FCR工艺用于城镇污水处理厂提标改造工程.pdf

书书书 FC 工艺用于城镇污水处理厂提标改造工程 张显忠 1， 2 ( 1 同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092;2 上海市城市建设 设计研究总院，上海 200125) 摘要: 针对上海市吴淞污水处理厂现状进出水水质的特点， 结合提标要求及周边环境， 通 过对现状污水厂进行分析及工艺比选， 推荐提标改造工程采用食物链反应器 FC( Food Chain e- actor) 技术， 具有占地面积小、 污泥产量少等优势。总结了该工艺的详细流程、 设计优化、 各工段设 计参数、 工程创新点等， 展望了该技术在国内污水处理中推广运用的前景及研究和发展的方向。 关键词: FC 技术; 城镇污水处理; 多级接触氧化; 脱氮除磷 中图分类号:X703 1文献标识码:C 文章编号:1000 4602( 2016) 04 0035 05 Application of FC Process in Upgrading and econstruction Project of Urban Sewage Treatment Plant ZHANG Xian- zhong1， 2 ( 1 State Key Laboratory of Pollution Control and esource euse，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2 Shanghai Urban Construction Design and esearch Institute，Shanghai 200125，China) Abstract: According to the characteristics of current influent and effluent quality of Shanghai Wu- song WWTP，combined with the upgrading requirements and the surrounding environment，the current processes used in the plant were analyzed and compared with other processes It was recommended to a- dopt the food chain reactor ( FC)technology with small footprint，less sludge production and other ad- vantages in the upgrading and reconstruction project The detailed process of the technology，design opti- mization，design parameters of each unit process and project innovations were summarized The populari- zation and application prospects of the technology in domestic sewage treatment and the directions of its research and development were expounded Key words: FC technology; urban sewage treatment; multistage contact oxidation; nitro- gen and phosphorus removal 目前， 上海市共有 53 座城镇污水处理厂， 总设 计能力为 684 05 104m3/d; 上海市“十二五” 水污 染指标要求， COD、 氨氮排放量分别削减 10 5% 和 129%; 计划有 30 座城镇污水处理厂需实施提标改 造， 出水水质指标达到一级 B 或一级 A 标准。由于 现有中心城区污水处理厂普遍用地紧张， 厂界紧邻 居民住宅， 故提标改造难度很大。 以吴淞污水处理厂为例， 现状规模为 4 104 m3/d， 紧邻国际邮轮码头， 周边区域环境要求高， 提 标可用地很少， 提标改造必须考虑水质、 气体、 污泥、 噪声、 景观全面达标， 所以必须拓展思路， 力求寻求 更高效、 更有效的处理技术， 实现保量提标， 改造过 程不停水、 不减质。 1设计水质及工艺流程 1. 