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新疆阿克苏库车县城东污水处理厂工程污水处理工艺比选及CAST工艺分析

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 320次

摘要:对新疆阿克苏库车县建设的城东污水处理厂,根据其设计规模、进出水质要求等选择污水处理工艺,通过对A2/O工艺及CAST工艺特点进行比选分析,结合本工程实际情况,最终确定采用CAST工艺做为本工程的污水处理工艺。

关键词:污水处理、A2/O工艺、CAST工艺、比选

Comparison of Sewage Disposal Process and  Processing  Analysis of CAST in Xinjiang Aksu Kuche County East Sewage Treatment Plant.Qin Ming-he,(Xinjiang Electric Power Design Institute[Xinjiang Dingyao Engineering Consulting Co.,Ltd.],Urumqi 830002,China).

AbstractBased on the design scale and Import and export water quality requirements of Xinjiang Aksu Kuche County East Sewage Treatment Plant,By Comparison and Analysis for the process of A2\0 and the process of CAST,this paper determine the Process of CAST for Sewage Disposal Process for Xinjiang Aksu Kuche County East Sewage Treatment Plant.

Key words: Sewage Disposal; Process ofA\0; Process of CAST ;Comparison

 

根据库车县城目前城市建设情况及总体规划要求,库车工业发展方向主要集中于县城东侧(东片区)经济技术开发区,开发区东片区远期将有20万m3/d的污水产生量,需选址建设城东污水处理厂用以处理经济技术开发区东片区排水,本文对所采取的污水处理工艺进行了比选,最终选择CAST工艺。

1    污水量预测

1.1  污水来源

城东污水处理厂所属排水系统主要汇流经济技术开发区东片区的工业污水及生活污水。排水体制为不完全分流制排水,生活污水及达到排入城镇下水道水质标准的工业废水均由城市排水管网收集汇流,进入污水处理厂最终处理。

1.1.1 生活污水量预测

根据经济技术开发区东片区人口测算及县城给水定额指标,确定开发区东片区生活污水量计算如表1:

表1            开发区东片区近、远期生活污水量计算表

规划范围

近期

远期

人口(万人)

人均生活污水量定额L/·d

生活污水量(万m3/d

人口

(万人)

人均生活污水量定额L/·d

生活污水量(万m3/d

开发区东片区

1.5

130

0.20

2.5

150

0.38

 

1.1.2 工业污水量预测

依据开发区东片区现有工业企业污水量调查资料及未来入驻企业的发展规划、规模、用地指标、工业用水量预测数据、排放系数等因素,对开发区东片区工业污水量计算如表2:

表2             开发区东片区近、远期工业污水量计算表

规划范围

近期

远期

工业用地面积(hm2

工业

用水量

(万m3/d

排放率

工业

污水量

(万m3/d

工业用地面积(hm2

工业

用水量

(万m3/d

排放率

工业

污水量

(万m3/d

开发区东片区

452.6

6.25

75%

4.69

2124.9

29.32

66%

19.35

 

1.1.3 总污水量预测

综合前述计算,经济技术开发区东片区合计污水量如表3:

表3             开发区东片区近、远期污水量计算表

规划范围

近期

远期

生活

污水量

(万m3/d

工业

污水量

(万m3/d

合计

污水量

(万m3/d

生活

污水量

(万m3/d

工业

污水量

(万m3/d

合计

污水量

(万m3/d

开发区东片区

0.20

4.69

4.89

0.38

19.35

19.73

设计取整

-

-

5.00

-

-

20.00

 

2    污水厂设计

2.1  设计规模

根据以上计算,城东污水处理厂近期设计规模为5万m3/d,最终设计规模为20万m3/d。

2.2  设计进水水质

根据开发区东片区现有企业排水水质情况,并参考现有新城污水处理厂运行收集的水质资料分析,排水系统污水以工业污水量为主,污水中CODcr、SS等水质指标较大,而BOD5指标较城市污水相对较小。水质中主要特征污染物为石油类、氨氮、动植物油、挥发酚、硫化物、氰化物等,主要的涉重因子包括砷、汞、镉、铅、镍、六价铬等,根据国家相关标准要求:凡含有第一类污染物的,应在车间处理装置处置达到《污水综合排放标准》(GB8798-1996)[1]后排放,企业总排口应满足GB8798-1996三级标准要求。同时应满足《污水排入城镇下水道水质标准》(CJ343-2010)[2]后方可排入开发区污水管网,本工程进水水质预测确定如表4:

表4                城东污水处理厂进水水质表

水质指标

pH

CODcr

SS

NH3-N

BOD5

TP

最低温度

石油类

动植物油

浓度(mg/L

6~9

500

350

35

160

6.5~8.0

15℃

20

100

水质指标

总汞

总镉

总铬

六价铬

总砷

总铅

硫化物

氟化物

挥发酚

浓度(mg/L

0.02

0.1

1.5

0.5

0.5

1

1

20

1

 

2.3  设计出水水质

根据国家及当地环保标准及具体要求,并参照库车县新城污水处理厂建设管理情况,处理后污水用于下游生态林建设,因此,确定库车县城东污水处理厂排水标准采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)[3]中的二级标准,即污水厂出水主要控制水质指标见表5:

表5             城东污水处理厂出水控制水质表

水质指标

BOD5

CODcr

SS

NH3-N

TP

pH

浓度(mg/L

≤30

≤100

≤30

≤25

≤3

6~9

水质指标

总汞

总镉

总铬

六价铬

总砷

总铅

浓度(mg/L

≤0.001

≤0.01

≤0.1

≤0.05

≤0.1

≤0.1

 

3    处理工艺比选及确定

根据污水厂的污水来源分析,本工程处理污水主要为工业废水,其主要水质特点是可生化性较差,BOD/COD约为0.32,其废水的水质随季节、生产品种的变化而复杂多变,水量变化亦较大,因此简单的传统活性污泥法处理工艺难以承受水质、水量冲击负荷的影响,造成处理装置处理效果降低,装置能耗高,运行费用过大,且不能达到排放标准的要求。因此,本工程污水处理工艺应选择具有降C、脱N、除P功能的,并具有较强抗冲击能力的二级生物处理工艺。

根据本工程污水处理的特点,延时曝气工艺具有较强的适应性。所谓延时曝气,即长时间曝气活性污泥法,该法污泥负荷低,污泥龄长,具有去除率高,污泥量少等特点。

综上所述,本工程拟采用延时曝气生物脱氮除磷处理工艺。同时,为改善污水的可生化性,为后续的好氧生物处理创造条件,在好氧处理前设置水解酸化池,通过厌氧菌的作用将大分子难降解物质分解为小分子物质,提高污水的可生化性。

延时曝气生物脱氮除磷处理工艺目前较常用的主体工艺是改良A2/O法、ICEAS法、CAST法等,本工程拟选择改良A2/O法、CAST法两个工艺流程方案作为工艺比选方案。改良A2/O法和CAST法的主要不同部分是生化部分,改良A2/O 法为改良A2/O生化池+二沉池;CAST法是CAST生化池,其他部分在污水处理厂的设计中基本相同,具体比较说明如下。

3.1  改良A2/O法(方案一)

A2/O法工艺为厌氧-缺氧-好氧法(Anaerobic-Anoxic-Oxic,简称A2/O),在厌氧—好氧除磷工艺中加一缺氧池,将好氧池流出的一部分混合液回流至缺氧池前端,以达到硝化脱氮的目的。A2/O法同步除磷脱氮机制由两部分组成:一是除磷,污水中的磷在厌氧状态下(DO<0.3mg/L),释放出聚磷菌,在好氧状况下又将其更多吸收,以剩余污泥的形式排出系统。二是脱氮,缺氧段要控制DO<0.5mg/L,由于兼氧脱氮菌的作用,利用水中BOD作为氢供给体(有机碳源),将来自好氧池混合液中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气逸入大气,达到脱氮的目的。

首段厌氧池,流入原污水及同步进入的从二沉池回流的含磷污泥,本池主要功能为释放磷,使污水中P的浓度升高,溶解性有机物被微生物细胞吸收而使污水中BOD浓度下降;另外,NH3-N因细胞的合成而被去除一部分,使污水中NH3-N浓度下降,但NH3-N含量没有变化

