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净水技术 系统性理念改造大型污水处理厂除臭工程

  以作品为媒,让图纸说话,感受每一个工程项目背后的设计理念和思想。“设计案例”与国内各大设计院所联名合作,深入剖析我国市政给排水新改扩建工程项目设计过程中的理念和经验,相互启迪,引领发展。

  [作者简介] 杜炯(1976—),男,高级工程师,硕士,长期从事给排水工程设计工作,Email:。

  重庆鸡冠石污水处理厂为重庆市规模最大的污水处理厂,臭气性质复杂,布局分散,但缺少针对性的除臭装置,对周边环境造成了不利影响。改造工程采取系统性理念,通过组合加盖模式进行臭气收集、等距同程风管进行输送、高效除臭工艺灵活应用,结合多种创新手段精准施策,实现优于预期的除臭目标。除臭改造工程自投入运行以来,产生的臭气经处理后均实现达标排放,即满足《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)二级标准,恶臭源得到有效控制,除臭效果显著。

  重庆市鸡冠石污水处理厂位于南岸区鸡冠石镇,历经多次改扩建,2010年达到规划规模,为165万m3/d(雨季)和80万m3/d(旱季)。其中,2008年建成的二期工程(60万m3/d)执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准,2010年建成的三期工程(20万m3/d)执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(SS=18 mg/L),现出水均优于设计排放标准,为重庆市的环境保护和COD减排做出了巨大贡献。

  但是,鸡冠石污水处理厂内现有除臭设施并不能满足除臭要求,对周边环境造成了一定的危害。粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、初沉池、生物反应池厌缺氧段、好氧段、污泥处理区等构筑物均为敞开式,臭气无组织排放。大部分盖板无法有效密封,仍有大量臭气无组织排入大气。随着市民环境意识的加强,人们对污水处理厂飘散的恶臭污染更加关注,仅2020年12月全国的恶臭投诉事件就有15 952件,占大气污染投诉的44.1%。重庆市人民政府为消除鸡冠石污水处理厂臭气对周边环境的不利影响,缩减影响范围和卫生防护距离,提高厂区周边土地的利用价值[可开发约2 564亩(1亩≈666.67 m2)土地,地区经济效益达百亿元],确保厂区周围良好的环境空气质量,对厂区中产生臭气的构建筑物进行针对性的改造,采取切实有效的环保措施,以实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。

  根据工程平面布置,本工程拟对初沉池、生反池厌缺氧段、污泥处理区进行加罩密封,并针对构筑物单体上的盖板增加密封措施,总投影面积共计92 560 m2。后续实现负压吸引、集中除臭,处理能力达到13.8万m3/h。

  鸡冠石污水处理厂是国内少见的工艺非常全面的污水处理厂,既有常规的预处理和生化处理段,也有不常见的污泥厌氧消化池和污泥热干化工艺,如污泥处理区有污泥重力浓缩、机械浓缩、机械脱水、污泥消化、污泥热干化等。流程不同,产生的恶臭气体成分也有很大差异,如污水处理工艺臭气以硫化氢和氨为主,污泥干化采用苏伊士两段法,处理规模为450 t/d(80%含水率),出泥含水率为10%以下,其产生臭气为干化臭气,以酚醛类多环芳烃为主,体现为硫化氢和氨浓度不高,整体工艺臭气浓度较高,故需要充分分析其中的主要成分,并选择针对性的处理方式。各单体的臭气浓度设计值如表1所示。

  鸡冠石污水处理厂为重庆市最大规模的污水处理厂,总处理规模为165万m3/d(雨季),污水处理量为80万m3/d(旱季)。该厂十余年内多次建设,现有处理构建筑物近60座,其中,初沉池3座,每座散发臭气的敞开水面面积约有0.45万m2,3座初沉池散发臭气总面积为1.35万m2左右;AAO生反池4座,每座厌缺氧区面积约1万m2,4座生反池散发臭气总面积为4万m2左右。

  污水处理厂现有处理构建筑物近60座,分散在4.67×105 m2范围内。臭气浓度较高的预处理区和污泥处理区与厂外敏感点距离仅200 m左右,除臭难度大。业主要求排气筒出口臭气浓度需低于200,为国家标准值的1/10,该标准也仅为上海市最新的地方臭气标准最高允许值的1/3,达标难度大。

