新工藝思路| “Carrousel氧化溝+膜過濾”改造北美小型污水廠

來源 ：IWA國際水協(xié)會

東北河深度污水處理廠（NorthEast River Advanced WWTP，NERAWWTP）位于美國馬里蘭州塞西爾郡（CecilCounty, Maryland），東北河（North East River）隸屬美國馬里蘭州切薩皮克灣的支流。該廠的出水排入切薩皮克灣，排水水質(zhì)需要符合切薩皮克灣流域的相關(guān)法律規(guī)定，每日處理量大于1900立方的污水廠均需要滿足總氮4.0mg/L和總磷0.3 mg/L的排放標準。

2003年的首次升級改造

2003年，該廠進行過一次升級，將傳統(tǒng)的活性污泥法改建為四級Carrousel®氧化溝工藝。包括兩座4637m3的Carrousel®反應(yīng)器（卡魯塞爾氧化溝），兩座直徑為23m的二級澄清器，四個占地面積為11.9m2的砂濾池。設(shè)計處理量為7500噸/天，實際處理量為3780噸/天。增設(shè)石灰投加系統(tǒng)提供堿度，除磷采用聚合氯化鋁化學(xué)沉淀。

▲ NERA污水處理廠2003年改造過程

升級之后，出水總氮可以達到3mg/L。雖然現(xiàn)在的日處理量僅為設(shè)計流量的一半，但是隨著日處理量逐漸加大，水廠已經(jīng)開始顯現(xiàn)一系列的問題：

（1）進水負荷逐漸超過設(shè)計值，導(dǎo)致曝氣系統(tǒng)始終處于超負荷運行狀態(tài)。比如，進水BOD5設(shè)計值為225mg/L，而實際值為276mg/L。

（2）設(shè)計進水流量峰值是平均流量的三倍，但監(jiān)測到的實際進水流量峰值是平均流量的六倍。導(dǎo)致在峰值流量階段，澄清器超負荷運行，無法正常進行過濾。

（3）冬季的實際進水溫度遠遠低于設(shè)計值，原始設(shè)計最低水溫為12℃，但實際監(jiān)測到的冬季最低水溫只有9.1℃。

再次升級改造的需求

根據(jù)馬里蘭洲環(huán)保局出臺的最新要求和《切薩皮克灣流域恢復(fù)法》的規(guī)定，該洲所有“重點”污水處理廠（處理量大于1900立方/天）都需要升級排水為最新標準——總氮4.0 mg/L，總磷0.3 mg/L。同時，NERA污水處理廠由于服務(wù)區(qū)域的擴容，也準備將水廠的處理能力擴大到17000噸/天。

在內(nèi)外因的綜合影響下，馬里蘭洲環(huán)保局決定向塞西爾郡提供資金撥款，以援助NERA污水處理廠進行升級。該工程由GHD公司承接。

▲ 2003年改造之后的NERA污水處理廠

中試裝置的搭建

在污水廠升級改造之前，GHD團隊搭建了中試裝置，目的是驗證污水廠在冬季能否在現(xiàn)有工況下達到新規(guī)中對氮磷的要求。中試裝置從2010年11月1日開始運行，一直持續(xù)至2011年5月5日，平均處理量為3780立方/天。平均進水溫度為12.9℃，最低水溫為9.1℃。中試實驗表明，當(dāng)水溫低于12℃時，污水廠無法維持正常的硝化和反硝化過程，其原因可能是低溫時泥齡不足，導(dǎo)致硝化反應(yīng)無法充分進行。同時，現(xiàn)有的砂濾工藝也不滿足處理需求。在中試過程中還發(fā)現(xiàn)，由于進水流量過大，不得不多次進行旁路引流。

通過中試試驗，確定了四個升級關(guān)鍵點：

（1）在低溫條件下，延長泥齡，以確保硝化和反硝化的充分進行

（2）擴容反硝化階段，確保出水硝酸鹽低于1.0mg/L

（3）增加過濾容量，避免旁路引流

（4）每個反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)備用鼓風(fēng)機

新方案評估和設(shè)計

污水廠的提標改造需要考慮兩個重點，一是滿足新規(guī)對排水中氮磷營養(yǎng)物的限定，二是滿足污水廠處理量的擴容需求。基于以上考慮，GHD團隊提出了三種備選方案：

方案一：新建兩座曝氣反應(yīng)池和兩座澄清池，將現(xiàn)有的砂濾池更改為深床反硝化濾池。

方案二：用膜過濾系統(tǒng)（MembraneFiltration System，MFS）替代現(xiàn)有的澄清池和砂濾池，改建現(xiàn)有的曝氣反應(yīng)池，將整體污水處理系統(tǒng)改為一座膜生物反應(yīng)器（MBR）。

方案三：將氧化溝改建為磁粉強化污水處理工藝（magnetiteballasted reactors system），新建兩座澄清池，并取消現(xiàn)有的砂濾池。

▲ NERA污水廠鳥瞰圖

顯然，成本最低和最高分別是第一和第三方案。在第一方案中，每座Carrousel氧化溝內(nèi)需添加一個機械式曝氣器，在冬季時，可將后部缺氧段改為好氧過渡區(qū)，從而延長好氧泥齡，確保硝化反應(yīng)充分進行。除此之外，新建一座具有投碳系統(tǒng)的深床反硝化濾池。

如果綜合考慮擴建水廠（至17000立方/天）的投資與生命周期總成本，最佳方案應(yīng)是方案二。因為膜過濾系統(tǒng)可以接受雙倍于Carrousel氧化溝的進水負荷，相當(dāng)于雙倍延長污泥齡，雙倍擴容現(xiàn)有的處理單元。有效解決了在有限的地域內(nèi)，未來水廠擴容的需求。

