水解酸化+AAO+混凝沉淀+臭氧-BAF工藝在綜合產業園廢水處理中的應用

邱 迪，陳 卓，李 茜，范加良

(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.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060；3.長江三峽綠洲技術發展有限公司，湖北武漢 430063)

隨著我國城市化進程的加快，城市功能分區日趨清晰，產業園區得到了迅猛的發展。據不完全統計，全國現有各類型產業園區約9萬家。伴隨著產業園區的增多，園區廢水處理問題逐漸凸顯。

產業園區廢水處理通常采用兩種模式：一種為企業廢水經過預處理后排入市政管網，與生活污水混合后統一進入市政污水處理廠進行處理，但企業預處理過程中通常含有生物處理，導致企業排水中難生物降解的污染物較多，對市政污水處理廠的穩定運行會造成一定程度的不良影響，因此，該模式日益減少；另一種是單個或多個產業園區統一設置集中式污水處理廠，根據企業預處理后的廢水水質水量特性，園區集中式污水處理廠采用有針對性的處理工藝和工藝參數。

目前，制藥、印染、化工、造紙、機械加工等單一類型的產業園區的廢水處理工程案例報道較多。這些產業園區的主要排水企業行業相同，園區廢水特點比較鮮明，園區污水處理廠處理工藝針對性較強。隨著各地對產業集群的培育，綜合產業園區越來越多。綜合產業園區廢水大多可生化性較差、水質成分復雜、水質水量波動較大，給園區廢水處理帶來一定的難度。同時，綜合產業園區的廢水水質和水量受各類企業占比的影響，隨著園區入駐企業的增加，園區廢水水質可能存在較大程度的變化。因此，綜合產業園區污水處理廠工藝和工藝參數的選取需要有一定的普適性，運行方式需要有一定的靈活性。目前，綜合產業園區廢水處理工程案例相對較少。本文以潛江某綜合產業園廢水處理項目為例，提出以“水解酸化+AAO+混凝沉淀+臭氧-曝氣生物濾池(BAF)工藝”處理綜合產業園廢水，為類似項目提供參考。

1 工程規模及水質

潛江某綜合產業園內企業以食品制造、家具加工、機械制造和混裝制劑類制藥企業為主。園區采用“預處理-納管”的污水處理模式，企業污水經預處理達到公共納管標準后，進入園區污水處理廠進行二次處理后達標排放[1]。園區污水處理廠主要接收園區內企業的生產和生活廢水，處理后的尾水通過城南河匯入長江。

工程本期規模為1萬m3/d，中期規模為2萬m3/d，遠期規模為4萬m3/d。綜合產業園內各類企業廢水中常規污染物指標[化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)]的排放標準，優先執行對應行業的間接排放標準，無行業排放標準的執行《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中的三級標準和《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)中B級標準。企業廢水中第一類污染物一律在車間內處理達標。綜合考慮園區定位、入駐企業種類和各類企業污水間接排放標準，確定綜合產業園污水處理廠的設計進水水質(表1)。根據尾水受納水體的環境功能和保護目標，確定污水處理廠的出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。具體進出水水質指標如表1所示。

表1 污水處理廠設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent of the WWTP

2 污水處理工藝方案

2.1 水質分析

園區現狀的入駐企業以食品制造、家具加工、機械制造和化學試劑制造為主。食品制造企業為主要的廢水排放企業，企業產品主要包含乳酸菌飲料、水果罐頭和鹵制品。現狀各類企業廢水排放情況如表2所示。

根據表2中園區現狀入駐企業的排水情況，食品加工廢水占總排水量的77%，混合廢水總體上處理難度不大，但各類企業廢水中均存在一定量的難生物降解物質。在工藝確定時需注意以下幾點。

表2 現狀企業廢水排放Tab.2 Wastewater Discharge of Current Enterprises

(1)園區內大部分企業均在廠內設置了污水預處理系統，工藝以“物化預處理+生化處理”為主，容易物化處理和生物降解的污染物大多在企業內部的預處理系統中去除，導致企業排水中可能含有較多難以生物降解的污染物，造成園區集中式污水處理廠進水B/C值偏低[6-7]。

