随着城镇人口的增加及污水收集率的提高,污水排放量与日俱增。另外,污水处理厂还面临着从一级B标准提升至一级A标准、准IV类或更高标准的任务。这就使得污水处理厂新建扩容及提标改造势在必行,在城镇污水处理中追求技术上的创新也是大势所趋。日前在杭州举办的中国城镇水务发展国际研讨会上,湖南科友

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HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践

2020-12-03 11:04 来源: 亚洲环保网 作者: 韩红波 高飞

随着城镇人口的增加及污水收集率的提高,污水排放量与日俱增。另外,污水处理厂还面临着从一级B标准提升至一级A标准、准IV类或更高标准的任务。这就使得污水处理厂新建扩容及提标改造势在必行,在城镇污水处理中追求技术上的创新也是大势所趋。

日前在杭州举办的中国城镇水务发展国际研讨会上,湖南科友环保有限公司技术高级总监韩红波以《HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践》为题作了报告,详细介绍了HPB的技术背景、技术原理及优势,从复合粉末载体、专业机械搅拌系统和载体回收系统等5个方面阐明了其技术核心,并以“长沙市新开铺污水厂改扩建工程”等实际案例分享了HPB技术的产业化应用,分析了HPB技术的应用前景。

一、高浓度复合粉末载体生物流化床(HPB)技术介绍

1、技术背景

(1)技术需求

污水量与日俱增:随着城镇人口的增加、生活水平的提高以及污水收集率的提高等,污水量与日俱增;新建或扩容污水处理厂势在必行。

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排放标准不断提高:污水处理厂面临从《城镇污水处理厂污染物排放标准》 一级B标准提升至一级A标准、准IV类或更高标准的任务;合流制溢流(CSO)污染控制需求。

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(2)技术瓶颈

建设用地制约:传统提标扩容工艺对扩建用地要求较高;预留用地紧张、征地和拆迁困难。

建设、运营资金的增加:传统提标扩容工艺对建设和运营资金要求较高;对初期雨水仅能做预处理,全处理投资大、成本高。

2、发展历程

(1)1964-1991 厚积薄发

1964年:同济大学首次开展《硅藻土过滤技术研究》,进入“文革”期间,研究中断。

1989年:重启该项目研究。

(2)1992-2002 攻坚克难

1992年:通过上海市科委组织的专家鉴定;开发出硅藻土预涂膜过滤器;第一套设备应用于浙江省宁海县游泳馆泳池水循环过滤。

2000年:硅藻土浮选技术的推广,使原材料的加工成本降低,硅藻土在水处理中的应用得到进一步推广。

(3)2003-2017 科技创新

2003年:硅藻土应用的深入研究列入《上海城市水环境改善技术及综合示范项目》(国家863计划)子课题——《改性硅藻土滤池处理技术研究》。

2006年:子课题通过上海市教委组织的专家鉴定,研究成果达到国际先进水平。

(4)2018-2020 产业突破

2018年湖南三友环保科技有限公司结合产学研优势,对复合粉末载体用于城镇污水处理大规模产业化研发进行投资,解决多项关键技术难题。

2019年湖南科友环保有限公司完成中试试验、生产性试验。进行大规模产业化和工程化应用。

3、技术原理

高浓度复合粉末载体生物流化床(High Concentration Powder Carrier Bio-fluidized Bed,简称HPB),基于污水生物处理的技术原理,通过向生化池中投加复合粉末载体,提高生物池混合液浓度的同时,构建了悬浮生长和附着生长“双泥”共生的流化床系统;并通过污泥浓缩分离单元(Concentrated Unit)、复合粉末载体回收单元(Recycled Unit),实现了“双泥龄” ,强化了生物脱氮除磷效率。

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从原理上讲,HPB工艺属于复合生物反应器IFAS工艺(Integrated Fixed-film Activated Sludge) 的一种,与传统相比具有明显的创新和优势。

创新点之一:HPB工艺采用微米级复合粉末载体。

(1)可伴随活性污泥实现全过程流化、回流等,无需设置专用的拦截与防护设施。

(2)良好的流化状态,提高了传质效果,进一步加快生化反应速率。

(3)更大的比表面积,单位容积生物量更高,容积负荷更高,抗冲击负荷能力更强。

创新点之二:HPB工艺配备粉末载体回收装置。

(1)可将附着微生物的复合粉末载体回收利用,在“双泥法”的基础上实现“双泥龄”,同步提高脱氮除磷效果。

(2)将大部分载体回收利用,减少日常载体投加量,降低运行成本。

4、技术优势

HPB技术的优势可概括为:三省三高。

省投资:新建项目节约投资20%以上;

