某工業園區污水處理廠升級改造工程案例分析

岳利濤，郝 楊，譚朝洪，曹漢鵬

(1. 北京新源國能科技集團股份有限公司，北京 100044；2. 北京市可持續城市排水系統構建與風險控制工程技術研究中心，北京 100044；3. 北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044)

據統計，我國目前擁有各級工業園區7 000余家，在推動經濟社會發展、承接產業集聚方面發揮了巨大作用[1]。一般園區入駐企業大多為中、小型企業，由于園區入駐企業行業類別、生產工藝以及生產周期各不相同，造成排放廢水水量、水質也不相同，往往具有廢水排放量大、污染物種類多而復雜、污染負荷排放強度高、水質水量變化幅度大[2]、可生化性差的特點。雖然有些園區污水處理廠接管廢水經過了企業污水處理站預處理，達到排入市政污水管網的排水標準，但其廢水的可生化性更低了，往往氨氮、TN、TP、TDS較高，增加了后續所接納的園區污水處理廠處理難度，園區污水廠工藝選擇時需綜合考慮上述因素。

河北某園區污水處理廠原為鎮區及園區配套污水處理廠，原主工藝采用Biolak處理工藝，設計出水水質為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。項目建成后，因配套管網不齊全以及園區建設等原因，一直未連續通水運行。根據周邊產業布局及環保要求，市政府提出將園區附近排污企業廢水納入該污水處理廠進行處理，但該污水處理廠原處理工藝對于新納廢水去除效果不佳，無法滿足當地環保新的排放標準要求，需要對該污水處理廠進行原位提標改造。

1 污水處理廠改造背景

1.1 原污水處理廠概況

原污水處理廠根據規劃主要收集園區及鎮區污水，設計處理規模為1.5萬m3/d。采用Biolak處理工藝，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A類標準。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠原工藝流程Fig.1 Existing Process Flow of WWTP

該工程于2015年9月建設完成，因配套管網建設不完善，收集水量極少，建設完成后未運行。

1.2 服務范圍概況

通過項目前期現場調研以及該園區總體規劃(2007年—2020年)情況，該園區污水處理廠收集的廢水主要為：鎮區生活污水和園區企業排水。

(1)鎮區生活污水

目前，鎮區人口數為0.4萬人，按180 L/(人·d)用水量計算，鎮區生活用水量為720 m3/d，污水量按平均日用水量的80%計算，則鎮區內污水量為576 m3/d。污水中各污染物質量濃度分別為CODCr=450 mg/L、SS=300 mg/L、BOD5=200 mg/L、氨氮=35 mg/L、TP=4 mg/L、TN=45 mg/L、石油類=20 mg/L。

(2)園區企業排水

根據園區管委會提供的各企業資料，園區現有主要企業排放廢水主要為生活污水，排放量為280 m3/d。污水中各污染物質量濃度分別為CODCr=450 mg/L、SS=300 mg/L、BOD5=200 mg/L、氨氮=35 mg/L、TP=4 mg/L、TN=45 mg/L、石油類=20 mg/L。

1.3 改造背景

(1)原污水處理廠未連續通水運行

原污水處理廠規劃收水范圍為園區及鎮區污水。項目建成后，因配套管網及園區建設等，一直未連續通水運行。鎮區及園區生活污水多數無組織排放或排入臨近河道，對當地水體環境造成極大的污染和破壞。

(2)部分企業廢水得不到有效處理

位于園區以外有3家較大的企業——某顏料公司(廢水排放量為700 m3/d)，中糧某公司(廢水排放量為1 200 m3/d)，電廠(廢水排放量為6 000～10 000 m3/d)。其中某顏料公司、中糧某公司廢水達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)二級標準后直接排入臨近河道，而該標準是1996年的標準，已不能滿足日趨嚴格的新環保要求。電廠廢水排入該市第一污水處理廠，該收集輸送管道已使用多年，目前該管道多處位置已損壞，已影響正常使用。另外，該市第一污水處理廠已處于運行飽和狀態，加之電廠廢水可生化性差，對該市第一污水處理廠運行產生較大負荷沖擊，急需解決電廠廢水去處問題。

