造紙工業中水回用系統外排膜濃縮水達標排放設計

潘名賓，謝益佳，胡長青，張文俊，李 璐，陳燕波

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.山東晨鳴紙業集團股份有限公司，山東壽光 262705；3.湖北中錦環境有限公司，湖北黃岡 438000)

我國工業廢水排放主要集中在造紙、石化、煤炭、冶金、紡織、制藥、食品等行業。其中造紙及紙制品行業廢水排放量占工業廢水總排放量的16.4%[1]。我國一直以來都很重視造紙工業廢水的治理與水資源重復利用，2008年國家環保部發布了《制漿造紙工業水污染物排放標準》(GB 3544—2008)，對制漿造紙企業水污染物排放限值及污水外排水量限值提出了更嚴格的要求。新標準規定對造紙企業單位產品排水量為20 t/t產品，對制漿企業為50 t/t產品[2]。在新的環保標準要求下，造紙企業工業用水重復利用率持續上升，據報道2015年我國造紙工業的水重復利用率已達75.5%[3]。膜分離技術在發達國家已經廣泛應用于造紙工業的廢水處理[4]，在我國近幾年來新建或改建的造紙廢水回用項目中，也得到了越來越多的應用。但膜法技術在應用過程中會產生濃縮水，濃縮水的一個典型特征是含鹽量高。鹽分對生化系統微生物會產生不利影響，其主要機理是鹽析作用致使微生物的脫氫酶活性降低，生物增長緩慢，產率系數低；鹽濃度升高時，水的滲透壓也會隨之升高，微生物細胞脫水引起細胞原生質分離，從而導致微生物細胞破裂死亡[5]。一般情況下，高鹽廢水的有機物含量也很高，活性污泥經過馴化可以不同程度適應高鹽分廢水[6]。中水回用系統膜濃縮水含鹽量高，而有機物含量卻很低，生化性差，處理難度大，特別是較大規模的中水回用膜濃縮水處理，一直是一項技術難題。當中水回用膜濃縮水量規模不大時，通常會排入城市污水處理廠合并處理；國內部分垃圾填埋場膜系統產生的濃水即是用罐車就近運至城市污水廠處理[7]。當膜濃縮水量規模大時，普通的污水處理廠難以接納處理。國內外也有用蒸發法處理膜濾濃縮液的案例，但是蒸發法的能耗很高，如果沒有可利用的余熱，水量規模又較大時在經濟上是不合適的[8-11]。湖北某工業園區污水廠接納的污水以膜濃縮水為主，水量規模為2.5萬m3/d，是國內首座以處理膜濃縮水為主的集中式污水處理廠工程案例。

1 項目概況

湖北某工業園區集中式污水處理廠一期設計規模為3.0萬m3/d，服務園區東南片區，面積約為5.59 km2，一期占地面積為0.699 4 km2，設計建設年限至2025年。園區內近期引入了該市歷史上最大的單體項目，為某制漿造紙企業，項目總投資逾200億元，其中一期投資逾70億元。該制漿造紙項目用水量較大，污水經處理后大部分廠內回用，企業內部采用的污水處理及中水回用主體工藝為：初沉-厭氧-好氧-二沉-芬頓-三沉-砂濾-超濾-反滲透-回用。其超濾及反滲透產生的濃縮水外排至工業園區集中式污水處理廠進一步處理，外排水量約為2.5萬m3/d，工業園區集中式污水處理廠出水標準要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。

2 設計進、出水水量及水質

園區集中式污水處理廠設計規模為3.0萬m3/d，由于園區內暫無其他排污企業，實際每日進水量即為前述制漿造紙企業中水回用系統外排水量，約為2.5萬m3/d。園區集中式污水廠與企業間簽訂了進水水質協議，約定了企業排放污水的水質值，其主要污染物指標如表1所示。

表1 造紙企業外排膜濃水水質

污水廠其他納管企業規模為0.5萬m3/d，該部分水質參照《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中三級標準及《污水排入城鎮下水道水質標準》(CJ 343—2010)確定，水質值如表2所示。

表2 其他工業企業排水水質

按水量加權平均計算表1、表2的水質值，確定工業園集中式污水處理廠設計進水水質值。出水水質按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，具體如表3所示，污水廠尾水排至長江。