在缺氧池中,反硝化菌利用污水中的有机物作碳源,将回流混合液中带入的大量NH3-N和NH2-N还原为N2释放至空气,因此BOD5浓度下降,NH3-N浓度大幅度下降,而磷的变化很小。

在好氧池中,有机物被微生物生化降解,而继续下降;有机氮被氨化继而被硝化,使NH3-N浓度显著下降,但随着硝化过程使NH3-N的浓度增加,P随着聚磷菌的过量摄取,也以较快的速度下降。所以,A2/O工艺它可以同时完成有机物的去除、硝化脱氮、磷的过量摄取而被去除等功能,脱氮的前提是NH3-N应完全硝化,好氧池能完成这一功能,缺氧池则完成脱氮功能。厌氧池和好氧池联合完成除磷功能。

在好氧池的活性污泥中能积累磷的微生物,可以大量吸收溶解性磷,把它转化成不溶性多聚正磷酸盐在体内贮存起来,最后通过二次沉淀池排放剩余污泥达到系统除磷的目的。

改良A²/O法主要包括粗格栅间、细格栅间、沉砂间、初沉配水井、初沉池、A2/O反应池、二沉池、污泥泵池、贮泥池、污泥脱水间、鼓风机房等设施。污水处理工艺流程框图见图1。

污水经预处理水解初沉后先进入厌氧区,聚磷菌释放出磷,然后进入缺氧区,大量的硝化液在缺氧状态下产生反硝化作用,释放出氮气,起到良好的脱氮作用。经脱氮的废水进入好氧区,活性污泥在好氧情况下起硝化反应,并过量吸收废水中的磷,富集磷的剩余污泥排出系统,带走大量的磷,从而达到除磷的效果。在缺氧区和好氧区,大量有机污染物也同时得到有效的去除,终沉池出水后外排。

本工艺的主要特征是:

(1)脱氮与除磷同步进行,构筑物功能明确。

(2)缺氧与好氧交替运行,丝状菌增殖繁衍受到抑制,无污泥膨胀之虞。

(3)脱氮效果受混合液回流比大小的影响,除磷效果则受回流污泥中夹带DO和硝酸态氧的影响,因而脱氮除磷效率不可能很高。

(4)在同时脱氧除磷去除有机物的工艺中,该工艺流程最为简单,总的水力停留时间也少于同类其他工艺。

CAST法称为循环式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology,简称CAST),该工艺的核心为间歇式反应器,在此反应器中按曝气与不曝气交替运行,将生物反应过程与泥水分离过程集中在一个池子中完成,属于SBR工艺的一种变形[4],是在SBR工艺的基础上改进的一种新工艺,它比传统的SBR系统增加了选择器和污泥回流设施,并对时序做了一些调整,从而大大提高了工艺的可行性及效率。经过国内外多年的实践运行并不断调整,如今已经是一种技术成熟、运行稳定的污水处理工艺,广泛应用于城市污水和各种工业废水的处理。采用CAST工艺处理废水时,废水按一定周期处理,每一个循环由充气/曝气、充水/沉淀、撇水、闲置四个阶段组成,不断重复循环。

CAST工艺特点[5]

(1)出水水质好,有机物去除率高,具有良好的除磷脱氮效果,BOD去除率达到95%;

(2)对冲击负荷的适应性强,适于水质、水量变化较大的中、小污水处理厂,也适应高浓度污水处理;

(3)活性污泥性能好,因设有回流系统,在厌氧区有效地抑制了丝状菌的大量繁殖,克服了污泥膨胀;

(4)能耗低,CAST技术是一种延时曝气系统,氧利用率高,运行费用低;

(5)运行灵活可靠,可以根据水质、水量进行调整,方便灵活;

(6)投资和占地面积小,没有初沉池、二沉池和刮泥系统,因而减少了用地和投资。

总体看来,CAST工艺对TN的处理效率普遍低于NH3-N的处理效率,主要的限制因素是回流比和污泥龄。在传统运行模式下,回流比越高,回流到缺氧区的硝酸盐浓度就越高,反硝化的硝酸盐量就越高,越能充分发挥CAST工艺预反应区的脱氮作用。同样的,泥龄越长,越有利于硝化菌的生长繁殖,从而获得较好的硝化效果。但是在污水处理厂的实际运行中,提高回流比会增加运行成本,而泥龄太长又不利于除磷,因此,好氧区NH3-N的去除速率较快造成硝态氮的积累,从而导致TN的处理效率比NH3-N低[6]

