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王培京:北运河上游分散生活污水的治理实践

来源: JIEI创新实验室 作者:王培京 人气: 发布时间:2020-08-21 16:19:10

在JIEI产业研究院日前举办的“走进水专项”系列研讨会上,北京市水科院水环境研究所所长王培京介绍了北运河上游分散生活污水的治理实践,详细介绍了基于“互联网+”的智慧村镇污水处理整装成套技术成果。

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研究内容

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“十一五”期间北运河流域已经开展了点源治理工作,从整个北运河流域来看,入河污染物主要来自于三大污染源,包括集中式污水处理厂排放、郊区分散生活源排放、畜禽养殖和种养业产生的农业源排放。“十一五”期间,针对畜禽污染源,水专项课题设置了“畜禽养殖废弃物处理与资源化技术研究”并开展一项工程示范;针对分散式生活污水,设置了“北方村镇生活污水低耗能易管理处理技术集成研究与示范”,其中厌氧滤池+自然能好氧处理技术、厌氧滤井+人工湿地处理这两项技术进行了工程示范;针对城镇污水处理厂出水,开展了“城镇污水厂出水厂外生态湿地净化技术研究与示范”,主要采用景观湿地串联氧化塘处理技术。

“十二五”时期,北京市实施了《加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案》,要求把未经处理的城镇生活污水全收集全处理,实现了北运河榆林庄闸出京断面COD浓度平均值自2013年以来逐年下降,到2015年降至36.1mg/L,全流域水体达标率也由2012年的15.8%逐年提高到2015年的24.3%,水质改善效果比较明显。

到了“十三五”时期,随着国家水十条的发布,黑臭水体治理、美丽乡村建设等项目的推进,结合治理目标再去梳理北京市农村污水处理现状,发现北京市农村污水治理还存在一些问题:一是区域污水处理统筹能力不足,无法满足美丽乡村建设的要求;二是处理工艺相对单一,与村镇污水因地制宜的需求不相符;三是信息化监管手段不足,监管不到位,这项不足在十三五期间必须补起来;四是缺乏长期的管理机制,缺乏建设、运营、监管和技术指导方面的文件,导致运行效率不高。

针对这些问题,“十三五”水专项课题开展了散污水收集模式和处理设施建设模式的研究、污水菜单式组合工艺及设备的研发与示范、分散污水处理设施监控体系研究及示范、分散污水长效管理模式机制的研究。

基于上述研究成果,我们提出了基于互联网+的智慧村镇污水处理整装成套技术,包括了四部分内容,一是分散污水收集和处理建设模式,主要解决区域污水收集和处理模式的选择比较困难的问题;二是菜单式组合工艺,在“十一五”“十二五”“十三五”系列研究的基础上,对菜单工艺进行了优化,补足现有技术短板;三是农村分散污水处理设施的监控平台,开发智慧运维监管系统,降低运维资源的投入;四是长效管理体制机制,推动污水全流程管理。

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研究成果

处理模式决策模型

课题首先对全北京市的农村污水处理现状进行了调研,总结了农村污水在收集、处理等治理模式方面的优缺点及适用条件,包括负压收集系统、重力流收集系统的经济性对比分析,农村污水治理模式、建设费用、运营成本、建设难易程度、运行难易程度等,这些数据为后续的决策模型提供了第一手资料。

在决策模型开发过程中,综合考虑农村污水处理的各种因素,确定了几项关键决策指标,主要分为客观指标和主观指标两类。客观指标主要指经济指标,采用的是全生命周期考核;主观指标包括建设难易程度、管理难易程度。确定指标后,我们对指标的权重进行了分配。其中,经济指标占比65%,主要是通过专家打分来确定;施工难易程度占比25%,管理难易程度占比10%。最后,构建了基于多指标的算法模型,对于每种处理模式,模型都会给出一个评估值,根据数值来确定最终采用哪种模式。基于多参数决策模型,利用VB可视化编程实现了模型算法智能化软件的开发,并获得了软件著作权。

这个模型开发过程响应了环境部提出的“边研究、边产出、边应用”的思路,课题实施期间已将研究成果应用到了通州区农村污水处理工程的前期决策中,有力支撑了北京城市副中心农村污水治理。比如,通州区南仪阁等四个村庄的治理,有两个备选的治理模式——联村方案与单村方案,当时政府对于选择哪种方案一直犹豫。利用多参数决策模型,我们对两种方案进行了系统评分,最后四村联村方案得分比较高,据此确定了联村模式,并落实到了实际工程中。