(3)環保要求越來越高

隨著國家對環境保護、水體治理的越發重視以及該市黑臭水體治理力度的加大，市政府要求各排污企業以及生活污水不得直接排入河道，必須集中處理后達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)地表水Ⅳ類標準(除TN外)方可排入水體。

(4)原污水廠工藝系統不適合處理本園區的工業廢水

3家企業的廢水TN較高且廢水在排放前已經過生化處理，因而廢水中所含的有機物大部分為難降解的有機物。原污水處理廠主體工藝采用Biolak工藝，設計進水水質實際按照市政生活污水進行設計，原Biolak系統反硝化停留時間較短，無法保證脫氮效果。另外，由于原系統無可提高生化性的工藝或者高級氧化斷鏈或去除難降解有機物的工藝，原有工藝系統不適合處理本園區的工業廢水。

(5)部分設備損壞，正常使用

原污水廠建成后一直沒有正常運行，處于停運、無維護狀態，導致大部分設備損壞、腐蝕嚴重，尤其是Biolak池的移動式曝氣設備，已無法正常使用。因此，該污水廠的工藝以及設備均需要升級改造。

2 污水處理廠水量水質分析

2.1 污水處理廠進水水量分析

根據調研情況及相關要求，該污水處理廠主要收集鎮區污水、園區外排廢水、某顏料公司外排廢水、電廠廢水、中糧某公司廢水，各部分水量組成如表1所示。

表1 污水廠進水水量統計Tab.1 Statistics of Influent of WWTP

上述水量合計為7 756～12 756 m3/d，考慮園區發展的新增水量以及結合原污水廠處理水量15 000 m3/d，本次改造污水廠設計進水水量仍為15 000 m3/d。

2.2 污水處理廠進出水水質分析

1)進水水質

對各排污點進行調研、取樣分析，各種廢水水質如表2所示。

表2 廢水水質匯總Tab.2 Quality of Wastewater

由表2可知，混合廢水CODCr為172～179 mg/L，BOD5為33～39 mg/L，SS為34～43 mg/L，氨氮為41～42 mg/L，TN為55～57 mg/L，TP為1～2 mg/L。考慮20%的沖擊負荷，確定污水廠設計進水水質如表3所示，各項指標均滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)中A級標準。

表3 污水處理廠設計進水水質Tab.3 Design Water Quality of Influent of WWTP

2)設計出水水質

本次改造項目出水水質要求達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)地表水Ⅳ類標準(除TN外)。各指標參數如表4所示。

