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            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            慧聰水工業網 2022-05-09 10:17 來源:工業水處理作者:張潔等

            中國環保(臨沂)生態循環產業園以“環保優先、資源共享、設施共建、物質循環、能量梯次利用”為建設理念,以生活垃圾處理為依托,實現其他固體廢棄物的無害化、減量化、資源化協同處置,規劃建設固廢處理、園區配套、利鄰項目3大類入園項目,包括生活垃圾、餐廚垃圾、動物尸體、污泥等固廢處理項目,集中供熱、污水處理中心、科技研發中心、數字化管控平臺等園區配套項目,宣傳教育中心、區域居民供暖、村居倉儲扶貧等利鄰項目。

            產業園處置范圍覆蓋臨沂市5區6縣,服務730余萬老區群眾,解決了城市生活垃圾、餐廚垃圾、污泥、動物尸體等城市固體廢物的無害化處理和資源化利用問題,充分利用各項目之間的協同效應,實現各項目資源的二次開發和循環利用,達到節能減排的目的。

            當生態循環產業園建成,垃圾滲濾液、餐廚沼液、污泥壓濾液、動物無害化廢水伴隨產生。近年來國內外針對單獨垃圾滲濾液、餐廚沼液等處理方面研究較多,但對混合污水處理技術研究一直較少。

            隨著城市規模越來越大,人口聚集更多,產生的城市廢水將會更多,混合污水的處理技術研究顯得尤為重要,這就需要設計建成一個優良的工藝系統滿足園內混合工業污水達標處理、處置的需求。

            1 設計水質水量

            垃圾滲濾液主要產生于垃圾貯坑,其特點是污染物濃度高、成分復雜,屬高濃度有機廢水,C/N高,可生化性好,主要污染物表征參數為COD、NH3-N、SS等。餐廚沼液C/N低,碳源不足,生化處理效果差。

            運行時為使TN得到有效去除,往往需要額外投加大量碳源和純堿,大大增加了運行成本。污泥壓濾液為污泥壓濾脫水產生的液體,脫水過程中會添加CaO類物質,污泥壓濾液具有COD高、可生化性差、NH3-N濃度高、TP濃度高、C/N較低、硬度高、pH高等特點。動物無害化污水成分復雜,含有大量的有機物質和動物油脂。

            為保證系統適應來水復雜多變的水質,且能最大程度承受水質波動帶來的沖擊,穩定運行,對設計進水水質進行一定程度放大,使系統余量充足。

            生態循環產業園混合工業污水處理站處理設計規模為900 m3/d,其中垃圾滲濾液、污泥壓濾液、餐廚沼液、動物無害化污水處理設計規模分別為700、50、100、50 m3/d。處理后的出水要求達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)表2要求后排入市政污水管網。設計進出水水質見表1。

            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            2 工藝設計及流程

            2.1 工藝設計

            餐廚沼液和垃圾滲濾液協同處理,調節池的垃圾滲濾液一部分進入厭氧系統進行厭氧發酵,一部分超越至生化系統,可以補充餐廚沼液生化處理所需要的碳源,無需額外投加碳源,大大節省了運行成本;脫氮菌利用滲濾液補充的碳源,使系統的TN去除效果大大提高,同時滲濾液中的有機物在生化系統的去除率也得到相應提高。

            污泥壓濾液進入MBR系統與垃圾滲濾液混合,因垃圾滲濾液處理量大,兩者協同處理對污泥壓濾液起到稀釋作用,無需另外投加酸液調節污泥壓濾液pH,節省大量藥劑成本。

            此外,4種污水協同處理,餐廚沼液、動物無害化污水含油量被大大稀釋,減弱了油含量對生化系統微生物及后期膜系統處理產生的影響。

            2.2 工藝論證

            厭氧生物處理技術由于具有運行成本低、能耗低、剩余污泥量少、可以處理高濃度和好氧條件下生物難降解有機物的特點,近年來已被廣泛用于高濃度有機廢水處理。

            常見的厭氧反應器有上流式厭氧污泥床反應器(UASB)、升流式厭氧污泥床-濾層反應器(UBF)、厭氧生物濾池(AF)。UASB系統抗沖擊能力強,負荷率高,工藝設計參數有較多的滲濾液試驗數據和運行效果分析數據支持,有機物去除效果優于AF,單位建設投資較UBF低。

