RPIR化工反应器用于UNITANK池提标改造的研究.pdf

2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 131 RPIR化工反应器用于化工反应器用于UNITANK池提标改造的研究池提标改造的研究张建建，张其殿，陈梦瑶*张建建，张其殿，陈梦瑶(清研环境科技股份有限公司，广东 深圳 518057)摘 要赣州中心城区市政基础设施不断完善，公用事业快速发展，城市功能进一步增强。城市人口剧增，带来用水量急剧增大，相应的污水量猛增。这些污水直接排入赣江，其污染物总量远远超过环境容量，会对环境造成巨大破坏。根据城乡建设局下发的“关于加快推进城镇污水处理厂提标改造相关工作的通知”，现有污水处理厂需进行提标改造，按一级 A 排放标准执行，因此对赣州市某污水处理厂一期工程进行提标改造是非常必要的。针对该污水处理厂实际进出水水质的特点、用地条件和运营中存在的问题，提出二级处理采用 RPIR 工艺，以适应进水水量、水质的变化，磁混凝澄清池+反硝化滤池作为深度处理段，末端采用次氯酸钠消毒。改造后出水可稳定达到城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级 A 标准，同时改造工程建设总投资少，运行费用低。由此可见，RPIR 工艺非常适合对 UNITANK 工艺进行原位提标改造。关键词UNITANK；RPIR 化工反应器；污水处理；提标改造；一级 A 标准中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)16-0131-04Research on the RPIR Reactor for the Reconstruct of UNITANK Process*Zhang Jianjian,Zhang Qidian,Chen Mengyao*(Qingyan Environment Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518057,China)Abstract:The municipal infrastructure in the central urban area of Ganzhou continues to improve,with rapid development of public utilities and further enhancement of urban functions.The sharp increase in urban population has led to a sharp increase in water consumption,resulting in a corresponding surge in sewage volume.These sewage are directly discharged into the Ganjiang River,and the total amount of pollutants far exceeds the environmental capacity,which will cause huge damage to the environment.According to the“Notice on Accelerating the Upgrading and Reconstruction of Urban Sewage Treatment Plants”issued by Urban and Rural Construction Bureau,the Existing sewage treatment plant needs to be upgraded,Execute according to the first level A emission standard,Therefore,it is very necessary to upgrade the standard of the first phase sewage treatment plant in Ganzhou.Based on the characteristics of the actual water quality,land use conditions,and operational issues of the sewage treatment plant,Propose RPIR process for secondary treatment,To adapt to changes in inflow and water quality,Advanced treatment adopts magnetic coagulation clarification+denitrification filter.After the transformation,the effluent can stably meet the first level A standard inthe“Pollutant Discharge Standards for Urban Sewage Treatment Plants”(GB18918-2002).At