國(guó)家_水專項(xiàng)_研究課題_城市污水處理廠高品質(zhì)再生水生產(chǎn)工藝技術(shù)研究

1、北京是嚴(yán)重缺水的大城市之一,當(dāng)?shù)厮Y源的人均占有量只有260m 3,是世界人均的1/30,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均1000m3的下限,屬重度缺水地區(qū)。經(jīng)過(guò)多年治理,北京城市污水處理率已超過(guò)90%,再生水回用量也在逐年增加,2009年,再生水用于生態(tài)環(huán)境、工業(yè)冷卻和市政雜用已達(dá)到6億m 3,再生水回用率達(dá)到60%北京城市水環(huán)境得到了一定程度的改善。但是,由于地下水位不斷下降,城市區(qū)域降雨量少并且分布不均勻,再生水已成為城市的第二供水水源。為從根本上解決北京的水資源匱乏問(wèn)題,形成水的生態(tài)循環(huán)和可持續(xù)利用,北京市政府決定將城市污水處理廠進(jìn)行改造升級(jí),使再生水達(dá)到地表類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),恢復(fù)北京城區(qū)主要河道水

2、體功能要求,為北京提供穩(wěn)定可靠的新水源。因此,針對(duì)污水處理廠改造和水質(zhì)升級(jí)進(jìn)行了高品質(zhì)再生水生產(chǎn)工藝技術(shù)研究,目標(biāo)是形成污水廠脫氮除磷改造和優(yōu)質(zhì)再生水生產(chǎn)集成關(guān)鍵技術(shù)。以磁技術(shù)為核心的污染物強(qiáng)化去除技術(shù)研究為解決污水廠雨季超水量和上游來(lái)水的沖擊負(fù)荷問(wèn)題,首先研究磁技術(shù)用于提高污水廠應(yīng)急能力和保障性,防止超負(fù)荷狀況下污水對(duì)河道景觀的局部污染。清河污水處理廠示范工程,總設(shè)計(jì)規(guī)模為40萬(wàn)m 3/d,現(xiàn)有流域范圍內(nèi)的實(shí)際進(jìn)廠平均污水量已達(dá)到47萬(wàn)m 3/d,在雨季時(shí)水量超過(guò)50萬(wàn)m 3/d,且進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)值,使現(xiàn)有污水處國(guó)家“水專項(xiàng)”研究課題城市污水處理廠高品質(zhì)再生水生產(chǎn)工藝技術(shù)研究北京城

3、市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司甘一萍王佳偉劉秀紅以服務(wù)首都城市水環(huán)境安全保障、支撐再生水回用于城市河湖景觀的重要需求為目標(biāo),本研究針對(duì)北京市城市水環(huán)境的水污染特征,初步形成了北方特大型城市高品質(zhì)再生水集成工藝技術(shù),通過(guò)持久運(yùn)行維護(hù)管理機(jī)制的建立,最終將為形成良性循環(huán)的城市河湖水生態(tài)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的再生水。理工藝設(shè)施和設(shè)備均處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。為減輕清河污水處理廠運(yùn)行壓力、提高污水廠的處理效果,清河污水處理廠采用磁分離水處理技術(shù),實(shí)施臨時(shí)污水處理能力提升應(yīng)急工程,規(guī)模為5萬(wàn)m 3/d,使出水達(dá)到一級(jí)強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)。(見(jiàn)圖1圖1北京清河污水處理廠磁技術(shù)示范工程位置圖磁分離技術(shù)是利用外加磁加載物的作用增強(qiáng)絮凝以

4、達(dá)到高效沉降和過(guò)濾的目的。其原理是向污水中投加少量混凝劑、磁種等與污染物絮凝結(jié)合成一體,然后通過(guò)高效沉淀和磁過(guò)濾將水中的污染物去除,磁種通過(guò)磁鼓分離器,在外加磁場(chǎng)下磁性介質(zhì)表面產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng),捕集經(jīng)過(guò)它的磁性顆粒(見(jiàn)圖2。表1 為示范工 特別關(guān)注 程的實(shí)際運(yùn)行效果。 圖2磁分離技術(shù)工藝流程圖表1設(shè)計(jì)水質(zhì)與實(shí)際水質(zhì)比較 磁分離技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,易于操作管理,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),不受氣候和地理位置的限制,應(yīng)用靈活。對(duì)原污水中主要污染物C O D 的去除率可以達(dá)到70%以上,由此可大幅度削減污染物排放量。磁分離技術(shù)對(duì)TP、SS 及濁度有明顯去除效果,對(duì)TP 的去除效果可以從78mg/L 去除到小于1mg/

