嚴(yán)欣茹 方 珺 房 俊 閆燕筱

合肥通用機(jī)械研究院 合肥市

一、前言

隨著太湖流域“藍(lán)藻”事件的爆發(fā)，政府和各界人士已經(jīng)越來(lái)越意識(shí)到氮、磷污染對(duì)自然水體的危害，在各項(xiàng)措施中，對(duì)現(xiàn)有市政污水處理廠出水“提標(biāo)改造”已經(jīng)成為越來(lái)越迫切的任務(wù)。由于部分污水處理設(shè)施在硝化反硝化工藝上的缺失或者運(yùn)行不穩(wěn)定不可靠，最終生化出水的氨氮或總氮依舊維持在高位水平。

帶有硝化和反硝化功能的ASTRASAND連續(xù)砂濾，是“提標(biāo)改造”進(jìn)一步去除氨氮或總氮的最佳解決方案，依靠絮凝反應(yīng)和本身的物化分離功能，ASTRASAND連續(xù)砂濾也可以將廢水中的磷去除到很低的水平。這些脫氮除磷的功效使得ASTRASAND連續(xù)砂濾在歐洲市政廢水“提標(biāo)改造”中屢屢被成功應(yīng)用。同時(shí)，在整個(gè)脫氮除磷過(guò)程中，ASTRASAND連續(xù)砂濾本身強(qiáng)大的自清洗過(guò)濾作用可以使得出水懸浮物和濁度獲得一個(gè)很低的水平，維持了原設(shè)計(jì)對(duì)深度處理過(guò)濾的基本功能要求。因此，采用ASTRASAND連續(xù)砂濾，可以完美而簡(jiǎn)練地達(dá)到一級(jí)B提標(biāo)到一級(jí)A的要求（表1）。

表1 一級(jí)A、B水質(zhì)參數(shù) mg/L

合肥長(zhǎng)豐污水處理廠二級(jí)生化出水NH4-N已達(dá)到一級(jí)A要求，本項(xiàng)目就其他總氮、總磷和懸浮物指標(biāo)自一級(jí)B的設(shè)計(jì)進(jìn)水參數(shù)條件，經(jīng)過(guò)深度處理達(dá)到一級(jí)A的要求。

二、工藝設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)規(guī)模

合肥長(zhǎng)豐污水處理廠深度處理設(shè)計(jì)能力為20 000m3/d，K=1.48，二級(jí)生化出水NH4-N已經(jīng)能夠圓滿達(dá)到一級(jí)B要求，就其他總氮、總磷和懸浮物指標(biāo)自一級(jí)B的設(shè)計(jì)進(jìn)水參數(shù)條件，經(jīng)過(guò)深度處理達(dá)到一級(jí)A的要求。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 污水處理廠深度處理設(shè)計(jì)參數(shù) mg/L

2.工藝描述

（1）中間提升泵房。經(jīng)過(guò)二級(jí)生物系統(tǒng)處理后的污水重力流入提升泵房的前池，提升泵房的集水池中設(shè)置有24h在線監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)水的水量和水質(zhì)。在水池中設(shè)置的液位計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)砂濾進(jìn)水池的液位，并與提升泵聯(lián)鎖，通過(guò)液位變化控制提升泵的啟停和變頻，將集水池中的污水分別連續(xù)泵入至生物連續(xù)砂濾系統(tǒng)，可以按照實(shí)際運(yùn)行需要調(diào)節(jié)進(jìn)入砂濾池的進(jìn)水流量。在砂濾系統(tǒng)進(jìn)水管路上都安裝有流量計(jì)，24h在線監(jiān)測(cè)每組砂濾進(jìn)水的水量。泵房集水池中還設(shè)有NO3-N在線監(jiān)測(cè)儀表。根據(jù)NO3-N和流量的乘積可以得到進(jìn)入每組砂濾系統(tǒng)的NO3-N負(fù)荷，從而控制碳源的投加。在中間提升泵房的進(jìn)水需設(shè)置格柵，用來(lái)攔截水中的大塊顆粒物（尺寸＞5mm）。

（2）管道混合器?；炷齽┖吞荚矗状迹┍挥?jì)量泵投加到管道混合器，與提升泵送來(lái)的原水在管道混合器內(nèi)進(jìn)行快速混合?；旌虾蟮乃萌肷镞B續(xù)砂濾池進(jìn)行深度處理。

