论文部分内容阅读
[摘 要]通过分析某污水处理厂现有ICEAS工艺设计参数和实际运行效果，深入挖掘ICEAS工艺提标潜力，优化提标改造工艺设计，使出水水质由原一级B标准提高至一级A标准，且系统能耗下降了0.117kW·h/m3。
[关键词]ICEAS工藝；提标改造；脱氮除磷
中图分类号：TG306 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0039-02
1 污水厂运行现状分析
湖北某县污水处理厂一期工程设计规模为15000m3/d，2003年4月投产运行；二期工程扩建规模为5000m3/d，2009年投产运行。均采用粗/细格栅-旋流沉砂-连续进水SBR工艺（ICEAS工艺）-消毒工艺，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。
目前该污水厂出水基本能满足一级B 排放标准，CODCr、BOD5和SS的平均去除率能达到80%以上，NH3-N、TN和TP的平均去除率为70%以上。根据该县环保部门长期监测结果，对污水厂2008年至2012年进、出水水质统计分析，结果见表1。其中出水水质指标CODCr、BOD5和SS取90%涵盖率，其它指标取85%涵盖率。
一级A 标准相对一级B 标准要求更严格，特别是TN 和TP的去除是关键。分析污水厂运行状况：①经实际调查县城新建小区基本都设有化粪池，致使污水厂进水COD、BOD5较低，BOD5/TKN=1.5<4，碳源过低，影响反硝化效果；②氨氮、TN在夏季处理效果较好，但冬季处理效果较差，主要原因是水温低，仅为12℃；③出水TP由2008年的0.7 mg/L左右增长到2012年1 mg/L左右，有上升趋势，需要增加化学除磷措施。
2 提标改造工艺优化选择
污水处理厂提标改造的基本思路一般为：优先考虑采取非工程措施，其次选择强化生物处理等措施，再选择深度处理措施，确保处理效果[1]。
2.1 强化生物处理措施
对于SBR类污水处理厂强化生物处理的主要方法有[2]：增加系统内有效微生物的数量、提高硝化菌和反硝化菌活性，并增加其有效工作时间。增加系统内有效微生物数量可通过在生化段增设填料、提高污泥浓度来实现；提高硝化菌、反硝化菌活性可通过增设缺氧搅拌设施；增加微生物有效工作时间主要是指调整运行周期，即提高池容利用率。
在SBR生化池主反应区内放置填料，在填料上培养生物膜，能增加系统内有效微生物的数量，同时增加利用生物膜的传质阻力，在膜内部形成氧浓度梯度，实现在同一反应器中缺氧、好氧环境并存的状态，为达到同步硝化反硝化创造条件[3]。赵玲等[4]在SBR反应器中放置YDT型弹性立体填料培养生物膜，并在运行中将溶解氧控制在3～5mg/L，取得了很好的脱氮效果，TN去除率达到80%。
传统SBR工艺运行方式“进水、曝气、沉淀、滗水和闲置”很难达到理想的脱氮处理效果。因为降解有机物和硝化反应都在曝气阶段完成，但等硝化反应完全结束后再进行反硝化，污水中剩余有机物已不能满足反硝化菌对碳源的要求，反硝化反应无法继续。同时，硝化反应过程中产生的NOx-N在浓度较高时，对亚硝酸菌和硝酸菌活性均有一定抑制作用，如不及时通过反硝化反应去除部分NOx-N会导致硝化反应效果不理想。
郭航向[5]提出提高脱氮效率的运行方式改进流程为：进水→曝气→停曝搅拌→沉淀→排水→排泥。他认为在停曝搅拌阶段，虽经曝气后的混合液中有机底物已基本被氧化，反硝化作用并不十分显著，但与基本运行方式相比，由于其全部混合液均进行反硝化，因而十分有利于总体脱氮效果的提高。一般而言，这种运行方式可使脱氮总效率提高70%～80%。
