RPIR+磁混凝沉淀在深圳...河沿岸黑臭水体治理中的应用_吴冰.pdf

近40年来，深圳市经历了一个高速城镇化和工业化的过程，在人口、经济快速增长的同时，城市水环境也遭受了巨大的破坏。大部分地区排水管网设施建设滞后，老旧管网存在诸多缺陷，片区污水处收稿日期：2022-08-18作者简介：吴冰，男，高级工程师，学士，主要从事市政设计及水环境治理工作。通讯作者：周代迎，男，硕士，主要从事水环境综合整治工作。引文格式：吴冰，尤春伟，周代迎.RPIR+磁混凝沉淀在深圳市白花河沿岸黑臭水体治理中的应用 J.市政技术，2023，41（5）：205-211.（WUB，YOU C W，ZHOU D Y.Application of RPIR and magnetic coagulation sedimentation in the treatment of black and odorous water bodyalong Shenzhen Baihua River J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：205-211.）文章编号：1009-7767（2023）05-0205-07第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.205Journal of Municipal TechnologyRPIR+磁混凝沉淀在深圳市白花河沿岸黑臭水体治理中的应用吴冰，尤春伟，周代迎*（中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518102）摘要：为解决深圳市白花河沿岸初期雨水和污水长期直排导致河道黑臭的问题，基于“RPIR+磁混凝沉淀”技术，采用上、下合建的方式，在白花河沿岸新建 1 座有效容积为 2104m3的调蓄池及处理能力为 1.5104m3/d 的污水处理站，实现初期雨水和污水就地处理、就近补水。运行结果表明，该污水处理系统对白花片区初期雨水和污水具有较好的处理能力，各项出水指标均优于考核标准并达到了地表 IV 类水标准，具有节省用地、施工周期短、投资成本低、出水稳定等优点，有效地改善了白花河河道黑臭现状，可为其他类似黑臭水体治理项目提供参考。关键词：RPIR；磁混凝沉淀；污水处理站；黑臭水体治理中图分类号：X 522文献标志码：AApplication of RPIR and Magnetic Coagulation Sedimentation in the Treatmentof Black and Odorous Water Body along Shenzhen Baihua RiverWu Bing，You Chunwei，Zhou Daiying*（China Power Construction Ecological Environment Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518102，China）Abstract：The initial rainwater and sewage have been directly discharged into the Shenzhen Baihua River for a longtime，resulting in a black and odorous water body.In order to solve this problem，a new storage pond of 2104m3and a sewage treatment station with a treatment capacity of 1.5104m3/d are built along the Baihua River based onrural power improvement program（RPIR）and magnetic coagulation sedimentation technology by in an up-and-downmanner to achieve the initial rainwater and sewage local treatment and nearby water recharge.The operation resultsshow that the sewage treatment system has good treatment capacity for sewage and initial rainwater and the effluentindexes of the sewage treatment system is better than the assessment