某工業廢水處理廠提標改造工程設計與運行效果

霍克影，周家中，周浩然，蘇丹丹，王書波

(1.寧波北侖巖東水務有限公司，浙江寧波 315800；2.青島思普潤水處理股份有限公司，山東青島 266555)

隨著城區經濟和城市建設的發展，對污水廠排放區域水質及其周邊環境的影響越來越重視，對污水廠尾水排放標準也提出了更高的要求。與排放標準越來越嚴格相對應的則是處理水量不斷增加，水質也越來越復雜。工業廢水中一般存在一些抑制硝化菌生長的物質如游離氨(free ammonia, FA)、鋅、銅、鉛等重金屬及氰化物等，這些抑制性物質嚴重影響廢水中氨氮的去除。同時，由于其成分復雜、水質水量波動性較大等特點，使用傳統的活性污泥工藝很難達到理想的去除效果[1]。對于排放標準越來越嚴格的污水廠，需要選擇合適的工藝進行升級改造。

移動床生物膜反應器(moving bed bioflim reactor, MBBR)是一種將生物膜法與活性污泥相結合的高效污水處理工藝，具有占地省、生物膜耐受力強、運行效果穩定、抗沖擊能力強等特點[2]。目前，國內已對MBBR工藝進行了多項試驗性研究，已成功應用于生活污水和工業廢水的處理，并取得了較好的效果[3-5]，對于印染廢水、含油廢水、石化廢水等工業廢水也有成功改造的案例[6-8]。本文以浙江某工業廢水污水廠升級改造為例，分析了“MBBR+磁混凝”組合工藝用于工業廢水的提標改造過程，為工業廢水的提標提量提供了設計和改造思路。

1 項目概況

浙江省某污水處理廠，原處理水量為3萬m3/d，生化段采用分點進水AAO工藝，具備脫氮除磷能力，尾水通過加氯消毒后排放，剩余污泥經脫水后統一運送至電廠干化焚燒。原出水COD、SS執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準，NH3-N、TN和TP執行一級B標準。近年來，隨著城區經濟和城市建設發展的加快，對于水質水量都有了更高的要求，故亟需在原污水廠基礎上進行提標提量升級改造，改造后污水廠處理量由3萬m3/d提升至4萬m3/d，出水水質全部達到一級A標準。

該污水廠服務范圍內有大量工業企業，企業采用“企業預處理+納管集中處理排放”為主的工業廢水治理模式，其生產廢水經過各自預處理后排入污水處理廠進行終端處理。升級改造前實際處理量約為2.8萬m3/d，其中70%為工業廢水。工業廢水的種類主要有印染廢水、紡織廢水、化工廢水等，印染紡織廢水水量約為1.2萬m3/d，CODCr濃度為600～1 200 mg/L，SS濃度約為600 mg/L，色度為400倍；化工廢水水量約為0.8萬m3/d，CODCr濃度約為15 000 mg/L，經預處理后達到150 mg/L；生活污水水量約為0.5～0.8萬m3/d。污水中COD、SS含量較高，NH3-N、TN和TP含量較低。

改造后新增部分工業預處理廢水，廢水來源為污水廠服務范圍內的兩家紡織廠和兩家印染廠，紡織廢水水量約為5 700 m3/d，印染廢水水量約為2 700 m3/d；新增工業廢水經集中預處理后排入污水廠，預處理后出水水質和污水廠原進水水質相當。

升級改造設計進出水水質如表1所示。

表1 污水廠設計進出水水質Tab.1 Design Influent and Effluent Quality of WWTP

注：括號外數值為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內數值為水溫≤12 ℃時的控制指標

2 技術路線與設計方案

2.1 改造難點

升級改造面臨的主要問題有以下兩點。

(1)提標+提量。增加1萬m3/d工業污水，部分指標從二級直接提升至一級A，升級改造難度大。

(2)原工藝抗沖擊能力弱。進水以工業廢水為主，水質波動較大，進水CODCr濃度最高為550 mg/L，TN濃度為53.7 mg/L，進水水質沖擊負荷增大時，出水COD、TN濃度迅速升高，不能穩定達標，抗沖擊性能較差。

(3)無擴建用地。廠內用地已飽和，無生化池擴建用地，需充分挖掘現有生化池處理能力。

2.2 工藝方案確定原則

針對現狀工藝處理效果，工藝方案確定時遵循以下原則。

(1)根據進水水質特點，針對現狀工程處理能力的不足，以及出水水質要求的提高，結合工程的實際需要，采用抗沖擊負荷能力強，且具有強化脫氮除磷效果的生化處理工藝，提高水質達標的穩定性和可靠性。

