牛口峪污水处理场工艺与设备调查

张烨  杨婧晖  许静

(北京石油化工学院环境工程系  北京102617)

 

摘  要：本文对北京燕山石化公司牛口峪污水处理场的工艺与设备情况进行了调查，该场采用二级生物处理工艺，其中生物处理工段为奥贝尔氧化沟。全套技术由美国引进，部分配套设备为国内产品，另外还有一些设备由PARKSON、USFILTER、HUBER ROTAMAT等知名国外厂家生产。

关键词：奥贝尔氧化沟; 压滤机; 转鼓式格栅除污机

 

牛口峪污水处理场为北京燕山石油化工公司45万t/年乙烯改扩建工程的配套项目。本工程于1994年2月破土动工，于1994年12月按期、保质建成交付生产。实现了与主体工程的“三同时”，经考核所有指标均超过设计要求，出水远远低于北京市二级新建排放标准。

该项工程污水处理能力每天6万t，污水来源为化一、化二、化三的工业废水和一部分生活污水，引进美国氧化沟工艺技术。采用DCS自动控制，占地656万m2，开挖土石方42万m2，建有大型物12座，建筑物12座，安装工艺设备117台套,其中44台套主要工艺设备是北京华星公司组织参与的国务院重大装备污水处理成套设备国产化“八五”科研攻关项目。该污水处理场的独特之处就在于设有8m和18m浓缩池，进行污泥浓缩。

工程总承包单位：中外合资北京华星环境工程有限公司；工程设计单位：中国石化总公司北京石化工程公司；土建施工单位：铁道部第十八工程局第四工程处；设备安装单位:华北油田第二建设公司；氧化沟设计单位：华北市政工程设计研究院。

1.污水处理工艺流程及主体构筑物

1.1 工艺流程

北京燕山石化公司牛口峪污水处理场采用了Orbal型氧化沟，其工艺流程如图1所示。

图1　牛口峪污水处理场工艺流程示意图

表1　污水处理厂设计进、出水水质　(mg/L)

(1)初沉池

在城市污水厂进水中，固体物质由可沉固体、漂浮固体和一部分胶态的不可沉固体组成。城市污水中的悬浮固体、可沉固体物质以三种状态存在：溶解态、胶体态和悬浮态。而悬浮约占60%，胶态固体物质接近40%，极少一部分是漂浮固体物质。

在城市污水厂的一级处理中，初沉池设置在格栅、沉砂池之后，主要去除悬浮固体中的可沉固体物质，去除效果可达90%以上；在可沉淀物质沉淀过程中，悬浮物质中不可沉淀漂浮物质的一小部分(约10%)会粘附在絮体上一起沉淀下去。另外，漂浮物质的大部分也将在初沉池内漂浮在污水表面作为浮渣去除，沉下去的物质作为污泥被排出。而且，由于初沉池的停留时间一般为1.5～2.0 h，所以初沉池还有均和水质、水解(酸化)作用。该污水处理厂采用辐流式，构筑物参数为D=36m、V=3000m3 、H=3m。初沉池的泥从底部排出，到8 m浓缩池。

(2)Orbal氧化沟

生物处理工段设计为平行的两个系列，每个系列包括1个Orbal氧化沟和2个辐流式二沉池。每个氧化沟设24组曝气转碟，外、中、内沟各安装8组。氧化沟的平面布置如图2所示。单个氧化沟的主要设计参数如表2所示。

图2　Orbal氧化沟平面布置简图

表2　单个氧化沟的主要设计参数

项目	数值	项目	数值
设计进水流量(m3/h) 水力停留时间(h) 泥龄(d) 有效水深(m) MLSS(mg/L) 污泥负荷(kgBOD/(kgMLVSS•d)) 污泥负荷(kgCOD/(kgMLVSS•d)) 容积分配	1250 14.2 35 4.26 4000 0.074 0.110 56∶26∶18(外∶中∶内)	长(m) 宽(m) 有效容积(m3) 外沟宽(m) 中沟宽(m) 内沟宽(m) 溶解氧分配(mg/L)	120 41 17733 9 5 4 0-1-2 (外-中-内)

(3)二沉池

二沉池辐流式二沉池的流态特点是：污水从池中心进入，在池周边出流，进水口处径向流速大，这时由于污泥颗粒处于前期絮凝阶段，紊动对絮凝的影响不大，随着絮凝不断进行，污泥颗粒越来越大，过渡到后期絮凝阶段，紊动的不利影响越来越大，与絮凝过程的要求相适应，该池型沿径向逐渐减小，紊动越来越小，近出水槽处横断面径向流速最小。对澄清来说，只要泥水界面没有上升到溢流堰附近，整个池子就能稳定运行，因此该池型具有一定的耐冲击能力。由此可见，幅流式流态符合混合液活性污泥絮凝与沉降过程的要求，其最大水力负荷可达0. 47mm/s。