standard and reach the surface IV water stan鄄dard.It has the advantages of land saving，short construction period，low investment cost and stable discharge stan鄄dard.It can effectively improve the water quality of Baihua River，which can provide a reference for the other similarprojects to treatment of black and odorous water body.Keywords：rural power improvement program（RPIR）；magnetic coagulation sedimentation；sewage treatment sta鄄tion；treatment of black and odorous water bodyJournal of Municipal Technology第41卷理能力差，导致工业废水、生活污水和农业废水等大量排入河道。长期以来，深圳市的河道未经整治，水体污染承载能力弱，而深圳市的污染物排放具有集中且量大的特点，所以河道生态平衡极易被破坏，导致水生动植物因缺氧而死亡，进而形成黑臭水体1-3。黑臭水体已经严重影响居民的生活环境，成为制约深圳市发展的重要因素之一。为实现2019年底全面消除黑臭水体，深圳市政府采用“分散治理，就近补水”的治水思路，开启了深圳市黑臭水体治理新篇章。“RPIR+磁混凝沉淀”污水处理系统抗冲击负荷能力强，能够处理成分复杂、浓度高的污水，出水水质能够稳定达标。因此，笔者依托深圳市光明区全面消除黑臭水体项目，开展“RPIR+磁混凝沉淀”在深圳市白花河沿岸黑臭水体治理中的应用研究，可为其他类似黑臭水体治理项目提供参考。1工程概况白花河跨越深圳市宝安区和光明区，流域面积36.28 km2，途经垃圾处理站、工商业区、居民生活区等场所，白花片区污水处理能力严重不足，初期雨水和污水直接排入河道，导致白花河常年处于黑臭状态。根据深圳市城市黑臭水体治理攻坚实施方案的整治要求，在白花社区围肚区一巷公路的白花河右岸俢建1座一体化污水处理站及调蓄池，用来解决白花片区污水处理能力不足的问题，白花河沿河截流干管所截流的初期雨水用调蓄池进行调蓄。受限于地形和用地条件，设计采用上、下合建形式，上层为污水处理站主体构筑物，下层为调蓄池，如图1所示。根据建设单位和环保部门的要求，污水处理站出水TN须满足GB189182002城镇污水处理厂污染物排放标准一级A标准，其余指标执行GB 38382002地表水环境质量标准。污水处理站设计进、出水水质见表1。调蓄池设计有效容积2104m3，污水处理站设计处理规模1.5104m3/d，总占地面积7000m2，总变化系数1.53。2工艺比选基于现实的用地条件和黑臭水体治理的紧迫性，污水处理站及调蓄池工程需要比选出具有投资少、施工周期短、便于操作管理、启动速度快、出水水质稳定等优点的污水处理系统，完成初期雨水和污水就地处理、就近补水的目标。2.1生化处理工艺比选从施工周期、投资成本、出水水质、运行管理4个方面综合比较了7种常见的污水生化处理工艺，如表2所示。氧化沟工艺采用活性污泥法来处理污水，运行管理简单，但施工周期长，除磷效果较差，不适合该工程采用。CAST工艺周期性循环利用活性污泥，流程简单，节省投资，但出水水质不能稳定达标，且耗电量较大。MBR工艺通过活性污泥法和膜分离技术水质指标进水出水BOD5CODCrSSNH3-HTNTP18030025040454630101.5150.3表1污水处理站设计进、出水水质Tab.1 Design influent and effluent quality of the sewagetreatment stationmg/L工艺类型施工周期投资成本出水水质运行管理氧化沟CASTMBRBAFA2/OMBBRRPIR长中中长长中中高中高高高中中一般一般最好较好较好较好较好简单简单复杂一般一般一般简单表2污水生化处理工艺比较Tab.2 Comparison of sewage biochemical treatment process图1污水处理站及调蓄池平面布置图Fig.1 The floor plan of storage pond and sewage treatment station206第5期工艺类型施工周期投资成本出水水质运行管理膜分离活性炭吸附砂滤混凝沉淀磁混凝沉淀短中长长短高高中中中好好一般一般较好复杂复杂简单中等中等表3污水深度处理工艺比较Tab.3 Comparison of advanced sewage treatment process相结合能够达到最好的污水处理效果，但是膜容易被污染，运行管理复杂，投资成本及能耗较高。