1设计进、 出水水质 对污水处理厂历年进水水质资料进行频率分 53 第 32 卷第 4 期 2016 年 2 月 中 国 给 水 排 水 CHINA WATE WASTEWATE Vol 32 No 4 Feb 2016 析， 有机物和 SS 可采用 85%保证率， 即全年 85% 天 数都不超过的值; 营养物采用 90% 保证率， 即全年 90%都不超过的值。同时考虑今后的波动以及水质 浓度提高后对整个处理系统的容积需求， 设计出水 水质近期执行一级 B 标准， 总氮和氨氮按一级 A 校 核， 主要参数见表 1。 表 1主要设计进、 出水指标 Tab 1Design influent and effluent quality 项目 进水量/ ( m3d 1) COD/ ( mgL 1) BOD5/ ( mgL 1) SS/ ( mgL 1) NH3 N/ ( mgL 1) TN/ ( mgL 1) TP/ ( mgL 1) 平均值38 567470 8222 05291 6437 7453 87 0 最小值20 450218 5117 0196 0028 142 33 4 最大值44 2801 188 5585 0762 0054 671 218 0 85%保证率41 025 560290397 0041 557 17 8 90%保证率41 240 620315426 0045 359 28 2 下水道 纳管标准 50035040045708 原设计进水40 00040020017045606 5 设计进水40 00056029040045608 设计出水40 0006020208( 15)201 1. 2FC 工艺优势 食物链反应器 FC( Food Chain eactor) 工艺由 一系列串联布置的生化反应器组成( 见图 1) ， 利用 生化反应器中的固定生物膜和悬浮生物降解进水中 的污染物质。参与生化降解的微生物体主要是附着 在自然植物根系和工程化生物填料上， 仅有很少一 部分为悬浮状态。该工艺的显著特征是， 生化反应 池被美观的外部结构( 阳光棚) 覆盖， 以保护其中的 “植物园” 。 植物根系组成的 生物膜载体 温室结构 中央控制系统 人造纤维填料 底部曝气系统 图 1 FC工艺示意 Fig 1Schematic diagram of FC process 进水流经 FC 各反应单元， 有机物质和营养盐 ( 碳、 氮、 磷等) 被微生物消耗或转化。由于有机物 和营养盐以及溶解氧浓度的不同， FC 各反应器单 元中的生态系统的组成也各不相同( 见图 2) 。最终 使得各反应器单元形成与其生态条件及其匹配的生 态系统， 以到达最大的处理效率。 由于生物固体主要为固定生物膜， 悬浮固体的 浓度大为减少。低的悬浮固体浓度降低了反应器中 液体的粘度， 减少了搅拌能耗。同时， 低粘度的液体 能提高氧在水体中的传递效率， 提高了曝气效率。 由于植物根系的特性和生物膜载体的布置， 自然及 工程化载体上的生物膜呈现特殊结构， 提高了反应 器中生物固体浓度。一般而言， 生物固体浓度可以 达到8 15 kg/m3， 是传统活性污泥系统的3 5 倍， 且生物总量从传统的 800 多种到 3 000 多种。同时 在 FC 工艺中， 悬浮状态微生物只占很少一部分， 从而减少了丝状菌的生长机会， 也就不会产生污泥 膨胀。同时由于固定生物膜的原因， 大流量时的污 泥流失也不会发生。 过道与植物支撑栅栏 活性污泥 800种 35 g/L 人造植物树根 植物 多种 根系区 (1.5 m) 微气泡曝气 1012 g/L 图 2 FC工艺组合结构 Fig 2Structure of FC process 1. 3工艺方案比选 从吴淞厂现状运行情况看， 主要出水指标如 COD、 BOD5等可基本满足一级 B 排放标准， 但 TP、 NH3 N 及 TN 不能达标， TP 通过现状加药， 基本可 以控制达标。因此， 吴淞污水厂提标改造重点在于 63 第 32 卷第 4 期中 国 给 水 排 水www watergasheat com 脱氮， 设计中选择了三个方案进行对比， 具体如表 2 所示。 表 2污水处理厂方案比较 Tab 2Comparison among schemes 项目 方案一: A2 /O 工 艺减量 + 扩建 方案二: A2/O 减量 + MB 扩建工艺 方案三: FC 工艺 工艺路线减量提标减量提标保量提标 实施内容较多较多较少 工程投资较高较高较低 运行费较高较高较低 施工周期较长较长较短 污泥量最大较大最少 环境影响较大较大较小 提标难度较难较难较易 征地/hm20 5 0 25无 综合比较来看， FC 技术颠覆了传统污水处理 厂建设形式， 在国内外已有多个成功案例。其使用 根须结构作为生物膜载体， 使系统中微生物的多样 性大幅提高( 系统中的生物种类大于 3 000 种， 而活 性污泥中一般只有600 800 个物种) 。