  鸡冠石污水处理厂除二沉池及之后的深度处理区之外,预处理区、污泥处理区、污水深化处理区均有产臭构筑物分布,分散的布局给臭气收集带来很大不便。结合不同工艺臭气浓度及成分的差异性,给出的解决方案是适度集中、分散收集处理。按“大集中”“小集中”分别给出布置方案,比较管道投资及处理设施的投资。“大集中”总共采用3套除臭装置方案,即预处理区1套、生反池1套、污泥处理区1套。该方案可节省除臭装置投资,但管路投资大且风机电耗增加;“小集中”采用7套除臭装置,预处理区4套(含初沉池2套)、生反池2套、污泥区1套。该方案针对收集面积大、臭气负荷高的初沉池和生反池区域均采用了2套除臭装置,收集系统的缩小对区域内臭气的均匀收集非常有利。经综合比较,最终确定采用“小集中”方案(7套除臭装置),总除臭风量为13.8万m3/h。

  以往的除臭工程往往只关注送至除臭装置的臭气要达标排放,而忽视了臭气收集和输送的有效性。臭气的“收集→输送→处理”是整个除臭系统的三大环节,任何一个环节出现问题都会导致除臭“功亏一篑”,效果大打折扣。收集指如何对产臭构筑物进行加罩,要点是兼顾运行管理的便利性;输送指臭气管路系统,要点是如何保证各个构筑物或构筑物内各点臭气收集的均衡性。

  鸡冠石污水处理厂现有水池基本均为敞开设置,故除臭的第一步是选择合适的加罩材料对现有水池进行密闭加罩,表2为目前国内常用的加罩形式。

  综上,结合鸡冠石污水处理厂规模大、不能长时间停水施工、景观绿化视觉效果要求较高的特点,将以上3种加盖模式进行组合,在适当的地方采用合适的加盖方式,为本工程的最优选择。

  巡检人员密切观察区域,如粗格栅间、粗格栅出渣间、沉砂池细格栅等处采用便于观察的透明加罩形式,采用双层钢化玻璃加不锈钢框架的加罩形式,使用寿命长、外观整洁美观。

  设备故障率高且臭气浓度高、需经常放空检修的大面积构筑物,比如初沉池,采用高强度拱形玻璃钢滑动盖板加罩,该种罩采用高低盖设计,可双向实现100%面积开启,方便链板刮泥机的更换检修。

  鸡冠石污水处理厂厌缺氧段和好氧段单格尺寸大,跨度均达到15 m以上,好氧区大部分位置跨度达25 m。AAO生物反应池池壁较薄,混凝土加盖盖板重量大,且需停水施工,工期长,对现有运行影响大,对于本工程来说不适宜采用;反吊膜和高强度玻璃钢盖板具有自重轻、视觉美观的特性,适合较大跨度的生物反应池的加盖。经多方案比较,最终选用反吊膜和高强度玻璃钢盖板协同加罩方案。经环评单位论证,考虑将来除臭标准进一步提高的可能性,在厌缺氧区采用高强拱形玻璃钢盖板加盖,加盖跨度为15 m;好氧区采用反吊膜加罩,跨度达25 m,罩体下部有2 m腾空段近期不封闭,远期除臭标准进一步提高时可通过增加腾空段膜材实现快速封闭。

  两者结合的效果是“各取所长、互补其短”,臭气散发浓度较高的厌缺氧区采用大跨拱形盖,15 m跨度时最高处仅有1 m,有效降低了除臭风量;好氧区不除臭,采用反吊膜加盖既美观又实用。本工程反吊膜加盖和拱形大跨度玻璃钢加盖面积均为4.5万m2。

  目前,国内除臭设计中均采用换风次数法确定各单体除臭风量,该种方法简单易行,但由于换风次数可取值范围很大,同一个单体规范上允许的换风次数低值和高值可相差一倍,导致投资也有一倍的差距,实际应用时设计人员按自我习惯取值,实际应用效果无法保障。

  从加罩除臭机理角度分析,好的加罩换风次数应使加罩后所有缝隙中往罩内吹的风速不低于0.3 m/s,一般取0.4 m/s。此种风速下臭气不会从缝隙中逸散到罩外,从而达到加罩目的。故换风次数应该和罩子的缝隙比(缝隙面积和加罩总面积的比值)相对应,缝隙比越低,换风次数越少,除臭风量也越小,除臭装置投资越省,也越节能。