(2)結合廠區用地特點，深度處理采用技術先進、效果可靠、占地較省的處理工藝，保證出水經深度處理后達標排放。

(3)全廠污水、污泥處理工藝力求技術成熟先進、穩定可靠、操作、管理方便、節省投資、運營成本低。

2.3 工藝方案確認

本次污水廠升級改造工程分析設計進、出水水質指標以及現狀污水廠進、出水水質指標，污水廠實際進水水質濃度偏低，但是水質波動較大，活性污泥處理工藝抗沖擊性能弱。由于排放標準的提高，現狀處理工藝已不能穩定達標，而單純依靠增加深度處理工藝去除現狀二級出水污染物的成本較高。因此，將現狀二級處理中AAO工藝嵌入MBBR調整為AAO-MBBR工藝。向生化池投加懸浮載體，載體上豐富的生物菌群類型增加了對難降解有機物的處理性能；生物膜的污泥齡長，適宜硝化菌的生長，硝化菌含量高，NH3-N去除效果顯著[9]。污水廠工業廢水占比高，且以紡織印染廢水為主，處理難度大，二級處理出水除NH3-N和TN外，仍難穩定達到一級A標準，出水中的COD、TP需進一步進行深度處理。考慮到廠里用地緊張、水質復雜，以及脫氮除磷方面的綜合考慮，選擇磁混凝作為深度處理工藝。磁混凝適用于進水水質復雜、脫氮除磷要求高、用地緊張的污水廠項目[10-11]，通過向反應器內投加磁粉強化混凝及絮凝效果，可以進一步降低出水不溶性COD及TP水平。經過論證后，確定本次提標工程的技術路線為“AAO-MBBR+磁混凝+紫外線/次氯酸鈉消毒”。

(1)生化池改造方案

生化段原有厭氧區和缺氧區保持不變，好氧區呈S型分布的3個廊道中，在前兩個廊道投加懸浮載體，填充率為11%；為防止懸浮載體在好氧池末端堆積，在每個廊道末尾設置攔截篩網，對懸浮載體進行持留；懸浮載體型號為SPR-Ⅱ型，直徑為(25±0.5) mm，高為(10±1) mm，掛膜后比重與水接近，有效比表面積大于620 m2/m3，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》(CJ/T 461—2014)行業標準[12]；好氧MBBR區域采用微動力混合池型，通過在生化池底部合理布置曝氣管、設置進水渠降低斷面流速的手段，在無需推流器的情況下，實現懸浮載體在好氧區內的均勻流化。該池型具有水力條件好、無水力死角等優勢。采用微動力混合池型可節省6臺專用推流器，以及每年30萬元的電費，大大降低了投資和運行費用。采取逐池改造的方式，不影響污水廠的正常運行，實現了原池改造。

(2)增設磁混凝澄清池，進一步去除污水中的不溶性COD、TP

磁混凝澄清池尺寸為32.9 m×12.3 m，占地約為400 m2，共分為2座，總停留時間約40 min。二沉池出水經提升后進入磁混凝澄清池，依次投加混凝劑PAC、磁粉和助凝劑PAM，PAC投加量為55 mg/L，PAM投加量為1.33 mg/L，磁粉投加量為2.5 mg/L。反應生成比重較大的含磁粉絮體顆粒，然后進入磁分離池，通過磁輥進行泥水分離，經磁輥吸附的含磁污泥經高剪切機，實現磁粉和污泥的分離，并進入磁鼓進行磁粉回收，回收的磁粉再回流至絮凝池前繼續參與反應，剩余污泥則進入后續污泥處理系統[13]。

(3)現狀二氧化氯消毒更改為“紫外線消毒+次氯酸鈉消毒”

由于現狀廠區構筑物布置緊湊，增設深度處理工藝后需增加深度處理構筑物。為保證工藝流程的順暢，本次設計將二氧化氯消毒池拆除調整為次氯酸鈉加藥間，在消毒池位置設置紫外線消毒渠，同時根據實際出水狀況補加次氯酸鈉消毒，次氯酸鈉投加量為25 mg/L。

改造后工藝流程如圖1所示。

圖1 升級改造工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Upgrading and Reconstruction

3 改造后運行效果分析

本次升級改造工程于2018年8月中旬完成，水量達到設計值4萬 m3/d條件下，所投加的懸浮載體完成掛膜。分析2019年1月1日—2019 年6月25日共計176 d的進出水水質數據(包含整個冬季運行階段)，結果如表2所示。

表2 提標改造后實際進出水水質Tab.2 Actual Influent and Effluent Quality after Upgrading and Reconstruction