同时,处理水量较大时,由于工艺运行、结构受沉降缝和抗浮等因素的限制,生物处理池的体积每格不宜超过1万m3。当水量增加时,处理单元数也会增加,致使配水、出水、污泥回流和剩余污泥排放等设备随着单元数而增加,大大的提高了实际运行的复杂程度。从自动控制方面看,3万m3/d处理规模的污水厂,氧化沟工艺的I/O数量只需1000点,而该工艺为3000点以上,随着处理单元数量增加,其控制量也将成倍增加。所以,该工艺在规模较大处理厂应用时,应充分考虑该工艺的复杂性,做全面考虑[7]

本工程CAST法工艺主要包括进水控制井、格栅及沉砂池间、旋流沉砂池、水解酸化池、CAST反应池、紫外线消毒间、污泥储池、贮泥池、污泥浓缩脱水间、鼓风机房等设施。CAST法工艺有别于改良A2/O 法工艺部分的主要处理构筑物为CAST生化池,其他部分在污水处理厂的设计中基本相同,污水处理工艺流程框图见图2。

图2     CAST法污水处理工艺流程图

本工程设1组CAST反应池,共8座,每座池子的平面尺寸为46.0m×25.0m,池深6m,最大水深5.0m。反应池分为2个系列,每个系列4组,每组包括厌氧生物选择区、缺氧区、好氧区3部分,各反应区比例为厌氧生物选择区:缺氧区:好氧区=1:5:30。反应池按周期运行,一个周期的时间可根据进水量的变化进行调整,设计为6小时一个周期,每个周期进水及曝气3.5小时,沉淀1小时,滗水1.5小时。进水和排水根据时间和液位控制。每座CAST 反应池内设2台内回流泵,2台剩余污泥泵,1对滗水器。反应池曝气采用盘式曝气器,氧转移效率按20%考虑,同时利用溶解氧测定仪控制溶解氧量。

CAST反应池的循环操作安排如图3。

 

 

 

图3      CAST反应池的循环操作图

3.3  工艺方案的技术经济比较

在上述两个处理工艺系统方案中,各工艺在国内、外均有很多工程实例。从处理效果来看,以上工艺系列均可满足处理要求。但每种处理工艺均各有侧重,在工程特点、使用范围和使用条件上还是存在一定的差别。具体到本工程项目,污水处理工艺的选择应充分考虑技术的可行性,经济的合理性,对污水水质、水量的适应性,运行的稳定性等各种综合影响因素,各处理工艺系列综合特性比较详见表6,综合各比选内容,从技术经济方面结合本工程特点,将方案二(CAST法)做为本工程污水处理推荐方案。

 

 

 

 

 

表6        各处理方案技术经济比较表

序号

内   容

方案一

(改良A²/O法)

方案二

(CAST法)

1

C处理效果

2

N处理效果

3

P处理效果

较好

4

运行可靠性

5

抗冲击负荷

较好

6

操作管理

较方便

管理要求较高

7

构筑物数量

较多

较少

8

机械设备利用率

较低

9

对系统自控的要求

一般

较高

10

出水水质控制

11

污泥量

一般

较少

12

构筑物占地

较大

较小

13

基建投资

一般

稍小

14

工艺流程

较复杂

较简单

15

曝气形式

微孔鼓风曝气

微孔鼓风曝气

16

供氧利用率

17

内回流比

较大

18

工程实例

最多

较多

19

规模适应性

特大、大、中、小型

中、小型

20

土地使用面积

一般

较少

21

估算直接费用(万元)

6858.65

6424.50

 

