厂网联排对某污水处理厂设计进水参数优化分析
一、研究概况
厂网联排是城市多分区污水系统化治理的重要基础,在国内已广泛开展相关实践。例如,上海市基于干线和污水处理厂处理能力评估、瓶颈分析和多方案模拟,提出了干线及污水处理厂平稳输送的联动调度方案;北京市提出城镇排水系统厂网一体化运营的水质保障、水量均衡、水位预调3种基本模式,并分析了相应的实现途径。此背景下,以往常规污水处理厂设计中缺少考虑厂网联排条件下,相对实际情况设计进水水质易偏高,水量偏大,造成污水处理厂长期低负荷运行。因此,在厂网一体化建设、运营的趋势下,厂网联排需作为新建及改扩建污水处理厂进水论证的重要条件,特别是面对不同纳污片区内用地性质差异较大或局部集中存在不必分质处理的大排水用户的情况,联排条件下的分析可有效缓解污水厂进水不均衡问题,并合理减少构筑物规模,节省投资。
二、项目背景
苏北某开发区需新建JK污水处理厂(简称“JK厂”)缓解片区污水处理压力。拟建JK厂总设计规模为10.0万m3/d,近期规模为5万m3/d,设计出水执行一级A标准,区域内新建主干污水管网及现状污水管网改造同污水厂一并纳入项目统一实施,其中新建JK厂设计需统筹考虑片区污水联排基础条件。
污水片区划分情况如图1所示,因新建JK厂,需根据排水专项规划对片区污水系统分区进行调整:将原有的河西、苏宿和耿车3个污水分区划分为河西东区、河西西区、苏宿和耿车4个污水分区,把原河西污水分区分为东、西2个分区。河西西区为本项目JK厂纳污范围,河西东区维持现状进入河西污水处理厂(简称“河西厂”)。JK厂纳污范围内分布7家工业排水大户,其主要产品为太阳能电池及食品调料等,排水经用户初步处理后尾水实际浓度较低,但最高可达到下水道排放标准。按照《江苏省水污染防治条例》(2021)要求,污水可生化性、重金属及有机毒性物质含量等符合纳管条件下,工业尾水及生活污水可由污水处理厂处理达标后排放。
图1 片区污水系统划分
三、厂网联排基础条件解析
新建JK厂进水水量调配及水质优化需在片区内统筹调配实现。联排系统布置如图2所示,JK厂污水分区内通过新建及存量污水管组成污水主干管网,依托部分污水提升泵站节点实现JK厂与河西厂污水系统的互联互通。主要工业排水大户主要分布在JK厂污水分区内,各排水户尾水主要污染物、现状及近期拟增加排水量,如表1所示。
表1 主要工业用户排水调研
注:现状排水量合计为17 300 m3/d,2022年年底增加量合计为21 500 m3/d。
图2 厂网联排系统布置
3.1联排范围内水质水量预测
3.1.1 水量预测基础情况
设计近期年限为2025年,污水量进行预测包括3个部分,具体如表2所示。
表2 两厂水量现状及近期预测结果
注:*表示不含去往耿车污水处理厂的1.50万m3/d污水;**表示该数据含表1已确定工业用户尾水的3.88万m3/d,工业尾水近期增加水量为0.76万m3/d(4.64万m3/d-3.88万m3/d),按两厂范围等量分配各0.38万m3/d;***表示生活污水近期增加水量为2.09万m3/d(10.36万m3/d-6.77万m3/d-1.50万m3/d),按两厂纳污范围内现状生活污水量按比例分配增加量,JK厂范围增加0.38万m3/d,河西厂范围增加1.71万m3/d。
①污水系统分区优化调整后,JK厂+河西厂纳污范围内现状收集污水量约为10.0万m3/d[即现状河西厂污水处理量(8.5万m3/d)+外排至耿车污水处理厂(1.5万m3/d)],其中包括工业用水(1.73万m3/d)。
②根据现状河道排口调研,入河污水量约为0.5万m3/d,经排水管网系统改造后纳入JK厂污水收集系统。
③根据大排水企业用户排水量调查(表1),2022年底增加工业尾水量约为2.15万m3/d。