the same time,the total investment in the construction of this renovation project is low,and the operating cost is low.It can be seen that the RPIR process is very suitable for in-situ standard upgrading of the UNITANK process.Keywords:UNITANK；RPIR reactor；sewage treatment；upgrading and reconstruction；first levelA standard1 工程概况工程概况1.1 项目背景易产生较多浮泥，且出水氨氮指标接近设计出水水质指标，容易发生超标现象。1.1 项目背景图图 1 白塔污水处理厂卫星图白塔污水处理厂卫星图易发生超标现象。UNITANK 池出水在反冲回流时对出水渠反冲不干净，容易造成出水 SS 偏高。根据赣州市城乡建设局下发的相关文件通知，需对该污水处理厂一期工程进行提标改造，改造后处理规模为 6.0 万吨/天，要求出水执行城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级 A 排放标准，确保出水稳定达标后排入赣江。1.2 工艺确定5-10根据本项目改造的初衷，关键在于对污水中的生化指标进行提标。改造后的工艺应确保生化指标稳定达标，同时因场区可用面积受限，改造后工艺应占地面积小同时工程费用及运营费用应低。目前，污水处理市场上已经成熟运用的工艺包括 AO、MBR、RPIR 工艺。分别从各工艺的原理、优点和缺点进行分析，并从各自的运行参数及效果比选出适合本项目的最佳工艺：第一类是以 AO 为代表的传统活性污泥法；第二类是以膜分离为代表的 MBR 工艺；第三类是以沉淀、反应一体式的图图 1 白塔污水处理厂卫星图白塔污水处理厂卫星图Fig.1 Satellite image of Baita sewage treatment plant赣州市某污水处理厂一期工程设计处理能力为6.0万吨/天，采用UNITANK工艺，出水水质执行城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级B排放标准。该一期工程采用的 UNITANK 池运行过程中污泥浓度不能达到设计值 4000 mg/L，当污泥浓度超过 2500 mg/L 时，容分离为代表的 MBR 工艺；第三类是以沉淀、反应一体式的RPIR 工艺。现针对上述三种工艺的运行特点、占地面积、运行管理、投资及运行费用等多方面进行比较，以确定最佳生物脱氮除磷的工艺。AO 工艺：AO 工艺是由 ANOXIC(缺氧)和 OXIC(好氧)两段组成，是目前最常用的污水处理工艺组合。工艺流程见下图 2 所示。收稿日期 2023-07-03作者简介 张建建(1989-)，男，江西景德镇人，中级工程师，学士，主要研究方向为市政设计及水环境治理。*为通讯作者。广 东 化 工 2023 年 第 16 期 132 第 50 卷 总第 498 期 图图 2 AO 工艺流程图工艺流程图 Fig.2 AO process flow diagram 其特点是缺氧和好氧独立运行，具体依托进出水水质条件，选择性的创造出不同浓度不同菌种的工艺段，当进水碳源充足时，可通过调整硝化液回流比来实现高标准的出水总氮。AO 工艺具有以下优点：(1)AO 工艺是一种在市政污水处理厂被广泛采用的成熟工艺，出水水质有保障；(2)对于同样进出水水质时，AO 工艺需要的停留时间小于其他工艺；(3)工艺设备较少，运营维护简单，管理方便，建设投资较低；AO 工艺缺点：(1)没有厌氧段，无法通过微生物进行除磷，只能通过后续的深度处理段进行加药除磷；(2)后续需接二沉池，因二沉池沉淀负荷较低，因此该工艺占地面积大；(3)由于缺氧池需要搅拌器搅拌，且二沉池的污泥需要进行回流，因此动力消耗大，能耗高。MBR 工艺：MBR 是一种微滤膜，通过微滤膜的过滤作用，将污水中的微生物及污染物强制与污水分离开。将化工分离工程中的微滤膜技术应用在活性污泥法中，把微滤膜分离单元与微生物生化单元相耦合，通过膜组件的形式，取消传统生化处理中的二沉池。MBR 工艺由 MBR 膜组件、好氧池及配套电气设备构成，好氧池内的微生物与污水中的有机物混合反应，通过微生物的同化作用，可以将污水中的污染物得以去除。同时微生物会被膜元件截留在好氧池内，使得好氧池内的污泥浓度得到提高，可以通过控制排泥周期来控制该系统的污泥龄，控制出水水量来控制该系统的水力停留时间，为该系统的污水处理能力和抗冲击能力提供保障。MBR 工艺流程图见图 3 所示。图图 3 MBR 工艺流程图工艺流程图 Fig.3 MBR process flow diagram MBR 工艺具有以下优点：(1)污泥浓度高，水质处理效果好，抗冲击能力大，污泥膨胀时不影响正常出水水质，出水水质优；(2)通过微滤膜的过滤作用，使得出水悬浮物低，可省去传统工艺中后续的深度处理段；(3)因系统污泥浓度高，为世代周期较长的硝化菌成长提供了有利的环境，增强了系统的硝化能力；(4)由于 SRT 较长，MBR 又起到了“污泥硝化池”的作用，剩余污泥产量低。