5、L,出水對(duì)于抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義。研究結(jié)果表明:磁分離技術(shù)對(duì)TDS 、N H 4+-N、T N 的去除效果不明顯;對(duì)藻類的去除效果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。污水處理脫氮除磷改造和穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行調(diào)控研究 針對(duì)提高城市污水生物脫氮除磷效率的技術(shù)需求,研究建立包括A 2/O 工藝優(yōu)化、碳源開(kāi)發(fā)與高效利用、進(jìn)水負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化下的A 2/O 工藝過(guò)程調(diào)控策略,重點(diǎn)解決冬季和雨季進(jìn)水負(fù)荷變化與溫度變化造成的運(yùn)行波動(dòng),提出穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)控策略,使城市污水廠的二級(jí)出水穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。 1.A 2/O 工藝改造和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化 A 2/O 是最基本的生物脫氮除磷工藝,但是傳統(tǒng)的A 2/O 工藝難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的

6、脫氮和除磷,主要原因之一是缺氧段反硝化脫氮效果較差,導(dǎo)致回流污泥將大量硝酸鹽帶入?yún)捬醵?。本研究根?jù)需去除的T N 和TP 的量,及其所需要的碳源(以BOD 5表示確定A 2/O 工藝三段進(jìn)水的不同比例。通過(guò)規(guī)模為150m 3/h 的中試試驗(yàn)表明,在預(yù)缺氧段、厭氧段、缺氧段的進(jìn)水比例分別為15%、50%、35%時(shí),出水TN 和TP 的均值分別為0.41mg/L 和15.3mg/L,能夠穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn),去除率分別達(dá)到為68.5%、93.2%,比厭氧段單點(diǎn)進(jìn)水各自增加了15.1%,16.6%。溶解氧對(duì)微生物的生長(zhǎng)具有很大的影響,對(duì)硝化、反硝化和除磷的都有影響。中試試驗(yàn)表明,溶解氧過(guò)低,

7、硝化反應(yīng)受到抑制,易產(chǎn)生亞硝酸鹽積累。曝氣段中過(guò)度曝氣,氧化細(xì)胞內(nèi)的P H A ,易造成生物除磷能力下降。溶解氧自動(dòng)控制在工藝設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi),可保證硝化的順利進(jìn)行,并同時(shí)防止對(duì)反硝化和除磷造成不利影響。在好氧段末端設(shè)置2030分鐘的非曝氣區(qū),可以降低內(nèi)回流中的DO23mg/L,當(dāng)內(nèi)回流為200%時(shí)可節(jié)約碳源1421mg/L,當(dāng)內(nèi)回流為400%時(shí)可節(jié)約碳源2841mg/L。厭氧/缺氧/好氧水力停留時(shí)間是污水廠設(shè)計(jì)的重要參數(shù),其停留時(shí)間直接影響投資成本與處理效果。中試試驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)缺氧段容積為0.51HRT,厭氧段容積為11.5H R T ,缺氧段容積為3.54.5H R T ,好氧段容積為6

8、9HRT,脫氧段容積為0.30.5HRT 時(shí)可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)的投資成本和較好的去除效果。硝化細(xì)菌的世代時(shí)間較短,要達(dá)到較好的硝化效果需要保證足夠長(zhǎng)的好氧泥齡,而生物除磷主要通過(guò)剩余污泥的排放最終完成,因此泥齡較短。通過(guò)中試運(yùn)行,分析總結(jié)獲得同步脫氮除磷所需的好氧泥齡與溫度的關(guān)系,當(dāng)溫度從15上升到25時(shí),好氧泥齡從910天下降到4.59天。同步脫氮除磷系統(tǒng)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)好氧段的水力停留時(shí)間或污泥濃度,使系統(tǒng)能夠在冬季同時(shí)滿足硝化和除磷所需的泥齡。近一年的長(zhǎng)期中試試驗(yàn)表明,應(yīng)用開(kāi)發(fā)碳源、分段進(jìn)水、合理設(shè)置各段體積、溶解氧與泥齡控制等研究成果后,出水均值達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),一級(jí)B 達(dá)標(biāo)率超過(guò)90%,一級(jí)A

9、達(dá)標(biāo)率超過(guò)70%,見(jiàn)表2。其中為了高效實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷,出水氨氮需要控制在合理的范圍,避免過(guò)低的出水氨氮,因此其指標(biāo)達(dá)標(biāo)率略低,需要在后續(xù)深度處理中得到進(jìn)一步的去除,以保障工業(yè)用水的需求。(見(jiàn)表22.碳源開(kāi)發(fā)與高效利用技術(shù)研究當(dāng)進(jìn)水中碳源(可生物降解有機(jī)物不足時(shí),反硝化反應(yīng)就不能進(jìn)行完全,脫氮率就會(huì)受到限制。為了解決脫氮除磷中的碳源競(jìng)爭(zhēng),主要從兩個(gè)方面尋找解決的方法,一是利用初沉污泥發(fā)酵技術(shù)增加碳源的供給量,其二是開(kāi)發(fā)污泥消化液自養(yǎng)生物脫氮等新技術(shù)節(jié)約碳源的需求量。表2中試處理效果目前,國(guó)內(nèi)外利用污泥開(kāi)發(fā)碳源的應(yīng)用上絕大多數(shù)采用的是初沉污泥。將污泥的厭氧消化過(guò)程控制在水解酸化階段,實(shí)現(xiàn)酸化產(chǎn)物