综合在以上研究结论，结合考虑污水厂现状运行存在的问题，本工程改造ICEAS工艺措施主要为：①在预反应区进水阶段停止曝气，采用缺氧搅拌方式，以增强反硝化菌活性；②污水进入主反应区后，在曝气之前增加一个搅拌阶段，以充分利用进水中丰富碳源，在短时间内可反硝化去除生化池中上一周期剩余污水NOx-N，提高了反应器的脱氮效率；③将曝气分两次进行，曝气中间增加一个停曝搅拌阶段，搅拌段中反硝化菌在厌氧条件下，利用污水中未降解完全的有机物作为碳源，将曝气阶段产生的一部分NO3-N还原为N2去除，既能提高系统的反硝化效率，同时也能减少后续曝气段硝化反应的阻力。④增设碳源投加装置，补充投加甲醇1.53 t/d，确保去除TN所需碳源。
2.2 深度处理措施
深度处理工艺的选择主要根据前端处理出水水质要求确定，当出水的TN和NH3-N稳定达到一级A标准时，利用化学药剂强化悬浮固体和TP去除，同时还能进一步降低出水的CODCr，可采用微絮凝过滤或混凝过滤工艺；当二级出水T N和NH3- N不能稳定达到一级A 标准时，可采用曝气生物滤池进一步去除TN、NH3- N和SS，同时辅以化学除磷。
本工程通过技术经济比较分析，确定采用接触过滤工艺。综合考虑处理效果和水力高程要求，选择纤维转盘滤池。
最终确定本工程生物段采用强化ICEAS生物工艺，核心是强化生物脱氮。深度处理采用微过滤技术，设计采用纤维转盘滤，过滤精度达到10μm，保证出水TP、悬浮物达标。
3 提标改造工艺设计
本次提标改造工艺流程如图1 所示。
3.1 格栅间与提升泵房
一、二期工程土建、设备已按2×104m3/d建成，设计流量为0.231m3/s，总变化系数为1.49。粗格栅2组，配置2台B=1000mm的回转式粗格栅；细格栅2组，配置2台B=1000mm的回转式细格栅。本次不予调整。
提升泵房一期配备4台潜污泵，型号WQ300-11-22，扬程H=11m，3用1备，二期替换2台潜污泵WQ600-12-37，其扬程H=12m。考虑到后面增设深度过滤滤池的内部水头损失为0.3m，经过核算4台提升泵仍然可以满足本次提标改造工艺流程的提升要求。本次不予调整。 3.2 沉砂池
旋流沉砂池共2座，每座直径2.5m，处理能力246.5L/s（887.5m3/h），沉砂池采用机械排砂泵排砂，本次不予调整。
3.3 ICEAS池
一、二期工程已经建成4座ICEAS池，分预处理区和主反应区2格，单池尺寸40×15×5m（最大水深4.5m，最小水深3.0m），其中预处理区4×15×5m，总有效容积10800m3，水力停留时间13h。污泥龄按15d，污泥浓度3gMLSS/L，总剩余污泥产量2077kg/d，所需的总曝气量为88.5m3/min。
一、二期工程每座ICEAS池中已经安装设备有，膜片微孔曝气器曝气头2000个，性能2.5m3/h一个（范围1～5），曝气头氧转移效率>25%；潜水搅拌机2台，直径D=0.64m，功率N=7.5kW；滗水器（采用液位和时间控制系统运行）1台，排水量2000m3/h；潜污泵（排泥）3台，单台Q=60m3/h，H=10m，N=4kW。运行方式为，每天运行5周期，每周期4.8h，每周期内混合搅拌0.4h，曝气2.4h，沉淀1.0h，滗水和闲置1.0h。
ICEAS单池改造工艺如下：
①在预反应区增设进水缺氧搅拌段，停止进水曝气，增加2台潜水搅拌器，单台功率1. 5 kW。
②在主反应区增设填料，填料采用弹性填料，单池填料体积891m3。