            并且UBF、AF在國內比較有影響力的垃圾滲濾液處理工程中成功應用實例較少,難以確認較為可靠的設計參數。所以,本工程設計采用UASB作為厭氧處理單元的構筑物選型。

            好氧生物處理在廢水處理中技術比較成熟,能使有機物最大程度地降解并接近排放標準,降低深度處理的難度和成本,主要有膜生物法(MBR)、氧化溝、序批式活性污泥法(SBR)等工藝。

            MBR工藝在高濃度有機廢水處理中的應用日益廣泛成熟,MBR系統的污泥濃度高,系統占地小,能夠方便地安排生物脫氮,特別適合氨氮較高的污水處理;由于采用超濾膜進行泥水分離,MBR工藝出水SS低,有利于后續深度處理。

            本工程的好氧單元選擇MBR系統,其中生化段設置兩級AO,一級AO段去除不掉的氮在后加的缺氧段通過超越一部分垃圾滲濾液補充碳源進行反硝化脫去,最后的好氧段控制較高溶解氧,氧化剩余的碳源和有機物。

            由表1看出,垃圾滲濾液COD為60 000 mg/L,遠高于其他廢水,僅設計垃圾滲濾液進入UASB進行厭氧發酵產沼氣,保證產氣效率及其穩定性。垃圾滲濾液處理規模遠大于其他污水處理量之和,需將垃圾滲濾液調節池設計余量,并實時監測UASB厭氧罐出水水質指標。

            保證垃圾滲濾液水質水量可調可控即可確保4類廢水直接在MBR混合后處理效果穩定且良好,無需在MBR前設置勻質池,節省了池體建設費用。

            經過MBR處理后難生化降解的有機物形成的COD和色度仍然超標,一般混凝處理對于該類廢水的去除率低且污泥量較大,處理麻煩。

            其他物化處理技術在高濃度有機廢水處理實際工程應用上還缺乏生產性相關的應用技術參數確認。

            目前可靠的深度處理工藝只有膜處理技術。根據膜的孔徑,膜處理可以分為反滲透、納濾、超濾以及微濾等。與反滲透相比,納濾的最大優點是能使小分子鹽隨出水排出,避免鹽分富集帶來的不利影響。納濾膜和反滲透膜在設備投資方面相差不大,但納濾系統動力消耗遠小于反滲透系統。本工程深度處理采用納濾工藝。

            綜上工藝論證,本工程厭氧系統采用UASB工藝,好氧處理采用MBR系統(兩級A/O+外置管式超濾),深度處理采用納濾工藝。

            2.3 工藝流程

            混合工業污水處理工藝流程如圖1所示。

            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            垃圾焚燒發電廠產生的滲濾液自流進入預處理工段,格柵機對水中大的懸浮物進行截留,以防止后段污堵設備。格柵過濾后的污水自流進入滲濾液調節池。

            調節池滲濾液一部分通過提升泵定量提升至UASB厭氧罐,一部分超越至MBR系統。厭氧系統產生的沼氣經過收集后進入到沼氣處理系統進行處理或利用;厭氧處理出水自流進入到中間沉淀池,去除隨水流出的老化厭氧污泥以避免其對后端生化系統的不利影響。

            厭氧工段中沉池出水自流進入MBR系統。MBR系統采用外置式,膜系統部分采用管式超濾膜形式,生化部分采用兩級A/O生化工藝。

            MBR系統包括一級反硝化池、一級硝化池、二級反硝化池、二級硝化池、管式超濾系統等5部分。硝化液在管式超濾系統循環壓力作用下形成一部分超濾產水,壓力作用下自流進入超濾清液箱。

            污泥無害化處置中心產生的污泥壓濾液進入壓濾液調節池,經過pH調節池、沉淀池、水解池后進入中間池,后經提升泵泵入MBR系統。

            餐廚無害化項目厭氧罐產出的沼液以及動物無害化項目產生的動物無害化污水分別經除渣預處理后存入各自項目預存池,后續分別經過自動過濾清洗器除渣后經提升泵泵入MBR系統。