3.4  CAST处理工艺在寒冷地区的应用实例

CAST工艺在国内的应用已较为普遍,自治区现有应用主要为八钢生活区污水处理厂,2010年投产运行,近期处理规模为2.5万m3/d,排水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准,同时,轮台县城排水改扩建二期工程污水处理将采用CAST生化工艺,目前工程已通过自治区发改委审批,已于2015年建成投产,本工程参考黑龙江绥化市污水处理厂运行效果进行分析,绥化市污水处理厂2010年7月通过验收,9月正式投入运营,主体反应池(CAST池)设计规模为5万m3/d。绥化市处于欧亚大陆东部,黑龙江省中部,属典型的大陆季风气侯,受季风影响,春季干旱,夏季短热,秋季早霜,冬季寒冷 年平均温度2.1℃。极端最高气温为38.3℃,极端最低气温为-41.8℃,平均冰深2.10m。一年中从10月初至第二年的4月下旬,约180d处于低温时期,排水温度一般在11℃左右。

绥化市污水处理厂运行效果详见表7。

 

 

 

表7       污水厂平均进、出水水质及去除效果

月份

平均水温/

项目

COD

BOD5

氨氮

SS

TP

10

13.029.1~17.1

进水水质(mg/L

285.03

118.6

27.62

156

2.27

出水水质(mg/L

51.4

21.3

1.06

10.2

0.34

去除效果(%

81.2

82.0

96.16

93.5

85.0

11

10.027.7~13.4

进水水质(mg/L

284.90

132.1

25.60

134

2.78

出水水质(mg/L

45.8

13.9

0.88

7.9

0.78

去除效果(%

83.9

89.5

96.56

94.1

71.9

12

6.742.1~8.9

进水水质(mg/L

373.5

143.6

25.9

139.8

3.03

出水水质(mg/L

53.07

23.4

1.37

11.1

1.13

去除效果(%

85.8

83.7

94.7

92.1

62.7

1

6.673.1~9.4

进水水质(mg/L

473.6

196.8

26.4

149.8

2.87

出水水质(mg/L

62.73

20.3

0.86

8.9

0.89

去除效果(%

86.7

89.7

96.74

94.1

70.0

 

根据运行实践表明,采用CAST处理寒冷地区城市污水,具有占地小、投资省的优点;CAST工艺用于寒冷地区的城市污水处理厂是可行的。在合理的运行控制条件下,尽管在冬季极端严寒的条件下,CAST工艺系统仍然可以满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准,并能长期稳定运行。

本工程设计处理效果见表8,根据CAST工艺在寒冷地区的城市污水处理厂的运行实例表明(见表7),本工程采用CAST处理工艺可行,出水水质能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)二级标准要求。

表8                    本工程设计处理效果

污染物指标

pH

CODcr

BOD5

SS

NH3-N

TP

设计进水浓度mg/L

69

500

160

350

35

8.0

设计出水浓度mg/L

69

100

30

30

25

3.0

去除率(%

/

80.00

81.23

91.42

28.64

62.33

 

3.5  结论

根据以上技术经济比较,就技术比较而言,以上两个方案各有各的优缺点,就经济比较而言,方案二总投资小于方案一,就运行成本而言,两个方案相近。由于本污水处理厂主要收集工业废水,同时考虑工艺的处理效果、抗冲击符合性及出水用途,以及对CAST工艺存在的不足进行分析:因工程处理规模适中,能较好的控制其实际运行工作,避免其复杂性;因出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准,对TN无要求,可较好的避免该工艺对TN的处理效率偏低的不足;同时,通过对黑龙江绥化市污水处理厂运行效果进行分析,该工艺同样适用于本工程所在的温度变化范围较大的地区,因此,本工程最终采用CAST工艺作为污水处理厂的主体处理工艺。

 

    参考文献

[1] GB8798-1996,污水综合排放标准[S].

[2] CJ343-2010,污水排入城镇下水道水质标准[S].

[3] GB18918-2002,城镇污水处理厂污染物排放标准[S].

[4] 王宝贞,王琳,水污染治理新技术[M].北京:科学出版社,2004:57-65.

[5] 周爱玲,牛永杰.CAST污水处理工艺[J].河北化工,2010,33(1):52-53.

[6]张磊,王少坡,李玉友,于静洁,刘艳辉,孙力平.CAST工艺常规模式下脱氮性能研究[J].环境工程学报,2010,4(12):2683-2686.

[7] 陈克玲,詹鍵.CAST工艺处理城市污水原理及设计[J].环境科学与技术(第27卷 第4期),2004.7.

 

 

编制人:覃明河

学历:本科(环境工程专业)

职业资格:环境影响评价工程师

职称:助理工程师(环境保护)

 

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