根据调查,两厂范围内2022年污水将达到12.65万m3/d[含生活污水(8.77万m3/d)+工业尾水(3.88万m3/d)]。2030年按照综合生活用水量指标法+工业用地指标法预测污水量为19.26万m3/d,采用内插法预测2025年污水量为15.12万m3/d[含生活污水(10.48万m3/d)+工业尾水(4.64万m3/d)]。河西污水厂规模维持10万m3/d,则JK污水处理厂近期设计处理规模取5万m3/d。
3.1.2 水质数据基础情况
参照规范及行业案例,实测生活污水及工业尾水水质。在片区内设置生活污水20个采样点并进行水质检测,求其均值;对片区内7家工业大用户尾水进行连续20 d出水水质检测,计算加权值。同时,将现况河西厂的实测进水水质作为背景参考,对河西厂2020年1月—2020年12月的实测进水水质进行分析,取90%涵盖率值。具体数据如表3所示。
表3 现状污水水质数据
3.2联排适用性分析
(1)工业尾水具有较好生化特征
表3数据表明JK厂纳污范围的工业尾水实测浓度较低,CODCr平均质量浓度为85.12 mg/L,生化性较好(B/C值约为0.35),按照环评批复排放至现状排水系统。当前接纳该尾水的河西厂,采用AAO+高效沉淀+纤维转盘处理工艺,出水能够稳定达到一级A排放标准,现状工业尾水对于常规处理工艺运行影响较小。
(2)泵站系统具有充分污水转输能力
JK厂及河西厂纳污范围内共有12座污水泵站,泵站提升转输能力最大可达31万m3/d,结合泵站的改扩建及远期智慧化改造,可为污水联排提供有效支撑。
(3)可缓解污水处理及管网输送压力
经管网普查,因河西厂现状进水已达到设计峰值,其主干网系统普遍管道存在高水位现象,水厂和泵站联动调节能力较差,加剧了污水管网淤积和渗漏等现象。联排能够有效减少现状管网压力,应对水量冲击,为管网清淤和污水厂应急检修预留条件。
3.3联排可利用工况条件分析
原河西厂纳污范围内北部片区及东南部片区多为居住和商业区,南部多为工业用地。因主要工业排水用户大部分在JK厂纳污范围内,JK厂承担的工业尾水比例远大于河西厂。在保障JK厂及河西厂稳定运行的原则下,最大程度实现进水水量均衡和水质均匀,结合图2,设置4种联排工况条件。
(1)工况a:保障JK厂生活污水来源
1号黄海污水泵站及2号南海污水泵站承担了新建JK厂纳污范围内的主要生活污水,现状为统一经过2号南海路污水泵站(1.50万m3/d)压力输送至耿车污水处理厂,在现状管道设置截止阀门并将2号污水泵站出路进行改造,出水调整至JK厂新建截污干管。
(2)工况b:强化JK厂与河西厂联排
JK厂新建污水干管系统实现了独立成网,为提高两厂污水系统效率及稳定性,对5号发展大道污水泵站(规模为6万m3/d)进行改造,沿4～5号泵站线路南侧绿化带内新建DN1000污水压力管道与西侧新建4号东吴路污水泵站(设计规模为5万m3/d)连通,管长约为3.2 km。该工况将工业用户图片远期尾水及图片图片图片图片全部尾水与河西厂上游生活污水进行联排,可实现0～2万m3/d的可变水量调配。
(3)工况c:保障部分工业尾水双出路排放
近期在6号通达路污水泵站(规模为1万m3/d)出水管设置三通管,分别连接JK厂新建污水收集主干管和现状河西厂污水收集干管。近期最大可压力提升图片天合光能厂近期8 000 m3/d尾水后,重力流接纳并输送图片龙恒新能源厂1.1万m3/d及图片东贝机电厂800 m3/d尾水至河西厂,降低近期工业水比例过重带来的风险。
(4)工况d:保留部分现状管道和泵站
JK厂和河西厂南北向干管之间存在少量污水管道及转输泵站(3号洋大河污水泵站),受截污干管新建和改造的工序影响,此部分污水管道近期保留排向河西厂污水管网。
四、联排组合工况下水质水量优化探讨
4.1组合工况下水量配置分析
