某污水处理厂提标改造深度处理工艺比选分析

某污水处理厂提标改造深度处理工艺比选分析

Summary随着经济的快速发展和城市化进程的加快，水环境污染越来越严重，为了保护水环境，防控水体富营养化，我国乃至世界各国都提高了污水的排放标准。在污水排放标准提高的严峻形势下，我国污水处理厂面临着严重的挑战，尤其是老厂，提标改造势在必行。本文对铜山区某污水处理厂提标改造过程中的深度处理工艺比选进行了系统研究，确定最优的深度处理工艺，为铜山区某污水处理厂提标改造顺利实施提供了理论依据。Keys：污水处理厂；提标改造；深度处理引言城市污水处理厂是城市重要基础设施，是减少天然水体收到人类活动影响的重要环节，在污水处理厂建设和运行过程中要考虑多种因素、综合考量，要做到投资最小和效果最优有机结合。本次为实现铜山区某污水处理厂提标改造过程中深度处理工艺选择最优化的目的，必须在工程实施前进行工艺的比选，以最大程度的发挥工程的效益。1脱氮除磷机理分析1.1总氮去除机理分析总氮在污水中主要分为两种形式，一种是有机氮，包括尿素、蛋白质、有机碱、氨基酸等，另一种是无机氮，包括氨氮（）和硝态氮（、），其中氨氮主要来源于生活污水和工业废水，硝态氮则来源于农业活动中使用的有机肥和含氮肥料。一般生活污水中，有机氮含量约为氨含量的1.5倍。污水处理厂接收的生活污水中，氮主要以有机氮和的形式存在，而经过生化处理后，氮则以硝态氮和氨氮的形式存在。传统生物脱氮机理采用活性污泥法的污水处理厂脱氮基本原理为：在将有机氮转化为的基础上，利用硝化菌（NitrifyingBacteria）和反硝化菌（DenitrifyingBacteria），将转化为和，通过反硝化反应将硝态氮转化为溢出，从而达到脱氮的目的。在A2/O工艺中，其具体反应为：首先进行氨化反应，即在好氧条件下，通过亚硝酸菌（Nitritebacteria）将转化为，然后通过硝酸菌（Nitratebacteria）的作用，使污水中的亚硝酸氮被氧化为硝酸氮，同时硝酸菌和亚硝酸菌都是好氧自养菌，这两种菌都可以将污水中的无机碳作为碳源，并反应获得能量。最后，在缺氧条件下反硝化菌将、还原为溢出，A2/O工艺脱氮的总途径为：→→→。由传统A2/O工艺脱氮总途径可以看出，总氮转化为氮气的途径过长，发生的反应较多，影响脱氮效果的因素也会随之增加，同时由于传统A2/O工艺自身特点和局限性，导致脱氮效率无法满足越来越严格的污水排放标准。生物强化脱氮机理传统生物脱氮工艺虽然相比物理法、化学法具有突出的优势，但是为了提高脱氮效率，降低尾水中总氮含量，在传统生物脱氮的基础上进行工艺强化具有较高的可行性。强化生物脱氮技术则利用微生物的生理特性，同时改变物化条件的状态，增强菌类的反应能力，加快脱氮反应速率，从而降低尾水中总氮含量。目前，以研发的生物强化脱氮技术主要有短程硝化反硝化（shortcutnitrification-denitrification）、厌氧氨氧化（Anaerobicammoxidation）和同步硝化反硝化（Simultaneousnitrificationanddenitrification）等。短程硝化反硝化脱氮机理与传统生物脱氮机理有所差异，短程硝化反硝化脱氮机理是将亚硝酸盐作为电子受体，直接将其转化为溢出，其脱氮途径为+→，相较于传统生物脱氮机理，短程硝化反硝化脱氮途径更短，SBR工艺就是以此为原理。厌氧氨氧化首次被发现提出是在Graaf采用15N示踪法试验得出，他指出在厌氧氨氧化过程中，首先被还原为羟胺（）,接着氨氧化细菌（AnAOB）将羟胺作为电子受体，使氧化为联氨()，最后被氧化为，该过程具有脱氮效率高这一优点，近些年的出现SHARON-ANAMMOX工艺、CANON工艺、OLAND工艺和DEMON工艺，这些工艺都是建立在厌氧氨氧化脱氮机理上发展而来。