二沉池的泥从底部排出，活性污泥回流到氧化沟，剩余污泥到18m浓缩池。

(4)浓缩池

    浓缩池分8m、18m浓缩池两种用于减小污泥体积。由于MLSS不同，边上设有出水层进行排水，其主要参数如表3所示。

表3　浓缩池的主要参数

1.2污水处理厂运行效果

污水处理厂建成以来，由于进水流量只有2×104～2.4×104m3/d，尚不到设计流量的一半，故基本上只运行一个系列。测试期间(1997年11月～12月)污水处理厂氧化沟运行参数见表4，氧化沟处理效果见表5。

表4　氧化沟运行参数列表

 

表5 氧化沟处理效果

项目	总进水 (mg/L)	氧化沟 (mg/L)				总出水 (mg/L)	氧化沟 去除率(%)	总去除率 (%)
		进水	外沟	中沟	内沟
COD	455	396	37	29	24	28	92	93
BOD	—	197	5	4	3	3	＞95	—
SS	58	31	—	—	—	12	—	79
NH3-N	11.82	11.55	—	—	—	—	＞99	＞99
TKN	—	16.09	1.89	1.09	0.95	0.98	94	—
NO-3-N	—	1.57	0.72	0.61	0.60	1.39	—	—
TN	—	17.44	1.96	1.26	1.18	1.43	92	—
pH	8.0	—	—	—	—	8.0	—	—
注：表中数据皆为平均值；COD为间隔2 h的平均样，其余皆为瞬时样。

测试结果表明，Orbal氧化沟工艺处理效果很好，出水各项指标均远远低于设计值。COD、氨氮的去除率都超过90%。在控制外沟中DO(指非曝气区域)接近于零后，发现系统对TN的去除率大大提高。测试期间由于检修设备等原因，曾一度同时开启两个系列，造成氧化沟的三个沟道完全处于好氧状态，此间TN的去除率只有约50%，由于进水BOD负荷较低，其去除途径主要是生物合成。调整运行工况(关闭一个系列)至正常后，尽管水量及有机负荷增加了约一倍，却能获得更好的处理效果，在外沟形成的缺氧区域使TN的去除率迅速提高到90%以上。

由于牛口峪污水处理场由于主要处理工业废水，进水水量变化不大，故进水方式设计采用只进到第一沟。若用于城市污水处理场，设计多种进水方式是很必要的。对牛口峪污水处理场进出水水质的监测结果显示，进水中BOD5/CODCr比值为0.45～0.65，而COD去除率却能达90%以上，出水COD＜60mg/L，在40mg/L以下的出现频率在80%以上，说明长泥龄、长水力停留时间设计的Orbal氧化沟对难降解有机物有很高的去除率。

2. 污水处理厂主要设备

2.1 超声波液位差计

适用于格栅前后液位差测量，具有清洁、精度高、寿命长、稳定可靠、安装维护方便、读数简捷等特点，其外形如图3所示。

超声波液位差计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器(换能器)发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于采用非接触测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。双通道超声波液位差计是一种智能型非接触测量仪表，采用先进的检测技术和检测计算技术来提高仪表的精度；丰富的软件功能对干扰回波有抑制功能，保证测量结果的真实，产品能测量两个液位值和液位差值，并具有4～20mA模拟信号输出、可编程电器、RS485接口。

2.2 转鼓式格栅除污机

牛口峪污水处理场所采用转鼓式格栅除污机由江苏宜兴华都琥珀公司生产，该公司为德国HANS HUBERR的合资公司。

转鼓式格栅除污机又称细栅过滤器或螺旋格栅机，是一种集细格栅除污机、栅渣螺旋提升机和栅渣螺旋压榨机于一体的设备，其结构如图4所示。

格栅片按栅间隙制成鼓形栅筐，处理水从栅筐前流入，通过格栅过滤，流向水池出口，栅渣被截留在栅面上，当栅内外的水位差达到一定值时，安装在中心轴上的旋转齿耙回转清污，当清渣齿耙把污物扒集至栅筐顶点的位置时(时钟12点)，开始卸渣(能靠自重下坠的栅渣卸入栅渣槽)；而后又后转150，被栅筐顶端的清渣齿板把粘附在耙齿上的栅渣自动刮除，卸入栅渣槽。栅渣由槽底螺旋输送器提升，至上部压榨段压榨脱水后外运，栅渣固含量可达35％~45％DS。当格栅前与格栅后液位差达到一定数值时，转鼓式格栅除污机自动启动。