10、(揮發(fā)性脂肪酸的積累?；钚猿醭脸毓に嚭蛢杉?jí)完全混合式濃縮發(fā)酵工藝是利用初沉污泥水解酸化開(kāi)發(fā)碳源的兩種主要形式。通過(guò)試驗(yàn)豎流式和折板式活性初沉池水解初沉污泥改善污水特性的效果,實(shí)現(xiàn)了高效生物脫氮除磷。試驗(yàn)結(jié)果表明豎流式和折板式活性初沉池出水V F A、S B O D5、S C O Dc r、B O D5/C O Dc r值比進(jìn)水均有增加,表明活性初沉池具有較好的水解酸化效果。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比2小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí)三個(gè)水力停留時(shí)間下的水解酸化效果,得出折板式水解酸化池的最佳水力停留時(shí)間為4小時(shí)。3.消化液高效脫氮研究在兩級(jí)完全混合式濃縮發(fā)酵工藝中,污泥發(fā)酵和固液的分離在兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)中進(jìn)行。這種發(fā)酵系

11、統(tǒng)較為復(fù)雜,但該系統(tǒng)的穩(wěn)定性好,可以為BNR工藝提供穩(wěn)定的碳源。試驗(yàn)結(jié)果表明,兩級(jí)完全混合初沉污泥水解酸化系統(tǒng)的高效HRT為32到36小時(shí), S R T為4到7天時(shí),污泥回流比在0.751之間,SRT的改變對(duì)水解酸化池中的堿度有重要影響,堿度隨污泥停留時(shí)間的增加而變大。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化是實(shí)現(xiàn)污泥消化液高效脫氮的基礎(chǔ)和前提。迄今為止,消化液短程硝化大都在S H A R O N反應(yīng)器實(shí)現(xiàn),但S H A R O N工藝的S R T與H R T相等,池容較大,不易于維持較高的污泥濃度。在高溶解氧(69mg/L、常溫(1529、長(zhǎng)SRT條件下,成功地在缺氧濾床+好氧懸浮填料生物膜連續(xù)流工藝(見(jiàn)圖3中實(shí)

12、現(xiàn)了部分亞硝化。并通過(guò)綜合調(diào)控進(jìn)水ALR、進(jìn)水堿度/氨氮和好氧段水力停留時(shí)間,在進(jìn)水NH4+-N平均為315.8mg/L,平均進(jìn)水ALR為0.43kg/(m3d,進(jìn)水堿度/氨氮為5.25時(shí),出水NO2-N/NH4+-N為1.25左右,從而為ANAMMOX工藝創(chuàng)造了進(jìn)水條件,較好的實(shí)現(xiàn)了匹配A N A M M O X工藝的部分亞硝化,并在A N A M M O X反應(yīng)器T N去除率可達(dá)83.8%。4.基于進(jìn)水負(fù)荷變化的A2/O工藝過(guò)程優(yōu)化控制A2/O工藝處理單元較多,而且各單元順序串聯(lián)對(duì)進(jìn)水負(fù)荷的抗沖擊能力較弱,需要建立適應(yīng)進(jìn)水負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程控制模式。水量階躍試驗(yàn)和連續(xù)變化試驗(yàn)表明,溶解氧的

13、開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間和峰值響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)的實(shí)際水力停留時(shí)間相同,對(duì)水力負(fù)荷變化為瞬間響應(yīng);而氮磷由于其微生物對(duì)環(huán)境的耐受能力,其響應(yīng)時(shí)間有一定的滯后,開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間和峰值響應(yīng)時(shí)間分別晚于系統(tǒng)的實(shí)際水力停留時(shí)間約1.5小時(shí)。在實(shí)際污水廠的控制中,有必要對(duì)進(jìn)水負(fù)荷變化進(jìn)行前饋控制,抑制進(jìn)水負(fù)荷對(duì)后續(xù)氮、磷以及溶解氧的影響,保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定。研究建立了一套A2/O工藝前饋和反饋控制策略。該策略根據(jù)水量、C O D濃度及氨氮濃度,通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)水的負(fù)荷水平,在線調(diào)整工藝運(yùn)行中的外回流量、內(nèi)回流比及曝氣方式等參數(shù)的設(shè)置。針對(duì)中試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化的進(jìn)水負(fù)荷,提出并建立了A2/O工藝前饋動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng),在A2/O中試試