如表4所示,将纳污范围内现状可收集污水作为实施前工况N0,项目实施后纳污范围内可收集污水作为实施后的初始工况(N1)。因JK厂范围工业尾水及生活污水超出近期设计水量,需设置简单基础组合工况1(N1+a+c1),通过组合工况1执行1.14万m3/d排向河西厂,实现两厂按设计负荷运行。为进一步降低JK厂工业尾水水量,设置均匀尾水水量组合工况2(N1+a+b2-1+c2-1)及2(备)(N1+a+b2-2+c2-2),通过工况2或2(备)工况实现两厂各自承担2.32万m3/d工业尾水,其中组合工况2受上游生活污水影响较小,相比工况2(备)较优。为充分均匀两厂进水,设置均匀水质组合工况3(N1+a+b3+c3),通过工况3实现工业尾水与生活污水的充分均匀。不同组合工况的具体执行情况如表4所示,相较N1与组合工况3,JK厂工业尾水比例由大于85.0%降低至30.9%,同时河西厂工业尾水比例仅由20.4%提高至30.9%。
表4 两厂近期联排工况及对应水量
4.2组合工况下水质均匀度分析
不同组合工况水量调配的基础上,生活污水水质按照实测平均值取值,工业尾水则分为按实测水质及最不利水质(纳管标准)进行预测,具体水质均匀情况预测如表5所示。尾水按照实测水质条件下,JK厂进水CODCr质量浓度的变化幅度能够实现由161.31 mg/L提高至224.93 mg/L;尾水按照最不利水质条件下,CODCr质量浓度的变化幅度能够实现由420.19 mg/L降低至353.55 mg/L。预测JK厂进水浓度变化的同时,变化幅度也明显收窄,如图3所示,以工况N1变化幅度为基准,组合工况1～3条件下,进水CODCr质量浓度变化幅度逐步缩窄至258.88、192.50、128.61 mg/L,最大收窄幅度达69%,有效减缓进水的水质冲击影响。
表5 组合工况下JK厂进水水质均匀
注:*表示不同组合工况下工业尾水及生活污水水量按表4取值;生活污水水质及主要工业用户尾水水质按表3取值。
图3 不同工况下JK厂进水水质变化
五、厂内工艺设计及预留保障
5.1工艺流程设计
JK厂采用预处理+多段AO生物池+高效沉淀池+砂滤池组合工艺,预留精细格栅、水解酸化池、粉炭投加间用地,工艺流程如图4所示。污水由排水管网收集进入污水厂后先经粗格栅截留大颗粒固体悬浮物,由提升泵房提升进入细格栅、曝气沉砂池进一步去除颗粒物及非溶解性CODCr,进入多级AO生物池去除有机物同时兼顾脱氮除磷,生物池出水经二沉池泥水分离后的上清液由中间泵房提升至深度处理单元。深度处理首先由高效沉淀池进一步去除水中SS、CODCr、TP,再经V型滤池过滤及次氯酸钠消毒后排放。
图4 JK厂工艺流程
5.2预留保障措施
为避免远期增加工业尾水带来的不确定性影响,在工艺流程中预留精细格栅及水解酸化单元工艺段及活性炭投加条件。若经联排联调后,实际进水中溶解性难生物降解CODCr质量浓度持续高于30 mg/L时,需进行增加水解酸化及投加粉炭工艺技术升级,通过水解酸化功能原位开发内碳源提高溶解性CODCr浓度,具体需通过试验确定技术路线和相关工艺参数。
六、结论及建议
(1)JK厂纳污范围工业尾水占比较高且成分简单,结合充分的转输条件,实施不同组合工况下的厂网联排,降低了JK厂的水量冲击负荷,同时进水水质变化幅度大幅收窄,进水CODCr质量浓度变化幅度收窄至128.61 mg/L,有效保障了工艺稳定,降低初期投资建设成本和长期运营成本。
(2)JK厂范围内工业尾水的实际浓度较低,宜考虑不同组合工况的调度费用和污水处理厂的投资及运行优化成本,选择合理组合工况常态化运行。当工业尾水生化性下降或新增影响生化系统污染物时,若强化联排不能保障出水稳定达标,需有条件限制联排运行,按照预留保障措施开展JK厂技术升级改造。
(3)在“厂网一体化”趋势下,以厂网联排作为污水处理厂设计进水优化条件是从源头实现污水处理“降本增效”的重要举措。目前相关报道案例较少,JK厂跳出固定污水来源限制,为行业内类似项目进水设计在基础条件解析、联排工况组合及预留保障措施方面,提供应对新趋势下的新思路。因联排涉及范围更广,建议设计单位与政府主管部门、排水设施产权及管理部门等共同明确关键边界条件及组合工况的可实施性,确保系统功能实现。
