国家_水专项_研究课题_城市污水处理厂高品质再生水生产工艺技术研究

1、北京是严重缺水的大城市之一,当地水资源的人均占有量只有260m 3,是世界人均的1/30,远远低于国际公认的人均1000m3的下限,属重度缺水地区。经过多年治理,北京城市污水处理率已超过90%,再生水回用量也在逐年增加,2009年,再生水用于生态环境、工业冷却和市政杂用已达到6亿m 3,再生水回用率达到60%北京城市水环境得到了一定程度的改善。但是,由于地下水位不断下降,城市区域降雨量少并且分布不均匀,再生水已成为城市的第二供水水源。为从根本上解决北京的水资源匮乏问题,形成水的生态循环和可持续利用,北京市政府决定将城市污水处理厂进行改造升级,使再生水达到地表类水水质标准,恢复北京城区主要河道水

2、体功能要求,为北京提供稳定可靠的新水源。因此,针对污水处理厂改造和水质升级进行了高品质再生水生产工艺技术研究,目标是形成污水厂脱氮除磷改造和优质再生水生产集成关键技术。以磁技术为核心的污染物强化去除技术研究为解决污水厂雨季超水量和上游来水的冲击负荷问题,首先研究磁技术用于提高污水厂应急能力和保障性,防止超负荷状况下污水对河道景观的局部污染。清河污水处理厂示范工程,总设计规模为40万m 3/d,现有流域范围内的实际进厂平均污水量已达到47万m 3/d,在雨季时水量超过50万m 3/d,且进水水质指标远高于原设计值,使现有污水处国家“水专项”研究课题城市污水处理厂高品质再生水生产工艺技术研究北京城

3、市排水集团有限责任公司甘一萍王佳伟刘秀红以服务首都城市水环境安全保障、支撑再生水回用于城市河湖景观的重要需求为目标,本研究针对北京市城市水环境的水污染特征,初步形成了北方特大型城市高品质再生水集成工艺技术,通过持久运行维护管理机制的建立,最终将为形成良性循环的城市河湖水生态系统提供优质稳定的再生水。理工艺设施和设备均处于超负荷运行状态。为减轻清河污水处理厂运行压力、提高污水厂的处理效果,清河污水处理厂采用磁分离水处理技术,实施临时污水处理能力提升应急工程,规模为5万m 3/d,使出水达到一级强化标准。(见图1图1北京清河污水处理厂磁技术示范工程位置图磁分离技术是利用外加磁加载物的作用增强絮凝以

4、达到高效沉降和过滤的目的。其原理是向污水中投加少量混凝剂、磁种等与污染物絮凝结合成一体,然后通过高效沉淀和磁过滤将水中的污染物去除,磁种通过磁鼓分离器,在外加磁场下磁性介质表面产生高梯度磁场,捕集经过它的磁性颗粒(见图2。表1 为示范工 特别关注 程的实际运行效果。 图2磁分离技术工艺流程图表1设计水质与实际水质比较 磁分离技术工艺简单,易于操作管理,抗冲击负荷能力强,不受气候和地理位置的限制,应用灵活。对原污水中主要污染物C O D 的去除率可以达到70%以上,由此可大幅度削减污染物排放量。磁分离技术对TP、SS 及浊度有明显去除效果,对TP 的去除效果可以从78mg/L 去除到小于1mg/

5、L,出水对于抑制水体富营养化具有重要意义。研究结果表明:磁分离技术对TDS 、N H 4+-N、T N 的去除效果不明显;对藻类的去除效果有待于进一步验证。污水处理脱氮除磷改造和稳定达标运行调控研究 针对提高城市污水生物脱氮除磷效率的技术需求,研究建立包括A 2/O 工艺优化、碳源开发与高效利用、进水负荷动态变化下的A 2/O 工艺过程调控策略,重点解决冬季和雨季进水负荷变化与温度变化造成的运行波动,提出稳定运行调控策略,使城市污水厂的二级出水稳定达到国家一级B 标准。 1.A 2/O 工艺改造和运行参数优化 A 2/O 是最基本的生物脱氮除磷工艺,但是传统的A 2/O 工艺难以同时实现高效的

6、脱氮和除磷,主要原因之一是缺氧段反硝化脱氮效果较差,导致回流污泥将大量硝酸盐带入厌氧段。本研究根据需去除的T N 和TP 的量,及其所需要的碳源(以BOD 5表示确定A 2/O 工艺三段进水的不同比例。通过规模为150m 3/h 的中试试验表明,在预缺氧段、厌氧段、缺氧段的进水比例分别为15%、50%、35%时,出水TN 和TP 的均值分别为0.41mg/L 和15.3mg/L,能够稳定达到国家一级B 排放标准,去除率分别达到为68.5%、93.2%,比厌氧段单点进水各自增加了15.1%,16.6%。溶解氧对微生物的生长具有很大的影响,对硝化、反硝化和除磷的都有影响。中试试验表明,溶解氧过低,