14、驗(yàn)中驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)及動(dòng) 特別關(guān)注態(tài)控制策略的應(yīng)用效果。高品質(zhì)再生水生產(chǎn)技術(shù)研究污水處理廠二級(jí)處理改造后可以使二級(jí)出水穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn),以此作為再生水深度處理的水源,繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)處理,目標(biāo)是使再生水出廠水質(zhì)達(dá)到地表類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。 再生水深度處理工藝選擇中,應(yīng)考慮氨氮和總氮的進(jìn)一步降低并保持穩(wěn)定,有機(jī)物的強(qiáng)化去除是工藝選擇的重要考慮因素,此外,懸浮物、色度和臭味也需在深度處理過(guò)程中得到去除以使再生水清澈可觀。深度處理工藝采用生物處理和物理化學(xué)處理相結(jié)合的方式,并具有深度去除有機(jī)物、懸浮物、N 和P 等污染物的能力。 曝氣生物濾池工藝可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物降解和硝化反應(yīng),將C O D 和氨氮進(jìn)一步去除;

15、而反硝化生物濾池通過(guò)強(qiáng)化微生物的反硝化作用,可將硝酸鹽或者亞硝酸鹽進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氮?dú)?進(jìn)一步降低出水中TN 濃度。BAF 和DNBF 均具有抗沖擊能力強(qiáng),受氣候、水量和水質(zhì)變化影響小和工藝流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),為可選擇的經(jīng)濟(jì)有效的深度處理工藝。由于B A F 和D N B F 中強(qiáng)化了微生物的生化作用,出水中可能含有部分微生物,可通砂濾池的物理過(guò)濾作用,將S S 和濁度等指標(biāo)進(jìn)一步降低,砂濾池為給水處理廠和再生水廠采用的常規(guī)處理工藝,其運(yùn)行管理費(fèi)用相對(duì)較低。生物濾池和砂濾池雖然能夠在一定程度上降低二級(jí)出水中的色度,但可能難以達(dá)到再生水的要求,投加O 3不但能夠進(jìn)一步去除色度,而且能夠起到一定的消毒殺菌

16、作用。目前,國(guó)內(nèi)城市污水處理廠二級(jí)出水普遍存在T N 、C O D 、S S 和色度難以達(dá)到再生水水質(zhì)要求的問(wèn)題?；谏鲜鰧?duì)可選擇的處理工藝、城市污水廠二級(jí)出水水質(zhì)和再生水水質(zhì)要求的分析,確定可選擇的再生水工藝組合形式有:BAF DNBF SF O 3(后置反硝化濾池工藝;D N B F B A F S F O 3(前置反硝化濾池工藝;D N B F S F O 3。 為進(jìn)一步確定這幾種可選擇的組合工藝生產(chǎn)高品質(zhì)再生水的可行性,本研究采用大型中試試驗(yàn)裝置,通過(guò)改變工藝組合形式,對(duì)實(shí)際城市污水處理廠二級(jí)出水的處理效果等進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:DNBF 是實(shí)現(xiàn)組合工藝的核心工藝,且碳源投加控制和

17、反沖洗控制是DNBF 穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性因素,碳源投加控制的準(zhǔn)確性直接影響工藝出水中T N 和C O D 濃度。BAF DNBF SF O 3組合工藝,在實(shí)現(xiàn)DNBF碳源精確控制的條件下,除TN 外出水可實(shí)現(xiàn)地表四類水要求,出水TN 可小于10m g /L 。但D N B F 碳源投加受多種因素的影響,部分情況下,由于D N B F 碳源投加過(guò)量可能造成出水C O D 濃度升高,難以滿足再生水對(duì)C O D 濃度的要求。D N B F B A F S F O 3組合工藝中,D N B F 對(duì)硝態(tài)氮的平均去除率高于90%,B A F 對(duì)氨氮和部分難降解有機(jī)物,如,磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和喹諾酮類抗生素,等有一定的去除效果,同時(shí),B A F 還能夠進(jìn)一步降解D N B F 過(guò)量投加的外碳源,有利于保證再生水處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,該工藝最終處理出水可穩(wěn)定地達(dá)到地表四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),出水T N 可控制在10m g /L 以下(見(jiàn)表3。表3DNBF BAF SF O 3組合工藝進(jìn)出水水質(zhì)情況D N B F S F O 3組合工藝出水水質(zhì)主要受二級(jí)出水水質(zhì)和D N B F 處理效果的影響,當(dāng)二級(jí)出水中氨氮濃度已經(jīng)滿足再生水水質(zhì)要求時(shí),可考慮采