图4　ROTAMAT®转鼓式格栅除污机结构示意图

2.3 辐流式沉淀池的排泥设备

污水从池中心进入，在池周边出流，上层浮渣被刮渣后粉碎，泥从底部排出到达8m浓缩池。刮泥机主要适用于污水处理工程中辐流式沉淀池的底泥排除。

如图5所示，刮泥机为中心传动、中心支墩支撑形式，对于小型池体，其刮泥板采用对数螺线整体式刮板；应用于中大型池体，则采用多板倾斜式刮板，同时为便于清除水面的漂浮物，设有浮渣刮集和排除装置。主要组件包括带电动机立式减速机、回转轴承、主轴、刮臂、刮板、稳流筒、控制柜等。控制系统除提供常规的控制外，在运行过程中，刮泥板若受异物卡塞或积泥过多等意外原因，自控系统中过扭保护机构则会动作，切断电源，自动停机并发出报警。

图5 中心传动刮泥机图例

所用的材质为不锈钢或经热镀锌处理的碳钢制作，耐腐蚀性能好，装饰效果好。

2.4 转盘式氧化沟曝气机

转盘式氧化沟曝气机是氧化沟污水处理工艺的关键设备，本设备为卧轴式表面曝气设备，适用于Pasveer、Carroussel 、Orbal交替式、一体化氧化沟等各种类型的氧化沟进行曝气充氧、混合推流作用。与其它氧化沟设备相比，具有充氧能力强、工作水深大、能耗低等到优点。

氧化沟曝气机工作原理如下：

(1) 污水中充氧：转碟旋转时，碟面及楔形凸块与水体接触部分产生摩擦，由于液体的附壁效应，使露出的转碟上部碟面形成帘状水幕，同时由于凸块切向的抛射作用，液面上形成飞溅的水花，将凹穴中载入和裹进的空气与水进行混合，使空气中的氧气向水中迅速扩散，完成充氧过程。

(2) 推动污水以一定的流速在氧化沟中循环流动。运转的转碟以转轴中心线划分上游及下游液面，同样存在液面高差，即推流水头。在保证水池底层不小于一定流速的情况下，使氧化沟内平均流速保持在最佳状态。同时在推流作用下，将池底层含氧量少的水体提升向上环流，不断充氧。

该设备由立式电动机、螺旋圆锥-圆柱齿轮减速机、主轴、联轴节、轴承座、碟形曝气盘及控制箱(选用件)组成。当曝气盘旋转时，碟片上的凸块将混合液强烈地拨起、翻动，碟片的凹坑将空气带入水中被切割，气水充分接触、混合，使氧气在混合液中得到有效传输；同时曝气盘传递了流动的能量，使混合液循环流动，池内无积泥，满足污水处理工艺的需要。

牛口峪污水处理场共有16台曝气机(如图7所示)，选用SEW(德国)减速机(如图6所示)，碟形曝气盘的曝气凸块和凹坑在数量、布置上采用特殊设计，材料为耐腐蚀高强度轻质玻璃钢一次压铸成型，单盘曝气效率高、寿命长(可达20年)。一般情况下开7~9台，就足够满足运行。氧化沟转碟曝气机技术参数见表7。

表7　氧化沟转碟曝气机技术参数

 

图6 减速机图例

图7 奥贝尔氧化沟转碟式曝气机

2.5加药系统

采用带式压滤机进行污泥脱水时，需首先进行化学调节，加入有机高分子絮凝剂，使污泥形成絮团，才能有效地进行固液分离。自动加药系统主要由搅拌装置、进料装置、溶药罐及储药罐构成。

牛口峪污水处理场使用的絮凝剂是聚丙烯酰胺(PAM)。聚丙烯酰胺胶体是以丙烯腈为原料，经催化水合制成丙烯酰胺，再配成一定浓度的水溶液，经聚合而成。聚丙烯酰胺是水溶性高分子化合物，无毒，几乎不溶于一切有机溶剂，但能溶于水，随着浓度和分子量的增大，粘度增加，溶解时间相应有所增长。良好的絮凝性、降低流体摩擦阻力、增稠性、粘合性及吸附载流性。

