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华南某微污染水处理厂纯膜MBBR工艺改造工程设计

发布于:2021-09-07 来自:给排水工程/建筑给排水 0 14 [复制转发]

    华南某微污染水处理厂纯膜 MBBR工艺改造工程设计  
杨忠启,梁磊,苑广耀,李凤达,杨晓美,吴迪  
(青岛思普润水处理股份有限公司 山东 青岛   266510    


摘要: 华南某微污染水处理厂总处理规模260万m 3 /d,为改善河道水质,需对原工艺进行升级改造,其中核心控制指标为氨氮。通过对比曝气生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、纯膜MBBR对微污染水氨氮的适用性,并综合考虑进出水水质、投资运维成本、施工难易程度等因素,最终选取纯膜MBBR工艺对水厂进行改造,切割部分沉淀区改造为纯膜MBBR区。分析了不同水力池型,对于悬浮载体流态的影响。选用侧进侧出微动力混合池型的改造部分,改造后出水水质稳定,氨氮浓度低于0.5mg/L,沉淀时间降低情况下TP去除率仍维持在81%以上,优于排放要求;在水量长期超标情况下出水水质保持稳定,抗冲击负荷能力强。纯膜MBBR工艺路线简单、占地省,投资运维成本低,适于微污染水处理厂新改扩建。



微污染水,一般指受污染程度较轻的水,水质一般优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准,但劣于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中III类水标准,水质特点更接近地表水。微污染水的存在,一方面降低了河道水体评级,另一方面当作为水源水时需进行额外处理以满足给水相关标准。微污染水水质特点更接近给水,处理方法与给水流程相似。微污染水去除氨氮,若采用传统折点加氯方法,成本高,效果不理想,一般借鉴污水生化脱氮方式,生物膜法是最常用的硝化方案,曝气生物滤池(BAF)是典型的工艺之一。BAF应用时多新建为独立系统,难以在已有构筑物内改建,需额外新增占地,同时也存在投资运行费用高等问题。纯膜MBBR工艺(Pure-MBBR),作为连续流生物膜法的工艺之一,是微污染水脱氮的另一种选择方案。本文以华南某微污染水处理厂纯膜MBBR工艺升级改造项目为例,介绍了平流沉淀池内镶嵌纯膜MBBR工艺以增加脱氮功能的方法,并分析了纯膜MBBR悬浮载体流动的水力设计,以期为微污染水处理新改扩建提供参考。


0 1      

项目背景

1.1  项目简介

华南某微污染水处理厂处理规模260万m 3 /d,主要处理河道水,解决城区段的河道水污染问题。该厂原工艺采用一级强化混凝沉淀工艺,有效地削减了水体悬浮物、有机物、总磷等污染物,改善了河道水质。但该工艺对氨氮几乎没有处理效果,针对氨氮的污染问题,需对水厂进行改造,使其同时具备硝化、除磷功能。考虑进水氨氮浓度变化范围较大,根据不同进水氨氮浓度分别设定出水氨氮限制、氨氮去除率和氨氮去除量要求,当进水氨氮<3.0mg/L 时,出水氨氮≤0.5mg/L;当3.0≤进水氨氮<6mg/L时,氨氮去除率≥84%;当进水氨氮≥6.0mg/L时,氨氮去除量≥5.0mg/L,具体设计进出水水质见表1。


表1 设计进出水水质

项目

TP

NH 3 -N

设计进水

1.5

3 .0

3.0-6.0

≥6.0

设计出水

1.0

0.5

去除率≥84%

去除量≥5.0


1.2  项目难点

本项目的主要难点包括:  
1)   无新建用地:水厂原有工艺为一级强化混凝沉淀工艺,对悬浮物、有机物和总磷等污染物有较好的去除,但该工艺无生物处理单元,对氨氮基本无处理能力,需要增加生物处理单元,强化硝化能力,实现出水稳定达标     由于   水厂   内已无新建用地   ,需要在原混凝沉淀池的基础上进行提标改造,同时实现硝化、除磷功能;  
2)   进水水质水量波动大:该微污染水处理厂涵盖水系多,涉及流域面广,导致进水水质水量波动较大,尤其是氨氮浓度范围广,系统处理难度大,改造后工艺需具有较强的抗冲击能力;  
3)   实施周期短:微污染水氨氮胁迫已然形成,需快速实施,实现河道水体的恢复;  
4)   项目投资受限:项目体量大,但总投资受限,需选择经济型工艺,降低投资。  
   