③根据计算降解单位BOD5需氧量OC=1.15kgO2/kgBOD5，需降解BOD5总量St=3400kgBOD5/d，需硝化的氨氮量Nht=730kgN/d，反硝化的硝酸盐量Not=630kgNO3/d，实际需氧量O2=OC×St+4.57Nht-2.86Not=5461kg/d=227.545kg/h。
校核现有风机型号C80-1.5，风机流量80 m3/min，开启曝气时间80min可以满足ICEAS池除氮需氧量，因此调整原来的运行周期设置，如表2所示。
④根据调整后的运行周期，调整升级中控系统，精准控制曝气。
⑤考虑到BOD5/TKN=1.5，碳源过低，且污水厂预留有空地，补充碳源采用甲醇，设计用量为1.53 t/d，在进水泵房处增设COD及TKN在线检测仪来控制实际碳源投加量。配置甲醇加药装置4套，加药量0.5～1m3/h，N=4KW，投加于进水预处理区，连续投加。
3.5 深度过滤间
本次提标改造工程增设过滤间一座，尺寸L×B×H=12.8×9.6×7.2m。池内配置纤维转盘滤池成套设备1套，设计处理能力为2×104 m3/d，滤盘直径3m，过滤网孔孔径≤10μm，每个滤盘过滤面积≥12.6m2，驱动电机0.75kW。滤池进、出水设置堰板，可根据滤池水位变化微量调节出水阀门的开启度。反冲洗、排泥根据液位变化，PLC 自动控制，反冲洗水直接排入厂区污水管。另配备1台PAC加药装置0.5～1m3/h，N=4KW。
由于纤维转盘滤池自身工艺构造，其抗冲击负荷能力强，ICEAS池间歇出水方式并不会引起过滤间出水水质波动，仅会带来反冲洗频率的变化，通过系统PLC自动调控反冲洗频率即可，因此可以不设置调节池。
3.6 校核鼓风机房风量
二期工程已经配备4台离心鼓风机，3用1备。风机型号：C80-1.5，N=110kW。风机性能：流量80 m3/min，进口98kPa，出口151kPa。
计算ICEAS工艺实际需氧量=227.5kgO2/hr，修正系数K0=1.75，标准需量=5310 m3/h=88.5m3/min=127441.6m3/d。
一共4组ICEAS池，每天运行5个周期，单池每周期供气量=6372m3/周期，每一周期内曝气时间为80min/周期，单池风机风量=79.6m3/min，所选离心鼓风机满足要求。
风机工作方式配置为：单台风机为2组ICEAS池交替服务，单池曝气时间6.67h，实现风机2用2备的工作组合方式。4组ICEAS池运行的电耗为2934.8kW·h，折算吨水电耗比调整运行方式前降低了0.117kW·h/m3。
4、结语
本污水处理厂改造工艺流程简洁，总投资为812.23万元，增加的单位处理水经营成本为0.117元/m3，单位水处理总成本为0.183元/m3。
本工程仔细分析运行现状，优化工艺设计，尽力挖掘现有工艺潜力，通过升级改造后大大提高生化系统的处理能力，采用更为合理的运行方式，使出水水质由一级B标准提高至一级A标准，而且处理系统能耗降低了0.117kW·h/m3，可为当前SBR工艺类污水处理厂升级改造提供参考。
参考文献
[1] 王阿华.城镇污水处理厂除磷脱氮提标改造技术探讨[J].南京市政，2009，（3）：1-7.
[2] 沈晓铃，张万里，梁汀，等.SBR类污水处理厂升级改造工艺选择及运行[J]. 给水排水，2010，（7）：38-41.
[3] 高锋，杨朝晖，曾光明，等.提高单级SBR系统总氮去除率方法的探讨[J].工业水处理，2005，（10）：6-9.
[4] 赵玲，张之源.复合SBR系统中同步硝化反硝化现象及其脱氮效果[J]. 工业用水与废水，2002，33（2）：4-6.