省占地:新建项目生化池占地较传统工艺节省一半,提标扩容无需新增用地可实现生化池水量翻倍、水质提升;

省周期:建设周期缩短约30%以上;

高效率:实现双泥龄,短泥龄微生物强化除磷,长泥龄微生物强化脱氮;

高标准:出水水质可以达到 “准IV类”及以上标准;

高保障:可实现不停产改造、不停产检修、保障稳定运行。

5、技术核心

(1)复合粉末载体

HPB技术的核心复合粉末载体,其主要成分是一类直径约20-50 μm、多孔结构、具有高生物亲和性的天然无机颗粒;同时复配有特殊制剂,有利于脱氮微生物附着并形成生物膜,不仅可提高反应器中的微生物量,还可优化微生物种群结构,为HPB系统的高效城镇污水生物处理提供保证。

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城镇污水处理厂采用HPB工艺,在生化池采样进行微生物高通量检测,结果显示:复合粉末载体加入后,参与硝化和反硝化作用的微生物,如变形菌门丰度相比活性污泥法12.62%提升到22.62%(厌氧段)和28.67%(好氧段);且成为系统内优势微生物种群。HPB工艺混合液中各脱氮功能微生物丰度高于活性污泥法。此外,属丝状菌的绿弯菌门微生物丰度大幅下降,说明HPB系统运行更为稳定。

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HPB生化池混合液中参与氮循环相关酶丰度的检测结果:硝基还原酶(Nitroreductase)、硝酸盐还原酶(Nitrate reductase)、铁氧蛋白亚硝酸还原酶(Ferredoxin nitrite reductase)等丰度,较活性污泥系统均较大幅提升,说明HPB系统较常规活性污泥系统脱氮反应增强。

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(2)专业机械搅拌系统

为了保证HPB生化池的生物反应的效率、防止初始投加复合粉末载体沉积、加强对流传质、提升溶解氧利用率等,采用专业的低速机械搅拌。

考虑到安装、维修以及在好氧池中使用稳定性,专业搅拌机械采用空心式浆叶设计、顶置式电机及减速箱、垂直悬挂式安装,具有浆叶展开面积大、透气性好、水平传输动能大、能耗低等特点。

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(3)载体回收系统

基于水力旋流分离法原理,可将不同密度颗粒物利用质量差分离。

复合粉末载体分离回收系统实现了污泥“双泥龄” ,有效地缓解了聚磷菌与反硝化菌在世代周期上的矛盾,强化了系统同步脱氮除磷效果。

回收系统可实现复合粉末载体重复利用,节约运行成本。

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(4)精准控制系统

基于HPB数学模型,以及在线仪表提供不同流量和水质条件下的实时变量,可以计算得出生化池各部分单元操作的过程参数,并通过计算机下达给执行单元实时调整。

控制系统的关键节点:

数据的实时性;

分区变量的监测;

智能化学习系统分析。

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(5)在线检修功能

采用独立单元格设计,各单元格之间可以通过闸板隔离,被隔离单元格的前后可以通过专用超越管连通。

不影响系统正常运行的情况下,做到不停水检修,避免污水下河。

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6、知识产权

知识产权

国际专利(PCT)3项;

国内发明专利7项(已授权3项);

国内实用新型专利4项(已授权3项)。

技术认定

科技成果处于国际先进水平;

技术标准入选工信部《绿色标准》研究项目;

国家环保机械行业协会水污染防治装备技术目录;

湖南省环境保护先进技术;

湖南省政府采购两型产品目录;

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二 新开铺污水厂改扩建工程HPB技术应用

1、项目背景

现状:10×104m³/d,国标一级A标准;目标:19×104m³/d,省地标一级标准;

问题:用地紧张、征拆困难、投资高;

需求:寻找更高效的处理工艺,在原厂内完成提标扩容;

原设计总投资:7.4亿元征拆费用,4.9亿元建设费用;

采用HPB总投资:无需征地拆迁,建设费用约3.8亿元。

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一阶段工程目标

2、生化池改造

改造前总停留时间9.6h;