同步硝化反硝化（SND）代表工艺有反硝化深床滤池、MBR和MBBR等，其脱氮机理为由于氧气分布不均与，在反应器内部形成了厌氧区和好氧区，因此分别为厌氧性微生物（反硝化菌）和好氧性微生物（硝化菌）提供了良好的生存环境，由于氧的扩散，在反应器中形成了DO浓度梯度，从而使好氧区好氧性微生物占主导、厌氧区厌氧性微生物占主导，从而实现利于同步硝化反硝化反应的微环境。铜山区某污水处理厂所采用的生物处理工艺为活性污泥法，根据该工艺脱氮机理分析，脱氮总途径过长、泥龄矛盾等因素使其脱氮效率无法满足新的排放要求。根据生物强化脱氮机理分析，可以利用微生物的生物特性和物化手段的调控，增强微生物对氮素的降解能力，降低总氮含量，适合于污水高标准排放改造。因此，本次提标改造要使总氮降至较低水平，除使用A2/O工艺外，还需采取深度处理脱氮的方式。1.2总磷去除机理分析磷在自然界中的存在形式为颗粒状态和可溶状态，生物除磷是指将污水中的溶解性的磷转化为颗粒状态的磷，沉积入污泥中，通过泥水分离达到除磷的目的。由于生物除磷反应过程十分复杂，截止到目前，这一过程的机理、结论大部分来源于实验室。生物除磷机理存在着很多争议，但是目前也有一些结论被大家认同：在厌氧条件下，聚磷菌PAOs（Phosphorusaccumulatingbacteria）将细胞体内的聚磷转化为正磷酸盐（），并储存在微生物体外。在此过程中，有机碳源（VFA）和短链脂肪酸（SCFA）被吸收进微生物体内用以合成储能物质（PHA），这一过程就是摄磷过程。在好氧条件下，聚磷菌PAOs以氧作为电子受体，分解储能物质（PHA），用以产生微生物活动的能量，同时过量摄取无机磷酸盐储存在其体内，最终随污泥排出系统外达到除磷的目的。根据生物分析，PHA主要存在于细胞质中，粒径在0.35左右，其周围被细胞膜所包围。而PHB则是一种类似液态的物质，他是组成PHA的主要成分。有研究表明，污泥微生物中的PHA含量与乙酸盐的吸收量在生化处理阶段的厌氧池中，存在线性关系，也就是随着PHA不断被合成，乙酸盐也在被不断吸收。在这一阶段中，微生物体内的储能物质含量在不断下降，污水中的磷含量也在随着微生物的释磷作用而不断升高，因此，传统活性污泥法无法将TP降至较低水平。随着研究的深入，污水除磷也产生生物强化除磷（EBPR）这一理论，并形成许多研究成果。生物强化除磷（EBPR）分为两个过程，首先在厌氧段，聚磷菌吸收低分子脂肪酸合成PHAs，同时向污水中释放出大量的磷元素，在好氧段，聚磷菌通过PHAs分解获得能量，过量储存污水中的磷元素，吸收量为传统活性污泥法中微生物吸收量的2~5倍，因此具有较高的除磷效率和经济价值。铜山区某污水处理厂除磷主要依靠活性污泥法中微生物的吸磷作用，结合总磷去除机理分析得知，仅依靠现有处理工艺无法使污水处理厂出水总磷降至地表水准IV类标准之下。要使总磷排放满足新的排放要求，还需采取深度除磷工艺。2深度处理工艺简介根据前文分析，铜山区某污水处理厂原有处理工艺无法使TN、TP达到地表水准类标准，同时依据生物脱氮可行性分析和生物除磷可行性分析得知，仅依靠原有工艺，很难使TN、TP达到新排放标准。因此需要对污水进行深度处理，并确定深度处理工艺，现将当前常用的深度处理工艺进行对比分析，如表2.1所示。表2.1几种深度处理工艺的优缺点Table3.1Advantagesanddisadvantagesofseveraladvancedtreatmentprocesses深度处理工艺优点缺点SBR[1]可以保持高生物相，抗冲击；在生物处理阶段同时具有截留作用；氧化率高，硝化效率高；无二沉池，土建费用相对较少自控要求高；无进一步截流措施，悬浮物易超标混凝沉淀+过滤[2]技术成熟，经验丰富；设备简单，容易掌握维护；运行稳定，成本较低对病原微生物，痕量有机物难以进一步去除MBR可截留多种污染物，甚至病原菌等；土建成本低，受用地限制少，出水水质优良膜的使用维护成本较高，同时膜污染问题未能有效解决移动床生物膜反应器[3]去除有机物效果较好，易于维护管理局部填料容易堆积，填充物易流失臭氧活性炭脱色、杀毒效果好难以进一步去除难降解有机物；活性炭再生技术不成熟芬顿催化氧化对难降解有机物去除效果良好产泥量大，药剂消耗高，使用成本高、投资高、运营成本高通过上述对深度处理工艺的对比，参考国内执行准IV类地表水排放标准的城镇污水处理设施工艺使用情况，污水处理厂提标改造时有超过50%的深度处理工艺，都选用高效沉淀+反硝化深床滤池过滤。