水解酸化池可以在一定程度上降低難降解污水的處理難度，并降低污水處理廠整體運行費用，已在國內很多工業園區污水處理廠預處理中使用[8]。因此，在污水處理生物池前設置水解酸化池，將難生物降解的大分子有機物水解為易生物降解的小分子有機物，提高生物反應系統整體處理效果。從多數工業園區污水處理廠運行的經驗中了解到，傳統生化處理出水中仍含有部分難生物降解有機物，導致生化處理出水CODCr質量濃度仍然難以滿足≤50 mg/L的要求，需要在深度處理工藝中增設高級氧化工藝。栗文明等[9]對比了以臭氧、Fenton為代表的一系列高級氧化技術在工業廢水深度處理中的應用。結合本項目廢水排放情況，深度處理中采用臭氧-BAF組合工藝來保障出水CODCr穩定達標。水解酸化和臭氧-BAF工藝已在多個工業園區污水處理廠中應用。譚周權[10]以嚴陵工業園綜合污水處理廠為例，采用預處理-水解酸化-改良型AAO-高效沉淀-臭氧接觸氧化-BAF組合工藝，出水可穩定達標。

(2)鹵制品加工企業、機械加工企業和家具加工企業廢水中含有一定濃度的油類物質，為了避免油類物質對生物反應系統和深度處理系統的影響，在園區污水處理廠的預處理單元考慮除油。這類排水企業內部廢水預處理中通常設置有除油設施，因此，企業排水中油類物質濃度較低。按照污水綜合排放標準中三級標準，企業外排污水中石油類質量濃度≤20 mg/L，動植物油質量濃度≤100 mg/L。根據石艷玲等[11]對曝氣沉砂池的運行效果評估，通過曝氣沉砂池可將油類物質質量濃度控制在15 mg/L以內。因此，考慮在園區污水處理廠中設置曝氣沉砂池。

(3)企業排水的水質和水量受企業排產計劃和企業內部污水預處理系統運行情況的影響較大，因此，園區污水處理廠需要設置調節池和事故池，用于應對企業排水的波動和事故排水。目前國內工業園區污水處理廠通常均設置了一定容積的調節池和事故池，在項目投資和場地充裕的條件下，調節池和事故池容積宜適當放大。

2.2 工藝流程

污水處理廠工藝流程如圖1所示。

園區污水處理廠設有事故池，當污水處理廠的進水水質大幅度超出設計限值時，超標廢水暫時儲存在事故池，待污水處理廠進水正常后，將事故池的污水小流量提升到調節池。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

污水深度處理采用混凝沉淀+臭氧接觸池+BAF+纖維轉盤工藝。二沉池出水先通過混凝沉淀去除其中的大部分SS、P和部分有機物，降低SS對臭氧的消耗以及臭氧接觸池的有機污染物負荷，提高臭氧接觸池的臭氧利用率。臭氧接觸池主要采用臭氧產生的羥基自由基將污水中難降解的有機物氧化，但完全靠臭氧接觸池將難降解的有機物完全氧化是不經濟的。在臭氧接觸氧化池后設置BAF，經過臭氧氧化后部分難降解有機物氧化分解成易生物降解的有機物，再通過BAF的生物反應和過濾截留作用，主要去除污水中剩余的CODCr和SS。BAF出水進入纖維轉盤濾池，確保SS達標排放。

污水處理流程中設置了多處超越，可根據進水的水質和水量情況，調整工藝的運行情況。當進水水質、水量波動較小時，曝氣沉砂池出水可超越調節池直接自流進入水解酸化池進行處理，減少流程中提升次數，降低運行費用。當進水水質在較長時段內低于設計水質時，可根據實際情況，在臭氧接觸池內不投加或少投加臭氧，同時根據臭氧接觸池出水情況，選擇單獨超越BAF或同時超越BAF和纖維轉盤濾池，降低運行費用。當BAF出水中SS已經達標，BAF出水可以超越纖維轉盤濾池直接進入紫外消毒渠。