表3 污水廠設計進、出水水質

3 污水處理工藝方案比選及設計

膜濃縮污水的特性是含鹽量高，可生化性差，通常應以物化處理為主，但本項目有脫氮要求，有必要采用生化處理。因此，污水處理工藝方案應包括生化脫氮處理及物化深度處理工藝單元。高含鹽量污水對活性污泥的微生物活性會有明顯的抑制作用，其主要機理為以下3個方面：(1)隨著鹽度的升高，活性污泥微生物的生長受到影響，其生長的適應期變長，對數增長期的生長速度變慢，減速生長期的歷時變長；(2)鹽度加強了微生物的呼吸作用和細胞的溶胞作用；(3)鹽度降低了有機物的可生物降解性和可降解程度，使有機物的去除率和降解速率下降。本項目進水CODCr及BOD5濃度均較低，屬于貧營養的高鹽廢水，國內尚未見類似工程案例報道，相關規范標準對貧營養高鹽廢水的相關生化設計參數也未給出指導取值。本項目設計階段，前端企業尚未投產，無進廠原污水進行中試試驗。同時，污水處理廠采用PPP模式建設運行，PPP項目公司與上游排污企業簽有風險協議，需按期投產，也無工期可進行相關試驗研究。在此前提條件下，污水處理工藝設計的總體思路是長流程設計，短流程運行，確保污水廠按期達標投產。設計擬定了兩種工藝方案進行比選，其中推薦工藝流程方案如圖1所示，對比方案工藝流程如圖2所示。

圖1 推薦方案污水處理工藝流程圖

圖2 對比方案污水處理工藝流程圖

在生物處理工藝段，推薦方案采用生物膜法，與比較方案的活性污泥法工藝相比，其在應對貧營養的高鹽廢水處理上具有更好的適應性。為防止高鹽濃度對硝化及反硝化系統運行的影響，兩方案均設置脫氮備用運行路線，可將脫氮功能前置，即可將進中水回用系統前的污水先接入生物處理工藝段進行脫氮處理，降氮后再行濃縮，確保總氮達標。當生物處理單元采用脫氮備用路線運行時，推薦方案采取的是O3-曝氣生物濾池+Fenton兩級高級氧化，而比較方案僅為單級氧化，從對保障出水CODCr的可靠性上來看，推薦方案的保障性更高。Fenton工藝土建成本不高，其所需要的藥劑前端制漿造紙企業內均可提供，藥劑運輸具有很好的便利性。從工程投資角度比較，推薦方案工程費用約為2.63億元，比較方案工程費用約為2.41億元。雖然推薦工藝方案投資稍高，但其在出水水質保障的可靠性上要高于比較工藝方案，在沒有條件進行現場中試試驗的前提下，設計最終采用的是圖1中的推薦污水處理工藝方案。

推薦工藝方案中調節池及沉淀池設置的目的是為應對前端來水水量的不均勻性；臭氧-曝氣生物濾池系統用于去除COD；硝化及反硝化濾池設置的目的是去除氨氮及總氮；芬頓系統設置的目的是進一步去除COD及總磷；活性炭吸附池用于最后的色度、COD的達標保障。芬頓系統及活性炭系統可根據實際來水水質靈活超越，節省運行成本。

推薦工藝流程方案的平面布置圖如圖3所示。

注：①調節池兼沉淀池; ②臭氧反應池; ③硝化-反硝化濾池; ④曝氣生物濾池; ⑤芬頓提升泵房; ⑥芬頓流化塔; ⑦芬頓反應池;⑧芬頓沉淀池; ⑨活性炭吸附池; ⑩接觸消毒池及排江泵房; 活性炭再生車間; 芬頓加藥區; 污泥脫水車間; 污泥濃縮池; 臭氧制備間; 液氧站; 鼓風機房; 加藥間; 綜合樓; 機修間

4 主要構筑物及工藝參數

污水廠水處理主要構筑物10座，為調節池兼沉淀池、臭氧反應池、硝化-反硝化濾池、曝氣生物濾池、芬頓提升泵房、芬頓流化塔、芬頓沉淀池、活性炭吸附池、消毒池及排江泵房。生產附屬構筑物有活性炭再生車間、臭氧發生器車間、液氧站、加藥間、芬頓加藥區、鼓風機房及變配電間等。污泥處理構筑物有污泥濃縮池、平衡池、污泥板框脫水車間。污水處理構筑物及主要的生產附屬構筑物工藝設計參數如下。