  本工程在换风次数确定中,首次进行了加罩缝隙的计算,通过缝隙计算确定除臭风量值。

  缝隙法计算的原理是认为混凝土现浇板不存在气体散发可能,所有臭气均从盖板缝隙漏出。故统计水池加罩后盖板的边缘长度作为缝隙的长度,缝隙的宽度按盖板边固定方式经验选用,采用双向滑动盖的为便于滑动其缝隙偏大,一般取值为10 mm左右;玻璃钢盖板为膨胀螺栓加橡胶垫固定,其缝隙宽度一般取值为2 mm左右;一般的活动盖板和反吊膜加罩区域缝隙宽度居中,一般取值为5 mm左右。具体如表3所示。

  初沉池采用双向滑动除臭罩,为便于滑动,其缝隙较大,故折算后换风次数需达4次/h。反应池采用固定盖加罩,盖子与池面采用橡胶垫及膨胀螺栓固定,可控制平均缝隙宽度为2 mm左右,此时只需换风次数2次/h,相比于常规的3~6次/h换风次数计算得到的除臭风管及除臭装置的投资均大幅降低。

  每个吸风口与总管的距离尽量相同是风管布置中的一个基本原则,但实际应用中,由于同程布置导致管路不可避免地出现绕路等现象,很多设计人员舍弃了同程设计理念,且存在“反正有风阀可调节阻力”的想法。经测算,虽然风阀可以调节阻力,但调节能力有限,故合理的风管布置原则应该是对于收集主管实现同程布置,支管通过阀门调节。图1为小型构筑物的风管布置,其收集管道基本实现了同程布局,末端3根支管方面,通过对末端CFD模拟后采用中间支管缩径方式,也实现了3根支管的阻力一致。图2为旋流沉砂池的风管布置,为主管同程布置的方式。

  除臭风管的冷凝水排放也很重要,尤其对于不锈钢管道,如不及时排放,冷凝水会融入硫化氢后转变为弱酸,对不锈钢管造成严重腐蚀。因此,设计中务必通过管道支架的垫片调整风管水平安装的坡度,设计坡度取0.5%~1.0%,冷凝水通过管道最低点处的排水阀排出。此外,收集干管和支管风速设计取值不同,分别为6.0~10.0 m/s和4.0~7.0 m/s。

  经分析,气体从缝隙的漏风点进入,至吸风口排出,其沿程阻力损失很小可忽略不计,主要阻力发生在缝隙处和吸风口处。缝隙处按0.4 m/s风速计,吸风口处按3.0~5.0 m/s风速计,阻力共6~14 Pa,对于整个收集管路的损失(300~700 Pa)来说可忽略。

  试验表明,气体的输送与液体输送存在很大差异,气体输送对阻力差异更敏感,也就意味着除臭风管风量的调节难度比水输送管路更大。除臭风管布置的首要原则是同程原则,即每个吸风口与总管的距离尽量相同,从而大幅降低风阀调节的难度,使每个吸风口风量相同。实际应用中,由于大部分单体外形不规则,且风管还需考虑与人员通道、生产管线的避让,吸风口距离总管不可避免的会存在远近,无法实现完全同程,此时就需要通过风管上的风阀对风管阻力进行调节。一个收集系统中最近和最远风管的阻力差如小于单个风阀最大阻力,则可通过风阀进行调平,如大于风阀最大阻力,则靠风阀无法实现调平,此时管路的同程布局就显得尤为重要。

  根据以上分析,在风管无法完全同程的情况下,只能靠风阀对远近风管的阻力进行调平,如何准确地实现调节是一个重要的问题。污水处理厂除臭风管一般均采用玻璃钢或不锈钢等不透明材质,风管的输送量无法通过肉眼直观看出差异。鉴于此,鸡冠石除臭项目中采用了上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司创新设计的风量指示器,内部风量值直观显示在外部刻度上,结合调节风阀可实现各支管风量的调平, 如图3所示。该风量指示器采用类似加药管路上的转子流量计原理,通过对不同形式盘片的试验,最终选用特定开孔比及开孔斜度的镂空等距盘片,在极小的风阻下(最低风速为1 m/s)可将盘片在不同位置悬停并匀速转动,通过转动将一些杂质拨开,防止盘片被卡。为防止长时间运行后里面有污物,在盘片上设置了再生水接口,可接入再生水对内部进行冲洗。