基于以上綜合考慮，GHD團隊決定采納方案二。

改造后工藝布置見下圖。每座Carrousel氧化溝增加一臺機械曝氣器。為了強化系統(tǒng)的脫氮能力，現(xiàn)有的好氧消化區(qū)在反應(yīng)器末端改造為一段轉(zhuǎn)換區(qū)。保留化學(xué)法除磷。考慮今后水廠將擴容至17000立方 / 天，在每個Carrousel氧化溝前端增設(shè)預(yù)缺氧區(qū)，以減少除磷的化學(xué)藥劑需求。將澄清池和砂濾池改為兩套MFS膜系統(tǒng)，并額外增加兩套MFS膜系統(tǒng)以應(yīng)對進水大流量的突發(fā)情況。

 

▲ NERA污水處理廠改造工藝布置圖

Carrousel氧化溝和MFS膜系統(tǒng)的設(shè)計標準參見表1。在規(guī)劃階段之后，GHD團隊開始開展工程實施，制定采購文件以及預(yù)選MFS系統(tǒng)的設(shè)備。評估團隊對成本和技術(shù)方法進行評估，綜合評估了三家中空纖維膜生產(chǎn)商的建議，最終選擇GEZenon的LEAP MBR系統(tǒng)。

▲ NERA污水處理廠的升級設(shè)計標準

工程改造和啟動

原有系統(tǒng)的兩套氧化溝分兩批次進行改建。第一批系統(tǒng)改建時，保留一條Carrousel氧化溝和澄清池繼續(xù)運行。首批改建完成于2015年秋季，2015年11月7日，第一批新的氧化溝和MFS系統(tǒng)同時啟動。接下來，開始第二批系統(tǒng)改建，第二批系統(tǒng)于2016年4月6日投入運行。第一批改建后的氧化溝在歷經(jīng)第一個冬季時，硝化反應(yīng)運行完全正常，反硝化反應(yīng)運行基本正常。表2反映了新系統(tǒng)的初始運行數(shù)據(jù)，啟動時，MLSS為5000mg/L，到第二年4月時，MLSS升至設(shè)計值8000mg/L。

 

▲ 改建后的NERA污水廠，改建的Carrousel氧化溝位于圖片前部，MFS膜系統(tǒng)位于圖中左上角

▲ 污水廠運行之初的進出水?dāng)?shù)據(jù)

最新動向

2017年，馬里蘭洲出臺《2018年度能源水基礎(chǔ)設(shè)施計劃》，馬里蘭洲環(huán)保局將在2018年內(nèi)向全洲撥款800萬美元，用于支持污水處理廠的能源減排和替代能源項目研究。其中，塞爾西郡政府可獲得撥款18.8萬美元，用于給NERA污水處理廠安裝太陽能光伏板。太陽能光伏板將安裝在MFS工藝段的屋頂上，預(yù)計完工之后，太陽能光伏板的年發(fā)電量為8萬千瓦時，可以滿足本廠5%的電力需求。

總結(jié)

“Carrousel五級氧化溝+膜過濾系統(tǒng)（MSF）”的工藝組合在北美地區(qū)非常少見，在切薩皮克灣地區(qū)三百多座進行升級改造的污水處理廠的工藝選擇中，也是獨一無二的。

NERA污水處理廠選擇采用“Carrousel五級氧化溝+膜過濾系統(tǒng)（MSF）”的工藝組合進行升級改造，新工藝于2015年底投入使用，實際運行數(shù)據(jù)表明，該工藝組合完全可以實現(xiàn)新規(guī)中總氮＜4.0mg/L，總磷＜0.3mg/L的要求。目前，NERA污水處理廠的處理能力為7500噸/天，因為設(shè)計和施工時已經(jīng)進行了預(yù)留，所以該廠未來完全可以在不擴大占地的前提下，將處理能力提高至17000噸/天。該工程的總成本為2610萬美元。

參考資料

Thor Young, Wastewater treatment facility upgrade uses combination of technologies to solve nutrient removal challenges, Water Practice & Technology. Vol 12, NO 2, 251-259, DOI:10.2166/wpt.2017.029

更多內(nèi)容請點擊微信最下方“閱讀原文”，訪問IWA Publishing下載Water Practice & Technology原文獻

來源 ：國際水協(xié)會（IWA）官網(wǎng) www.iwa-network.org

合流管渠設(shè)計流量計算探討（續(xù)）

來源 ：小光ELearn給排水

昨天文章發(fā)出去后，和部分同行交流了下，發(fā)現(xiàn)了一些新的可供探討的點。

2017年真題如下：

探討點：1-2管道到底是合流管還是污水管？

按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》合流制的定義，1-2肯定是合流管（因為有雨水在里面）。但也有資深設(shè)計師指出，這種也可以認為是污水管，即少量的截流雨水接入污水管，不影響污水管道的性質(zhì)。但是這種說法缺乏明晰的定義，到底混進來多少百分比的雨水算合流，多少百分比以下不算合流？

選項A：認為1-2為污水管，老城區(qū)的截污水作為集中流量加入。但污水管必須按非滿流設(shè)計，所以不對。

選項B和D：認為1-2為合流管，但合流管應(yīng)按滿流設(shè)計，也不對。

選項C：明顯錯誤。

因此，從純理論角度，本題無答案。

如果從工程設(shè)計角度，只能選D。（如果有不服氣的，可以在你自己的項目中設(shè)計d900的排水管道試試，看業(yè)主和評審會上專家什么反應(yīng)）

同時對改造和新建工程進行了能耗追蹤，一期和二期噸水電耗從改造前的；降至；三期新建工程噸水電耗為，出水標準提高而能耗降低，主要源于采用微動力混合池型，取消推流器，降低推流器電耗；同時，懸浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝氣能耗。