污水处理厂常用处理工艺分析

污水处理厂常用处理工艺分析

目前，城市污水主要通过区域集中处理，即通过城市污水处理厂集中排放，进行深度处理。因此,作为城市基础设施的重要组成部分和水污染控制的关键环节,城市污水处理厂工程的建设和运行意义重大。由于污水处理厂工程的建设和运行不但耗资较大,而且受多种因素的制约和影响,其中,处理工艺方案的选择及优化对确保污水处理厂的运行性能和降低费用最为关键,为此,笔者对山东省内已投入运行的、技术比较先进成熟、处理效果稳定的城市污水处理厂,进行了大量的调研工作。根据调研获得的数据,同时参考了我国其它地方及国际流行工艺,对几种典型的城市污水处理工艺进行了分析。1生物除磷脱氮工艺目前,城市污水处理主要采用生物活性污泥法。生物活性污泥法有多种处理工艺,城市二级污水处理厂常用的工艺方法有:普通曝气法、A—B法(二段曝气法)、A/O除磷工艺、A/O脱氮工艺、A2/O除磷脱氮工艺、氧化沟工艺、SBR工艺等。按照构筑物的组成形式,运行性能以及运行操作方式的不同,已有的生物除磷脱氮工艺可分成A/O系列、氧化沟系列和序批式反应器(SBR)系列等。随着各个系列不断地发展和改进,形成了目前的较典型的工艺,如A/O工艺、UCT工艺、改良UCT工艺、VIP工艺、A2/O工艺、改良A2/O、倒置A2/O工艺、ORBEL氧化沟工艺、CARROUSEL-2000氧化沟工艺、ICEAS工艺、CAST工艺、百乐克工艺等。本文就几个应用比较广泛的处理工艺加以阐述和讨论。1.1a/o工艺及运行情况A/O工艺是Anoxic/Oxic(缺氧/有氧)或Anerabic/Oxic(厌氧/好氧)工艺的缩写,是为污水生物除磷脱氮而开发的污水处理技术。在生物脱氮过程中,由于反硝化菌是异养性细菌,要有充足的碳源作为生命活动的能源,完成反硝化过程;而污水经过好氧硝化反应后,水中的有机物浓度已经很低,不能满足反硝化的需要,因此,传统的生物除磷脱氮工艺在缺氧单元前投加甲醇,以弥补有机碳源。目前典型的A/O工艺是把缺氧单元提前到好氧单元前,利用进水中的有机物作为碳源,称之为前置反硝化流程,通过混合液回流把硝酸盐和亚硝酸盐带入缺氧单元(图1)。在水温、pH、DO、碳氮比等参数满足A/O工艺的条件下,该工艺的脱氮效率Z取决于污泥回流比R和混和液回流比r:要取得满意的脱氮率,必须保证足够大的混合液回流比,一般混合液回流比为300%～400%时,脱氮效率在80%左右,因此A/O工艺不仅有充分的可靠性,又有相当的灵活性。A/O工艺是目前国内外采用比较广泛的一种脱氮工艺,国内已有多座污水处理厂采用此工艺,在设计、施工及运行方面已积累了许多经验。青岛市李村河污水处理厂就是采用了A/O工艺,其日处理能力为8×104t/d,处理的废水中工业废水占70%以上。进水水质CODcr:700～3000mg/L;BOD5:400～1400mg/L;SS:450～2000mg/L;TKN:50～100mg/L;TP:7～35mg/L。处理后出水水质达到BOD5:6～15mg/L;CODcr:45～90mg/L;SS:2～30mg/L;NH3-N:1.0～10mg/L;TP:0.2～3.0mg/L(平均值0.75mg/L)。李村河污水处理厂1998年投入运行,迄今已经运行了5a。表1列出了该厂2001—2002年的运行情况,表中所给出的各种污染物的浓度是年平均值。从表中可以看到,其CODcr去除率分别达到91.9%和95.16%,NH3-N去除率也达到82.6%和75.1%,其出水各项指标远远低于《污水综合排放标准》(GB8978-1996)规定的二级标准1。A/O工艺具有以下特点:(1)工艺成熟、流程简单、运行稳定;(2)前置反硝化,脱氮效率较高,出水水质好;(3)连续进水、出水,水头损失低,自控系统简单,运行操作简便;(4)生物池设计灵活,占地面积较小,充氧效率高;(5)微孔鼓风曝气,能耗省;(6)污泥回流需用泵提升;(7)抗冲击负荷的能力不如SBR工艺及氧化沟工艺;(8)A/O工艺设备数量多,维护管理要求较高,对操作管理人员的专业素质要求较高。为了达到同时除磷脱氮的目的,在A/O工艺基础上形成了A2/O工艺,其工艺见图2。A2/O工艺就是在A/O脱氮工艺的缺氧池前增设了一厌氧区,沉淀池的回流污泥和进水首先进入厌氧区进行磷的厌氧释放,然后再进入缺氧区。好氧区具有消化功能,好氧区的混合液回流到缺氧区,使之反硝化脱氮。