            MBR工藝處理后的污水進入納濾處理系統。在一定壓力作用下,部分清水和小分子物質透過膜形成清液,剩余的物質和水形成濃縮液,清液回用或者達標排放,濃縮液則排入濃縮液收集池,經濃縮液處理站的碟管式反滲透(DTRO)系統進一步濃縮后,進入機械式蒸汽壓縮(MVR)系統進行蒸發,中水作為循環冷卻塔補水,母液回噴至垃圾焚燒爐。

            3 主要構筑物及設計參數

            (1)調節池。2座,調節池有效容積4 800 m3。其中滲濾液調節池設計有效容積4 200 m3,設計水力停留時間6 d,分為2格,設計尺寸分別為19 m×15 m×8.5 m、19.6 m×12.5 m×8.5 m,其中一格兼作事故池;污泥壓濾液調節池有效容積600 m3,設計尺寸為19 m×4 m×8.5 m,設計水力停留時間3 d。調節池前設置格柵機,去除大顆粒懸浮物,調節池內設置潛水攪拌機,減少污泥沉降,同時在調節池內底板設置一定坡度,并在最低點設計排泥井,可定期對調節池進行排泥。

            (2)UASB厭氧罐。2座,每座有效容積2 700 m3,規格為D 15 m×17 m。系統處理水量Q為700 m3/d,UASB液位高度15.8 m,沉淀區高度1 m,三相分離器沼氣層高度0.8 m,單體分配流量14.6 m3/h,單體內循環流量162~250 m3/h,單位COD產氣率0.45 m3/kg,產氣量14 742 Nm3/d,單位COD容積負荷≤6.63 kg/(m3·d),污泥MLSS產率0.05 kg/kg(以COD計),總泥SS產量2 047.5 kg/d,水力停留時間7.7 d。

            (3)中沉池。1個,實際沉淀區設計規格6.5 m×5.5 m×9.5 m,設計有效液位8.8 m,設計泥斗高度2.0 m,有效容積243 m3,沉淀時間8.3 h,表面積負荷1 m3/(m2·h),沉淀區表面積30 m2。

            (4)MBR系統。包含一級A/O系統、二級A/O系統、超濾系統。

            一級A/O系統。反硝化段(缺氧段)包括2座小池體,尺寸分別為12 m×11 m×9.5 m、6 m×3.5 m×9.5 m,有效液位8.0 m,有效容積1 776 m3,設計水力停留時間47.3 h。硝化段(好氧段)容積尺寸12 m×11 m×9.5 m,4座,有效液位8.0 m,有效容積4 224 m3,設計水力停留時間112.6 h。一級A/O實際污染物的BOD5去除負荷0.057 kg/(kg·d)(以MLVSS計)。

            二級A/O系統。反硝化段(缺氧段)容積尺寸12 m×5.5 m×9.5 m,2座,有效液位8.0 m,有效容積1 056 m3。設計水力停留時間28.1 h。硝化段(好氧段)容積尺寸12 m×12 m×9.5 m,2座,有效液位8.0 m,有效容積2 304 m3,設計水力停留時間61.4 h。二級A/O實際污染物的BOD5去除負荷0.031 kg/(kg·d)(以MLVSS計)。

            MBR生化系統污泥齡設計為26 d。射流曝氣形式,清水氧利用率為40%以上,總曝氣量168.7 m3/min?;亓髦饕譃橐患堿/O系統內回流:包括連續的硝化液與厭氧進水換熱后的回流(回流比6.4)、間歇的冷卻污泥回流(回流比>20);二級A/O系統內回流:超濾系統濃液回流(回流比8)。好氧工藝溫度的控制方法:先與厭氧系統進水進行換熱冷卻,不足條件下與冷卻塔運行產生的冷媒進行換熱冷卻,通過在線溫度監測控制換熱冷卻量。

            超濾系統。采用外置管式超濾膜,設計處理水量1 000 m3/d,設計套數6套,單套環路設計D 26.66 cm×3 m的管式UF膜5支,實際膜通量55.8 L/(m2·h),實際膜面積816 m2,超濾最大操作壓力為0.8 MPa。超濾進水前配置2套多袋式過濾器,流量范圍0~200 m3/h,過濾孔徑為600 μm,材質SUS304。