7、硝化反应受到抑制,易产生亚硝酸盐积累。曝气段中过度曝气,氧化细胞内的P H A ,易造成生物除磷能力下降。溶解氧自动控制在工艺设定的参数范围内,可保证硝化的顺利进行,并同时防止对反硝化和除磷造成不利影响。在好氧段末端设置2030分钟的非曝气区,可以降低内回流中的DO23mg/L,当内回流为200%时可节约碳源1421mg/L,当内回流为400%时可节约碳源2841mg/L。厌氧/缺氧/好氧水力停留时间是污水厂设计的重要参数,其停留时间直接影响投资成本与处理效果。中试试验结果表明,预缺氧段容积为0.51HRT,厌氧段容积为11.5H R T ,缺氧段容积为3.54.5H R T ,好氧段容积为6

8、9HRT,脱氧段容积为0.30.5HRT 时可以达到经济的投资成本和较好的去除效果。硝化细菌的世代时间较短,要达到较好的硝化效果需要保证足够长的好氧泥龄,而生物除磷主要通过剩余污泥的排放最终完成,因此泥龄较短。通过中试运行,分析总结获得同步脱氮除磷所需的好氧泥龄与温度的关系,当温度从15上升到25时,好氧泥龄从910天下降到4.59天。同步脱氮除磷系统应适当延长好氧段的水力停留时间或污泥浓度,使系统能够在冬季同时满足硝化和除磷所需的泥龄。近一年的长期中试试验表明,应用开发碳源、分段进水、合理设置各段体积、溶解氧与泥龄控制等研究成果后,出水均值达到一级A 标准,一级B 达标率超过90%,一级A

9、达标率超过70%,见表2。其中为了高效实现同步脱氮除磷,出水氨氮需要控制在合理的范围,避免过低的出水氨氮,因此其指标达标率略低,需要在后续深度处理中得到进一步的去除,以保障工业用水的需求。(见表22.碳源开发与高效利用技术研究当进水中碳源(可生物降解有机物不足时,反硝化反应就不能进行完全,脱氮率就会受到限制。为了解决脱氮除磷中的碳源竞争,主要从两个方面寻找解决的方法,一是利用初沉污泥发酵技术增加碳源的供给量,其二是开发污泥消化液自养生物脱氮等新技术节约碳源的需求量。表2中试处理效果目前,国内外利用污泥开发碳源的应用上绝大多数采用的是初沉污泥。将污泥的厌氧消化过程控制在水解酸化阶段,实现酸化产物

10、(挥发性脂肪酸的积累。活性初沉池工艺和两级完全混合式浓缩发酵工艺是利用初沉污泥水解酸化开发碳源的两种主要形式。通过试验竖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,实现了高效生物脱氮除磷。试验结果表明竖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值比进水均有增加,表明活性初沉池具有较好的水解酸化效果。通过试验对比2小时、4小时、6小时三个水力停留时间下的水解酸化效果,得出折板式水解酸化池的最佳水力停留时间为4小时。3.消化液高效脱氮研究在两级完全混合式浓缩发酵工艺中,污泥发酵和固液的分离在两个独立的系统中进行。这种发酵系

11、统较为复杂,但该系统的稳定性好,可以为BNR工艺提供稳定的碳源。试验结果表明,两级完全混合初沉污泥水解酸化系统的高效HRT为32到36小时, S R T为4到7天时,污泥回流比在0.751之间,SRT的改变对水解酸化池中的碱度有重要影响,碱度随污泥停留时间的增加而变大。实现稳定的短程硝化是实现污泥消化液高效脱氮的基础和前提。迄今为止,消化液短程硝化大都在S H A R O N反应器实现,但S H A R O N工艺的S R T与H R T相等,池容较大,不易于维持较高的污泥浓度。在高溶解氧(69mg/L、常温(1529、长SRT条件下,成功地在缺氧滤床+好氧悬浮填料生物膜连续流工艺(见图3中实

12、现了部分亚硝化。并通过综合调控进水ALR、进水碱度/氨氮和好氧段水力停留时间,在进水NH4+-N平均为315.8mg/L,平均进水ALR为0.43kg/(m3d,进水碱度/氨氮为5.25时,出水NO2-N/NH4+-N为1.25左右,从而为ANAMMOX工艺创造了进水条件,较好的实现了匹配A N A M M O X工艺的部分亚硝化,并在A N A M M O X反应器T N去除率可达83.8%。4.基于进水负荷变化的A2/O工艺过程优化控制A2/O工艺处理单元较多,而且各单元顺序串联对进水负荷的抗冲击能力较弱,需要建立适应进水负荷动态变化的过程控制模式。水量阶跃试验和连续变化试验表明,溶解氧的