综合以上项目难点,需寻求高效、原位、稳定、快速、经济的降氨氮技术对水质净化厂进行工艺升级改造。  


0 2      

工艺选择

对于微污染水硝化,若采用活性污泥法难以有效富集微生物,一般采用生物膜法。常规的生物膜法,包括曝气生物滤池(BAF)、生物转盘、生物接触氧化等,近年来,移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR)也得到了广泛应用,其工艺对比如 表2 所示。

 

MBBR,即通过向反应器中投加悬浮载体富集生物膜,在悬浮载体流动的过程中,实现微生物的动态更新及污染物的高效去除,其在国内的工程应用规模已超过2000万m 3 /d。MBBR工艺,按照其系统内微生物主要存在方式,分为泥膜复合MBBR工艺(S-MBBR)和纯膜MBBR工艺(P-MBBR)。S-MBBR,行业内又称为IFAS,但IFAS包含范围更广,也包括其他载体与活性污泥复合的工艺,而S-MBBR专指悬浮载体。S-MBBR中,既包含悬浮态的活性污泥,也包含附着态的悬浮载体生物膜,处理能力以活性污泥为主,生物膜为辅,多用于污水厂提标改造和节地新建。P-MBBR工艺中,不设置污泥回流,不富集活性污泥,微生物主要以附着态的悬浮载体生物膜方式富集,其应用方式灵活,可分别用于预处理、二级处理、深度处理等。但P-MBBR在国内的应用起步较晚,近3年逐步涌现相关工程应用。肇庆某市政污水厂设计处理水量3万m 3 /d,二级工艺采用纯膜MBBR工艺,可实现出水氨氮低于1.5mg/L的处理目标。广东某水质净化厂设计处理水量1.8万m 3 /d,采用纯膜MBBR工艺作为深度处理工艺持续强化去除氨氮,保障出水氨氮稳定达到地表IV类水要求。针对于微污染水治理,纯膜MBBR工艺已在江苏盐城取了大规模的成功应用,该项目为新建源水预处理厂,处理水量30万m 3 /d,采用纯膜MBBR工艺保障出水水质达到地表III类水,实际运行在进水氨氮为1.4mg/L的条件下,最优可使出水氨氮低于0.1mg/L,取得了良好的应用效果 。已有项目均证明了P-MBBR工艺在应对高标准情况下良好的处理效果。S-MBBR多用于改造,P-MBBR多用于新建,而P-MBBR改造还鲜有工程应用报道。

 

综上,结合本项目的难点及需求,拟采用纯膜MBBR进行改造,实现强化氨氮去除的目标。


表2 常见生物膜法处理微污染水对比


0 3      

工艺设计

3.1  工艺流程

该水质净化厂原工艺以一级强化混凝沉淀工艺为核心,上游河道水依次经过粗、细格栅、平流式沉砂池、絮凝反应池和平流沉淀池后流入河道下游,削减水体悬浮物、有机物、总磷等污染物。栅渣及污泥脱水后外运行。本次改造,将原平流沉淀池末端45m切割改造为纯膜MBBR区,其余构筑物保持原有状态不动,最大限度减少工程量。原池实现除磷、硝化的目标。改造后工艺流程见图1。  