  化学洗涤法、生物除臭法、离子除臭法、活性炭(化学过滤)吸附法、除臭剂喷淋法、全过程除臭法是目前较常用的除臭处理工艺,几种工艺各具特点。针对不同的臭气含量,采用不同的除臭设计参数,在确保达标的前提下节省投资。常用除臭工艺优缺点如表4所示。

  根据以上分析,考虑到预处理部分和生反池部分实测硫化氢质量浓度均低于50 mg/m3,为生物滤池可有效发挥作用的范畴,且化学法需使用氢氧化钠和次氯酸钠,运输使用不便,故确定本工程采用生物滤池法为主的除臭工艺。针对高浓度区域,如初沉池和污泥浓缩池、浓缩机房等设施,采用高效靶向型生物滤池,内部含两个不同的生物滤池模块,分别采用不同的内部设计和停留时间,培养嗜酸性细菌(25 s停留时间)和嗜中性细菌(15 s停留时间)的优势种群,分别以臭气中的硫化氢等无机酸性气体和甲硫醇等醇类臭气成分为靶向目标进行高效去除。两者联合可将臭气的去除效率从常规的90%提到95%~99%。

  生物滤池采用的填料不同,其除臭效果及使用寿命也有很大差异,生物滤池常用的填料及特性如表5所示。

  根据以上分析,鉴于本工程对除臭效果要求高,且要求设施使用寿命长,经多方位比选最终确定选用竹炭填料。竹炭填料价格较高,但其比表面积大,单位体积承载生物量大,强度高,不宜破碎,且其具有一定吸附作用,可在没有挂膜的时候吸附臭气发挥除臭功能,对于着急发挥效用的应急项目尤其适用。

  生物滤池设计中还有个关键性指标,即停留时间。停留时间越长,除臭效果越好,但投资和运行成本越高,一般单级生物滤池停留时间为15~40 s。本工程考虑到不同设施臭气浓度不同,故在停留时间上进行了精细化考量,对于浓度较低的粗格栅进水泵房、生反池区域,设置生物滤池填料区停留时间为25 s,对于浓度较高的细格栅旋流沉砂池、初沉池、污泥浓缩池,设置生物滤池填料区停留时间为40 s。

  一般除臭微生物需要一定的温度才能保持活性,如在北方地区需要增加加热器对喷淋水进行加温,而重庆地区尚不需要,且臭气来自于污水池,在冬天臭气的温度也不会低于10 ℃。生物滤池采用玻璃钢外壳,玻璃钢本身的低传热效率也有利于保温。

  另外,鸡冠石污水处理厂内建有一座污泥干化机房,设计规模为450 t/d(进泥含水率为80%),采用苏伊士的两段法干化工艺(薄层+带式干化)。该工艺共产生两种臭气,一种为干化过程中产生的高温高浓度臭气(50 ℃左右),另一种为房间内的低浓度臭气,其中薄层干化机密闭性好,房间内无需除臭,带式干化机无法做到完全密闭,房间内有明显臭味,且带机体型大,整体加罩实施难度大。干化机房紧邻厂界西侧围墙,围墙外200 m即住宅小区,故本次对干化机房重点除臭。

  鉴于此,针对干化机房的除臭方案如下:高温高浓度干化废气采取洗涤降温+化学除臭+生物滤池+活性炭吸附(可超越)的组合除臭工艺,其中活性炭吸附作为保障措施,在进气异常波动或设备检修造成出气超标情况下短期使用,化学除臭填料区接触时间不小于3 s,生物滤池填料区停留时间不少于40 s;房间内的低浓度臭气为厂房内无组织散发臭气,采用离子送新风除臭工艺。

  2019年7月,除臭改造工程完成安装调试工作。同年9月,市级环境保护部门通过验收,处理后达到《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)二级标准。其中排气筒的实测臭气浓度也始终低于200。

  鸡冠石污水处理厂除臭专项工程为西南地区首个大型除臭专项工程,采用了大量创新性的技术和理念。如在风量计算上采用缝隙面积法,在确保除臭效果的基础上降低了风量,节省了投资;在除臭工艺选用上对设计参数进行了精细化设计;生物滤池选型上创新采用了高效靶向型生物滤池,提高除臭效率到99%;收集管路上创新应用了同程管路技术及可视化技术,提高了运行管理质量,从而实现了 “收集-输送-处理”全流程对除臭技术进行了全面升级。本工程为大型污水处理厂的除臭改造工程提供了可复制、可借鉴的经验。

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