BAF工艺是一种生物膜处理工艺，集生物氧化降解有机物和滤池截留悬浮物为一体，出水水质较好，但需要对滤池进行反冲洗及更新生物膜，且该工艺对进水SS质量浓度要求较严格（一般要求SS100mg/L），需要进行预处理，运行管理不方便。A2/O工艺是目前应用最广泛的污水处理工艺，通过不同微生物菌群在厌氧-缺氧-好氧条件下的代谢活动达到去除有机物和脱氮除磷的目的，出水水质满足该工程要求，但投资成本和运行管理要求较高。MBBR工艺又名移动床生物膜反应器工艺，反应器内的悬浮载体（含有不同的微生物菌群）可以与污水多次接触，从而高效去除污染物，出水水质较好，但流动的悬浮载体容易造成反应器堵塞，需要定期进行人工清理，运行管理要求相对较高。RPIR快速生化污水处理系统是一个强化的好氧生化污水处理系统，其在传统生化污水处理系统的基础上将生化反应区和污泥沉淀区结合在一起，人为创造活性污泥自动回流路径，节省了二沉池和污泥回流泵；污泥的自动回流有利于提高污泥的利用效率，从而高效去除污水中的TN、NH3-N、COD等污染物，具有运行管理简单、提高能效、减少占地、节省投资、出水水质稳定等优点4-5。综合考虑工艺适用性，结合RPIR已在深圳市多个污水处理项目中成功得到运用的实际6-7，最终采用RPIR作为该工程的生化处理工艺。2.2深度处理工艺比选经过生化处理后的污水还达不到排放标准，需要对残留着氮磷营养盐、COD、SS等污染物的污水进行深度处理。结合工程特点，从施工周期、投资成本、出水水质、运行管理4个方面综合比较了5种常用的污水深度处理工艺，如表3所示。膜分离工艺和活性炭吸附工艺出水水质最好，但具有投资成本高、运行管理复杂的缺点。砂滤工艺运行管理简单，材料来源广泛、成本较低，但出水水质一般，且建设周期长。传统混凝沉淀工艺的基本原理与磁混凝沉淀工艺相似，但污水处理效果一般，且施工周期长。磁混凝沉淀工艺通过在污水中加入磁粉，使得磁粉、混凝剂、絮凝剂及污染物可以更加紧密地结合在一起，生成密度、质量更大的絮体，从而可以加速污染物沉降8-9。磁混凝沉淀工艺污水停留时间很短，不易出现反溶解过程，磁粉还能够重复利用，经济、环保，具有施工快速、效率高、运行管理较简单的特点，且出水水质较好，满足该工程的深度处理需求，因此采用磁混凝沉淀工艺作为该工程的深度处理工艺。3工程设计3.1污水处理工艺设计该工程需要处理白花片区的初期雨水和污水，故在进水阀门井中设计雨水闸门和污水闸门各1个，2个闸门日常均处于开启状态，当雨水营养盐浓度偏低或调蓄池水满时，关闭雨水闸门。该工程污水处理工艺流程如图2所示。1）初期雨水和污水通过进水阀门井混合后，进入粗格栅及提升泵房。污水先经过抓斗式粗格栅去除直径20 mm的漂浮物等杂质，然后进入提升泵房（降雨量较大时，由提升泵房提升进入调蓄池暂存；降雨量小时则直接提升进入污水处理站进行处理）。2）污水进入细格栅及曝气沉砂池后，先经细格栅去除直径5 mm的漂浮物，再经曝气沉砂池去除砂砾。3）曝气沉砂池的出水进入缺氧池，在缺氧池中发生反硝化反应除氮。4）缺氧池的出水流入RPIR生化池，由磁悬浮离心风机进行曝气，溶解氧质量浓度维持在2.54.5 mg/L左右，在好氧活性污泥的作用下，降解COD、TN、NH3-N等污染物。5）RPIR生化池的出水流入磁混凝沉淀池，在化学除磷剂PAC（混凝剂）、PAM（助凝剂）的作用下，快速、高效地去除SS、TP等污染物。6）磁混凝沉淀池的出水经紫外消毒渠处理后，进入尾水泵房，通过提升泵将达标的净水输送至河道进行生态补水。7）污水处理过程中产生的污泥经污泥脱水间脱吴冰等：RPIR+磁混凝沉淀在深圳市白花河沿岸黑臭水体治理中的应用207Journal of Municipal Technology第41卷水并压成泥饼（含水率60%）后外运至政府指定地点处置；臭气通过玻璃钢管道进入生物除臭装置，处理达标后排放。3.2主要建（构）筑物设计3.2.1调蓄池调蓄池设计有效容积2104m3，总容积2.2104m3，土建净尺寸82.9m49.0m6.7m。调蓄池内设置11台智能喷射器，分2组运行，功率15 kW；设置16台轴流风机，分2组运行，每组4台送风机和4台排风机，单台流量13 887 m3/h、压力220 Pa、功率2.2 kW；设置2台潜水排砂泵，1用1备，单台流量100 m3/h、扬程18.5 m、功率15 kW。3.2.2粗格栅及提升泵房设置1套移动抓斗格栅清污机，含3台固定栅，宽1.2 m、高8.2 m，功率4.45 kW，栅条间隙20 mm。