4.1 調節池兼沉淀池

設1座，分2格，平面尺寸為A×B=126.2 m×20.8 m。前端調節池采用平流沉淀池池型，具有水量調節功能的同時，兼具沉淀功能。全池設泵吸式刮泥機1套。單套參數Lk=20.3 m，N=15 kW。調節池末端設提升泵房，共設臥式離心泵4臺，3用1備，單臺參數：Q=870 m3/h，H=13 m，N=37 kW。實際運行時調節池兼沉淀池對來水COD去除率約為8%，效果顯著。

4.2 臭氧反應池

共設2座，單座有效容積V=695 m3，平面尺寸L×B=20.9 m×12.20 m，有效水深為6.0 m，接觸時間T=62 min。臭氧設兩級投加系統，設計平均投加量為40 mg/L；最大投加量為50 mg/L。第一級臭氧接觸氧化時間t1=38 min；第二級臭氧接觸氧化時間t2=24 min。接觸池上部設尾氣破壞裝置，尾氣破壞裝置總功率N=2.45 kW。

4.3 硝化-反硝化濾池

設1座，平面尺寸為96.51 m×33.08 m。采用上向流輕質濾料濾池形式。硝化濾池設6格，單格面積S=108 m2，濾料深度H=3.5 m，設計正常濾速V=5.1 m/h，強制濾速V=6.1 m/h，濾料區空床停留時間T=45 min。硝化濾池后設內回流泵及反硝化濾池進水提升泵，硝化濾池內回流泵及反硝化濾池進水提升泵各設4臺，單臺參數：Q=870 m3/h，H=8 m，N=37 kW，變頻。正常運行時2用2備，當采用備用路線運行，即處理中水回用系統前污水時3用1備。反硝化濾池設8格，單格面積S=108 m2，濾料深度H=3.5 m，設計正常濾速V=1.6 m/h，強制濾速V=1.8 m/h，濾料區空床停留時間T=131 min。正常運行時啟動4格，采用備用路線運行時啟動8格。濾池下部設置廢水池，有效容積V=1 330 m3，池內設水泵2臺，1用1備，單臺參數：Q=321 m3/h，H=8.0 m，N=30 kW。

4.4 曝氣生物濾池

設1座，分6格，單格平面尺寸為8.0 m×5.4 m，與濾池合建有反沖洗泵房。反沖洗泵房內設離心水泵3臺，2用1備，2臺變頻，單臺參數：Q=436 m3/h，H=10 m，N=22 kW。反沖洗羅茨鼓風機設2臺，1用1備，單臺參數：Q=36 m3/min，H=6.0 m，N=55 kW。曝氣羅茨鼓風機設3臺，Q=15 m3/min，H=6.0 m，N=30 kW。鼓風機房底部設反沖洗集水池，集水池內設潛污泵2臺，單臺參數:Q=150 m3/h，H=7.5 m，N=5.5 kW。

4.5 芬頓提升泵房

設1座，平面尺寸為21.0 m×12.8 m，提升泵房前端設集水池，集水池分2格，可單獨運行。泵房內設臥式離心泵3臺，2用1備，單臺參數：Q=730 m3/h，H=15 m，N=45 kW。

4.6 芬頓流化塔

芬頓流化塔共設3個，單個塔高為12.9 m，直徑φ=3.85 m，材質為316L，內襯玻璃鋼防腐。單塔處理能力為1.0萬m3/d。芬頓流化塔的進水總管上投加濃硫酸，芬頓流化塔內投加硫酸亞鐵及雙氧水，藥劑與來水在塔內充分混合反應。每個芬頓反應塔旁設4臺臥式離心泵，2用2備，用于反應塔內部的循環、流化，整個芬頓反應塔共設置12臺循環流化泵，單臺泵參數：Q=300 m3/h，H=18 m，N=30 kW，循環泵材質為雙相不銹鋼。

4.7 芬頓反應池

設1座，平面尺寸為25.1 m×23.9 m，池總高H=7.0 m，有效水深為6.5 m，共分2格，單格有效容積為1 450 m3，總停留時間為115 min，其中芬頓反應時間為92 min。末端設置為中和反應區，投加液堿，停留時間為23 min。反應池底部設有穿孔曝氣管，鼓風曝氣攪拌。

4.8 芬頓沉淀池

設2座，采用中進周出輻流式沉淀池池型，平面尺寸φ=32.90 m，H=4.00～6.50 m。沉淀池前設絮凝池1座，絮凝池內設慢速攪拌反應器，絮凝池內投加PAM，PAM投加量3～5 mg/L。

