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，排水水質需要符合切薩皮克灣流域的相關法律規定，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。設計處理量為7500噸/天，實際處理量為3780噸/天。增設石灰投加系統提供堿度，除磷采用聚合氯化鋁化學沉淀。

▲ 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。雖然現在的日處理量僅為設計流量的一半，但是隨著日處理量逐漸加大，水廠已經開始顯現一系列的問題：

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

（2）設計進水流量峰值是平均流量的三倍，但監測到的實際進水流量峰值是平均流量的六倍。導致在峰值流量階段，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計值，原始設計最低水溫為12℃，但實際監測到的冬季最低水溫只有9.1℃。

再次升級改造的需求

根據馬里蘭洲環保局出臺的最新要求和《切薩皮克灣流域恢復法》的規定，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區域的擴容，也準備將水廠的處理能力擴大到17000噸/天。

在內外因的綜合影響下，馬里蘭洲環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有工況下達到新規中對氮磷的要求。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，導致硝化反應無法充分進行。同時，現有的砂濾工藝也不滿足處理需求。在中試過程中還發現，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）每個反應器內增設備用鼓風機

新方案評估和設計

污水廠的提標改造需要考慮兩個重點，一是滿足新規對排水中氮磷營養物的限定，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：新建兩座曝氣反應池和兩座澄清池，將現有的砂濾池更改為深床反硝化濾池。

方案二：用膜過濾系統（MembraneFiltration System，MFS）替代現有的澄清池和砂濾池，改建現有的曝氣反應池，將整體污水處理系統改為一座膜生物反應器（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，從而延長好氧泥齡，確保硝化反應充分進行。除此之外，新建一座具有投碳系統的深床反硝化濾池。

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，最佳方案應是方案二。因為膜過濾系統可以接受雙倍于Carrousel氧化溝的進水負荷，相當于雙倍延長污泥齡，雙倍擴容現有的處理單元。有效解決了在有限的地域內，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。為了強化系統的脫氮能力，現有的好氧消化區在反應器末端改造為一段轉換區。保留化學法除磷。考慮今后水廠將擴容至17000立方 / 天，在每個Carrousel氧化溝前端增設預缺氧區，以減少除磷的化學藥劑需求。將澄清池和砂濾池改為兩套MFS膜系統，并額外增加兩套MFS膜系統以應對進水大流量的突發情況。

 

▲ NERA污水處理廠改造工藝布置圖

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

▲ NERA污水處理廠的升級設計標準

工程改造和啟動

原有系統的兩套氧化溝分兩批次進行改建。第一批系統改建時，保留一條Carrousel氧化溝和澄清池繼續運行。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系統同時啟動。接下來，開始第二批系統改建，第二批系統于2016年4月6日投入運行。第一批改建后的氧化溝在歷經第一個冬季時，硝化反應運行完全正常，反硝化反應運行基本正常。表2反映了新系統的初始運行數據，啟動時，MLSS為5000mg/L，到第二年4月時，MLSS升至設計值8000mg/L。

 

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

▲ 污水廠運行之初的進出水數據

最新動向

2017年，馬里蘭洲出臺《2018年度能源水基礎設施計劃》，馬里蘭洲環保局將在2018年內向全洲撥款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，預計完工之后，太陽能光伏板的年發電量為8萬千瓦時，可以滿足本廠5%的電力需求。

總結

“Carrousel五級氧化溝+膜過濾系統（MSF）”的工藝組合在北美地區非常少見，在切薩皮克灣地區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（MSF）”的工藝組合進行升級改造，新工藝于2015年底投入使用，實際運行數據表明，該工藝組合完全可以實現新規中總氮＜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，因為設計和施工時已經進行了預留，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

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來源 ：國際水協會（IWA）官網 www.iwa-network.org

合流管渠設計流量計算探討（續）

來源 ：小光ELearn給排水

昨天文章發出去后，和部分同行交流了下，發現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《室外排水設計規范》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。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，老城區的截污水作為集中流量加入。但污水管必須按非滿流設計，所以不對。

選項B和D：認為1-2為合流管，但合流管應按滿流設計，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計d900的排水管道試試，看業主和評審會上專家什么反應）

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。