余成伍，龔海華，洪偉，馬婕婕

（中船九江科技研發(fā)中心，江西 九江 332000）

CAST-28型船用生活污水處理裝置設(shè)計

余成伍，龔海華，洪偉，馬婕婕

（中船九江科技研發(fā)中心，江西 九江 332000）

國際上對船舶引起的海洋污染問題日趨關(guān)注，這對造船行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)。本文介紹了一種結(jié)合循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡稱CAST)和光催化氧化協(xié)同處理的船用生活污水處理裝置的設(shè)計。

船舶；污水處理；CAST反應(yīng)池

1 概述

聯(lián)合國國際海事組織（IMO）于1973年起通過防污染公約（MARPOL73/78），其中附則IV是關(guān)于防止船舶生活污水污染的規(guī)則。1976年由海洋環(huán)境保護(hù)委員會頒布MEPC 2（VI）決議規(guī)定了其性能試驗準(zhǔn)則和排放標(biāo)準(zhǔn)，至2006年又頒布MEPC 159（55）決議，將排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格了近一倍。此決議自2010年1月1日起實施。2012年10月3日MEPC 64次會議上又頒布了MEPC 227(64)決議，增加了總氮和總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)，自2016年1月1日起實施。

2 基本參數(shù)（表1）

表1

3 船舶生活污水的水質(zhì)與水量

和城市生活污水一樣，船舶生活污水的產(chǎn)生和排放通常是不穩(wěn)定的，因此其流量也不穩(wěn)定。所不同的是，船上人數(shù)比城市少得多，這就意味著船舶生活污水水力流動的變化比城市污水大。由于貨輪船上人數(shù)較為穩(wěn)定，且航線和船用生活規(guī)律基本確定，所以生活污水的日變化一般較小，而時變化系數(shù)通常較大。有資料介紹，一般工廠車間生活污水量變化系數(shù)為3，而根據(jù)在貨輪上的實船調(diào)查，每日的最大時變化系數(shù)為3．8?？梢?，對于船舶而言，尤其是人數(shù)較少的貨輪，船舶生活污水量在一天中波動較大，而且會出現(xiàn)某段時間（如夜間）無污水排放的情況。因此為保證船上污水處理設(shè)施的穩(wěn)定運行，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)是十分必要的。

船舶生活污水，尤其糞便污水中含有大量的有機物、氮和磷。我國《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006)指出，城市污水的設(shè)計，在無資料時，生活污水的BOD按照25～ 50g/(人 ．d)，SS按 40～ 65g/(人 ．d)，TN 按 5～11g/(人 ．d)，TP 按 0．7 ～ 1．4g/(人 ．d)計算。由于船舶衛(wèi)生系統(tǒng)排泄周期比較短，排放的污水比城市生活污水更為新鮮（分解較少），因此污染負(fù)荷較高。參考國內(nèi)外船舶污水的設(shè)計水質(zhì)和我國《室外排水設(shè)計規(guī)范》，確定本技術(shù)方案的原水水質(zhì)為：

COD 〈 500mg/L；BOD 〈 250mg/L；

SS = 500mg/L；TN 〈 40mg/L；TP 〈 4 mg/L。

4 設(shè)計工藝流程（圖1）

圖1

5 處理單元設(shè)計

5.1 調(diào)節(jié)水箱

樣機設(shè)計水量為6．5m3/d，則平均流量為270L/h，設(shè)計時變化系數(shù)為4，則最大時流量為1080L/h。

處理工藝采用CAST工藝，擬采用4小時運行周期，每天運轉(zhuǎn)6個批次，考慮調(diào)節(jié)水箱的容積為（2個最大時的容量+2個平均時容量）=2．7m3

V=2．7m3

L × B × H = 1．30×1．15× (1．80+ 0．20) m

設(shè)置一臺提升水泵。

水泵設(shè)計流量：540 L/h（CASS池體2h進(jìn)水時間）；水泵揚程：6m。

5.2 CASS反應(yīng)池

CASS反應(yīng)池是處理工藝的核心構(gòu)筑物，能夠有效去除進(jìn)水中的有機物、氮磷等污染物質(zhì)。

設(shè)反應(yīng)池中污泥濃度X=4000mg/L，污泥負(fù)荷Ns=0．18kg BOD/kgMLSS，充水比λ=0．24，曝氣時間ta為：

一個運行周期4小時，周期數(shù)n2=6；其中，進(jìn)水時間2h，攪拌0．5小時，曝氣1．5小時（進(jìn)水時開始攪拌，0．5小時后開始曝氣），沉淀1小時，潷水1小時。

生化池容積V（池體個數(shù)n1=1）：

其中選擇器占整個反應(yīng)器體積的17．8%；回流比20～30%；選擇器與主反應(yīng)區(qū)隔墻的孔口水流速為：20～ 50m/h。

孔口面積A = Q(540L/h) / v(20m/h) = 0．027m2

孔口數(shù)量1個，寬度取0．3m，高度取0．1m。

因為船舶中反應(yīng)器高度受限，一般不超過2m，設(shè)計最大水深取H=1．8m，反應(yīng)區(qū)寬度B=0．85m，長度L=2．5m，則主反應(yīng)區(qū) L×B×H = 2．5x0．85x(1．8+0．2)m。