4.9 活性炭吸附池

活性炭吸附在污水處理領域應用的難點問題是吸附飽和后的更換與再生問題，本項目采用的活性炭吸附池型從新活性炭的投加、運行過程中的反洗、飽和后的提取、飽和炭的脫水、再生與新炭儲存均實現全機械化，解決了活性炭吸附工藝在污水處理領域應用的操作瓶頸。活性炭吸附池全過程可機械化運行，僅1人操作值守即可。

活性炭吸附池設1座，平面尺寸為65.7 m×15.5 m，H=7.8 m。吸附池分10組，每組包括8個吸附單元，每單元安裝1套PP材質XF3000-78型吸附器，共80套。吸附器下部為60°八棱倒錐，每單元裝活性炭32 m3，全池共裝活性炭1 280 t。吸附池頂部設電動平車1臺，規格為8 700 mm×3 200 mm，驅動電機N=2×0.25 kW。活性炭吸附池內的活性炭利用電動平車及吸附器可實現活性炭的機械投加及飽和活性炭的機械提出。

4.10 接觸消毒池及排江泵房

設1座，平面尺寸為22.8 m×11.0 m，H=4.75 m。接觸消毒池分為獨立的2格，消毒采用二氧化氯消毒，二氧化氯設計投加量為7 mg/L，出水混合后經巴氏計量渠進入排江泵房。巴氏計量槽侯寬B=0.3 m，泵房內設潛污泵3臺，2用1備，單臺參數：Q=625 m3/h，H=11 m，P=37 kW。

4.11 活性炭再生車間

設1座，平面尺寸為41.3 m×9.5 m，再生車間內有內熱式回轉再生爐、冷卻機、洗氣塔、引風機等主要設備。再生爐活性炭再生能力為12 t/d，直徑D=1.8 m，L=16.7 m。活性炭再生車間外設飽和炭料倉及再生炭料倉各1個，料倉容積V=75 m3，直徑D=4.0 m，高H=5.0 m。

4.12 芬頓加藥區

由濃硫酸加藥系統、氫氧化鈉加藥系統及雙氧水加藥系統組成。

濃硫酸儲罐設1個，儲存濃度為98%的濃硫酸，儲罐容積V=60 m3，采用玻璃鋼材質。配套安裝濃硫酸投加泵2臺，1用1備，單臺投加泵參數：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設置濃硫酸卸料泵1臺，參數：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

氫氧化鈉儲罐設1個，儲罐容積V=60 m3，采用316L不銹鋼材質。儲罐邊設氫氧化鈉投加泵位2臺，1用1備。單臺投加泵參數：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設置氫氧化鈉卸料泵1臺，參數：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

雙氧水儲罐設1個，儲罐容積V=60 m3；采用316L材質。儲罐邊設雙氧水投加泵位2臺，1用1備。單臺投加泵參數：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設置雙氧水卸料泵1臺，參數：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

儲罐外設圍堰防火堤，堤高為1.5 m，內用玻璃布及高分子涂料防腐。

5 工程投資

本項目工程直接費用為26 337萬元，折合噸水投資為8 779元/m3。污水廠日常運行經營成本約3.42元/m3。

6 運行效果分析

項目于2019年10月建成通水，運行1年多來出水水質穩定達標，表觀效果優越，實際出水CODCr≤40 mg/L，色度≤15度。污水廠2020年6月—12月進水水量約為2.3萬m3/d，進、出水月均水質值如表4所示。項目單位污水處理電耗指標為0.83 kW·h/m3。日常運行投加的藥劑主要為芬頓反應藥劑，各藥劑投加量如下：濃硫酸(98酸)320 mg/L、氫氧化鈉(30%成品)320 mg/L、雙氧水(27%液體)200 mg/L、FeSO4·7H2O(固體)200 mg/L。

表4 污水廠實際運行水質情況

7 結論

(1)造紙廢水膜法中水回用產生的濃縮水生化性差，含鹽量高，采用臭氧-硝化反硝化生物濾池-曝氣生物濾池-芬頓-活性炭吸附工藝流程可以將本項目中水回用膜濃縮水穩定處理至達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，出水表觀效果好，實際運行出水CODCr≤40 mg/L，色度≤15度。

(2)活性炭吸附用于難降解工業污水處理時，宜采用可機械化運行的池型及成套設備，有利于減少生產運行人員的勞動強度，節省運行費用。