另外，由于移动床生物膜反应器工艺（MBBR工艺）出水稳定优良的特点，近年来使用数量和规模也大幅增长。结合此次提标改造工程总体设计思路和现场实际用地情况，以出水水质稳定达标为前提，优先选择利用原有处理构筑物，考虑对各处理单元的组合优化，初步拟定两种污水处理厂升级改造的工艺方案：方案一：混凝沉淀+反硝化深床滤池过滤；方案二：增设MBBR反应器。3深度处理工艺比选3.1混凝沉淀池+反硝化深床滤池本方案通过使用混凝沉淀和反硝化深床滤池，去除污水中氮、磷元素，同时去除悬浮物携带的部分有机污染物。混凝沉淀工艺主要通过投加化学药剂以达到对污水中悬浮颗粒物的截留和去除。由于二级处理出水中的悬浮物主要是污泥絮体，本身包含大量的有机物、无机物以及氮、磷等物质，通过这个过程，可以现了多个出水控制指标物的进一步去除。高效沉淀池是一种新型沉淀池，其主要体现在集成了传统的平流式和幅流式沉淀池的技术优点，从中不断优化创新，最终把混合、絮凝、沉淀三大功能整合到一个池内，采用机械搅拌的方式进行对药剂和悬浮物进行充分接触絮凝，而沉淀阶段则采用斜管装置，斜管的特征和利用大幅的提高了水力停留时间[4]。高效沉淀池的作用在国内外的实际工程中得到了很好的推广应用，并取得了良好的效果。3.2MBBR反应器移动床生物膜反应器（MovingBedBiofilmReactor，简称MBBR）工艺是由安能公司发明的新型生物膜处理技术，1989年安能公司在欧洲建设了第一套MBBR工艺装置，运行状况良好。MBBR工艺可在好氧和厌氧条件下运行，也可单独使用，同时也能多级串联与其它处理工艺相结合，因此近年来受到污水处理行业的极大关注，至今已有多个国家的500多座污水处理厂采用MBBR工艺。MBBR工艺是将比重接近于水的生物填料投加于反应池中，让填料随着轻微的搅拌作用随水流自由运动，在运动过程中表面上形成一层生物膜。当充氧曝气时，空气对填料和周围的水形成推动作用，使二者扰动，当气泡穿过填料的空隙是，被切割成细小的气泡。这个过程中，填料与气泡充分混合，提高了氧的传递效率。悬浮填料在潜水搅拌器的作用下，加速了水流与填料之间的运动，可以有效提升水中有机物与生物膜之间的传质效率。MBBR工艺克服了传统生物膜法的填料堵塞和配水不均的缺点[5]。3.3深度处理工艺确定通过前文分析，综合工艺优缺点、工程投资及运行成本等因素确定最终方案。方案优缺点如表3.1所示。表3.1方案优缺点对比Table3.1Comparisonofadvantagesanddisadvantagesoftheschem方案优点缺点方案一充分利用现有厂区土地，改造费用较低；出水效果好，水质能稳定达标，高效脱氮除磷的同时对SS也有较高的去除率；工艺成熟，管理运营简单。需要新增深度处理单元；新增机械设备较多；生化池改造难度较大。方案二施工周期较短；构筑物新增或改建较少，占地面积较小。出水TP难以达标，需另投加化学试剂；无法高效去除SS，出水SS存在超标风险；后期运营成本较高。4结语本文结合脱氮除磷机理分析、工艺改造可行性及深度处理方案比选等方面进行探讨，确定了铜山区某污水处理厂深度处理最终方案为采用混凝沉淀和反硝化深床滤池对TN、TP做深度处理。采用本深度处理工艺，可最大程度减少排入天然水体中的氮磷等污染物，对铜山区水环境改善有重要意义。Reference张超,陈银广.乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究-模型的建立[J].环境科学,2013,34(03):993-9