菜单式组合工艺

调研结果显示,北京市农村污水处理站采用的水处理技术主要有四类。其中MBR工艺应用最多,占比达57.2%,这也与北京市的实际情况相适应——2012年北京市发布的水污染排放标准要求较高,加上一些项目位于水源保护区,所以MBR应用较多;此外,部分污水站采用的是活性污泥法、人工湿地、生物膜法。针对运营状况较好的120座处理设施编制了北京市农村生活污水收集处理典型案例,通过召开专题培训会的形式向全市水行业管理部推介,指导市区两级农村污水治理工作的实施。

根据当前的运行状况,课题构建了农村污水处理技术的评价体系,提出了适用新地标各级标准和基于不同村庄类型的菜单式组合工艺,并把建设费用和运营费用进行了匡算,为地方政府的决策提供前期参考。

在菜单式组合工艺中,课题还进行了单元关键技术研究。目前来看,来自多家企业的不同技术在实际应用中还存在一些问题,针对这些关键技术的难点,我们开展了一些关键技术的研发。包括强化复合厌氧生物处理技术、好氧双膜处理技术、多点进水生物接触氧化技术等;并按照美丽乡村、资源回收的理念,研究了资源化利用技术,包括高效膜污水资源化处理技术和污泥资源化利用技术;此外,以新地标为引领,我们还开展了两项组合工艺的研究,一个是水解酸化-潮汐流人工湿地组合工艺,另一个是复合厌氧-强化生物接触-多介质生态滤床组合工艺。

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强化复合厌氧生物处理技术是针对新地标三级排放标准而开发的工艺。基于厌氧生物滤池、上流式厌氧污泥床和厌氧折流板技术,研究了针对低浓度农村污水的强化复合厌氧反应器,优化了生物滤池的填料类型和填充比,以及悬浮污泥反应区折流板数量、容积比例参数,确定了强化复合厌氧反应的最佳结构和设计参数。稳定运行后,COD去除率高于70%,出水浓度为67mg/L(北京新地标三级标准要求100mg/L)。

好氧双膜处理技术是针对AO工艺的创新研究。一是研发了微生物高富集密度填料,其比表面积为2756㎡/m3,比市场上的组合填料高15%到20%的面积;二是优化双模系统运行参数,针对污水设施实际来水浓度低于或者高于设计值的情况,以A2O系统作为对比,开展低负荷、高负荷条件下双膜系统脱氮除磷优化研究,在低负荷情况下,填料填充比5%到15%,水力停留时间为11.5小时,高负荷时要加大填料的填充比,适当延长总停留时间,V缺:V好按1:1设计,出水TN浓度小于15mg/L,TP去除率平均80%。

针对多点进水生物接触氧化技术研究进水位置和水位停留时间的影响,获得了最佳的运行工况参数。最优工况下,水力停留时间为6.55个小时,在一级好氧的缺氧段,进水流量4:1的条件下,CDO平均去除率能够达到92%,氨氮平均去除率可以达到97%,总氮平均去除率达到64.27%。

在组合工艺中,水解酸化-潮汐流人工湿地组合工艺开展了中试规模研究,每天运行两个周期,每周期12个小时,接触空床时间比为6∶6,COD平均去除率86.3%,氨氮平均去除率87%,总氮去除率77.9%;另一个组合工艺是复合厌氧-强化生物接触-多介质生态滤床组合工艺,也是经过长期实验得到了最佳运行条件,生物接触氧化水力停留时间5个小时,多介质生态滤床进水负荷保持在0.75㎡/(㎡·d)以下,处理能够实现较高的COD、氨氮、总氮总磷的去除效果。

资源化处理主要针对污水资源回收和污泥资源化处置。污水资源回收主要采用膜浓缩技术经过大量的实验后确定了一些技术参数:连续投加60mg/L的混凝剂PAC和40mg/L的吸附剂粉末活性炭,抽停比为10分钟∶2分钟,利用曝气反冲延缓膜污染,可以实现连续120个小时跨膜压差不显著升高。在污泥停留时间5天的情况下,对COD总磷的去除率能够达到80%以上,COD维持在30mg/L升以下,总磷浓度在0.5mg/L以下。如果有农业灌溉的需求,出水可以直接用于农业灌溉;如果不需要农业灌溉,可以进行人工强化湿地处理湿地后排放。

