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高碑店污水厂污水资源综合利用模式与实践
更新时间:2016-09-30 来源:《中国给水排水》 作者:王佳伟,蒋勇,高琼,刘伟岩,李伟,王玉冰

摘要:污水资源综合利用是污水处理行业发展的重要方向。以北京高碑店污水厂为例,通过构建和实践污水资源多元综合利用模式,实现了从单一有机污染物减排到氮磷污染物减排、再生水供应、能源供应等多元综合利用的转变。经过多年实践探索和技术创新,解决了出水氨氮控制、厌氧消化系统稳定运行、沼气高效脱硫等制约污水资源综合利用的关键技术问题。该系统运行以来,高碑店污水厂出水作为再生水水源,出水氨氮和总磷均在1 mg /L 以下,节约水资源量为12. 1× 108 m3,相当于全部北京市民( 约1 960 万人) 两年的生活用水量; 厌氧消化沼气发电系统发电量为8 817 × 104 kW·h,相当于0. 7%的北京市民一年用电量。

随着经济社会的发展,能源短缺日益严重,我国与其他国家一样在污水资源综合利用方面面临巨大的机遇和挑战,污水厂需要从单一污水处理向能源资源多元综合利用转变[1,2]。特别是,我国在“十二五”期间提出了氨氮总量控制的要求,以进一步改善水环境、缓解水资源短缺。此外,厌氧消化技术在我国普遍面临产气率低、运行不稳定的现象,沼气中高浓度的硫化氢更是制约了沼气的高效利用。因此,氨氮控制、厌氧消化系统稳定运行和沼气净化利用是污水厂资源能源综合利用面临的重要难题。

1 污水资源综合利用模式

1993 年高碑店污水厂一期建成运行后,其处理出水作为河道补充水,全部排放至通惠河内,对还清水系、保护水源起到了重要作用。通惠河由最初的一条臭水河变成了清水河,大量的水生高等动植物相继出现。自2001 年起,高碑店污水厂和华能热电厂开始合作,高碑店污水厂为热电厂提供冷却水水源,电厂提供余热蒸汽加热污泥厌氧消化系统,厌氧消化产沼气用于发电,产生的电能用于污水处理,基本形成了污水资源可持续综合利用的模式( 见图1) 。2007 年下半年起,受水资源短缺的限制,在大力推广再生水以节约自来水的背景下,北京市政府决定采用再生水替代地下水作为热电厂的冷却水,高碑店厂成为重要的供水水源,实现了从单一有机污染物减排转变为提供再生水供应、电力能源供应、有机污染物和氮磷污染物减排等多元综合利用。

在十多年的污水资源综合利用实施过程中,主要存在以下难点: ①出水氨氮控制。在原设计出水氨氮要求小于3 mg /L 的情况下,需要强化硝化控制来满足热电厂小于1 mg /L 的低浓度氨氮需求。②厌氧消化系统稳定运行。在北京城区合流制系统为主的情况下,需要解决泥砂在构筑物和管线淤积影响硝化池的长期稳定运行的问题。③含高浓度硫化氢的沼气净化和利用。针对硫化氢浓度高达10 000mg /L 的沼气,需要解决原设计的干式和湿式脱硫系统运行不稳定、脱硫效果差的问题。通过长期优化运行,高碑店厂对氨氮优化控制、厌氧消化系统稳定运行、沼气净化利用积累了丰富的运行管理经验。

2 方法措施

2. 1 出水控制

高碑店污水厂二级出水作为再生水水源替代地下水作为热电厂冷却水,但是热电厂冷却水要求氨氮< 1 mg /L,以减少对铜质管材的腐蚀,而高碑店污水厂设计出水氨氮< 3 mg /L。因此,需要在好氧池进行完全的硝化。在高碑店厂实现完全硝化主要有三个限制因素: 首先是高浓度进水氨氮影响,高碑店污水厂的实际进水氨氮浓度达到50. 4 mg /L ( 2009年—2011 年平均值) ,远高于设计标准( 40 mg /L) 。其次,冬季水温低不利于氨氮的去除,冬季水温低于15 ℃时要实现稳定高效的氨氮去除存在很大困难。最后,受现有污水厂的空间限制,不允许新建更多的反应池。

泥龄控制是活性污泥法工艺设计和运行的一个重要参数,随着水温降低硝化过程需要更长的泥龄。然而,泥龄很难直接测得,通常根据曝气池污泥浓度、回流污泥浓度和剩余污泥排放量等计算得到。因此,污水厂一般根据曝气池污泥浓度进行调整,该值与泥龄有较好的相关性,但不能由此确定准确的泥龄,给硝化过程的控制带来一定困难。

通过开发氨氮优化控制系统,利用物料平衡对污泥总量的平均值进行准确估计,解决了在来水水质水量波动引起排泥浓度变化下的动态泥龄控制难题,保证了氨氮去除的稳定性[3]。依靠好氧泥龄( ASRT) 控制、优化曝气控制,在不增加电耗的情况下实现了氨氮的稳定去除。校正前观测的ASRT 均值为20 d,校正后的ASRT 为15 d,更为接近理论好氧泥龄。出水氨氮为0. 3 mg /L ( 年均值) ,出水氨氮日均达标率> 98%; 电耗为0. 21 kW·h /m3,低于全国的平均电耗( 0. 26 kW·h /m3 ) 。此外,高碑店污水厂通过将传统活性污泥法改为AO 工艺,并新增化学除磷辅助设施,控制出水总磷< 1 mg /L。

2. 2 厌氧消化系统运行

高碑店污水厂厌氧消化系统自1999 年投入运行,共设四个系列16 座消化池,其中12 座一级消化池,4座二级消化池。污泥厌氧消化生产沼气,利用沼气发电机进行发电,从而补给污水厂抽升水泵、鼓风机等设备的用电消耗,该方式是实现污泥能源回收的主要方向,也是污水厂一条有效节能途径。

北京城区大部分为合流制管道,进水SS 值偏高( 均值为262 mg /L) ,无机物含量高达60%,易造成产气率低。在构筑物和管线中淤积的泥砂,对硝化池的长期稳定运行造成很大困难。因此,高碑店污水厂通过定期清空初沉池和消化池,减少泥砂淤积,提高设施利用率和安全系数,并利用其他系列硝化池对清空消化池进行沼气置换和菌群接种,节约了大量资金和时间。

2. 3 沼气净化和利用

高碑店污水厂厌氧消化气( 沼气) 中硫化氢含量高达3 000 ~ 10 000 mg /L,而沼气发电机要求硫化氢< 1 000 mg /L。原设计脱硫系统运行效果较差: 以氧化铁为媒介的干式脱硫出口平均硫化氢含量为3 500 mg /L,以氢氧化钠为吸收液的湿式脱硫出口平均硫化氢含量为7 400 mg /L,硫化氢平均去除率均低于40%。此外,氧化铁再生频繁,氢氧化钠碱液用量大。2012 年采用湿式催化氧化脱硫系统替换现有脱硫系统,出口硫化氢< 200 mg /L,实现了对高浓度硫化氢的高效去除,保证了沼气发电机的稳定高效运行,火花塞的使用时间从500 h 增加到600 h 以上。该系统中,脱硫塔采用2 系列,每系列2 座塔串联,共4 座塔。每系列处理气量为550m3 /h。沼气首先进入一级塔,然后进入二级塔。再生系统构筑物包括反应池、氧化池、气浮池、储泥池、碱液池( 见图2) 。

版权、出处:《中国给水排水》

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