某污水處理廠提標改造深度處理工藝比選分析

某污水處理廠提標改造深度處理工藝比選分析

Summary隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，水環(huán)境污染越來越嚴重，為了保護水環(huán)境，防控水體富營養(yǎng)化，我國乃至世界各國都提高了污水的排放標準。在污水排放標準提高的嚴峻形勢下，我國污水處理廠面臨著嚴重的挑戰(zhàn)，尤其是老廠，提標改造勢在必行。本文對銅山區(qū)某污水處理廠提標改造過程中的深度處理工藝比選進行了系統(tǒng)研究，確定最優(yōu)的深度處理工藝，為銅山區(qū)某污水處理廠提標改造順利實施提供了理論依據(jù)。Keys：污水處理廠；提標改造；深度處理引言城市污水處理廠是城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，是減少天然水體收到人類活動影響的重要環(huán)節(jié)，在污水處理廠建設(shè)和運行過程中要考慮多種因素、綜合考量，要做到投資最小和效果最優(yōu)有機結(jié)合。本次為實現(xiàn)銅山區(qū)某污水處理廠提標改造過程中深度處理工藝選擇最優(yōu)化的目的，必須在工程實施前進行工藝的比選，以最大程度的發(fā)揮工程的效益。1脫氮除磷機理分析1.1總氮去除機理分析總氮在污水中主要分為兩種形式，一種是有機氮，包括尿素、蛋白質(zhì)、有機堿、氨基酸等，另一種是無機氮，包括氨氮（）和硝態(tài)氮（、），其中氨氮主要來源于生活污水和工業(yè)廢水，硝態(tài)氮則來源于農(nóng)業(yè)活動中使用的有機肥和含氮肥料。一般生活污水中，有機氮含量約為氨含量的1.5倍。污水處理廠接收的生活污水中，氮主要以有機氮和的形式存在，而經(jīng)過生化處理后，氮則以硝態(tài)氮和氨氮的形式存在。傳統(tǒng)生物脫氮機理采用活性污泥法的污水處理廠脫氮基本原理為：在將有機氮轉(zhuǎn)化為的基礎(chǔ)上，利用硝化菌（NitrifyingBacteria）和反硝化菌（DenitrifyingBacteria），將轉(zhuǎn)化為和，通過反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為溢出，從而達到脫氮的目的。在A2/O工藝中，其具體反應(yīng)為：首先進行氨化反應(yīng)，即在好氧條件下，通過亞硝酸菌（Nitritebacteria）將轉(zhuǎn)化為，然后通過硝酸菌（Nitratebacteria）的作用，使污水中的亞硝酸氮被氧化為硝酸氮，同時硝酸菌和亞硝酸菌都是好氧自養(yǎng)菌，這兩種菌都可以將污水中的無機碳作為碳源，并反應(yīng)獲得能量。最后，在缺氧條件下反硝化菌將、還原為溢出，A2/O工藝脫氮的總途徑為：→→→。由傳統(tǒng)A2/O工藝脫氮總途徑可以看出，總氮轉(zhuǎn)化為氮氣的途徑過長，發(fā)生的反應(yīng)較多，影響脫氮效果的因素也會隨之增加，同時由于傳統(tǒng)A2/O工藝自身特點和局限性，導(dǎo)致脫氮效率無法滿足越來越嚴格的污水排放標準。生物強化脫氮機理傳統(tǒng)生物脫氮工藝雖然相比物理法、化學(xué)法具有突出的優(yōu)勢，但是為了提高脫氮效率，降低尾水中總氮含量，在傳統(tǒng)生物脫氮的基礎(chǔ)上進行工藝強化具有較高的可行性。強化生物脫氮技術(shù)則利用微生物的生理特性，同時改變物化條件的狀態(tài)，增強菌類的反應(yīng)能力，加快脫氮反應(yīng)速率，從而降低尾水中總氮含量。