大型污水處置廠升級改造案例推廣
1水區(qū)升級改造概況
1.1升級改造背景
高碑店再生水廠是北京處置規(guī)模最大的鄉(xiāng)村污水處置廠，一期和二期工程分別于1993年和1999年正式運行，設(shè)計處置規(guī)模為100萬m3/d占地68hm2流域面積約100km2
2010年高碑店再生水廠的再生水利用工程開工建設(shè)，純水設(shè)備保養(yǎng)目前高碑店廠再生水深度處置過程主要采用反硝化生物濾池-超濾膜過濾-臭氧脫色-紫外線消毒工藝，并于2016年9月陸續(xù)投產(chǎn)運行。生產(chǎn)中水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果標(biāo)明，污水區(qū)二級出水TN仍較高，再生水處理單元的反硝化濾池脫氮壓力較大。2016年高碑店再生水廠二沉池出水水質(zhì)為：TN26.11mg/LNH3-N1.14mg/LTP0.33mg/L
為保證再生水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時降低再生水處置單元反硝化濾池的碳源消耗量，使出水達(dá)到北京市地方排放規(guī)范《城鎮(zhèn)污水處置廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》DB11/890-2012B規(guī)范，有必要采取改進(jìn)措施降低二沉池出水TN本項目通過對污水區(qū)二級處置單元功能提升改造，增強生物池的脫氮除磷效果，使二沉池出水TN控制在20mg/L以下，從而提高再生水出水水質(zhì)保證度
1.2升級改造內(nèi)容
1.2.1升級改造概況
為強化生物池的脫氮除磷效果，根據(jù)《北京市高碑店再生水廠及再生水利用工程-再生水處置廠工程初步設(shè)計說明》設(shè)計，高碑店廠二級處置改造工藝原設(shè)計采用MBBR填料工藝，但該方案施工復(fù)雜、建設(shè)周期長、投資大，且施工過程中需整個系列停運。最終結(jié)合前期《高碑店污水處置廠改造及再生利用工程方案比選》結(jié)果，篩選出具有生物脫氮除磷功能的改良型AA O工藝作為最終方案。
高碑店再生水廠污水區(qū)升級改造為改良型AA O工藝，純水設(shè)備保養(yǎng)工藝流程如圖1所示。主體改造工程為：①改造2組初沉池，分別作為生物池的預(yù)缺氧池及厭氧池，增設(shè)旁通側(cè)流，其中10%原水經(jīng)旁通側(cè)流進(jìn)入預(yù)缺氧池，去除污泥回流液中的硝酸鹽氮，而另外90%原水則經(jīng)由初沉池進(jìn)入?yún)捬醭兀瑥娀锍祝?span>②改造生物池內(nèi)部構(gòu)造，新增內(nèi)回流設(shè)施，內(nèi)回流比在150%~300%范圍可調(diào)；③改造好氧段末端5m區(qū)域為消氧區(qū)，降低高DO內(nèi)回流液對缺氧段反硝化脫氮的影響；④修建配套的升級改造供配電、控制設(shè)施，將老舊設(shè)備設(shè)施更新?lián)Q代;⑤增設(shè)多點碳源投加：旁通側(cè)流（預(yù)缺氧池碳源）乙酸鈉（外加碳源）及原初沉出水（缺氧池碳源）等。高碑店再生水廠污水區(qū)升級改造具體施工示意如圖2所示。
1.2.2升級改造工藝參數(shù)
高碑店再生水廠污水區(qū)各構(gòu)筑物隨著升級改造完成，相關(guān)工藝參數(shù)有所改變，主要涉及水力停留時間、內(nèi)回流比、外加碳源投配率等。
1水力停留時間。本項目將污水區(qū)每系列2組初沉池改造為預(yù)缺氧池及厭氧池。初沉池HRT由3h減至2h預(yù)缺氧池與厭氧池HRT增加1h即一期生物池HRT由10.5h增至11.3h二期生物池HRT由8.9h增至9.8h具體水力停留時間如表1所示。
2內(nèi)回流比。為增強反硝化脫氮效果，各組曝氣池好氧區(qū)末端加裝內(nèi)回流泵，單臺能力為5200m3/h從而增加混合液中硝酸鹽氮回流，強化脫氮，內(nèi)回流比介于100%~300%可調(diào)。
3外加碳源投配率。單系列均分別設(shè)置1套乙酸鈉外加碳源投加系統(tǒng)，全廠共4套，每套加藥設(shè)施均由2個50m3儲藥罐及2臺計量泵組成。加藥點分別位于各系列的回流污泥渠道的首端。外加碳源最大量按NO-3-N濃度從25mg/L降至15mg/L時，去除10mg/LNO-3-N計算，實際運行中乙酸鈉藥劑投配濃度大約在30~50mg/L