注：①粗格柵及提升泵房；②細格柵及曝氣沉砂池；③調節池及事故池；④水解酸化池及AAO池；⑤二沉及污泥回流池；⑥混凝沉淀及臭氧接觸池；⑦ BAF；⑧濾后水池及附屬工房；⑨纖維轉盤濾池；⑩紫外消毒渠及巴氏計量槽；冷卻塔及集水池；臭氧設備間；液氧儲罐；污泥儲池；污泥脫水間；鼓風機房及配電間；進水儀表間及機修間；出水儀表間；綜合樓；傳達室；預處理離子除臭；污泥系統離子除臭圖2 污水處理廠平面布置圖Fig.2 Layout Plan of WWTP

水解酸化及AAO池的剩余污泥、混凝沉淀池的物化污泥由污泥排放泵排至污泥儲池進行暫存，經污泥輸送泵送至帶式濃縮脫水一體機進行污泥脫水，使污泥含水率降低至80%以下，脫水后的污泥運送至廠外污泥處置中心進行集中處置。

污水廠設離子除臭設備對粗格柵及提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池、污泥儲池和污泥脫水車間的臭氣進行收集處理。

2.3 廠區平面布置

污水處理廠平面布置如圖2所示。

3 主要構筑物及工藝參數

3.1 粗格柵及提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池

粗格柵及提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池均設置1座，分2格，土建規模按2萬m3/d實施，設備規模按1萬m3/d安裝，總水量變化系數為1.58。提升泵房設6個泵位，近期設潛污泵3臺，2用1備，單臺潛污泵規格為流量Q=320 m3/h、揚程H=22 m、功率N=37 kW，3臺均為變頻。曝氣沉砂池停留時間為6.8 min，有效水深為2.2 m，曝氣量為0.2 m3/(m3污水)。曝氣沉砂池設置撇油設備，除去漂浮的油類物質，防止出現較高濃度的油類物質降低生化池曝氣充氧效率、降低橡膠曝氣器壽命等問題。

3.2 調節池、事故池

調節池與事故池合建，設計規模為1萬m3/d，總水量變化系數為1.58。調節池設2格，總尺寸長×寬×高為25.0 m×22.6 m×6.5 m，停留時間為8 h。調節池內設潛水攪拌機和提升泵，具有較好的污水均質均量效果。事故池設1格，尺寸長×寬×高為25.0 m×11.0 m×6.5 m，停留時間為4 h。事故池內設置潛水攪拌機和潛污泵，具有暫存事故來水和將小流量事故廢水摻入污水處理系統處理的作用。綜合產業園污水處理廠的設計，需充分考慮來水水量和水質的波動性，在用地和投資較為充足的情況下，建議調節池和事故池池容適當做大，調節池池容建議按8～12 h的平均水量設計。

3.3 水解酸化池及AAO池

水解酸化池與AAO池合建，設計規模為1萬m3/d。水解酸化池設1座，分為2格，總尺寸長×寬×高為42.3 m×19.2 m×7.0 m，采用完全混合式水解酸化池。水解酸化池由完全混合區、緩沖區和斜管沉淀區組成[12]。完全混合區設計平均污泥質量濃度為4 500 mg/L，有效停留時間為8.9 h，內設置潛水攪拌機。斜管沉淀區表面水力負荷為6 m3/(m2·h)。沉淀區下方設置大角度斜坡自動回流污泥至完全混合區，斜坡坡腳設置排泥槽，內設穿孔排泥管排泥，通過調整排泥量來控制污泥回流量。水解酸化池進水端設置污泥回流池至水解酸化池的補泥管，當水解酸化池進水BOD5濃度較低無法維持污泥濃度時，或在水解酸化池沉淀區跑泥時，通過減少排泥并適量補泥維持水解酸化池污泥濃度，充分發揮水解作用。

AAO池設1座，分為2格，總尺寸長×寬×高為42.3 m×38.3 m×7.0 m，總停留時間為21.2 h，其中厭氧段為2.9 h、缺氧段為5.8 h、好氧段為12.5 h，設計污泥質量濃度為3 500 mg/L，污泥負荷為0.12 kg BOD5/(kg MLSS·d)，混合液回流比為200%，污泥回流比為50%～100%，最大曝氣氣水比為8.6∶1。