表4 污水處理廠設計出水水質Tab.4 Design Water Quality of Effluent of WWTP

3)水質特性分析

根據污水處理廠進出水水質要求，本工程進水

水質復雜、出水水質要求高，在工藝選擇時，污水處理除了采用生物處理法去除有機物、脫氮外，還應增加預處理及深度處理來保障出水的穩定達標。

① BOD/COD衡量指標

本工程設計進水水質為BOD5=50 mg/L，CODCr=220 mg/L，BOD/COD=0.22<0.25，表明本工程污水可生化性差。

②BOD/TN衡量指標

一般BOD/TN大于4.0時，才可認為污水有足夠的碳源供反硝化菌利用，根據進水水質，BOD/TN=0.71，碳源嚴重不足，需外加碳源。

③BOD/TP衡量指標

本工程BOD/TP=16.7<20且出水要求高，難以采用生物除磷。本項目采用化學除磷。

4)處理重點及難點分析

(1)來水CODCr成分復雜且存在波動，可生化性差

本工程主要進水大部分為電廠廢水、顏料廢水、中糧廢水。其中：電廠廢水為循環排污水，CODCr濃度低，無難降解有機物，B/C低；中糧廢水中有機物主要為生產果葡糖漿過程中的單糖及多糖類有機物，但通過中糧內部污水處理站處理后，可生化性降低，無難降解有機物；顏料廢水污染物主要為顏料助劑和染料中間體如銅酞菁，酞菁藍，本股廢水可生化性差，且存在難生化降解的發色基團(芳香族物質)。這些廢水成分復雜、可生化性差、沖擊負荷高，是本項目處理的難點[3-4]。傳統生化處理工藝無法有效去除CODCr[5-6]。另外，本園區CODCr種類多樣，且根據調研各企業排放水質不穩定，因此，需要采用深度處理，保證出水CODCr穩定達標。本工程采用高級氧化技術能實現出水穩定達標。

(2)TN去除率高

本工程進水中TN為70 mg/L，而出水TN為15 mg/L，去除率較高。污水處理廠進水TN的去除主要靠反硝化過程來完成，TN的反硝化成為控制生化處理缺氧段設計的主要因素。原系統缺氧段停留時間較短，脫氮效果較差，在現有水質條件下無法滿足出水TN小于15 mg/L的要求。本次升級改造工程，要充分考慮反硝化的反應時間。

(3)TP去除率高

本工程污水處理廠二級處理后出水TP質量濃度要求小于0.3 mg/L，采用一般的生物除磷污水處理工藝不能滿足出水達標要求，需要考慮化學除磷措施。

(4)SS去除率較高

本工程污水處理廠二級處理后要求出水SS質量濃度小于10 mg/L，常規二級處理難以滿足要求，需要進行深度處理。

(5)本工程場地狹小，提標改造空間較小，施工難度大

針對上述重難點，本工程將Biolak池改造為水解酸化池、缺氧池、好氧池，深度處理采用占地面積較小的MBR工藝和可以去除難降解有機物的臭氧催化氧化處理工藝。

3 工藝流程

污水處理工藝流程如圖2所示。污水首先通過重力流進入粗格柵及進水泵房，去除水中較大漂浮物、雜質；而后經水泵提升，通過細格柵去除較小雜質雜后進入旋流沉砂池去除砂礫；出水流入調節池，實現水量和水質調節，之后通過調節池提升泵進入高密度沉淀池，去除硬度以及部分懸浮物，而后進入膜格柵去除細小顆粒物、纖維類物質，起到保護后續MBR膜的功能；膜格柵出水自流進入水解酸化池，提高污水可生化性；依次進入缺氧池、好氧池和MBR膜池，逐步實現反硝化脫氮、好氧硝化、化學除磷、有機物降解及SS分離等過程，污水中COD、BOD、TN、TP、SS等污染物得到去除；MBR膜池出水經過臭氧催化氧化裝置進一步去除污水中的頑固性COD，確保出水COD穩定達標，臭氧催化氧化裝置出水自流進入接觸池消毒，尾水自流外排至指定河道。污泥處理：高密污泥以及生化剩余污泥，經污泥泵提升至貯泥池，然后進入離心脫水機房進行脫水，脫水后泥餅外運至指定污泥處置中心。污水廠的平面布置如圖3所示。

圖2 污水處理廠改造工藝流程Fig.2 Technological Process of WWTP after Reconstruction

圖3 污水處理廠平面布置圖Fig.3 Layout Plan of WWTP

采用水解酸化-生化-MBR-臭氧催化氧化組合處理工藝是將生物處理和物化處理工藝結合，在發揮生物降解有機物和脫氮優勢的基礎上，利用后續物化處理將頑固性難降解有機物去除，以滿足較嚴的污水排放標準[7]。其中,MBR工藝在組合工藝中起到了“承上啟下”的關鍵作用。首先利用MBR膜分離系統將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物有效截留，使生化反應池中的活性污泥濃度大大提高，增加了生化系統耐沖擊負荷能力；有利于增殖速率緩慢的微生物的截留、生長和繁殖，提高脫氮效率[8-12]；把傳統生化反應過程中的污染物水力停留時間轉變為固體停留時間，達到在有限的水力時間情況下有足夠的反應時間將污染物降解[9]；另外MBR膜采用改性PVDF中空纖維膜，膜孔徑為0.1 μm，產水水質好、渾濁度低[10]，減少了后續臭氧催化氧化系統的催化劑污堵次數，降低了反洗頻率，進而降低運行能耗。