[5] 郭航向.传统SBR工艺存在问题及改进措施分析[J].广东建材，2010，（10）：22-23.
[关键词]ICEAS工藝；提标改造；脱氮除磷
中图分类号：TG306 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0039-02
1 污水厂运行现状分析
湖北某县污水处理厂一期工程设计规模为15000m3/d，2003年4月投产运行；二期工程扩建规模为5000m3/d，2009年投产运行。均采用粗/细格栅-旋流沉砂-连续进水SBR工艺（ICEAS工艺）-消毒工艺，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。
目前该污水厂出水基本能满足一级B 排放标准，CODCr、BOD5和SS的平均去除率能达到80%以上，NH3-N、TN和TP的平均去除率为70%以上。根据该县环保部门长期监测结果，对污水厂2008年至2012年进、出水水质统计分析，结果见表1。其中出水水质指标CODCr、BOD5和SS取90%涵盖率，其它指标取85%涵盖率。
一级A 标准相对一级B 标准要求更严格，特别是TN 和TP的去除是关键。分析污水厂运行状况：①经实际调查县城新建小区基本都设有化粪池，致使污水厂进水COD、BOD5较低，BOD5/TKN=1.5<4，碳源过低，影响反硝化效果；②氨氮、TN在夏季处理效果较好，但冬季处理效果较差，主要原因是水温低，仅为12℃；③出水TP由2008年的0.7 mg/L左右增长到2012年1 mg/L左右，有上升趋势，需要增加化学除磷措施。
2 提标改造工艺优化选择
污水处理厂提标改造的基本思路一般为：优先考虑采取非工程措施，其次选择强化生物处理等措施，再选择深度处理措施，确保处理效果[1]。
2.1 强化生物处理措施
对于SBR类污水处理厂强化生物处理的主要方法有[2]：增加系统内有效微生物的数量、提高硝化菌和反硝化菌活性，并增加其有效工作时间。增加系统内有效微生物数量可通过在生化段增设填料、提高污泥浓度来实现；提高硝化菌、反硝化菌活性可通过增设缺氧搅拌设施；增加微生物有效工作时间主要是指调整运行周期，即提高池容利用率。
在SBR生化池主反应区内放置填料，在填料上培养生物膜，能增加系统内有效微生物的数量，同时增加利用生物膜的传质阻力，在膜内部形成氧浓度梯度，实现在同一反应器中缺氧、好氧环境并存的状态，为达到同步硝化反硝化创造条件[3]。赵玲等[4]在SBR反应器中放置YDT型弹性立体填料培养生物膜，并在运行中将溶解氧控制在3～5mg/L，取得了很好的脱氮效果，TN去除率达到80%。
传统SBR工艺运行方式“进水、曝气、沉淀、滗水和闲置”很难达到理想的脱氮处理效果。因为降解有机物和硝化反应都在曝气阶段完成，但等硝化反应完全结束后再进行反硝化，污水中剩余有机物已不能满足反硝化菌对碳源的要求，反硝化反应无法继续。同时，硝化反应过程中产生的NOx-N在浓度较高时，对亚硝酸菌和硝酸菌活性均有一定抑制作用，如不及时通过反硝化反应去除部分NOx-N会导致硝化反应效果不理想。
郭航向[5]提出提高脱氮效率的运行方式改进流程为：进水→曝气→停曝搅拌→沉淀→排水→排泥。他认为在停曝搅拌阶段，虽经曝气后的混合液中有机底物已基本被氧化，反硝化作用并不十分显著，但与基本运行方式相比，由于其全部混合液均进行反硝化，因而十分有利于总体脱氮效果的提高。一般而言，这种运行方式可使脱氮总效率提高70%～80%。