图1 改造后工艺流程图


3.2 MBBR池型设计

MBBR工艺的工程应用,流化是核心,池型是关键。该工艺于2000年引入国内,但迟迟未得到工程化应用,核心是流化问题未能解决。2008年,MBBR工艺在国内实现了首个大规模的成功应用,破除了流化对于MBBR工程应用的壁垒 。在该项目中,MBBR池型为循环流动池型,即在悬浮载体投加区域安装推流器,增加导流墙,形成内部循环,类似于氧化沟池型。本项目由于已有池型所限,不适合采用 循环流动池型 。随着MBBR工艺的不断优化与创新,已形成了好氧区在无推流作用下的悬浮载体流化池型,称之为微动力混合池 。与循环流动池中悬浮载体在平面循环流动不同,微动力混合池中,悬浮载体主要是在曝气的作用下纵向循环流动。通过合理布置进出水方向,降低池内行径流速,同时曝气优化布置下在系统内部 构建了池内上部自出水端指向进水端、池内下部自进水端指向出水端的内循环。 对于微动力混合池的应用,核心是需要平衡气速和水的行径流速,从而确保悬浮载体良好的流化效果。

 

针对本项目,结合池型特点,不适合采用循环流动池。在工程设计上,综合考虑平流沉淀池出水方向、池内行径流速、处理效果等,提供两种池型,分别为侧进侧出微动力混合池型和推流池型,见图2。其中,S为侧进侧出两级微动力混合池型,P为三级推流式池型。根据实际进水水量、具体的池型规格得出池型S的水平流速以及单级长宽比分别为24.6m/h、2.7。池型P的水平流速以及单级长宽比分别为65.3m/h、1.8。不同的进水方式,导致了其水平流速差距达到2.7倍。最新发布的《 室外排水设计标准 》(GB50014-2021)提出,MBBR池内水平流速不应大于35m/h,且长宽比宜为2:1~4:1,当不满足此条件时,应增设导流隔墙和弧形导流隔墙,强化悬浮载体的循环流动 所以根据标准要求,本次改造纯膜MBBR工艺池型选用侧进侧出两级微动力混合池型。


图2 MBBR区改造池型比选


3.3  功能区改造

3.3.1  沉淀池改造

水厂现有平流沉淀池12座,长×宽×高分别为115.0m×40.7m×6.5m,池底坡度0.01。每座分成5格,每格净宽 7.9m。每格设计流量4.33万m 3 /d,水平流速18.1mm/s,表面负荷2.0m 3 /(m 2 ·h),停留时间为106 min。本次改造将沉淀池末端45m处区域切割改造为纯膜MBBR工艺,如图3所示。拆除了沉淀池末端45m处的刮泥设施。改造后平流沉淀池池长70m,表面负荷升高至3.3 m 3 /(m 2 ·h),沉淀池停留时间缩短至64min, 采用网格絮凝方式实现混凝药剂充分混合。沉淀池 末端水深3.95m,底部坡度0.01,坡向絮凝池方向 ,便于沉淀池污泥聚集至泥斗处。


图3 平流式沉淀池改造前后示意图(A.改造前;B.改造后)


3.3.2  MBBR区改造

纯膜MBBR工艺段在原沉淀池末端45m范围内进行改造。包括新增进出水拦截系统、曝气系统、悬浮载体、MBBR智慧管理系统及配套在线仪表(氨氮仪、DO仪)等。纯膜MBBR区停留时间0.69h。投加SPR-III型悬浮载体,悬浮载体比重约 0.94~0.97,材质为HDPE,符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准(CJ/T461-2014),各级悬浮载体填充率均为40%<67%,符合悬浮载体流化要求。纯膜MBBR池设计硝化负荷>0.174kgNH   3   -N/(m   3   ·d),确保系统的抗冲击性能。纯膜MBBR区末端有效水深3.5m,底部坡度0.01,最深处3.95m。采用微孔配合穿孔的曝气方式,为悬浮载体流化提供动力并实现充氧,由于水深较浅且进水氨氮浓度波动较大,气水比按最不利情况考虑最大为2:1。  
   