MBR 工艺具有以下缺点：(1)膜组件造价高，导致 MBR 反应器基建投资高于传统污水处理工艺。如常规的污水处理厂处理规模越大，单位体积的污水处理成本越低，而通常情况下膜组件的价格却与污水处理规模成反比；(2)膜组件容易被污染，需要有效的反冲洗措施以保持膜通量；(3)系统运行能耗高，由于 MBR 系统内污泥浓度高，维持微生物的生长需要大量的氧气，同时还需要对膜元件表面进行冲刷，防止膜表面上的过滤口堵塞。RPIR 工艺1-4：反应沉淀一体式矩形气升环流反应器(Rapid Purification of sewage using sedimentation Integrated rectangular airlift loop Reactor)简称 RPIR，其 RPIR 工艺的原理为活性污泥法，好氧生化区利用经典气升环流的化工理论，通过设置巧妙的结构，氧气的上升流使得微生物和污染物接触更充分，后至下降去，通过静止区的自然沉淀，将有效的微生物充分截留下来，集生化反应和沉淀分离于一体。又因其巧妙的全不锈钢导流结构，不存在堵塞问题，全寿命免维护。RPIR 实现了反应、沉淀、出水的一体化，能达到优化结构，降低能耗，节省投资，减少占地，稳定运行，出水水质优异的效果。RPIR 反应器原理见下图 4 所示。图图 4 RPIR 化工反应器原理图化工反应器原理图 Fig.4 RPIR chemical industry reactor schematic diagram RPIR 工艺流程图见下图 5 所示。2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 133 图图 5 RPIR 工艺流程图工艺流程图 Fig.5 RPIR process flow diagram RPIR 工艺具有很多传统生化无法达到的优点，主要为：(1)混合液流态稳定，污泥性状好，沉降性能优异。RPIR工艺通过曝气提供的气升动力，在模块与池体之间形成稳定的环流，污泥与污染物接触充分，同时在气体搅拌和水力剪切的协同作用下，更有利于污泥的沉降和泥水分离。(2)反应沉淀一体化，污泥浓度高，水力停留时间短，占地面积小，设备投资省。RPIR 工艺将模块与构筑物结合，形成了反应沉淀一体的独特结构，减少了污泥回流的过程，在模块内直接沉淀至曝气区域，达到了截流活性污泥的效果，有效提高了活性污泥的浓度。同时因巧妙的结构设计，传氧效率提升明显。在高污泥浓度和高反应效率的双重作用下，生化反应的速度大大加快，因而使得水力停留明显缩短。(3)硝化作用强，去除氨氮效果优异。在一般的活性污泥中，硝化菌占 5%左右，且硝化菌世代较长，因此对氨氮的处理效果难以保证。在 RPIR 工艺中，利用 RPIR 模块的结构设计，能够提高污泥浓度，为世代周期较长的硝化菌提供生长条件，达到深度去除氨氮的效果。(4)污泥无动力全回流，运行费用低。RPIR 池集生化反应与沉淀于一体，在好氧曝气完成污染物降解的同时，利用曝气提供的气升动力，完成污泥回流，而并不需要另外增加污泥回流泵。设备数量的减少，明显降低了整个系统的用电负荷。因此，无论是设备维护保养费用，还是使用电费，都大大的降低。(5)启动快、运行稳定、抗冲击负荷能力强、管理方便。高效的生化反应速率，使得活性污泥中的微生物能够快速的适应环境，对污染物进行稳定的降解。同时，RPIR 工艺具备高浓度的活性污泥，因此，即使是有冲击负荷产生，在高浓度的活性污泥和高效的生化反应作用下，也能迅速的恢复。(6)核心设备 RPIR 模块为全不锈钢材质，无易损部件，全寿命免维护。RPIR 模块研发的初衷，就是寻找一种维护、检修方便的污水处理工艺。RPIR 模块为全不锈钢材质，设备寿命长，并且没有易损和易耗部件，可在寿命周期内无检修的条件下，连续运行，稳定出水。从节约用地、投资少及出水稳定方面考虑，本次UNITNAK 生物反应池改造的二级生化处理段采用将 RPIR 反应器至于该改造池内，形成 RPIR 工艺，出水再进入磁混凝澄清池和反硝化深床滤池进行深度处理。1.3 进出水水质 赣州市某污水处理厂一期工程设计进水水质、改造前、改造后的出水水质如表1所示。表表 1 改造前设计水质、改造后出水水质改造前设计水质、改造后出水水质 Tab.1 Design inlet and outlet water quality before and after reconstruction 指标 设计进 水水质 改造前设 计出水水质 改造后设计 出水水质 CODCr/(mg/L)280 60 50 BOD5/(mg/L)125 20 10 SS/(mg/L)240 20 10 NH3-N/(mg/L)25 8(15)5(8)TN/(mg/L)35 20 15 TP/(mg/L)2.0 1.0 0.5 pH 6.09.0 6.09.0 大肠杆菌/(个/L)104 103 1.4 工艺流程 改造前工艺流程：图图 6 污水处理改造前工艺流程图污水处理改造前工艺流程图 Fig.6 Process flow diagram of sewage treatment before transformation 改造后工艺流程：图图 7 污水处理改造后工艺流程图污水处理改造后工艺流程图 Fig.7 Process