（3）生物連續(xù)砂濾池。連續(xù)砂濾池應(yīng)有3個(gè)功能：懸浮物（SS）的物理過(guò)濾，磷酸鹽磷（PO4-P）的化學(xué)除磷與硝基氮（NO3-N）的生物反硝化。3種功效集中在一個(gè)濾池中實(shí)現(xiàn)，對(duì)設(shè)備和整套系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)精密，功能強(qiáng)大。

生物連續(xù)砂濾是集混凝、澄清、過(guò)濾功能為一體的連續(xù)自動(dòng)清洗的流砂過(guò)濾器，系統(tǒng)采用逆流式移動(dòng)床過(guò)濾原理和單一均質(zhì)濾料。生物連續(xù)砂濾，應(yīng)包括原水過(guò)濾和濾料清洗兩個(gè)在空間上相對(duì)獨(dú)立又在時(shí)間上同時(shí)進(jìn)行的運(yùn)行過(guò)程，二者在過(guò)濾器內(nèi)的不同位置完成。生物連續(xù)砂濾能夠全天24h連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需停機(jī)反沖洗，無(wú)需提供額外的反沖洗水泵。

3.運(yùn)行原理

整個(gè)活性砂過(guò)濾器包括水路、砂路和氣路。

（1）水路。需處理的水通過(guò)位于設(shè)備上部的進(jìn)水管進(jìn)入砂濾系統(tǒng)，然后通過(guò)砂濾底部布水器被均勻分布在整個(gè)砂床截面，并導(dǎo)引向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)砂床的過(guò)濾作用將水中的污染物截留過(guò)濾，過(guò)濾后的濾液從砂濾頂部的出水口流出。

（2）砂路。過(guò)濾介質(zhì)砂粒在水流上升的同時(shí)，在重力作用下不停地向下流動(dòng)，附著懸浮物的砂粒從設(shè)備底部通過(guò)中心提砂管，在氣提作用下被提升至連續(xù)砂濾頂部的洗砂器，中心提砂管內(nèi)氣水的強(qiáng)烈擾動(dòng)可使附著的污染物從砂粒上脫離。砂粒從洗砂器內(nèi)經(jīng)過(guò)迷宮回落至砂濾中，期間迷宮中的小股逆流清水對(duì)其再次進(jìn)行沖洗，凈砂利用自重返回砂床的頂部，開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。同時(shí)，含有大量懸浮物的砂濾沖洗水通過(guò)沖洗水出口排出。

（3）氣路。砂粒的循環(huán)依靠壓縮空氣的氣提作用，在上升管的頂部空氣被釋放。通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的供應(yīng)量，可以調(diào)節(jié)濾砂循環(huán)的速度和沖洗強(qiáng)度。

4.擴(kuò)展功能

化學(xué)除磷功能：活性砂過(guò)濾器應(yīng)具有在線加藥功能，依靠機(jī)械混合器，可以不需單獨(dú)設(shè)置絮凝池達(dá)到除磷功能。通過(guò)微絮凝作用使得水中的PO4-P與金屬陽(yáng)離子反應(yīng)生成磷酸鹽沉淀，后經(jīng)過(guò)連續(xù)砂濾器中砂床的過(guò)濾作用將沉淀物捕捉，從而達(dá)到去除總磷的目的。

活性砂過(guò)濾還可以通過(guò)生物掛膜，實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化的生物脫氮的擴(kuò)展功能。在生物連續(xù)砂濾反硝化過(guò)程中，投加的碳源首先消耗水中的溶解氧為反硝化細(xì)菌提供厭氧的環(huán)境。利用水中的碳源和硝態(tài)氮，微生物可以在濾砂的表面生長(zhǎng)和拓殖，形成生物膜，在去除固性懸浮物的同時(shí)，將廢水中的硝態(tài)氮等污染物轉(zhuǎn)化去除，從而更進(jìn)一步凈化水質(zhì)。反硝化反應(yīng)利用碳源將硝酸根還原成N2（以甲醇為例），反應(yīng)方程式見(jiàn)式（1）。

反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)性細(xì)菌，所以他們依賴于有機(jī)物質(zhì)而生存。它們的營(yíng)養(yǎng)物由水中擴(kuò)散到生物活性層，是由溶解有機(jī)物連同亞硝酸鹽、硝酸鹽、氫化物組成。由此提供的營(yíng)養(yǎng)物使細(xì)菌可以生長(zhǎng)、繁殖。新的生物群形成在過(guò)濾器細(xì)砂上。