提升泵房内设置2台潜水排污泵，1用1备，单台流量956 m3/h、扬程24 m、功率90 kW；设置4台潜水轴流泵，其中2台单台流量3 024 m3/h、扬程6.8 m、功率110 kW，另外2台单台流量1 512 m3/h、扬程6.8 m、功率55 kW，均采用变频模式，由泵房内液位控制启停；设置1台潜水排砂泵，流量100 m3/h、扬程20 m、功率15 kW，可定期抽排沉积的泥砂。3.2.3细格栅及曝气沉砂池设置2台转鼓式机械格栅机，宽1.2 m，栅条间隙5 mm，功率1.5 kW。设置1座曝气沉砂池，土建净尺寸24.0 m5.2 m6.3 m，设计规模2.3104m3/d，有效水力停留时间2.5 min，采用链条式刮砂机。3.2.4RPIR生化池设置1座RPIR生化池，土建净尺寸60.0 m24.0 m6.5 m，设计规模1.5104m3/d，分为缺氧池和好氧池两个部分。缺氧池有效水深5.5 m，有效容积2 290 m3，污水停留时间4.1 h；好氧池含有48个RPIR反应模块，单个尺寸5.0m2.4m3.0m，有效水深5m，有效容积6 437 m3，污水停留时间10.4 h。RPIR反应模块内设计污泥负荷为0.06 kgBOD5/（kgMLSSd），曝气量62.5 m3/h，混合液回流比400%。3.2.5磁混凝沉淀池磁混凝沉淀池设置3个反应池和1个沉淀池，土建净尺寸20.0 m8.4 m6.7 m，设计规模956 m3/h，表面负荷1320 m3/（m2h）。T1与T2反应池污水停留时间均约100 s，T3反应池污水停留时间约210 s。3.2.6其他构筑物其他构筑物设计参数如表4所示。4实际运行效果及分析该工程自2021年7月1日正式投入运行以来，处理水量为（1.01.3）104m3/d，满足白花片区初期雨水和污水处理需求。RPIR生化池中活性污泥质量浓度维持在5 000 mg/L左右，磁混凝沉淀池内PAC干固体投加量约为50 mg/L，PAM干固体投加量约为2 mg/L，平均产泥量10 t/d，出水水质能够稳定达到GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准一级A标准。选取2021年7月至8月共62 d的部分水质数据进行分析。图2污水处理工艺流程图Fig.2 Flow chart of sewage treatment process208第5期构筑物设计参数紫外消毒渠尾水泵房污泥脱水间综合用房生物除臭装置土建净尺寸39.2 m6.0 m3.0 m，设计规模956 m3/h；采用紫外杀菌灯，照射剂量20 mJ/cm2，功率18 kW土建净尺寸8.8 m4.5 m6.6 m，设计规模625 m3/h；设置2台潜污泵，1用1备土建净尺寸34.6 m14.3 m16.5 m，设计为双层；设置石灰调理池2座，带式浓缩机、板框压滤机各2套土建净尺寸19.2 m8.0 m4.5 m，包括加药间、鼓风机房、变配电间、管理用房等，设置于调蓄池上部；鼓风机采用磁悬浮离心风机，共设置2台，1用1备，单台流量3 750 m3/h配置2座一体化生物除臭滤池，单座处理能力1 250 m3/h表4其他构筑物设计参数Tab.4 Design parameters of other structures4.1对COD的去除效果该工程对COD的去除效果如图3所示。由图3可知，实际进水COD质量浓度均低于设计进水COD质量浓度（300 mg/L），平均值为（182.357.1）mg/L；实际出水COD质量浓度均低于设计出水COD质量浓度（30 mg/L），平均值为（14.64.2）mg/L；COD去除率为80.6%96.8%，平均去除率达到了（91.13.9）%。可见，RPIR生化池可以有效地去除有机污染物。一般来说，活性污泥负荷在0.5 kgBOD5/（kgMLSSd）以下，对有机污染物的去除率可达到90%以上10。运行过程中，RPIR反应模块内活性污泥负荷仅为0.09 kgBOD5/（kgMLSSd），表明该污水处理系统可以处理进水水质更差的污水。4.2对TP的去除效果该工程对TP的去除效果如图4所示。由图4可知，实际进水TP质量浓度为2.14.2 mg/L，偶尔超标，但总体较为稳定，基本满足设计进水TP质量浓度要求（4mg/L），平均值为（3.20.5）mg/L；实际出水TP质量浓度均低于设计出水TP质量浓度（0.3 mg/L），平均值为（0.210.1）mg/L；TP去除率为89.6%97.7%，平均去除率达到了（93.52.1）%。该工艺很好地结合了生物除磷和化学除磷两种方式，一是充分利用活性污泥中的微生物进行除磷；二是在磁混凝沉淀池中加入化学除磷剂PAC，可以高效、稳定地去除污水中的磷11。4.3对TN和NH3-N的去除效果该工程对TN和NH3-N的去除效果如图5、6所示。