综合在以上研究结论，结合考虑污水厂现状运行存在的问题，本工程改造ICEAS工艺措施主要为：①在预反应区进水阶段停止曝气，采用缺氧搅拌方式，以增强反硝化菌活性；②污水进入主反应区后，在曝气之前增加一个搅拌阶段，以充分利用进水中丰富碳源，在短时间内可反硝化去除生化池中上一周期剩余污水NOx-N，提高了反应器的脱氮效率；③将曝气分两次进行，曝气中间增加一个停曝搅拌阶段，搅拌段中反硝化菌在厌氧条件下，利用污水中未降解完全的有机物作为碳源，将曝气阶段产生的一部分NO3-N还原为N2去除，既能提高系统的反硝化效率，同时也能减少后续曝气段硝化反应的阻力。④增设碳源投加装置，补充投加甲醇1.53 t/d，确保去除TN所需碳源。
2.2 深度处理措施
深度处理工艺的选择主要根据前端处理出水水质要求确定，当出水的TN和NH3-N稳定达到一级A标准时，利用化学药剂强化悬浮固体和TP去除，同时还能进一步降低出水的CODCr，可采用微絮凝过滤或混凝过滤工艺；当二级出水T N和NH3- N不能稳定达到一级A 标准时，可采用曝气生物滤池进一步去除TN、NH3- N和SS，同时辅以化学除磷。
本工程通过技术经济比较分析，确定采用接触过滤工艺。综合考虑处理效果和水力高程要求，选择纤维转盘滤池。
最终确定本工程生物段采用强化ICEAS生物工艺，核心是强化生物脱氮。深度处理采用微过滤技术，设计采用纤维转盘滤，过滤精度达到10μm，保证出水TP、悬浮物达标。
3 提标改造工艺设计
本次提标改造工艺流程如图1 所示。
3.1 格栅间与提升泵房
一、二期工程土建、设备已按2×104m3/d建成，设计流量为0.231m3/s，总变化系数为1.49。粗格栅2组，配置2台B=1000mm的回转式粗格栅；细格栅2组，配置2台B=1000mm的回转式细格栅。本次不予调整。
提升泵房一期配备4台潜污泵，型号WQ300-11-22，扬程H=11m，3用1备，二期替换2台潜污泵WQ600-12-37，其扬程H=12m。考虑到后面增设深度过滤滤池的内部水头损失为0.3m，经过核算4台提升泵仍然可以满足本次提标改造工艺流程的提升要求。本次不予调整。 3.2 沉砂池
旋流沉砂池共2座，每座直径2.5m，处理能力246.5L/s（887.5m3/h），沉砂池采用机械排砂泵排砂，本次不予调整。
3.3 ICEAS池
一、二期工程已经建成4座ICEAS池，分预处理区和主反应区2格，单池尺寸40×15×5m（最大水深4.5m，最小水深3.0m），其中预处理区4×15×5m，总有效容积10800m3，水力停留时间13h。污泥龄按15d，污泥浓度3gMLSS/L，总剩余污泥产量2077kg/d，所需的总曝气量为88.5m3/min。
一、二期工程每座ICEAS池中已经安装设备有，膜片微孔曝气器曝气头2000个，性能2.5m3/h一个（范围1～5），曝气头氧转移效率>25%；潜水搅拌机2台，直径D=0.64m，功率N=7.5kW；滗水器（采用液位和时间控制系统运行）1台，排水量2000m3/h；潜污泵（排泥）3台，单台Q=60m3/h，H=10m，N=4kW。运行方式为，每天运行5周期，每周期4.8h，每周期内混合搅拌0.4h，曝气2.4h，沉淀1.0h，滗水和闲置1.0h。
ICEAS单池改造工艺如下：
①在预反应区增设进水缺氧搅拌段，停止进水曝气，增加2台潜水搅拌器，单台功率1. 5 kW。
②在主反应区增设填料，填料采用弹性填料，单池填料体积891m3。