目前,青岛市团岛污水处理厂采用了A2/O工艺进行污水处理,其设计日处理能力为10×104t/d,进水水质指标如下:pH6～9;CODcr≤900mg/L;BOD5≤450mg/L;TP≤10mg/L;SS≤650mg/L;NH3-N≤80mg/L。该厂自1999年投入运行以来,运行稳定,处理效果明显。2001和2002年度的年均进水和出水水质列于表2。从表2中可以看出,CODcr,BOD5和SS的去除率均达到90%以上,NH3-N的去除率也保持了80%以上,出水浓度均远低于国家二级排放标准。A2/O工艺除具有A/O工艺的基本特点外,还可以同时除磷,处理深度大于A/O工艺,但A2/O工艺前期投资大,除磷效果不稳定。1.2百乐克工艺特点百乐克(BIOLAK)污水处理系统(又称悬挂链曝气工艺)是一种高效的生化处理系统,采用低负荷活性污泥工艺,通过生化方法有效降解COD及BOD5,并且能够通过波浪式氧化工艺对氮、磷进行高效去除。百乐克曝气头悬挂在浮动链上,浮动链被松弛固定在曝气池两侧,每条浮链可在池中的一定区域中运动。在曝气链的运动过程中,自身的自然摆动就可以达到很好的混合效果,节省了混合所需的能耗。百乐克工艺实际是由多级A/O工艺组成,只是曝气设备和方式不同,其工艺见图3。百乐克(BIOLAK)工艺广泛适用于市政废水和工业废水的处理。目前,全世界约有600多座百乐克(BIOLAK)污水处理厂在运行,其中,以德国技术最为先进,最近在青岛地区建成运行的黄岛镰湾河水质净化厂就是采用了德国百乐克工艺。在我国建成比较早的百乐克工艺城市污水处理厂是山东招远污水处理厂,其处理规模为2×104t/d,自1998年运行以来,处理效果较好,其进水水质为:CODcr:1183mg/L;BOD5:752mg/L;SS:172mg/L;磷酸盐:15.7mg/L;NH3-N:42.95mg/L。处理后水质为:CODcr:41mg/L;BOD5:22mg/L;SS:2mg/L;磷酸盐:1.12mg/L;NH3-N:14.03mg/L。百乐克工艺具有以下特点:(1)技术先进,处理效果好,出水稳定;(2)有效的曝气系统、节省了动力消耗;(3)采用多级A/O系统,脱氮效果好;(4)设置了生物脱磷区;(5)相对投资较低;(6)简单而有效的污泥处置;(7)操作简单、维修方便;(8)土地利用紧凑;(9)曝气时间相对较长。1.3cass工艺特点CASS(CyclicActivatedSludgeSystem)工艺是序批式活性污泥SBR(SequencingBatchReactor)的改良技术,又称循环式活性污泥系统。与其它系统相比,CASS工艺具有操作简便、灵活和可靠的特点,它主要由生物选择器和可调容积式反应器两部分组成,在同一构筑物内完成生物降解、除磷脱氮、固液分离过程。该工艺充分利用了微生物生长的选择机理,减少了丝状菌的产生,同时提高了除磷脱氮的效率,从而可提高出水水质而不增加运行费用。CASS工艺流程见图4。目前,北京吴家村污水处理厂采用了CASS工艺,从运行情况看,处理效果良好,各项指标均能达到国家二级排放标准。CASS工艺具有以下特点:(1)处理效果好,出水水质稳定;(4)可抑制污泥膨胀,固液分离效率高;(5)自控设备质量要求高,操作人员素质要求高;1.4奥贝尔orel型氧化沟氧化沟(OxidationDitch)又名氧化渠,因其构筑物成封闭的沟渠而得名。氧化沟工艺是活性污泥法的一种变形,20世纪50年代始于荷兰,现广泛应用于世界各地。早期的氧化沟占地面积大,仅用于小型污水处理厂,随着对氧化沟工艺的深入认识和不断改进,氧化沟工艺正以基建费用低、运行管理简单、处理效果好、耐冲击负荷大、可除磷脱氮等优点,逐渐向大中型污水处理厂发展。目前,应用到城市污水处理的氧化沟系列主要有卡鲁塞尔(Carrousel)型、奥贝尔(Orbel)型、双沟(D型)、三沟(T型)氧化沟。奥贝尔(Orbel)氧化沟是氧化沟类型中的重要形式,此法起初是由南非的休斯曼构想,南非国家水研究所研究和发展的。该技术转让给美国的Envirex公司后得到不断改进及推广应用。随着高性能曝气转刷和转碟的开发应用,奥贝尔(Orbel)型氧化沟的应用更加广泛,一度成为我国城市污水处理的首选工艺。例如北京燕山石化总公司引进美国技术,建成了日处理能力6×104t的奥贝尔氧化沟污水处理厂,用于处理石化废水及生活污水,几年的运行实践表明,该工艺处理效果很好。该工艺流程见图5。