图3对COD的去除效果Fig.3 Removal efficiency of COD图4对TP的去除效果Fig.4 Removal efficiency of TP图5对TN的去除效果Fig.5 Removal efficiency of TN吴冰等：RPIR+磁混凝沉淀在深圳市白花河沿岸黑臭水体治理中的应用209Journal of Municipal Technology第41卷由图5可知，实际进水TN质量浓度为4.949.5 mg/L，平均值为（41.56.2）mg/L，略高于设计进水TN质量浓度（45 mg/L）；实际出水TN质量浓度均低于设计出水TN质量浓度（15 mg/L），平均值为（9.82.0）mg/L；TN去除率为60.4%87.3%，平均去除率为（75.96.0）%。由图6可知，实际进水NH3-N质量浓度均低于设计进水NH3-N质量浓度（40 mg/L），平均值为（30.85.5）mg/L；实际出水NH3-N质量浓度均低于设计出水NH3-N质量浓度（1.5mg/L），平均值为（0.80.4）mg/L；NH3-N去除率为94.6%99.4%，平均去除率达到了（97.21.3）%。进水TN中主要为NH3-N，在有氧条件下活性污泥中的硝化细菌将NH3-N氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，再在缺氧条件下由反硝化细菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气从而除氮。该工艺设计为前置缺氧池，通过混合液回流来利用好氧池中硝化反应所产生的碳源有机物，节省了外加碳源的费用。此外，RPIR反应模块可以严格控制缺氧池和好氧池的溶解氧质量浓度，有利于活性污泥中微生物菌群的生长，可以为除氮带来较大帮助12。4.4对SS的去除效果该工程对SS的去除效果如图7所示。由图7可知，实际进水SS质量浓度均低于设计进水SS质量浓度（250 mg/L），平均值为（108.832.7）mg/L；实际出水SS质量浓度均低于设计出水SS质量浓度（10 mg/L），平均值为（6.01.8）mg/L；SS去除率为80.3%98.2%，平均去除率达到了（93.93.1）%。该工艺主要是通过在磁混凝沉淀池中投加助凝剂PAM，依靠助凝剂的絮凝作用以及污泥的吸附团聚作用来有效去除污水中的SS8。5工程效能分析由现阶段运行数据可知，污水处理费用主要由电费、药剂费、固定成本（人工费、设备维护费等）、污泥运输费组成。其中，该工程总装机功率为442.22 kW，运行功率为252.63kW，每日实际用电量为5547.17kWh，电费单价为0.70元/kWh，折合处理每吨污水的电费为0.259元；市场上PAC价格为2.0元/kg，PAM价格为25元/kg，折合处理每吨污水的药剂费为0.110元；配备10名工作人员，定期维护设备，折合处理每吨污水的固定成本为0.130元；每吨污泥运输费为460元，折合处理每吨污水产生的污泥运输费为0.306元。因此，污水处理总成本为0.805元/t。统计资料显示，20182020年深圳市污水处理平均成本为1.34元/t，相比而言，该工程污水处理成本较低，值得推广。6结语该工程在用地受限的情况下，通过上、下合建的方式，选择“RPIR+磁混凝沉淀”技术用于处理白花片区初期雨水和污水，达到了预期效果。该工程建设周期约为100 d，处理总成本为0.805元/t。运行结果表明，“RPIR+磁混凝沉淀”技术能够高效截留微生物，保持反应区内较高的活性污泥浓度，产生的污染物絮体能快速沉降，对初期雨水和污水中的氮磷营养盐、COD、SS等均有良好的去除效果。该处理系统出水各项指标全部优于考核标准并达到了地表IV类水标准，理论上可以处理超出设计进水水质标准的污水，应用前景十分广阔。综合来看，该处理系统具图6对NH3-N的去除效果Fig.6 Removal efficiency of NH3-N图7对SS的去除效果Fig.7 Removal efficiency of SS210第5期有节省用地、施工周期短、启动速度快、投资及运营成本低、处理效果稳定等优点，且具有突出的环境和经济效益，很好地改善了白花河河道黑臭现状，具有重要建设意义，可为其他类似黑臭水体治理项目提供参考。参考文献1冯强，易境，刘书敏，等.城市黑臭水体污染现状、治理技术与对策J.环境工程，2020，38（8）：82-88.（FENG Q，YI J，LIU SM，et al.The pollution situation，treatment techniques and coun-termeasures of urban black and odors water in ChinaJ.Envi-ronmental 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