2升級改造脫氮除磷效果分析
2.1強化脫氮效果
高碑店再生水廠污水區(qū)從2017年6月開始施工改造，截至2018年6月底，污水區(qū)8組初沉池、24組曝氣池升級改造全部完成，配套內(nèi)回流及碳源加藥逐漸投入運行。通過一段時間實際運行，系統(tǒng)分析了高碑店再生水廠升級改造后生物池沿程TNNO-3-NNH3-N變化趨勢如圖3所示。
污水區(qū)升級改造后，生物池增設(shè)預(yù)缺氧池，純水設(shè)備保養(yǎng)外回流污泥混合液TN可由15~20mg/L降至2~3mg/L生物池缺氧段增設(shè)內(nèi)回流設(shè)施，生物池出水總氮可降至15mg/L左右，生物脫氮能力大幅提高。
高碑店再生水廠污水區(qū)2016~2018年近3年二沉池出水TN變化如圖4所示。2018年污水區(qū)功能性改造完成后二沉出水總氮均值為14.48mg/L較改造前同期平均降低了10.65mg/L降幅42%左右，滿足升級改造后二沉池出水TN控制在20mg/L以內(nèi)的設(shè)計需求，高碑店廠再生水出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
2.2強化除磷效果
高碑店再生水廠升級改造后，每個系列增設(shè)1組厭氧池，90%原水經(jīng)由初沉池后進(jìn)入?yún)捬醭�，為生物釋磷提供碳源，改造后生物池的沿程正磷酸鹽（SP變化趨勢如圖5所示，厭氧池具有明顯的釋磷效果，生物除磷功能顯著。生物池出水端再輔助化學(xué)除磷，出水水質(zhì)穩(wěn)定。
高碑店再生水廠近3年再生水出水總磷均處于0.3mg/L以下，如圖6所示。隨著2017年升級改造逐漸投入運行，增設(shè)厭氧池強化了生物除磷能力，2018年改造后除磷藥劑投配率較2016年改造前除磷藥劑投配率同期平均降低了5.94mg/L降幅達(dá)50%左右，高效節(jié)約了化學(xué)除磷藥劑，近3年投配率變化如圖7所示。
3升級改造后工藝運行優(yōu)化
隨著北京市黑臭水體截污治理工程的開展，高碑店再生水廠水量較歷史同期明顯增加，2018年汛期高碑店再生水廠日均處置水量達(dá)102萬m3/d繼續(xù)處于超負(fù)荷運行狀態(tài)。隨著高碑店再生水廠污水區(qū)升級改造工程的初步完成，為確保水質(zhì)實時達(dá)標(biāo)，主要從多點碳源優(yōu)化投加、內(nèi)外回流比優(yōu)化控制、工藝配套設(shè)備設(shè)施優(yōu)化等方面對該升級改造工藝進(jìn)行運行優(yōu)化分析，旨在提高出水水質(zhì)保證度。
3.1多點碳源配比優(yōu)化
污水區(qū)升級改造完畢后，為了強化二級處置脫氮除磷，增設(shè)了多個碳源投加點，包括：旁通側(cè)流（預(yù)缺氧池碳源）乙酸鈉（缺氧池外加碳源）及原初沉出水（缺氧池原水碳源）等。為優(yōu)化提高脫氮效果，開展了多點碳源配比優(yōu)化投加的正交試驗確保水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)前提下，最大限度利用原水碳源，減少外加碳源投加量，并確定脫氮效果較優(yōu)的多點碳源配比，具體33正交試驗的相關(guān)因素與水平選取見表2
運行工況參數(shù)基本穩(wěn)定前提下，通過連續(xù)3個月對上述33因素與水平開展生產(chǎn)性正交試驗，探究各因素各水平下每種試驗指標(biāo)的二沉出水TN變化情況，純水設(shè)備保養(yǎng)利用正交試驗極差分析法計算極差R探究較優(yōu)碳源配比，具體如表3所示。
通過對正交試驗結(jié)果極差分析可知，多點碳源投加對出水總氮影響因素中，乙酸鈉投加量因素影響最大，原初沉出水閘開度影響次之，旁通側(cè)流因素影響最小。升級改造多點碳源優(yōu)化投加，較優(yōu)配比為A1-B2-C2組合，即旁通流量800m3/h8%原初沉出水閘開啟5cm5%乙酸鈉投配率為30mg/L脫氮效果最佳。
3.2內(nèi)外回流比優(yōu)化