③根据计算降解单位BOD5需氧量OC=1.15kgO2/kgBOD5，需降解BOD5总量St=3400kgBOD5/d，需硝化的氨氮量Nht=730kgN/d，反硝化的硝酸盐量Not=630kgNO3/d，实际需氧量O2=OC×St+4.57Nht-2.86Not=5461kg/d=227.545kg/h。
校核现有风机型号C80-1.5，风机流量80 m3/min，开启曝气时间80min可以满足ICEAS池除氮需氧量，因此调整原来的运行周期设置，如表2所示。
④根据调整后的运行周期，调整升级中控系统，精准控制曝气。
⑤考虑到BOD5/TKN=1.5，碳源过低，且污水厂预留有空地，补充碳源采用甲醇，设计用量为1.53 t/d，在进水泵房处增设COD及TKN在线检测仪来控制实际碳源投加量。配置甲醇加药装置4套，加药量0.5～1m3/h，N=4KW，投加于进水预处理区，连续投加。
3.5 深度过滤间
本次提标改造工程增设过滤间一座，尺寸L×B×H=12.8×9.6×7.2m。池内配置纤维转盘滤池成套设备1套，设计处理能力为2×104 m3/d，滤盘直径3m，过滤网孔孔径≤10μm，每个滤盘过滤面积≥12.6m2，驱动电机0.75kW。滤池进、出水设置堰板，可根据滤池水位变化微量调节出水阀门的开启度。反冲洗、排泥根据液位变化，PLC 自动控制，反冲洗水直接排入厂区污水管。另配备1台PAC加药装置0.5～1m3/h，N=4KW。
由于纤维转盘滤池自身工艺构造，其抗冲击负荷能力强，ICEAS池间歇出水方式并不会引起过滤间出水水质波动，仅会带来反冲洗频率的变化，通过系统PLC自动调控反冲洗频率即可，因此可以不设置调节池。
3.6 校核鼓风机房风量
二期工程已经配备4台离心鼓风机，3用1备。风机型号：C80-1.5，N=110kW。风机性能：流量80 m3/min，进口98kPa，出口151kPa。
计算ICEAS工艺实际需氧量=227.5kgO2/hr，修正系数K0=1.75，标准需量=5310 m3/h=88.5m3/min=127441.6m3/d。
一共4组ICEAS池，每天运行5个周期，单池每周期供气量=6372m3/周期，每一周期内曝气时间为80min/周期，单池风机风量=79.6m3/min，所选离心鼓风机满足要求。
风机工作方式配置为：单台风机为2组ICEAS池交替服务，单池曝气时间6.67h，实现风机2用2备的工作组合方式。4组ICEAS池运行的电耗为2934.8kW·h，折算吨水电耗比调整运行方式前降低了0.117kW·h/m3。
4、结语
本污水处理厂改造工艺流程简洁，总投资为812.23万元，增加的单位处理水经营成本为0.117元/m3，单位水处理总成本为0.183元/m3。
本工程仔细分析运行现状，优化工艺设计，尽力挖掘现有工艺潜力，通过升级改造后大大提高生化系统的处理能力，采用更为合理的运行方式，使出水水质由一级B标准提高至一级A标准，而且处理系统能耗降低了0.117kW·h/m3，可为当前SBR工艺类污水处理厂升级改造提供参考。
参考文献
[1] 王阿华.城镇污水处理厂除磷脱氮提标改造技术探讨[J].南京市政，2009，（3）：1-7.
[2] 沈晓铃，张万里，梁汀，等.SBR类污水处理厂升级改造工艺选择及运行[J]. 给水排水，2010，（7）：38-41.
[3] 高锋，杨朝晖，曾光明，等.提高单级SBR系统总氮去除率方法的探讨[J].工业水处理，2005，（10）：6-9.
[4] 赵玲，张之源.复合SBR系统中同步硝化反硝化现象及其脱氮效果[J]. 工业用水与废水，2002，33（2）：4-6.
[5] 郭航向.传统SBR工艺存在问题及改进措施分析[J].广东建材，2010，（10）：22-23.