3.3.3  其他附属构筑物

1) 更换细格栅:主要用于拦截进水中的悬浮物和漂浮物。考虑原细格栅使用时间较长、故障率大、拦截效果差等问题,本次改造同时对细格栅进行了更换。共更换18台细格栅及2套皮带输送机。细格栅采用回转式齿耙清污机,Q=6500m 3 /h,渠宽2890mm,渠深2060mm,格栅间隙由原10mm降低为8mm,安装角度α=70°,功率3kW,304不锈钢材质,含电气自控系统。皮带输送机B=500mm,L=52m,N≤11kW。共2套,机架为304不锈钢材质,含电气自控系统;

2)新建鼓风机房:由于原厂未设置鼓风机房,本次改造需要新建。鼓风机房占地647.16m 2 ,配套离心式鼓风机16台,共分为2组,每组8台,每组7用1备,P=43kPa,N=240kW,风量260m 3 /min;

3)提升泵房更换水泵:由于水厂运行时间较长,提升泵磨损严重,运行效率差,本次改造新增备用水泵2台。新增水泵采用原厂同规格、同类型水泵,为 抽芯式混流泵,单台流量Q=7.523m 3 /s,扬程H=9.628m,带变频,采用立式异步电动机,额定转速为298r/min,额定电压为10kV,电机功率 P=710kW。


0 4      

工艺效果

本项目规模260万m   3   /d,其中130万m   3   /d部分由青岛思普润水处理股份有限公司提供MBBR工艺包,采用侧进侧出微动力混合池型(S方案)进行改造。纯膜MBBR区投加悬浮载体后,未接种活性污泥,自然挂膜,挂膜效果如图4所示,悬浮载体投加5d后表面已经富集生物膜,30d后表面已完全被生物膜覆盖,实现了低基质条件下、无接种污泥的快速挂膜,稳定期一、二级悬浮载体生物量均值分别为2.66g/m   2   和2.14g/m   2   。跟踪了2020年8月至2021年2月项目的运行情况。水质监测期间,虽然沉淀池沉淀时间缩短了40%,但并未影响其除磷效果,在进水TP为0.89±0.22mg/L的基础上,出水TP为0.17±0.04mg/L,TP去除率达到81%,稳定优于设计标准。MBBR区进水氨氮浓度维持在3-5mg/L,均值为3.85±0.44mg/L,悬浮载体投加完成10d后,系统出水氨氮即达到设计要求,出水氨氮浓度持续稳定在0.5mg/L以下,达到0.42±0.07mg/L,稳定性强。在实际进水水量连续超过设计值15%的情况下,出水水质稳定,此外,在生物膜弹性负荷的作用下,系统能够轻松应对进水氨氮的波动,保障出水水质的稳定达标,纯膜MBBR工艺具备良好的抗水质水量冲击性能。另外130万m   3   /d部分采用了(P方案),工程实践也表明了其行进流速过高的问题,需进一步优化。  


图4 悬浮载体挂膜效果(分别为投加1d、5d、15d和30d)


0 5      

经济分析

本项目建设总投资2.63亿元,针对微污染水脱氮纯膜MBBR工艺包吨水投资55元/m 3 。项目运行增加能耗主要为电费,吨水电耗增加0.015~0.020kWh/m 3 。纯膜MBBR区不需要添加药剂及菌种,药剂费用未增加。采用PAC进行化学除磷,项目整体电药成本为0.009~0.012元/m 3


0 6      

结论

采用纯膜MBBR工艺处理微污染水,在已有平流沉淀池末端45m区域改造,使原工艺同时具备硝化、除磷的功能。实际运行效果显示,在沉淀池沉淀时间缩短40%的情况下,未影响混凝沉淀池的除磷效果,出水TP为0.17±0.04mg/L;悬浮载体自然挂膜,投加10d后氨氮即实现了稳定达标,出水氨氮长期稳定低于0.5mg/L,系统具备良好的抗水质水量冲击性能,得益于侧进侧出微动力混合池型的设计;项目运行电药综合成本为0.009~0.012元/m   3   。纯膜MBBR工艺处理微污染水时吨水投资在50-100元/t,具备经济、高效、持续、稳定的优势,适于微污染原水的预处理及河道断面控制。  



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