            (5)納濾系統。采用卷式納濾膜,設計處理水量1 000 m3/d,設計套數3套,采用膜支數30支,單段設置2支耐壓膜殼,每支膜殼內設有5支卷式納濾膜元件,單套系統總膜面積為1 020 m2,設計清液產率80%。實際膜通量13.8 L/(m2·h),實際膜面積1 020 m2。設計運行壓力1~2 MPa,回收率80%。

            4 運行效果

            本工程于2018年10月調試完畢至正式運行以來,混合污水處理站處理效果穩定,處理后的出水達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)表2要求后排入市政污水管網或回用。

            目前混合污水處理站高峰時期超負荷運行,實際平均進水量為698 m3/d,其中滲濾液、沼液、污泥壓濾液、動物無害化污水平均進水量分別為462、145、20、42 m3/d。通過公司例行監測和第三方監測,出水水質穩定達到設計標準,監測結果見表2。

            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            5 社會環境及經濟效益分析

            5.1 社會環境效益分析

            本工程中混合工業污水的處理處置是以保護生態環境、治理環境污染為目的,項目運行后降低了產業園污染物總體排放量,為節能減排貢獻巨大力量。產生的中水回用,有效降低了水資源的消耗,減少了滲濾液給環境帶來的污染問題,實現了滲濾液、餐廚沼液、動物無害化污水、污泥壓濾液無害化、減量化處理,具有巨大的環境效益。

            自2018年10月正式運行以來,截止到2021年4月,共處理污水61.52 萬t,其中滲濾液處理量39.76 萬t,餐廚沼液處理量15.52 萬t,動物無害化污水處理量3.98 萬t,污泥壓濾液處理量2.25 萬t。COD、氨氮、總氮排放量分別減少16 719、1 015、1 288 t。

            5.2 經濟效益分析

            生態循環產業園混合廢水協同處置模式與各類型污水單獨建廠處置相比,降低了土建和設備投資,噸水處理成本降低,節省了碳源、酸堿成本,具有明顯的經濟效益。

            5.2.1 單獨建廠與協同處置投資比較

            若餐廚垃圾、生活垃圾、脫水污泥、動物尸體4類固廢單獨建設處理廠,產生的污水需建立獨立處理設施4套。建立生態循環產業園共同處置4種固廢,產生的4類污水協同處置,共用1套處理系統。與單獨建廠相比,協同處置模式4種污水共用MBR處理系統與納濾處理系統,生化系統土建基礎費用及MBR系統和納濾系統的設備投資費用大大降低。

            與單獨建廠相比,協同處置土建投資節省690萬元,設備投資節省4 203萬元,噸水處理成本節省43元。具體內容見表3。

            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            5.2.2 單獨建廠與協同處置耗材藥劑成本比較

            垃圾滲濾液與餐廚沼液協同處理,垃圾滲濾液提供餐廚沼液碳源補給,兩者pH相互調配,無需投加碳源和純堿。根據本工程建設前污水一期實踐數據可知,與單獨建廠相比,協同處置可節省碳源成本258 萬元/a,純堿成本23 萬元/a。垃圾滲濾液與污泥壓濾液協同處理,剩余污泥通過管道直接輸送到污泥無害化處理中心,節省污泥運輸費用46 萬元/a。

            若壓濾液單獨處理,不與滲濾液等協同處置,因壓濾液pH在11~12之間,必須在壓濾液pH調節池中投加酸,才能使壓濾液的pH適合MBR系統中的微生物生長。

            污水協同處置后,壓濾液進入MBR系統與處理量較大的滲濾液混合后,混合液pH在8~9之間,無需在pH調節池額外投加藥劑,降低酸成本130萬元/a。具體內容見表4。

            生態循環產業園混合工業污水處理工程實例

            6 結 語

            (1)本工程采用“預處理系統(格柵+調節池)+厭氧系統(UASB+中沉池)+MBR系統(兩級A/O+外置管式超濾)+納濾系統”工藝處理生態循環產業園混合工業污水,處理效果良好且穩定,出水各項指標達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)表2要求,此工藝可應用于類似生態循環產業園混合污水處理實踐中。

            (2)本工程實現滲濾液、餐廚沼液、動物無害化污水、污泥壓濾液無害化、減量化處理,具有巨大的環境效益。

            (3)生態循環產業園混合廢水協同處置模式與各類型污水單獨建廠處置相比,降低了土建和設備投資,噸水處理成本降低,具有明顯的經濟效益。

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