4 主要設計參數

(1)粗格柵及提升泵房

粗格柵及進水泵房土建利舊，更換粗格柵進出水閘門、粗格柵以及提升泵。粗格柵渠設置粗格柵2臺，格柵選用鋼絲繩牽引除污粗格柵，柵條間隙為20 mm，N=1.1 kW。集水池設置兩種型號提升泵，形式為潛污泵，變頻，匹配不同流量要求：A提升泵2臺，Q=425 m3/h，H=14 m，N=25 kW；B提升泵，Q=200 m3/h，H=14 m，N=15 kW。

(2)細格柵及旋流沉砂池

細格柵及旋流沉砂池土建利舊，更換細格柵、旋流沉砂設備。細格柵渠設置細格柵2臺，格柵選用回轉式機械除污細格柵，柵條間隙為3 mm，N=1.1 kW。旋流沉砂設備2套，D=3 050 mm，d=1 000 mm，N=2.2 kW，含配套設備。

(3)調節池

由于本次將園區周邊的工業企業納入收集范圍，企業排水水質以及排水周期不同，水質水量波動較大。為保證后續處理工藝的穩定運行，現將原Biolak池厭氧區及缺氧區改造為調節池。調節池內的水通過調節池提升泵送至后續處理工藝進行處理。調節池停留時間為9.1 h，數量2座，新增調節池攪拌器，8臺，N=2.2 kW。新增調節池提升泵4臺(每池2臺)，采用潛污泵，變頻，Q=313 m3/h，H=9 m，N=15 kW。

(4)高密度沉淀池

來水中的硬度較高，約為300 mg/L，較高的硬度會使微曝氣盤經常出現結垢堵塞曝氣孔的情況，引起曝氣膜破裂，需經常對曝氣管進行更換，嚴重影響生化池正常運行[11]。因此，本系統增加高密除硬處理系統。即新增高密度沉淀池，去除來水中懸浮物及硬度。設計水量為15 000 m3/d，裝置直徑為8.4 m，共2套。含混合反應攪拌器，N=5.5 kW；絮凝反應攪拌器，N=7.5 kW；高密專用刮泥機，N=1.5 kW；污泥循環泵，螺桿泵，Q=25 m3/h，P=0.40 MPa。

(5)膜格柵

新增膜格柵，進一步去除纖維狀物質以保護MBR膜系統。膜格柵渠設置膜格柵2臺，格柵選用內進流膜格柵，柵條間隙為1 mm，N=2.2 kW，含配套設備。

(6)水解酸化池

原Biolak池好氧區部分區域改造為水解酸化池，將難生物降解的大分子物質轉化為易生物降解的小分子物質的過程，從而改善廢水的可生化性，為后續處理奠定良好基礎，HRT為9.2 h，2座;潛水攪拌器，4臺，N=5.5 kW；懸掛式填料為1 800 m3。

(7)MBR生化池

將原Biolak池剩余好氧區改造為缺氧池，沉淀區改造為好氧池；在好氧池末端投加除磷劑，去除污水中的TP。水力停留時間：HRT=18.4 h(缺氧段HRT為9.5 h，好氧段HRT為8.9 h)；污泥濃度：5 g/L；污泥回流比為100%～200%；混合液回流比為200%～300%；缺氧池推流器，4臺，N=5.5 kW；污泥回流泵，采用臥式離心泵，2臺，Q=625 m3/h，H=16 m，N=45 kW；硝化液回流泵，采用軸流泵，4臺，Q=625 m3/h，H=3.5 m，N=11 kW；生化鼓風機，3臺，Q=33 Nm3/min，P=60 kPa，N=55 kW；盤式膜片微孔曝氣器，1 800套，除磷劑加藥泵Q=300 L/h，H=50 m，2臺。