高碑店再生水廠升級改造后污水區(qū)生物池停留時間仍較短，一期生物池HRT為11.3h缺氧段占比約25%二期生物池HRT為9.8h缺氧段占比約17%升級改造后增設(shè)內(nèi)回流設(shè)施，并將好氧段末端5m區(qū)域轉(zhuǎn)換為消氧區(qū)。進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，其他工況條件不變情況下，加開內(nèi)回流泵前后，二沉出水TN由23.4mg/L降至14.8mg/L平均降幅約37%TN變化趨勢如圖8所示。
高碑店再生水廠為保證生物池硝化反應(yīng)完全，控制好氧段的溶解氧水平較高，實際末端DO控制在2~4mg/L為避免高DO硝化液回流至缺氧段破壞反硝化環(huán)境，需對內(nèi)回流比設(shè)定合理優(yōu)化。理論上內(nèi)回流比越大，脫氮效果越好，通過設(shè)定不同內(nèi)回流比下生產(chǎn)試驗得出，純水設(shè)備保養(yǎng)由于受實際反硝化能力的限制，內(nèi)回流比為200%時，回流至缺氧池的硝氮不能被完全反硝化，將內(nèi)回流比調(diào)整為100%時，一方面減少了硝化液回流攜帶的DO量對缺氧反硝化脫氮的影響，另一方面回流的硝氮量又滿足實際反硝化脫氮需求，因此脫氮效果更好。不同內(nèi)回流比下二沉出水TN情況如圖9所示。
3.3工藝配套設(shè)備設(shè)施優(yōu)化
高碑店再生水廠污水區(qū)升級改造完畢后，實際運行管理中發(fā)現(xiàn)相關(guān)改造的設(shè)備設(shè)施存在一定問題：①改造后預(yù)缺氧池與厭氧池存在浮泥，外加碳源混合不均；②初沉池數(shù)量減少1/3排泥能力缺乏易跑泥；③二沉池負(fù)荷加大易冒泥；④原供電設(shè)施配電容量缺乏，局部新增的內(nèi)回流泵無法正常運行等問題。故升級改造工藝的配套設(shè)備設(shè)施存在進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)空間。
本項目根據(jù)現(xiàn)場實際及工藝需求，針對核心問題開展創(chuàng)新優(yōu)化，主要包括：①優(yōu)化生物池攪拌器：通過在厭氧池末端及曝氣池進(jìn)水渠加裝淺層攪拌器，改善水力條件，促進(jìn)外加碳源混合均勻，全面解決浮泥問題，有效改善池容；②更新初沉排泥系統(tǒng)：校核更新2組最有利點初沉排泥泵組，將流量由60m3/h增至90m3/h排泥泵前后直徑150mm變徑管線更換為200mm直管線，減少堵塞；調(diào)整初沉排泥自控系統(tǒng)間歇時間，即保證濃度，又降低初沉泥位；③改造二沉池吸泥機(jī)：加大二沉池回流污泥虹吸量，促進(jìn)外循環(huán)，降低二沉池泥位，減少超負(fù)荷運行時二沉跑泥對后續(xù)工藝的影響；④增設(shè)內(nèi)回流臨電保障工程：克服了改造后供電缺乏難題，通過跨區(qū)域引臨時電解決內(nèi)回流泵供電問題等。通過對升級改造配套設(shè)備設(shè)施存在問題梳理優(yōu)化，系統(tǒng)性完善了升級改造工藝相關(guān)影響因素，為進(jìn)一步提高升級改造的潛力與效果提供有力支撐。
4結(jié)論
高碑店再生水廠升級改造項目創(chuàng)新性地將初沉池改造為預(yù)缺氧池及厭氧池，百萬噸級自主創(chuàng)新工藝改造效果得以實現(xiàn)勝利應(yīng)用，與原升級改造MBBR填料工藝相比，提前3年完成改造，節(jié)約大量改造投資本錢，高效地強化了生物脫氮除磷，使二沉出水TN穩(wěn)定在20mg/L以下，大幅降低再生水處置單元反硝化濾池碳源投加，再生水出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
升級改造完畢后繼續(xù)開展工藝運行優(yōu)化，全過程進(jìn)行精細(xì)化運行調(diào)控，相關(guān)優(yōu)化措施均列入日常工藝調(diào)控序列，系統(tǒng)性完善了升級改造工藝相關(guān)影響因素，最大水平發(fā)揮升級改造工藝的潛力和效果，為其在大型污水處置廠升級改造中進(jìn)行推廣復(fù)制提供實際案例支撐。
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