青岛市莱西污水处理厂就是采用了奥贝尔氧化沟工艺,从几年来的运行情况来看,处理效果很好,下面是莱西污水处理厂的各项数据指标:设计能力10×104t/d,进水水质现状:COD≤1000mg/L;BOD5:350mg/L左右;SS>500mg/L;TP:15mg/L左右;pH:8左右。经过处理后,出水水质现状:COD<30mg/L;BOD5:15mg/L左右;SS<20mg/L;NH3-N<0.5mg/L;TP<0.5mg/L。奥贝尔氧化沟工艺具有以下特点:(1)工艺成熟,流程简单,运行稳定;(2)处理效果好,出水水质好;(3)缓冲稀能力强,耐高流量、高浓度的冲击负荷,对难降解有机物去除率高,出水水质稳定;(4)供氧量调节灵活;(5)能耗大;(6)剩余污泥量小;(7)脱氮能力较强,生物除磷相对较弱。2各工艺方案的运行成本在投资建设城市污水处理厂时,建设方既要考虑工艺的合理性,又要考虑所选工艺的运行费用和投资费用。尤其目前国内所流行的BOT建设方式和托管运营方式,政府不得不考虑其经济利益。下面是以所述的4种工艺方案做投资估算,分析其各项经济指标。以下是某设计单位为某市城市污水处理厂做的各种工艺经济分析:设计规模6×104t/d,进水水质为:BOD5≤350mg/L;CODcr≤900mg/L;SS≤550mg/L;NH3-N≤45mg/L;TN≤70mg/L;TP≤4mg/L。出水标准要求:以上指标达到国家二级排放标准。从表3中各工艺方案的技术经济数据可以看出,百乐克工艺、A/O工艺、CASS工艺和氧化沟工艺的运行成本分别为0.38,0.50,0.40和0.55元/t污水,其中百乐克工艺的运行成本较低,氧化沟工艺的运行成本较高;4种方案的年运行直接成本分别为832.2,1080,864和1188万元,同样百乐克工艺和CASS工艺年运行成本较低,A/O工艺和氧化沟工艺较高;从工程总投资来看,A/O工艺投资较大,百乐克工艺和CASS工艺投资较小。3实际运行中出现的问题虽然所述各工艺的技术比较成熟,处理效果也不错,但都或多或少存在着问题1,都还须在实际运行中得到解决和完善。下面是各工艺存在的问题(缺点):(1)操作维护难,投资1)污泥回流需用泵提升;2)设备数量较多,操作维护难,投资较大;3)生物池和二沉池单独设置,占地面积较大;4)抗冲击负荷的能力不如SBR工艺和氧化沟工艺;(2)百乐克工艺1)曝气时间相对较长;2)污泥处置不如A/O工艺。(3)cass工艺1)自控设备质量要求高;2)工程投资较大,设备利用率较低;3)水头损失比连续流工艺大;4)国内运行经验不多。(4)完善污水处理工艺1)池深较浅,占地面积较大;2)动力消耗较大,运行费用较高;3)设备维护工作量较大。从目前国际及国内所采用的污水处理工艺情况来看,各种工艺并不是短时所能改进和完善的,也更不是在实验室内所能完成的,理论上的论证与实践是有差距的,因此,各种处理工艺需要在实际运行中不断改进和完善,才能提高工艺先进性,从而减少工程投资费用和运行费用及提高废水处理技术水平。4城市污水处理工艺与国外先进技术的对比分析(1)目前,国际上及国内所采用的城市污水处理工艺,不论从技术上还是从实际运行效果看,都是比较成熟的,运行稳定、出水水质好等是它们共有的特点。随着曝气设备技术的发展,特别是生物技术领域的高速发展,相信将来必将产生更好的工艺。(2)所有城市污水处理工艺的基本原理是一样的,我国污水处理技术与国外先进技术的差距在于设计方案和实际建设之间的技术参数没有处理好,造成设计与实际运行的某些脱节;另一个差距在于关键设备上,国产质量明显差,例如:曝气系统等。(3)国内污水处理厂运行管理水平不高,技术改造能力不强。这是一个普遍性的问题,这与各污水处理厂的职工技术素质普遍不高有着密切的关系。他们有待进行技术、技能的培训,否则会影响运行成本,甚至会造成工作失误。5城市污水处理厂的发展趋势在对城市污水处理工艺的调研中也发现了许多问题。现结合我国城市污水处理工艺现状,提出以下几点建议:(1)目前,我国各大市政工程设计院和部分环保公司都有各自的工艺设计经验,虽然都比较成熟,但与国际上相比,水平差距仍很大,特别是同德国、南非等国相比,差距更大,因此他们应该坚持“走出去,请进来”的经营方针,采用合作、股份制等方式,把先进工艺、技术引进来,提高我国的城市污水处理技术和运行管理水平,促进我国环境和经济的协调发展。(2)要科学、因地制宜地规划城市污水处理厂的建设,放弃建设超