提高生物多 样性后， 可创造一个高度稳定的处理系统并适应污 水进水负荷的意外变动。 该工艺占地面积比活性污泥法减少 60% 以上; 运营成本少 30%以上; 耐冲击负荷; 污泥产量少; 操 作维护容易; 景观效果好， 兼顾改造的难度、 臭气整 治 1 。今后提标与一级 A 衔接可操作性强， 且节约 土地资源， 总体来看 FC 工艺方案比较适合吴淞污 水处理厂提标， 可将原有处理设施综合利用， 具有显 著的技术适用性和经济可行性。 1. 4推荐工艺流程 改造工艺流程见图 3。 进水 预处理预氧段缺氧段好氧段 混合液回流 二沉池 污泥处理 污泥处置 深度处理 出水 图 3 FC工艺流程 Fig 3Flow chart of FC process 流程如下: 粗格栅及提升泵房( 已建改造利用) 细格栅及曝气沉砂池( 已建改造利用)初沉池 ( 加盖除臭， 景观美化)AAO 池( 更换曝气系统， 改 造为 FC 好氧反应池)二沉池( 已建利用)紫 外线消毒( 已建改造利用)出水泵房( 已建利用) 排放长江。 2现状设施主要问题分析 城镇污水厂提标改造首要原则是需对现有设施 进行统筹分析， 尽量做到充分利用原有构筑物， 减少 废弃设施。 2. 1曝气系统 现状曝气方式为中层曝气， 曝气装置为中层曝 气筒， 氧利用率仅 10%， 由于气泡较大及曝气深度 浅等原因， 鼓风机产生的绝大多数氧来不及溶解于 水中就释放到大气中了。氧利用率低导致的高气水 比增加了运行电耗， 与同等工况下底层微孔曝气方 式相比， 中层曝气方式需多耗电 25% 左右。另外， 中层高强度曝气导致活性污泥结构松散， 难于沉淀 分离， 高污泥沉降比大大增加了出水 SS 及其他指标 超标的风险， 出水氨氮常年为 10 25 mg/L， 因此改 造现有曝气系统势在必行。 2. 2上清液除磷设施 现有化学除磷装置主要是降低重力浓缩池富磷 上清液回流至进水泵房后对进水 TP 的影响， 从而 降低整个生物系统的磷负荷， 确保整体系统的除磷 效率。 实际运行过程中， 存在以下问题: 投药范围未 包括污泥脱水滤液， 导致约 400 500 m3/d 的富磷 滤液直接回流至进水泵集水井。投药点位置设在 浓缩池上清液处， 投药后， 未设分离装置， 直接回流 至进水泵房集水井， 又回到系统循环中， 导致大量的 磷在系统内重复循环。运行过程中， 通过出水的 磷浓度来指导调整化学除磷装置的运行及投药量， 控制不精确且有较大滞后性。现有的运行模式较为 粗放， 不能做到精确控制， 改造现有加药系统势在必 行。 2. 3污泥脱水系统 脱水机存在两方面问题， 一方面处理能力下降， 设计处理能力为 35 m3/h， 现实际处理能力为 20 m3/h， 若加大处理量， 则出泥含水率及回收率均下 降。而且即便是处理量在 20 m3/h 左右， 出泥含水 率能勉强维持在 80%左右， 回收率勉强维持在 70% 左右， 脱水机腐烂严重， 建议更新。另一方面， 药耗 较高， 达到了 8 10 kg/tDS 或 12 15 kg/104m3。 改造现有脱水系统势在必行。 2. 4除臭处理系统 现有除臭设备为简易封闭加喷淋植物提取液 73 www watergasheat com张显忠: FC 工艺用于城镇污水处理厂提标改造工程第 32 卷第 4 期 法， 效果较差， 难以达到新要求， 故需提标改造。 3工程方案设计 3. 1预处理设施改造 从现状设施存在的问题来看， 粗格栅及细格栅 需更换， 此外， 为了确保 FC 工艺稳定运行， 将细格 栅改换为精细格栅， 以减少栅渣对后续工艺的影响。 改造现有链板式曝气沉砂池为吸砂式曝气沉砂池， 土建改动尽量利用现有设施， 更换相关设备。 由于该厂进水浓度较高， 维持现有初沉池功能， 进一步增加无机物的去除， 减少后续污染负荷及冲 击负荷。 紫外消毒系统需更换现有灯管设施， 强化消毒 能力。 3. 2FC 生物池设计 通过自然和人工方法构建水生态食物链， 利用 附着在植物根系和载体表面的微生物、 原生动物以 及微型动物去除污水内的 COD、 BOD5、 TN、 NH3 N、 TP 等污染物 2 。 将现有生物池改造为 FC 池， 共分 5 格， 单组 每格池子容积分别为 1 691、 1 691、 1 688、 1 688、 1 955 m3; 控制有效水深为 7 m， 人造生物模块面积 分别为26 395、 26 395、 26 395、 26 395、 30 523 m2 ; 单 座缺氧池池容为 1 691 m3， 停留时间为 2 03 h; 单座 好氧池池容为 7 022 m3， 停留时间为 8 42 h; 总体积 为 8 713 m3， 总停留时间为 10 45 h。