13、开始响应时间和峰值响应时间与系统的实际水力停留时间相同,对水力负荷变化为瞬间响应;而氮磷由于其微生物对环境的耐受能力,其响应时间有一定的滞后,开始响应时间和峰值响应时间分别晚于系统的实际水力停留时间约1.5小时。在实际污水厂的控制中,有必要对进水负荷变化进行前馈控制,抑制进水负荷对后续氮、磷以及溶解氧的影响,保证出水水质的稳定。研究建立了一套A2/O工艺前馈和反馈控制策略。该策略根据水量、C O D浓度及氨氮浓度,通过计算系统进水的负荷水平,在线调整工艺运行中的外回流量、内回流比及曝气方式等参数的设置。针对中试系统的动态变化的进水负荷,提出并建立了A2/O工艺前馈动态控制系统,在A2/O中试试

14、验中验证了该控制系统及动 特别关注态控制策略的应用效果。高品质再生水生产技术研究污水处理厂二级处理改造后可以使二级出水稳定达到一级B 标准,以此作为再生水深度处理的水源,继续进行后续处理,目标是使再生水出厂水质达到地表类水水质标准。 再生水深度处理工艺选择中,应考虑氨氮和总氮的进一步降低并保持稳定,有机物的强化去除是工艺选择的重要考虑因素,此外,悬浮物、色度和臭味也需在深度处理过程中得到去除以使再生水清澈可观。深度处理工艺采用生物处理和物理化学处理相结合的方式,并具有深度去除有机物、悬浮物、N 和P 等污染物的能力。 曝气生物滤池工艺可实现有机物降解和硝化反应,将C O D 和氨氮进一步去除;

15、而反硝化生物滤池通过强化微生物的反硝化作用,可将硝酸盐或者亚硝酸盐进一步转化为氮气,进一步降低出水中TN 浓度。BAF 和DNBF 均具有抗冲击能力强,受气候、水量和水质变化影响小和工艺流程简单等优点,为可选择的经济有效的深度处理工艺。由于B A F 和D N B F 中强化了微生物的生化作用,出水中可能含有部分微生物,可通砂滤池的物理过滤作用,将S S 和浊度等指标进一步降低,砂滤池为给水处理厂和再生水厂采用的常规处理工艺,其运行管理费用相对较低。生物滤池和砂滤池虽然能够在一定程度上降低二级出水中的色度,但可能难以达到再生水的要求,投加O 3不但能够进一步去除色度,而且能够起到一定的消毒杀菌

16、作用。目前,国内城市污水处理厂二级出水普遍存在T N 、C O D 、S S 和色度难以达到再生水水质要求的问题。基于上述对可选择的处理工艺、城市污水厂二级出水水质和再生水水质要求的分析,确定可选择的再生水工艺组合形式有:BAF DNBF SF O 3(后置反硝化滤池工艺;D N B F B A F S F O 3(前置反硝化滤池工艺;D N B F S F O 3。 为进一步确定这几种可选择的组合工艺生产高品质再生水的可行性,本研究采用大型中试试验装置,通过改变工艺组合形式,对实际城市污水处理厂二级出水的处理效果等进行了研究。研究结果表明:DNBF 是实现组合工艺的核心工艺,且碳源投加控制和

17、反冲洗控制是DNBF 稳定运行的关键性因素,碳源投加控制的准确性直接影响工艺出水中T N 和C O D 浓度。BAF DNBF SF O 3组合工艺,在实现DNBF碳源精确控制的条件下,除TN 外出水可实现地表四类水要求,出水TN 可小于10m g /L 。但D N B F 碳源投加受多种因素的影响,部分情况下,由于D N B F 碳源投加过量可能造成出水C O D 浓度升高,难以满足再生水对C O D 浓度的要求。D N B F B A F S F O 3组合工艺中,D N B F 对硝态氮的平均去除率高于90%,B A F 对氨氮和部分难降解有机物,如,磺胺类、大环内酯类和喹诺酮类抗生素,等有一定的去除效果,同时,B A F 还能够进一步降解D N B F 过量投加的外碳源,有利于保证再生水处理工艺的稳定运行,该工艺最终处理出水可稳定地达到地表四类水质标准,出水T N 可控制在10m g /L 以下(见表3。表3DNBF BAF SF O 3组合工艺进出水水质情况D N B F S F O 3组合工艺出水水质主要受二级出水水质和D N B F 处理效果的影响,当二级出水中氨氮浓度已经满足再生水水质要求时,可考虑采