目前，以研發(fā)的生物強化脫氮技術(shù)主要有短程硝化反硝化（shortcutnitrification-denitrification）、厭氧氨氧化（Anaerobicammoxidation）和同步硝化反硝化（Simultaneousnitrificationanddenitrification）等。短程硝化反硝化脫氮機理與傳統(tǒng)生物脫氮機理有所差異，短程硝化反硝化脫氮機理是將亞硝酸鹽作為電子受體，直接將其轉(zhuǎn)化為溢出，其脫氮途徑為+→，相較于傳統(tǒng)生物脫氮機理，短程硝化反硝化脫氮途徑更短，SBR工藝就是以此為原理。厭氧氨氧化首次被發(fā)現(xiàn)提出是在Graaf采用15N示蹤法試驗得出，他指出在厭氧氨氧化過程中，首先被還原為羥胺（）,接著氨氧化細菌（AnAOB）將羥胺作為電子受體，使氧化為聯(lián)氨()，最后被氧化為，該過程具有脫氮效率高這一優(yōu)點，近些年的出現(xiàn)SHARON-ANAMMOX工藝、CANON工藝、OLAND工藝和DEMON工藝，這些工藝都是建立在厭氧氨氧化脫氮機理上發(fā)展而來。同步硝化反硝化（SND）代表工藝有反硝化深床濾池、MBR和MBBR等，其脫氮機理為由于氧氣分布不均與，在反應(yīng)器內(nèi)部形成了厭氧區(qū)和好氧區(qū)，因此分別為厭氧性微生物（反硝化菌）和好氧性微生物（硝化菌）提供了良好的生存環(huán)境，由于氧的擴散，在反應(yīng)器中形成了DO濃度梯度，從而使好氧區(qū)好氧性微生物占主導(dǎo)、厭氧區(qū)厭氧性微生物占主導(dǎo)，從而實現(xiàn)利于同步硝化反硝化反應(yīng)的微環(huán)境。銅山區(qū)某污水處理廠所采用的生物處理工藝為活性污泥法，根據(jù)該工藝脫氮機理分析，脫氮總途徑過長、泥齡矛盾等因素使其脫氮效率無法滿足新的排放要求。根據(jù)生物強化脫氮機理分析，可以利用微生物的生物特性和物化手段的調(diào)控，增強微生物對氮素的降解能力，降低總氮含量，適合于污水高標準排放改造。因此，本次提標改造要使總氮降至較低水平，除使用A2/O工藝外，還需采取深度處理脫氮的方式。1.2總磷去除機理分析磷在自然界中的存在形式為顆粒狀態(tài)和可溶狀態(tài)，生物除磷是指將污水中的溶解性的磷轉(zhuǎn)化為顆粒狀態(tài)的磷，沉積入污泥中，通過泥水分離達到除磷的目的。由于生物除磷反應(yīng)過程十分復(fù)雜，截止到目前，這一過程的機理、結(jié)論大部分來源于實驗室。生物除磷機理存在著很多爭議，但是目前也有一些結(jié)論被大家認同：在厭氧條件下，聚磷菌PAOs（Phosphorusaccumulatingbacteria）將細胞體內(nèi)的聚磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽（），并儲存在微生物體外。在此過程中，有機碳源（VFA）和短鏈脂肪酸（SCFA）被吸收進微生物體內(nèi)用以合成儲能物質(zhì)（PHA），這一過程就是攝磷過程。在好氧條件下，聚磷菌PAOs以氧作為電子受體，分解儲能物質(zhì)（PHA），用以產(chǎn)生微生物活動的能量，同時過量攝取無機磷酸鹽儲存在其體內(nèi)，最終隨污泥排出系統(tǒng)外達到除磷的目的。根據(jù)生物分析，PHA主要存在于細胞質(zhì)中，粒徑在0.35左右，其周圍被細胞膜所包圍。而PHB則是一種類似液態(tài)的物質(zhì)，他是組成PHA的主要成分。