其 MLSS 折算 后分别达到 12 3、 11 7、 11 3、 11 2、 11 1 g/L; 污泥 龄 ST 50 d， 产泥率约为 0 79 kgMLSS/kgBOD5， 混合液回流比设计为 200%， 高峰供气量为 17 674 m3/h。 生化池单位面积曝气强度见表 3。 表 3生化池单位面积曝气强度 Tab 3Aeration intensity per unit area of biochemical tank 项目1#反应区2#反应区3#反应区4#反应区5#反应区 有效面积/m2241 5241 5 241241279 空气量/( m3h 1) 383 6052 075 2 7701 555 2 1851 285 1 825870 1 740 单位面积曝气量/( m3m 2h1) 1 58 2 518 59 11 476 45 9 075 33 7 573 11 6 24 3. 3鼓风系统设计 利用原工程已建的鼓风机房， 原先由于采用中 层曝气， 鼓风机风压不能满足改造后底曝要求， 为此 拆除 4 台现有鼓风机， 采用分组对应的风机供气方 式， 为节省电耗， 降低常年运行费用， 减少噪声， 经对 各类型鼓风机比较， 确定采用空气悬浮离心鼓风机。 由于缺氧区需氧量较少， 为便于分区风量控制， 辅助一台罗茨风机， 最终大小搭配为 6 台风压为 85 kPa 的鼓风机( 75 m3/min， 4 用 1 备; 1 台 20 m3/ min) ， 并为实际运行控制做好衔接， 分别针对 1#、 2 #、 3#、 4#、 5#FC 池， 采用线性控制阀控制气体流 量， 用以满足 FC 池的风量风压要求， 曝气管有机 结合生物池填料区布置。 3. 4植物布局设计 FC 工艺中， 植物根系是理想的生物膜载体。 植物根系提供的表面积远远大于人造载体的表面 积， 可以产生较高的生物固体浓度; 植物根系不会堵 塞， 减少了操作风险; 植物根系会释放各种有机酸， 可以被生物膜利用， 当进水中有机负荷较低时， 生物 膜可以凭借这些有机酸存活， 保证了负荷恢复时能 及时恢复处理能力; 植物可以传输氧气至其根部， 增 强了生物膜的活性; 植物根系为那些生长缓慢的微 生物种类提供了较好的场所， 例如硝化菌和真核微 生物。 FC 工艺选用当地植物种类， 适宜于污水中生 长， 以灌木为主。FC 反应池上植物生长面积不小 于生化反应区域总面积的 20%。FC 池种植植物 名录主要如下: 菖蒲( 白菖蒲) 、铁线蕨( 铁丝草) 、 欧洲桤木( 黑桤木) 、 海芋( 象耳芋) 、 紫穗槐( 沙漠紫 穗槐) 、 芦荻( 芦竹) 、 美人蕉( 昙华) 、 垂草( 下垂莎 草科) 、 泽生苔草( 大塘莎草) 、 苔草青冈( 木莎草) 、 欧洲林地莎草、 光杆轮伞莎草( 窗帘棕榈/窗帘莎 草) 、 全缘贯众( 日本冬青) 、 曼陀罗花( 山茄子) 、 柳 叶榕( 长叶榕) 、 常春藤、 长春花、 萱草( 黄花菜) 、 美 国红梣( 洋白蜡树) 、 黄菖蒲( 黄鸢尾) 、 玫瑰、 龟背竹 ( 怪物水果) 、 香蕉( 大吉岭香蕉) 、 黄槽竹、 紫竹( 黑 竹) 、 灰毛柳( 灰柳) 等。优化后的 FC 生物池较好 地做到了分区布置， 填料和植物的衔接最大限度地 结合了现有池型。 此外， 考虑冬天低温季节， 配套了现代化阳光棚 设施， 保证植物常态化生长。 吴淞污水厂设计效果图见图 4。 83 第 32 卷第 4 期中 国 给 水 排 水www watergasheat com 图 4吴淞污水厂 BIM 设计效果图 Fig 4Effect view of Wusong WWTP based on BIM 4设计创新点总结 采用 BIM 全流程设计， 对新老设备更换提 供了良好的指导， 规避了传统设计的一些问题， 也为 整体效果提供了良好的展示。 采用微负压通风设计， 边送风边抽风离子 除臭， 减少了除臭处理风量， 加强了除臭效果， 更环 保节能。 首创活性污泥模型和空气管网在线仿真与 风机实时控制综合集成的系统。通过 OPC 等数据 交换技术实现了活性污泥模型和供气管网空气动力 模型与控制系统间的实时数据交换， 完成系统的综 合集成， 使数学模型从离线状态下的仿真分析走向 在线的控制决策， 功能得到更大的发挥。 采用前馈控制可以通过前置的污染物负荷 在线监测仪表预测污水处理厂处理负荷的变化趋 势， 经与当前处理工况对比， 预测处理负荷变化的影 响， 并给出溶解氧、 内回流比等参数的调整值， 满足 下一时间段内污水处理的要求， 使处理过程平稳。 生物池设计采用进水端设置预缺氧反应， 更利于脱 氮; 出水端内置混凝絮凝区， 减小了溶解氧对药剂的 消耗， 更利于加药量的减少和增强除磷效果。 通过复杂的动态数学模型化方法进行处理 工艺流程设计， 先进精密的模拟演算保证了设计方 案的高效性与经济性。智能过程控制使得高