5.出水與洗砂水

污水經(jīng)砂濾系統(tǒng)處理后，經(jīng)過(guò)紫外線消毒，最終達(dá)標(biāo)排放。洗砂水為連續(xù)排放，經(jīng)收集后直接排放到廠區(qū)的下水管道進(jìn)入前端粗格柵井重新處理或者回流至曝氣池或者二沉池進(jìn)水。

6.壓縮空氣制備

通常連續(xù)砂濾氣提采用0.8MPa的壓縮空氣，通過(guò)油氣分離、過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)干燥微油（＜0.1×10-6）的用氣品質(zhì)。整套系統(tǒng)應(yīng)包括螺桿壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、油氣分離器、冷卻器、風(fēng)扇、水分離器、電氣控制箱等。同時(shí)為穩(wěn)定氣源供應(yīng)，應(yīng)配備相應(yīng)容積的儲(chǔ)氣罐，按GB 150-1998進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)，同時(shí)還應(yīng)符合“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”要求。

7.化學(xué)品投加系統(tǒng)

（1）混凝劑投加系統(tǒng)。由于原水中含有一定量的磷，則需要向砂濾系統(tǒng)投加混凝劑對(duì)磷進(jìn)行去除?；炷齽┩都酉到y(tǒng)主要包括了混凝劑攪拌池和混凝劑計(jì)量泵?；炷齽┲糜诨炷齽嚢璩兀ü?個(gè)，單個(gè)有效容積3.5m3）加水充分?jǐn)嚢?，由混凝劑?jì)量泵泵送至砂濾進(jìn)水管道混合器內(nèi)。攪拌池配有液位計(jì)檢測(cè)液位，并控制混凝劑計(jì)量泵的啟停。通過(guò)變頻控制投加泵的投加量。投加量與生物砂濾進(jìn)水負(fù)荷連鎖。

（2）碳源投加系統(tǒng)。反硝化脫氮需要投加一定量的碳源，在本系統(tǒng)中，選擇的碳源為甲醇。碳源投加系統(tǒng)主要包括了碳源貯罐和碳源投加泵。碳源由槽車(chē)卸卸至地下碳源儲(chǔ)罐（有效容積25m3）進(jìn)行貯存，然后由碳源投加泵泵送至砂濾進(jìn)水加藥混合池內(nèi)。碳源儲(chǔ)罐內(nèi)配有液位計(jì)連續(xù)檢測(cè)儲(chǔ)罐液位，并控制碳源計(jì)量泵的啟停。

甲醇的投加采用防爆型計(jì)量泵（2臺(tái)），通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)變頻控制投加泵的投加量。投加量與生物砂濾進(jìn)水流量連鎖。

三、自動(dòng)控制

由于砂濾通過(guò)生物法將水中的NO3-N還原為N2從而達(dá)到去除TN的目的，因此需要向水中投加一定量的碳源。而這部分碳源首先會(huì)消耗水中的溶解氧，然后再與NO3-N反應(yīng)生成N2。根據(jù)進(jìn)水池在線監(jiān)測(cè)的溶解氧（DO）和硝基氮（NO3-N）數(shù)據(jù)，調(diào)控需要向水中投加碳源的量，這部分碳源首先會(huì)消耗水中的溶解氧，然后再與NO3-N反應(yīng)生成N2。進(jìn)水溶解氧（DO）和硝基氮（NO3-N）的測(cè)量值和水量的變化可與碳源投加泵進(jìn)行聯(lián)鎖，可以更精確的控制水中碳源的投加量，防止出水COD超標(biāo)。

假定進(jìn)水的PO4-P數(shù)據(jù)比較恒定，因此，只需要將采集的每組生物砂濾的進(jìn)水流量與混凝劑加藥泵進(jìn)行聯(lián)鎖，自動(dòng)調(diào)節(jié)混凝劑的投加量。如果進(jìn)水PO4-P濃度的變化很大，則最好在進(jìn)水井選裝PO4-P濃度在線監(jiān)測(cè)。

這些邏輯控制由一個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。本砂濾系統(tǒng)要求PLC站和觸摸屏之間通信采用MPI通信方式，整個(gè)PLC、觸摸屏控制部分將集中在一個(gè)控制柜內(nèi)。

