) × 投加比率/碳源浓度 × 进水流量/密度; 碳源后馈计算依据为比较出水硝态氮和目标硝态氮,系统自动调整投加比率。

3.5 技术经济分析

该工程投资为 2 012 万元,主要直接运行费用包括电费、药剂费、人工费。其中,系统装机容量为668 kW,电耗为 0. 006 2 kW·h /m³,电价按 0. 76 元/( kW·h) 计,则电费为 0. 004 7 元/m³。药剂主要为 20% 的乙酸钠溶液,用量平均为 0. 58 t /d,单价按 1 500 元/t 计,药剂费为 0. 00 73 元/m³。运行管理依托厂内现有定员,故人工费未单独计算。该工程新增的直接运行费用为 0. 012 元/m³。

4 技术难点分析

① 滤池单格面积大,安装精度要求高。滤池单格面积与池型、生产规模、操作运行方式等有关,也与滤后水汇集和冲洗水分配的均匀性有较大关系。从运行经济性和反冲洗均匀性方面考虑,单格滤池面积一般不宜大于 100 ㎡。从土建、设备等方面综合考虑,该工程单格面积为 111. 02 m2,尺寸为22. 75 m( 长) × 4. 88 m( 宽) 。为了保证布水布气的均匀性,安装精度要求高,空气支管管顶位于滤砖 2个配气孔之间,空气主管安装偏差在 ± 3 mm 范围内,单条滤砖长度方向水平度偏差为 ± 3 mm,整格滤砖水平度偏差不超过 ± 6 mm。

② 下向流的滤池由于进水渠起始端和末端水位的差异,以及受土建施工精度影响,常存在内部配水不均匀的问题,容易导致局部水质穿透。采用两侧对称布置,因厂区占地受限,从前序单元的出水总渠由两路管道分别向两侧进水,更增加了进水分配的难度。单格滤池进水槽设置可调整高度的堰板,槽纵向堰顶水平偏差为 ± 1 mm,池与池之间堰顶竖向偏差为 ± 2 mm,进水后再根据所有滤池的进水速度微调,以保证进水流量均衡。在实际运行过程中,由于进水水量的波动,特别是在小流量时,单格流量不能完全均匀,因此考虑后期在每格滤池进水闸门之后增设一道堰板,作为一级布水堰板,在进水渠道内进一步削弱水流的动能,促使水流分布更为均匀。

③ 反硝化最合适的温度为 20 ~ 40 ℃,低温会降低反硝化细菌的繁殖速率和代谢速率,温度 < 15 ℃反硝化速率明显降低,在 5 ℃ 以下时反硝化速率极低,不到 30 ℃ 条件下的 1 /7[4,10]。该工程的系统调试启动期正好在冬季,进水水温较低( 10 ~ 12 ℃ ) ,处于反硝化细菌生长温度的低限,成为影响微生物培养周期的主要问题。调试阶段滤池实际进水负荷较低,选用自然培养的方式,启动周期相对较长,在前 2 周内基本上未出现明显的反硝化效果,2周后反硝化效果逐渐明显并稳定。

④ 由于进水溶解氧过高,会增加碳源的用量。在调试期间,追踪了从二沉池到清水池的溶解氧浓度变化情况( 见表 2) 。

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由表 2 可知,受前端生化池的影响,二沉池出水DO 已高于 4 mg /L,且波动较大,经过提升泵提升后DO 达到 6 ~ 8 mg /L,再经后续单元逐级升高,造成滤池进水 DO 居高不下。在后期将考虑优化前端工艺,控制溶解氧的升高。建议设计阶段在全厂系统内考虑溶解氧的变化,而不仅从滤池单元考虑。

为了降低水头跌落对充氧的影响,在反硝化滤池中普遍采用恒液位的运行模式,而控制恒液位要求液位和出水调节阀开度之间实时响应,这对液位计的精度和灵敏度,以及阀门动作速度和阀板动作次数都提出了更高要求,需要在运行成本和设备寿命之间综合考虑。

5 结论

① 上海某城镇污水处理厂提标改造工程采用反硝化滤池,脱氮效果显著,直接运行费用 为0. 012 元/m³,能稳定实现出水总氮指标达到并优于一级 A 标准。

② 在冬季低温条件下采用自然培养污泥的方式调试,约 2 周后反硝化效果逐渐显现并在 2 ~ 3 d内趋于稳定。微生物特征变化明显,直接反映系统运行状态,建议作为日常运行必要的检测项目。

③ 观察滤池进、出水 DO 变化,有助于了解反硝化的运行环境。通过优化控制全厂系统内 DO,从而降低滤池进水 DO,对反硝化的经济运行具有重要意义。

④ 在长期运行过程中,需要运营人员积累运行数据,分析滤池的运行状态,在保证系统出水各项水质指标的前提下,对反洗周期、碳源投加量等重要运行参数进行调整,摸索系统在不同工况、不同季节下的最佳运行参数,进一步降低处理能耗。

延伸阅读:

反硝化深床滤池在污水处理厂提标改造中的应用实例

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