有研究表明，污泥微生物中的PHA含量與乙酸鹽的吸收量在生化處理階段的厭氧池中，存在線性關(guān)系，也就是隨著PHA不斷被合成，乙酸鹽也在被不斷吸收。在這一階段中，微生物體內(nèi)的儲能物質(zhì)含量在不斷下降，污水中的磷含量也在隨著微生物的釋磷作用而不斷升高，因此，傳統(tǒng)活性污泥法無法將TP降至較低水平。隨著研究的深入，污水除磷也產(chǎn)生生物強化除磷（EBPR）這一理論，并形成許多研究成果。生物強化除磷（EBPR）分為兩個過程，首先在厭氧段，聚磷菌吸收低分子脂肪酸合成PHAs，同時向污水中釋放出大量的磷元素，在好氧段，聚磷菌通過PHAs分解獲得能量，過量儲存污水中的磷元素，吸收量為傳統(tǒng)活性污泥法中微生物吸收量的2~5倍，因此具有較高的除磷效率和經(jīng)濟價值。銅山區(qū)某污水處理廠除磷主要依靠活性污泥法中微生物的吸磷作用，結(jié)合總磷去除機理分析得知，僅依靠現(xiàn)有處理工藝無法使污水處理廠出水總磷降至地表水準IV類標準之下。要使總磷排放滿足新的排放要求，還需采取深度除磷工藝。2深度處理工藝簡介根據(jù)前文分析，銅山區(qū)某污水處理廠原有處理工藝無法使TN、TP達到地表水準類標準，同時依據(jù)生物脫氮可行性分析和生物除磷可行性分析得知，僅依靠原有工藝，很難使TN、TP達到新排放標準。因此需要對污水進行深度處理，并確定深度處理工藝，現(xiàn)將當前常用的深度處理工藝進行對比分析，如表2.1所示。表2.1幾種深度處理工藝的優(yōu)缺點Table3.1Advantagesanddisadvantagesofseveraladvancedtreatmentprocesses深度處理工藝優(yōu)點缺點SBR[1]可以保持高生物相，抗沖擊；在生物處理階段同時具有截留作用；氧化率高，硝化效率高；無二沉池，土建費用相對較少自控要求高；無進一步截流措施，懸浮物易超標混凝沉淀+過濾[2]技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富；設(shè)備簡單，容易掌握維護；運行穩(wěn)定，成本較低對病原微生物，痕量有機物難以進一步去除MBR可截留多種污染物，甚至病原菌等；土建成本低，受用地限制少，出水水質(zhì)優(yōu)良膜的使用維護成本較高，同時膜污染問題未能有效解決移動床生物膜反應(yīng)器[3]去除有機物效果較好，易于維護管理局部填料容易堆積，填充物易流失臭氧活性炭脫色、殺毒效果好難以進一步去除難降解有機物；活性炭再生技術(shù)不成熟芬頓催化氧化對難降解有機物去除效果良好產(chǎn)泥量大，藥劑消耗高，使用成本高、投資高、運營成本高通過上述對深度處理工藝的對比，參考國內(nèi)執(zhí)行準IV類地表水排放標準的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施工藝使用情況，污水處理廠提標改造時有超過50%的深度處理工藝，都選用高效沉淀+反硝化深床濾池過濾。另外，由于移動床生物膜反應(yīng)器工藝（MBBR工藝）出水穩(wěn)定優(yōu)良的特點，近年來使用數(shù)量和規(guī)模也大幅增長。結(jié)合此次提標改造工程總體設(shè)計思路和現(xiàn)場實際用地情況，以出水水質(zhì)穩(wěn)定達標為前提，優(yōu)先選擇利用原有處理構(gòu)筑物，考慮對各處理單元的組合優(yōu)化，初步擬定兩種污水處理廠升級改造的工藝方案：方案一：混凝沉淀+反硝化深床濾池過濾；方案二：增設(shè)MBBR反應(yīng)器。