(8)MBR及設備間

新增MBR膜池，1座(4格)，單格尺寸為20.4 m×3.1 m×4.0 m，凈通量12 L/(m2·h)，MLSS為8 000～12 000 mg/L的MBR膜組器，32套；MBR產水泵，4臺，Q=150～240 m3/h，H=10～15 m，N=11 kW；膜擦洗風機，3臺，磁懸浮風機，Q=115 Nm3/min，P=40 kPa，N=105 kW；配套次氯酸鈉、檸檬酸加藥系統。

(9)臭氧催化氧化裝置

新增臭氧催化氧化裝置4套，含NiO/Al2O3催化劑，停留時間為0.5 h；臭氧發生器，3臺，空氣制氧源，10 kg/h；反洗風機，Q=16 Nm3/min，P=75 kPa，N=33 kW。

(10)接觸池及巴氏計量槽

接觸池及巴氏計量槽土建利舊，新增次氯酸鈉消毒系統，接觸池停留時間為0.5 h；新增巴氏計量裝置，Q=0.04～0.50 m3/s。

(11)污泥處理系統

新增污泥脫水系統，進泥干固量為4 300 kg DS/d，混合含水率為98%，脫水機后污泥含水率≤80%。主要設備為：離心脫水機2臺，1用1備，單機Q=15 m3/h，N=15 kW。

(12)除臭系統

新增生物+活性炭組合除臭系統1套，新增粗格柵及提升泵房、細格柵及旋流沉砂池、調節池、水解酸化池、污泥脫水間除臭收集系統1套，設計臭氣處理量Q=25 000 m3/h。

(13)活性砂濾池

因本項目用地緊張，且原污水廠沒有除臭系統，考慮到活性砂濾池原設計存在結構缺陷，本項目拆除原活性砂濾池，在此建設除臭系統1套。

5 運行效果分析

目前，本工程已建設完成并投入運行，該污水廠改造完成后，實際出水水質如表5所示。

表5 污水廠出水水質 Tab.5 Effluent Quality of Sewage Treatment Plant

調試及運行結果表明，水解酸化+MBR+臭氧催化氧化組合工藝系統運行穩定。運行期間，該組合工藝對水質的適應性強，生化系統污泥濃度有較寬的調節范圍，可根據來水水量、水質，通過調整硝化液及污泥回流比改變生化系統的污泥濃度，達到了很好的處理效果。整體出水滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)地表水Ⅳ類標準(除TN外)。

各藥劑實際投加情況如表6所示。

表6 各藥劑實際投加量Tab.6 Actual Dosage of Each Agent

6 投資及成本分析

本提標改造工程建設投資約為1.2億元，本工程直接運行成本為4.70元/(t水)，其中電費為1.22元/(t水)，藥劑費用為2.58元/(t水)[其中乙酸鈉加藥費為2.45元/(t水)]，MBR膜更換費用為0.353元/(t水)，污泥運輸及處置費用為0.159元/(t水)，臭氧催化劑更換費為0.055元/(t水)，職工工資及福利費為0.230元/(t水)，自采暖費為0.1元/(t水)。

7 結論

(1)根據河北某園區污水廠進水可生化性差且存在難降解有機物、TN去除率高、場地改造空間小的特點，進行提標改造。采用水解酸化+MBR+臭氧催化氧化組合工藝運行穩定，出水滿足一級A標準，其中除TN外滿足地表水Ⅳ類標準。

(2)本項目運行費用高于傳統工藝，但出水水質標準較高，滿足日益嚴格的環保要求，對類似出水水質較高的污水廠提標改造項目具有一定的參考意義。

(3)本項目的成功實施對綜合類工業園區污水處理廠,尤其是污水廠來水存在較高難降解有機物、TN去除率要求高的廢水提標改造提供了實際工程參考經驗。