flow diagram of sewage treatment after transformation 广 东 化 工 2023 年 第 16 期 134 第 50 卷 总第 498 期 2 工艺设计工艺设计 改造后，各构、建筑物参数如下：2.1 粗格栅及进水泵房(利旧)总尺寸：19.413.0 m，钢砼结构；2.2 细格栅及旋流沉砂池(利旧)总尺寸：24.512.75 m，钢砼结构；2.3 A/RPIR池(改造)总尺寸：79.158.65 m，钢砼结构；改造后缺氧区有效水深：4.40 m，缺氧区停留时间：3.9 h；改造后好氧沉淀区有效水深：4.35 m，改造后好氧沉淀区停留时间：10.9 h；总水力停留时间：14.85 h，气水比：6.51，内回流比：150%300%；RPIR沉淀模块表面负荷：1.30 m3/(m2h)；2.4 二次提升泵房及磁混凝澄清池(新建)总尺寸：35.024.6 m，表面负荷=15.15 m3/m2h，钢砼结构；2.5 反硝化深床滤池(新建)总尺寸：40.8535.4 m，设计速度：7.68 m/h，反硝化容积负荷：0.55 kgNO3-N/m3d，钢砼结构；2.6 接触消毒池(新建)总尺寸：40.8518.63.10 m，有效水深：2.60 m，水力停留时间：30 min，钢砼结构；2.7 加氯加药间(新建)总尺寸：53.412.4 m，次氯酸钠投加浓度：6 mg/L，PAC投加量：1800 kg/d，框架结构；2.8 鼓风机房及变配电间(新建)总尺寸：42.412.15 m，框架结构；2.9 污泥储池(改造)总尺寸：5.611.96.0 m，有效水深：5.5 m，钢砼结构；2.10 污泥脱水机房(改造)总尺寸：20.410.4 m，地上式框架结构；3 运行分析运行分析 3.1 数据分析 图图 8 改造前实际出水水质数据改造前实际出水水质数据 Fig.8 Actual effluent quality data before transformation 改造之前，化学需氧量进水浓度约为设计进水浓度的60%，氨氮及总氮的进水浓度约为设计进水浓度的70%。在实际进水水质略低于设计进水的情况下，实际出水水质除化学需氧量、氨氮、总氮指标除外，其余指标均达不到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级A标准。图图 9 改造后实际出水水质数据图改造后实际出水水质数据图 Fig.9 Actual effluent quality data after transformation 改造之后，实际出水水质中的各项指标均达到 城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002中的一级A排放标准。3.2 经济分析 本工程概算总投资8491.96万元。其中：工程费用7251.33万元；工程建设其他费用686.98万元；预备费396.91万元；建设期贷款利息142.95万元；铺底流动资金13.80万元。本工程单位处理成本0.672元/吨污水。其中药剂费为0.114元/吨；动力费为0.35元/吨；自来水费为0.003元/吨；人员工资为0.092元/吨；修理费为0.052元/吨；其他费为0.061元/吨；4 结论结论 本提标改造工程将原有的UNITANK工艺改造为RPIR工艺后，出水可稳定达到一级A标准，同时该改造工程投资少，运行费用低。由此可见，RPIR反应器非常适合对UNITANK工艺进行原位提标改造。(下转第 137 页)2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 137 2John M J，Thomas SBiofibres and biocompositesJCarbohydrate Polymers，2008，71(3)：343-364 3Shen Li，Patel M KLife cycle assessment of polysaccharide materials：A reviewJ Journal of Polymers and The Environment，2008，16(2)：154-167 4钟明良甘蔗渣再生纤维素微球对牛血清蛋白的吸附性能研究D广西：广西大学，2014 5Du K，Li S，Zhao L，et alOne-Step Growth of Porous Cellulose Beads Directly on Bamboo Fibers via Oxidation-Derived Method in Aqueous Phase and Their Potential for Heavy Metal Ions AdsorptionJACS Sustainable Chemistry&Engineering，2018，6 6Hirota M，Tamura N，Saito T，et alSurface carboxylation of porous regenerated cellulose beads by 4-acetamide-TEMPO/NaClO/NaClO2 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