3深度處理工藝比選3.1混凝沉淀池+反硝化深床濾池本方案通過使用混凝沉淀和反硝化深床濾池，去除污水中氮、磷元素，同時去除懸浮物攜帶的部分有機污染物?；炷恋砉に囍饕ㄟ^投加化學(xué)藥劑以達到對污水中懸浮顆粒物的截留和去除。由于二級處理出水中的懸浮物主要是污泥絮體，本身包含大量的有機物、無機物以及氮、磷等物質(zhì)，通過這個過程，可以現(xiàn)了多個出水控制指標物的進一步去除。高效沉淀池是一種新型沉淀池，其主要體現(xiàn)在集成了傳統(tǒng)的平流式和幅流式沉淀池的技術(shù)優(yōu)點，從中不斷優(yōu)化創(chuàng)新，最終把混合、絮凝、沉淀三大功能整合到一個池內(nèi)，采用機械攪拌的方式進行對藥劑和懸浮物進行充分接觸絮凝，而沉淀階段則采用斜管裝置，斜管的特征和利用大幅的提高了水力停留時間[4]。高效沉淀池的作用在國內(nèi)外的實際工程中得到了很好的推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。3.2MBBR反應(yīng)器移動床生物膜反應(yīng)器（MovingBedBiofilmReactor，簡稱MBBR）工藝是由安能公司發(fā)明的新型生物膜處理技術(shù)，1989年安能公司在歐洲建設(shè)了第一套MBBR工藝裝置，運行狀況良好。MBBR工藝可在好氧和厭氧條件下運行，也可單獨使用，同時也能多級串聯(lián)與其它處理工藝相結(jié)合，因此近年來受到污水處理行業(yè)的極大關(guān)注，至今已有多個國家的500多座污水處理廠采用MBBR工藝。MBBR工藝是將比重接近于水的生物填料投加于反應(yīng)池中，讓填料隨著輕微的攪拌作用隨水流自由運動，在運動過程中表面上形成一層生物膜。當充氧曝氣時，空氣對填料和周圍的水形成推動作用，使二者擾動，當氣泡穿過填料的空隙是，被切割成細小的氣泡。這個過程中，填料與氣泡充分混合，提高了氧的傳遞效率。懸浮填料在潛水攪拌器的作用下，加速了水流與填料之間的運動，可以有效提升水中有機物與生物膜之間的傳質(zhì)效率。MBBR工藝克服了傳統(tǒng)生物膜法的填料堵塞和配水不均的缺點[5]。3.3深度處理工藝確定通過前文分析，綜合工藝優(yōu)缺點、工程投資及運行成本等因素確定最終方案。方案優(yōu)缺點如表3.1所示。表3.1方案優(yōu)缺點對比Table3.1Comparisonofadvantagesanddisadvantagesoftheschem方案優(yōu)點缺點方案一充分利用現(xiàn)有廠區(qū)土地，改造費用較低；出水效果好，水質(zhì)能穩(wěn)定達標，高效脫氮除磷的同時對SS也有較高的去除率；工藝成熟，管理運營簡單。需要新增深度處理單元；新增機械設(shè)備較多；生化池改造難度較大。方案二施工周期較短；構(gòu)筑物新增或改建較少，占地面積較小。出水TP難以達標，需另投加化學(xué)試劑；無法高效去除SS，出水SS存在超標風(fēng)險；后期運營成本較高。4結(jié)語本文結(jié)合脫氮除磷機理分析、工藝改造可行性及深度處理方案比選等方面進行探討，確定了銅山區(qū)某污水處理廠深度處理最終方案為采用混凝沉淀和反硝化深床濾池對TN、TP做深度處理。采用本深度處理工藝，可最大程度減少排入天然水體中的氮磷等污染物，對銅山區(qū)水環(huán)境改善有重要意義。Reference張超,陳銀廣.乙酸/丙酸作為EBPR碳源的動力學(xué)模型研究-模型的建立[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(03):993-9