2.6污泥螺杆泵与减速机

污泥在进入带式脱水机之前首先要与一定浓度的絮凝剂在混合容器中进行急剧混合，然后再经过一段管路完成絮凝过程。而污泥螺杆泵转速太高，所以需与减速机组合起来以满足要求。

(1)污泥螺杆泵(德国的耐驰集团)

如图8所示污泥螺杆泵与减速机直接联接，结构紧凑，投资、使用及维护成本低，按不同的应用场合，四种转子/定子组合可供选择。

1-电机(减速电机) ；2-直联支架；3-传动轴；4-吸入口；5-连轴杆；6-万向节；7-定子；8-转子；9-排出体

图8  NEMO®BY奈莫泵的结构示意图

奈莫泵的特点: (1)定子与转子接触形成的螺旋密封线，将吸入腔与排出腔(压力腔)完全分开，使泵具有阀门的隔断作用；(2)可实现液、气、固体的多相混输；(3)和其他形式的泵相比有更高吸上能力(可达8.5m)；(4)泵内流体流动时容积不发生变化，没有湍流、搅动和脉动；(5)弹性定子形成的容积腔能有效地降低输送含固体颗粒介质时的磨耗；(6)输送介质粘度可达50,000mPa•s，含固量可达40%；(7)流量和转速成正比借助调速器可实现流量的调节；(8)可实现恒压控制及防干运行保护。

(2)行星摆线针轮减速机

天津减速机股份有限公司制造行星摆线针轮减速机是一种应用行星传动原理，采用摆线针齿啮合，设计先进，结构新颖的减速机构。它具有减速比大，传动效率高，体积小,重量轻，故障少，寿命长，运转平稳可靠，噪音小，拆装方便，容易维修，结构简单，过载能力强，耐冲击，惯性力矩小等特点。尤其是98年新开发的X8000系列行星摆线针轮减速机产品，全部采用计算机优化设计及国内外最先进的加工工艺方法制造，各项指标均达到国际同类产品先进水平。减速机工艺参数如表8所示。

表8 减速机工艺参数

项目	工艺参数
输入功率 输出转矩 传动比	0.09kW～173kW 20N•m～60800N•m 6～658503

 

 

 

 

 

2.7 带式压滤机的结构

(1)带式压滤机的结构

牛口峪污水处理场在污泥处理中使用了有两种带式压滤脱水机，分别是加拿大PARKSON及意大利PIERALISI公司的产品。如图９所示，一般带式压滤脱水机由滤带、辊压筒、滤带张紧系统、滤带调偏系统、滤带冲洗系统和滤带驱动系统构成。可将压榨辊轴S形布置滤机的脱水过程分为预处理、重力脱水、楔形区预压脱水及压榨脱水四个主要阶段。

1-上下滤带启动张紧装置；2-驱动装置；3-下滤带；4-上滤带；5-机架；6-下滤带清洗装置；7-预压辊；8-絮凝反应器；9-上滤带冲洗装置；10-上滤带调偏装置；11-高压辊系统；12-下滤带调偏装置13-布料口；14-滤饼出口

图９ 带式压滤机的结构示意图

作机型选择时，应从以下几个方面加以考虑：

①滤带。要求其具有较高的抗拉强度、耐曲折、耐酸碱、耐温度变化等特点，同时还应考虑污泥的具体性质，选择适合的编织纹理，使滤带具有良好的透气性能及对污泥颗粒的拦截性能。

②辊压筒的调偏系统。一般通过气动装置完成。

③滤带的张紧系统。一般也由气动系统来控制。滤带张力一般控制在 0.3～0.7MPa，常用值为0.5MPa。

④带速控制。不同性质污泥对带速的要求各不相同，即对任何一种特定的污泥都存在一个最佳的带速控制范围，在该范围内，脱水系统既能保证一定的处理能力，又能得到高质量的泥饼。

(2)带式压滤机的工作原理

带式压滤机通过物料在两条皮带间运行过程中受到挤压、剪切作用和受到重力作用而使水分排出。在脱水过程中，必须借助絮凝剂，使物料首先形成絮团，然后在压滤机挤压作用下水分排出、絮团形成紧密的滤饼，从而现固—液分离。

一定浓度的矿浆与预先配置的絮凝剂溶液进行均匀混合，使固体颗粒进行絮凝。絮凝后的物料通过头部给料器均匀分配在整个带宽上，即I区。在该区中，物料可进行重力过滤脱水。经重力过滤脱水后的物料进入两条皮带之间的楔形区，并连续进入预压力辊轮和压力区辊轮组。在此过程中，由于压力辊轮直么不断减小、挤压力不断增加，因此滤饼水分不断降低。滤带在辊轮中行进路线为S形，使滤饼在滤带中有一相对位移，有利于滤饼中水分的脱除。