分散污泥处置利用开发了村落车载式剩余污泥脱水设备,能够实现吸泥、絮凝、污水回送、污泥卸料,污泥的含水率不超过85%;开展了剩余污泥和农村大量的秸秆协同堆肥的研究工作,堆肥产品能够满足我国生物有机肥和有机无机复合肥的标准。曝气参数为每分钟250毫升,曝气1分钟、停曝20分钟,3-5天进行一次翻堆,在翻堆的过程中要保持60%的含水率。

农村分散污水处理设施监控平台

在全市所有农村污水处理监测指标的基础上,通过对比原始水质和出水水质,确定了常规的COD、氨氮、总氮、总磷、浊度、PH等指标的监测范围,并确定了监测频率不少于6次。

之后,确定了分散生活污水处理设施监测设备的运行参数和设备选型,其中,水量监测设备建议安装明渠超声波污水流量计和管道电磁流量计,以便准确获得统计数据;水质监测设备则要求配备COD水质在线自动分析仪、总磷水质自动分析仪、总氮水质自动分析仪、氨氮水质自动分析仪、PH水质自动分析仪、浊度水质自动分析仪。

在此基础上,设计了分散生活污水处理设施数据传输协议。因为各个厂站是由不同企业建造,必须统一数据通讯协议,这个通讯协议主要是监测设备终端与中心站之间的通信协议,可支持有线通讯与无线通讯。

此外,还研究了监控系统建设和安装条件、调试和验收的内容、运行维度要求等,编制了北京市水量水质实施监控技术导则,以及分散污水远程检控系统建设指南,以便于设施标准化和规范化。

基于上述内容,开发了在线远程智能监控管理运行平台。这个平台基于SOA架构,采用J2EE技术路线,以通讯网络、数据库优化、数据交换服务等技术为核心,集动态监测、预警预报、统计上报等9大子系统为一体。这个平台的关键技术是基于轻冗余概念的数据库结构优化技术,通过建立适当的冗余数据表,提高在线远程检控系统平台的查询和运算效率。在实际运营过程中,除部分需要计算的功能模块外,其余的响应时间一般不超过3秒钟,并发用户数可以达到10户。

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这个平台的可实现多重功能。一是综合展示,以便整体掌控全村污水处理情况,包括污水处理量信息、处理设施情况统计、在线监测统计、联合分析和在线设施运行情况;二是视频监控,实现污水处理设施视频查看,图片抓取等功能;三是巡查情况,系统连接市级平台、区级平台以及运营管控单位三者之间的业务工作,将整改、督办任务在系统中流转完成,实现业务信息上报和任务的下达,巡查情况包括市检查情况、市第三方抽查情况、区检查情况、区第三方抽查情况,以及整改反馈和巡查监管报告;四是经费补贴,包括污水处理量的核定、经费补贴核算管理、在线经费拨付管理、资金使用信息等;五是考核报告的自动生成;六是问题报警。

农村分散污水长效管理模式

在建设环节,经过国内外调研并结合北京市实际情况,提出以政府主导的EPC+O模式、社会资本参与的PPP模式两种模式为主。这几年的运行情况显示,PPP模式效果不如EPC+O的模式更好。

对于运维环节,提出了1+N+X连片运维模式。其中“1”指一个区县的城镇级的污水处理厂,是中心维护单位;下面分了N个乡镇,在N个乡镇建立二级污水处理站;二级污水处理下面会附带很多村庄,X就是指对很多村庄进行连带的运维管控。

在监管方面,提出构建以市水务局为核心的三级监管体系,研究市水务局、区水务局、乡镇主管部门、第三方监管机构、各委办局、各区环保局的管理职责划分。这些成果形成了《村庄生活污水收集与处理技术规程》、《农村污水处理厂运行维护技术规程》,以及《北京市污水处理工作的考核办法》,有效支撑了农村污水建设运维与监管的工作。

技术示范

“十三五”水专项课题规定的示范任务是50处技术示范、200处推广应用。目前,课题基本上实现了合同约定内容,在示范项目中,门头沟27处、房山14处、通州8处、昌平4处。处理的工艺主要包括改良AO+MBR、改良A2O+MBR、改良A2O+砂率等。这些项目的处理规模不一,日处理规模介于20吨-1500吨之间,大部分规模为100-300吨。

北京市大部分采用的是联村模式,很少有单户分散处理。因而在技术方面应用较多的主要是双膜系统柔性填料、多点进水、人工湿地、高效膜浓缩等技术。

监管方面,北京市纳入考核清单的污水处理设施有954处,实际上,北京有将近1300处污水处理设施,已经纳入这个监管平台的有779处,实现了实时上传,有力支撑了设施的监管。

(编辑:Nicola)

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