四、系統(tǒng)配置

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖1所示。在系統(tǒng)供電中，對(duì)PLC部分電源配置了防雷器。柜內(nèi)24V電源采用了2個(gè)電源，分別用于DI/DO信號(hào)、AI/AO信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)儀表供電使用，保證了系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的可靠性和安全性。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

模板的選型，要求開(kāi)關(guān)量的輸入，全部采用無(wú)源觸點(diǎn)輸入；電源由PLC控制柜內(nèi)提供。同樣，對(duì)開(kāi)關(guān)量的輸出，也全部采用無(wú)源觸點(diǎn)輸出；在PLC控制柜內(nèi)全部采用繼電器隔離輸出，觸點(diǎn)電源由現(xiàn)場(chǎng)提供。通過(guò)這種約定方式，可以使PLC所使用的模板型號(hào)統(tǒng)一、信號(hào)隔離、連接清晰方便且不易出錯(cuò)。

五、監(jiān)控系統(tǒng)操作功能

觸摸屏的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)砂濾系統(tǒng)處理工藝參數(shù)的采集、顯示、修改、設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、顯示，并按工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。

通過(guò)觸摸屏可以方便和直觀地顯示整個(gè)砂濾系統(tǒng)控制工藝流程和工藝參數(shù)，對(duì)各設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制室的遠(yuǎn)方監(jiān)視和操作?？梢詫?shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表的儲(chǔ)存（3個(gè)月）、顯示、查詢等功能。

1.電源配置

整個(gè)砂濾系統(tǒng)采取中心控制室統(tǒng)一供電方式，供電電源應(yīng)220V 50Hz的單相交流電源，電源允許偏差正負(fù)10%，超過(guò)此范圍應(yīng)配置交流穩(wěn)壓裝置。交流電壓的引入功率一般不小于系統(tǒng)使用功率的1.5倍。

2.防雷、過(guò)電壓保護(hù)及接地

根據(jù)系統(tǒng)需要，MCC對(duì)中央控制室的電源進(jìn)線設(shè)置兩級(jí)避雷器和過(guò)電壓保護(hù)裝置；系統(tǒng)的接地分為電器安全地和信號(hào)地二組獨(dú)立的接地點(diǎn)，接地電阻要求分別＜1Ω和＜4Ω。接地裝置按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)系統(tǒng)接地要求等電位或分別接地。

3.電源電纜、信號(hào)電纜的選型與敷設(shè)方式

儀表電源電纜一般采用KVV-0.6/1KV銅芯電纜，信號(hào)電纜采用KVVR銅芯屏蔽電纜，電纜在電纜溝內(nèi)或電纜橋架內(nèi)敷設(shè)，電纜在電纜溝或電纜橋架末端穿鍍鋅鋼管敷設(shè)。

設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要目的不僅是為減少操作人員，而且是確保操作的可靠性和容易性，達(dá)到工藝處理效果要求的保證條件。本自控系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)本砂濾設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，考慮用戶將來(lái)整合需要，預(yù)留西門(mén)子MPI通訊接口以便整廠聯(lián)網(wǎng)。

六、設(shè)備參數(shù)

砂濾型號(hào)AS500-25；砂濾數(shù)量24（6套×4組）；砂濾床有效高度2.5m；總砂濾面積144m2；清洗水流量 (連續(xù))75m3/h；凝結(jié)劑投加量，Me/PO4-P＜3；氣提用壓縮氣供應(yīng)量，24（5～10）=120～240m3/h；氣提用壓縮空氣壓力0.25MPa；甲醇投加裝置1970kg/d；控制裝置選配ASTRACONTROL和ASTRAMETER電壓220V；壓縮氣體要求干而微油；各部件所用材料，其中提砂泵、洗砂器、布水器組件與內(nèi)部連接管道，均為HDPE（高密度聚乙烯）；濾砂選項(xiàng)要求720t；砂料為高品度硅砂，至少95%含硅石量，表面飽滿，干燥時(shí)密度為2.5kg/m3或更高。砂粒偏離度＜10%；灰埃含量＜0.5%；一致度系數(shù)＜1.5；認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)KIWA或相當(dāng)；規(guī)格范圍1～1.6mm。

七、結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，人們對(duì)環(huán)保技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性和質(zhì)量水平的要求日益提高。目前本項(xiàng)目的連續(xù)砂濾系統(tǒng)已成功的運(yùn)行，完全實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目設(shè)計(jì)意圖，出水達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。 W13.12-10