简而言之，带式压滤脱水机是由上下两条张紧的滤带夹带着污泥层，从一连串有规律排列的辊压筒中呈S形经过，依靠滤带本身的张力形成对污泥层的压榨和剪切力，把污泥层中的毛细水挤压出来，获得含固量较高的泥饼，从而实现污泥脱水。

  

图11 PARKSON公司带式压滤脱水机

(3)影响带式压滤机脱水效果的因素

①絮凝剂的种类、用量、添加地点——所用的絮凝剂应能使煤泥形成良好的絮团，尽可能脱去自由水分，絮团应有一定的强度，在开始挤压时不致从滤带的两侧流出。

②入料矿浆浓度——入料矿浆浓度越高，带式压滤机的处理能力越大，但应保证矿浆与絮凝剂充分混合。过低的浓度不仅影响处理能力，还容易造成矿浆从滤带两侧溢出而造成跑料现象。

③滤带速度——随着滤带速度增加，处理能力也增加，但滤带速度增加变相对缩短了物料的脱水时间，因而使滤饼的水分增加。

④滤带张力——滤带张力越大，滤饼所受挤压力越大、滤饼水分越低，但过大的张力必将使滤带所受拉立和剪切力增加而影响滤带的使用寿命。

⑤辊轮直径和排列方式——辊轮的直径和排列方式可使滤饼受到的剪切力和挤压作用发生了变化。

(4)带式压滤机脱水机优点

连续工作，因而单位面积处理能力较高、耗电量低，当絮凝剂选择和使用得当时，产品水分低。结构简单、操作方便、占地面积小。

3. 牛口峪水库生物处理

1989年采用武汉水生所专家邱长强之意见所建，是利用生态氧化塘技术来处理化一、化二、化三及部分生活用水，处理量30万t，处理的水作景观、鱼塘，最终回归大自然。他们在原来储存工业污水的牛口峪水库污水进口处建起了几十个氧化池和1万多m2的跌水曝气池，池中广泛栽植各类水生植物，通过实施“生物净化工程”，使水质得以不断改善和提高。风和日丽的春、夏、秋三季，这里鸟语花香，白天鹅等珍禽频频光顾；白雪皑皑的严冬，部分未封冻的水面就成了上千只野鸭最好的栖息地。牛口峪水库以它翻天覆地的变化成为京郊一处独特的旅游风景区。

4．结束语

燕化每年新鲜水用量约在7000万m3(包括居民生活用水)，来自于地表水和地下水两部分。地表水占总用水量的65.7％，主要由密云水库和官厅水库用管道输送至燕化，其余则要抽取地下水来满足。燕化处于地下水比较贫乏的地区，地下水供应受降水量影响很大，干旱年份根本没有保证。燕山石化经过十多年的努力，应用国际领先工艺治理工业废水，不断提高工业水的重复利用率，在生产规模不断提升的前提下，新鲜水总用量持续呈现逐年递减的喜人趋势。牛口峪污水处理场引进美国氧化沟工艺技术，采用DCS自动控制，污水经过二级生物处理所有出水指标均超过设计要求，出水远远低于北京市二级新建排放标准。建厂早期采用进口带滤机进行脱水，现今大部分厂都采用离心式污泥浓缩机。牛口峪还对污水进行生物处理，作为自然景观。他们不仅成功地缓解了本企业水危机，而且为北京市节水工作做出了突出的贡献。

 

 

参考文献

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8田秀敏, 刘开连, 黎琦, 等. 带式压滤机脱水系统加药自动控制. 环境科学，1996，17(4)：31~32

　

 

 

Investigation of Technology & Equipment in Niukouyu Wastewater Treatment Plant

Zhangye  Yang jinghui  Xujing

(Environmental Engineering Department, Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)

Abstract:  This paper completes an investigation onto the technology and equipment in Niukouyu Wastewater Treatment in Yansan Petrochemical Corporation. This wastewater treatment plant adopts secondary biological treatment, among which the biological treatment workshop section is Orbal aerated channel. The whole technology is imported from United States, and a part of the corresponding equipments are manufactured domestically, the other part are manufactured by famous abroad factory such as PARKSON、USFILTER、HUBER ROTAMAT .

Key words:  Orbal aerated channel, Squeezing equipment, ROTAMAT fine screen

 

(指导教师：陈家庆)