為滿足一體化裝置平面布置要求，確定選擇器尺寸為 L×B×H = 1．15×0．4×(1．8+0．2)m。

集水池容積，按收納一個批次的出水量計，為1．08m3，水深按 1．2m 計，則所需平面面積為 0．9m2，確定集水池尺寸為 L×B×H = 1．15×0．8×(1．8+0．2)m。

考慮污泥貯池的體積（計算見后），將整個一體化裝置的平面尺寸確定為：

L×B×H = 2．75×2．0×(1．8+0．2) m，平面布置如圖1所示。

圖1 船舶生活污水一體化處理設(shè)施平面布置

出水泵提升出水至消毒設(shè)施，流量按日平均流量計，為270～360L/h；水泵揚程：6m。

5.3 剩余污泥計算

出水35mg/L的SS中含有的BOD數(shù)值，SS =7．1×0．1×0．7×35 = 17．4mg/L

容許排放的溶解性BOD數(shù)值為：25-17．4=7．6mg/L

出水溶解性BOD：

剩余污泥量：

剩余非生物污泥：

剩余污泥總量：

剩余污泥濃度：

剩余污泥含水率按99．5%計算，排放剩余污泥量為：

處理途徑：將剩余污泥排入污泥貯池，進(jìn)行濃縮收集，定期外排：

經(jīng)過濃縮后，污泥含水率降低為97%，則體積變?yōu)椋?/p>

考慮10天左右的儲存容量，體積為0．7m3。

貯泥池尺寸設(shè)計為：L×B×H =2．0×0．25×(1．8+0．2)m

潷水高度：

生化池有效水深1．8米，潷水高度h1：，滿

回流水泵（進(jìn)水曝氣階段開啟，沉淀撇水階段關(guān)閉）

回流比采用20%～30%，1臺回流泵；

回流水泵設(shè)計流量：108～162 L/h；水泵揚程：6m。

供氣量：因為反應(yīng)裝置過小，按經(jīng)驗氣水比20：1進(jìn)行氣泵選擇，則供氣量6．5×20×24/12 =260m3/d =11m3/h = 180 L/min。（DN20空氣干管）

采用曝氣器作為反應(yīng)器內(nèi)的釋氣裝置，共采用10個曝氣器均布池底，如圖2所示。

運行期間，控制反應(yīng)器中DO位于0．5～2．0mg/L之間，以利于同步硝化反硝化的進(jìn)行。

圖2 反應(yīng)器曝氣系統(tǒng)布置圖

為防止生化方法除磷效果不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，考慮在生化池中預(yù)留化學(xué)除磷措施，通過投加聚合硫酸鐵藥劑提高除磷效果，投加時段為曝氣工序結(jié)束前10分鐘。在反應(yīng)器主反應(yīng)區(qū)頂部預(yù)留投藥口（DN10, ABS管）。

增設(shè)投藥計量泵一臺，為投加聚合硫酸鐵預(yù)留條件。

圖3 一體化處理設(shè)施控制點位系統(tǒng)圖

6 處理單元控制系統(tǒng)

控制程序：

說明：YW1～3：液位計； M1～3：電磁閥門；B1～3：水泵；JB1～2：攪拌機；GFJ：鼓風(fēng)機。

CASS反應(yīng)池一個運行過程控制程序，如圖3所示。

（1）0～0．5h：B1開啟，將調(diào)節(jié)池中污水提升進(jìn)入CASS反應(yīng)池的選擇區(qū)；同步開啟B2、M2，將回流污泥從主反應(yīng)器回流至選擇區(qū)；并啟動JB1、JB2，在選擇區(qū)和主反應(yīng)器進(jìn)行厭氧釋磷和缺氧反硝化反應(yīng)。

（2）0．5～1h 50分：關(guān)閉JB2，開啟GFJ，向主反應(yīng)器提供氧氣，發(fā)生去除有機物、好氧硝化、吸磷等作用。

（3）1小時50分～1小時55分：開啟投藥計量泵，向生化池主反應(yīng)區(qū)中投加聚合硫酸鐵藥液，提高化學(xué)除磷效果。

（4）2～ 3h：關(guān)閉B1、B2、M2、JB1、GFJ、投藥計量泵，反應(yīng)池進(jìn)行沉淀。

（5）3～4h：開啟M3，開始排水，當(dāng)反應(yīng)池液位降至低液位時，關(guān)閉M3，排水停止；開啟B2、M1，工作15分鐘（可調(diào)）后關(guān)閉B2、M1；（或者水位下降0．03m后關(guān)閉B2、M1）。

（6）5～7h：即下一批次的（1～3h），開啟B3，將處理后水輸送至消毒裝置，消毒后外排。

7 建模

經(jīng)過以上設(shè)計計算和參數(shù)優(yōu)化，應(yīng)用PRO/ENGINEER設(shè)計軟件三維建模如圖4所示。

圖4 總體結(jié)構(gòu)方案建模

[1]MEPC．227(64)決議，2012年實施生活污水處理裝置排出物標(biāo)準(zhǔn)和性能試驗指南，2012．

[2]GB50014-2006，室外排水設(shè)計規(guī)范，2016版 ．

[3]中國船級社，產(chǎn)品檢驗指南，2013．

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