改造后总停留时间4.8h,厌氧0.5h,缺氧0.7h,好氧3.6h,污泥浓度8g/L左右。

3、处理水量及温度

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4、出水水质分析

(1)COD

进水COD:51~474mg/L,进水均值230.4mg/L;

出水均值9.35mg/L,平均去除率94.93%。

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(2)NH3-N进水NH3-N:1.84~16.88mg/L,进水均值7.96mg/L;出水均值0.13mg/L,平均去除率98.32%。

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(3)TN进水TN:10.70~56.40mg/L,进水均22.57mg/L;

出水均值6.96mg/L,平均去除率66.82%。

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(4)TP进水TP:1.42~22.52mg/L,进水均值4.85mg/L;

出水均值0.13mg/L,平均去除率96.68%。

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(5)SS进水SS:48~1640mg/L,进水均值296mg/L;

出水均值1.5mg/L,平均去除率99.30%。

5、产泥量

产泥系数(kg/m³)

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6、水质情况分析小结

生化停留时间最短可做到3h,系统冗余更大;

强化生物除磷,深度处理加药量更少;

生化段控制TN达标,后续无需考虑脱氮;

厌氧氨氧化+同步硝化反硝化,所需外加碳源更少;

双泥法,抗冲击负荷能力更强。

7、电耗分析(与改造前一级A标相比)

尾水提升电耗约占全厂45%。

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8、药耗分析(与改造前一级A标相比)

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综合上述,电耗、药耗分析,HPB技术用一级A的运行成本达到了省地标一级标准的水质。

4月17日,新开铺污水厂二期改扩建工程应用HPB工艺专家论证会。

专家包括哈工大教授、中国工程院任南琪院士、原北京排水集团总经理杨向平教授、原北京市政设计院总工程师杭世珺教授、湖南大学柯水洲教授、湖南省建筑设计院副总工程师罗惠云教授等。

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HPB工艺可有效解决城镇污水处理厂在新建、提标、扩容、过程中面临的征地拆迁难、投资和运营成本高、建设周期长等突出问题,新开铺污水处理厂二期改扩建工程应用HPB工艺具有示范效应和推广意义,建议该项技术研发团队后续应不断创新优化,并在城镇污水处理基础上,更进一步拓展其应用范围。

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三 其他应用案例

案例一:益阳首创团洲污水处理厂应急项目

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首创团洲污水处理厂原规模为10.0×104m³/d,提标扩建工程目标为16.0×104m3/d,出水标准为一级B标准升级至一级A标准。在提标扩建中需要将氧化沟和二沉池分组停水改造。采用HPB技术进行应急强化,在二级处理构筑物减半的情况下,维持水量水质不变。目前已结束服务运营(130天)。

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案例二:宁乡市大成桥镇污水处理厂项目

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近期设计规模1000m³/d ,远期设计规模2000m³/d ,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。目前已完成竣工验收。

案例三:湖南新邵高铁新城污水处理厂项目

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设计规模6000m³/d ,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

案例四:长沙县北山污水处理厂提标项目

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设计规模2000m³/d ,原工艺为接触氧化,出水标准一级B,采用HPB进行提标改造,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

其他应用案例

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四 应用前景

1、提标扩容

无需新建生化池,利用现有生化池实现水质水量双提升;

二沉池出水水质好,后端深度处理无需考虑进一步脱氮;

不停水改造,且改造施工周期短。

2、新建

容积负荷高,为常规活性污泥法的2-3倍,生化池土建工程量大大减少;

出水水质可通过工艺参数调整适应不同的排放标准(一级A、准IV及以上);

对城市排水系统提质增效后污水厂进水浓度上升有良好的适应性;

独立单元格设计,可实现不停水检修功能。

3、适合城镇合流制污水处理

面临困难:城镇合流制污水的特点为旱季流量小、浓度高,雨季流量大、浓度低,平均截流倍数1-3,给目前城镇污水处理系统带来很大困难;采取的措施多为针对SS和TP做简易处理后排放,关键污染物指标,如COD、氨氮、总氮均不达标,仍然对受纳水体污染较严重。

解决措施:采用常规污水生物处理的池容,结合HPB技术的特点,可接纳全部旱季和雨季合流制污水,实现全部处理达标排放。


原标题:HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践

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