使用MBBR工藝改造后，強化了原池處理能力。NH3-N處理負荷力從0.029 kg NH3/(m3·d)增加至0.036 kg NH3/(m3·d)，增大了24%。MBBR工藝屬長泥齡，有利于硝化菌群富集，且通過水力剪切的作用，保障懸浮載體上的硝化菌一直處于較高的活性[14]。生化池出水TP濃度為(0.35±0.083) mg/L，已經達到一級A標準，通過磁混凝工藝進一步保障了TP的達標。

沿程分析發現，好氧MBBR區發生了明顯的同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification, SND)現象，TN去除率為22.44%，TN去除貢獻率達到35.01%。生物膜上典型的缺/好氧微環境，以及對功能微生物的富集作用，促進了同步硝化反硝化作用的進行，使得在好氧區仍有TN的進一步去除[15-17]，也大大降低了碳源的投加費用，故對于進水基質濃度不高的污水廠，甚至可完全節約外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潛外，真正實現了基質利用上的深度挖潛，應用前景廣闊。對眾多使用MBBR的污水廠進行調研，發現在好氧填料區均存在顯著的SND現象，TN去除量在3～8 mg/L，且基質濃度較高的污水廠，SND效果更佳顯著[18-19]。

4 改造前后經濟指標分析

該工程總投資為9 747萬元，其中工程費用為7 659萬元。如表3所示，改造前噸水處理費用為0.491元/m3，改造后噸水處理費用為0.584元/m3，與改造前相比，增加了0.093元/m3。改造后混凝劑投加量減少，但是增加了磁粉的消耗，故總的噸水藥劑投加費用基本不變，均為0.10～0.11元/m3；改造前污泥處理量均值為20 t/d，污泥處理成本為272元/t，改造后污泥處理量為25 t/d，處理成本為303元/t，噸水污泥處理費用由0.173元/m3增加至0.202元/m3；改造前噸水電費為0.214元/m3，改造后增加至0.282元/m3，其原因為磁混凝工藝的增加使得噸水電耗有所提高。

表3 改造前后單位處理費用對比Tab.3 Comparison of Water Treatment Unit Costs before and after Upgrading and Reconstruction

改造前出水水質執行二級標準，運行平均能耗為0.279 kW·h/m3；改造后出水水質執行一級A標準，運行平均能耗為0.322 kW·h/m3，與改造前相比，增加了0.043 kW·h/m3。由于改造后新增4臺二次提升泵且磁混凝池也需攪拌，該部分增加電耗為0.053 kW·h/m3，生化池能耗變化不大且出水水質得到了提高。

5 MBBR微生物分析

為進一步探究懸浮載體的作用，對該污水廠投加的懸浮載體和活性污泥進行了高通量測序分析，結果如圖2所示。

圖2 屬水平物種相對豐度Fig.2 Relative Abundance of Species at Genus Level

圖2中MBBR-1和MBBR-2為生化池不同區域的懸浮載體，污泥為生化池活性污泥。各部分的主要菌種及相對豐度如表4所示。

表4 不同區域功能菌種相對豐度Tab.4 Relative Abundance of Functional Strains in Different Regions

系統中的優勢硝化菌群為Nitrospira(Comammox)，其在懸浮載體中的相對豐度分別為3.90%、7.33%，在污泥中相對豐度為0.75%。對懸浮載體生物膜和好氧污泥進行MLVSS測定，由表5核算得出，系統中69.8%的硝化菌來自懸浮載體，30.2%來源于污泥，表明在硝化過程中，懸浮載體起到了重要的作用。

表5 懸浮載體生物膜與活性污泥MLVSS測定Tab.5 MLVSS Determination of Suspension Carrier Biofilm and Activated Sludge

此外，在懸浮載體中也檢測出反硝化菌，如Ferruginibacter、Hyphomicrobium等，反硝化菌在懸浮載體和污泥中的相對豐度分別為4.05%、2.31%和3.65%。在MBBR-2區的懸浮載體上發現了大量Acinetobacter，相對豐度為27.18%，該菌種屬于不動桿菌，也具有反硝化作用。反硝化菌群在填料上存在，從微觀上提供了好氧區填料上發生SND的證據。

6 結論

使用“MBBR+磁混凝”工藝對工業廢水進行原池提標提量升級改造，充分利用了現有空地，投資運行成本低，改造周期短，運行高效穩定。改造后水量增加至4萬m3/d，出水COD、NH3-N、TP、TN均值分別為(30.52±5.73)、(0.90±0.92)、(0.09±0.075)、(8.26±2.55) mg/L，穩定達到一級A標準。改造前后生化池能耗不變，處理負荷提升，且抗沖擊性能更好；噸水處理費用由0.491元/m3增加至0.584元/m3，適用于工業廢水提標提量升級改造。