3.4 二沉池及污泥回流池

為了充分利用廠區用地，二沉池進水配水井、輻流式二沉池和污泥回流池合建，進水配水井與污泥回流池設置于兩座輻流式二沉池中間的異形用地。二沉池進水配水井設1座，用于2座二沉池進水水量的均勻分配。輻流式二沉池設2座，單座尺寸為Φ18.5 m×4.5 m(高)，表面水力負荷為0.78 m3/(m2·h)，沉淀時間為3 h。污泥回流池設1座，內設污泥回流泵和剩余污泥排放泵，回流污泥通過泵提升至AAO池厭氧區和水解酸化池。可以根據水解酸化池內的污泥濃度，為水解酸化池補泥。

3.5 混凝沉淀及臭氧接觸池

混凝沉淀池、臭氧接觸池和中間提升泵房合建，設計規模為1萬m3/d。混凝沉淀池設1座，分為2格，總池體尺寸長×寬×高為22.8 m×17.5 m×5.3 m。混合池和絮凝池采用機械攪拌，混合池停留時間為2 min，聚合氯化鋁(PAC)設計最大投加量為30 mg/L。絮凝池停留時間為15 min，聚丙烯酰胺(PAM)設計最大投加量為1 mg/L。沉淀池上部設置斜管沉淀區，斜管區表面水力負荷為2.5 m3/(m2·h)，下部污泥區設置帶濃縮柵條的中心傳動刮泥機，提高污泥區污泥濃度，運行中通過監測污泥區泥層高度，調整排泥量。

臭氧接觸池與中間提升泵房總尺寸長×寬×高為22.8 m×9.0 m×7.0 m，最大臭氧投加量與去除CODCr質量比為3∶1，接觸氧化區有效停留時間為60 min，分3段，容積按4∶3∶3分配。接觸氧化區后設置曝氣吹脫區，防止水中殘余臭氧進入后續的BAF，吹脫區停留時間為33 min，吹脫區曝氣強度為3.7 m3/(m2·h)。吹脫區后端為中間提升泵房水泵吸水井。中間提升泵房設臥式離心泵3臺，2用1備，單臺水泵規格為Q=240 m3/h、H=15 m、N=15 kW，3臺均為變頻。中間提升泵出水管一路至BAF池配水井，另一路至纖維轉盤濾池進水渠，可根據臭氧接觸池出水水質選擇是否超越BAF池。

臭氧接觸池配套氧氣源臭氧發生器2臺，單臺臭氧產量為7 kg/h，2用。配套液氧儲罐1臺，容積為50 m3，液氧儲罐區周邊設置硬化地面和鐵藝圍欄，液氧儲罐區防火要求執行《建筑設計防火規范(2018版)》(GB 50016—2014)。為防止液氧使用過程中液氧汽化器結冰，保證臭氧發生器的氧氣供應，液氧儲罐配備2套空溫式汽化器，1用1備，單套汽化能力不小于氧氣用氣量的2.5倍。

3.6 BAF

設上向流BAF 1座，設計規模為1萬m3/d，分為4格，單格尺寸長×寬×高為9.0 m×8.5 m×7.5 m，濾料層高度為4 m。BOD5容積負荷為0.18 kg BOD5/(m3·d)，濾池表面水力負荷為1.53 m3/(m2·h)，空床停留時間為2.6 h，最大曝氣氣水比為4.5∶1。反洗周期為24～48 h，反洗過程為單獨氣洗4 min，氣洗強度為14 L/(m2·s)；氣水聯合沖洗6 min，其中氣洗強度為14 L/(m2·s)，水洗強度為 3 L/(m2·s)；單獨水洗10 min，水洗強度為6 L/(m2·s)。

配套設置濾后水池1座，為濾池提供反洗用水，水池有效容積不小于單格濾池反洗水量的1.5倍。濾池反洗過程反洗水泵所需揚程隨著濾后水池水位的下降而不斷增加，為防止水洗過程中水洗強度波動較大，在用地較為充足時，可將濾后水池有效水深控制在4 m以內。用地緊張時濾后水池水深較深，反洗過程中濾后水池水位波動較大時，反洗水泵需采用變頻泵，增大水泵高效運行的工況范圍。

3.7 纖維轉盤濾池

設纖維轉盤濾池1座，設計規模為1萬m3/d，分為2格，總尺寸長×寬×高為7.1 m×5.5 m×3.5 m，每格設1套纖維轉盤設備，單套設備含直徑為2 m的過濾盤片6片，濾速為8.3 m/h。纖維轉盤濾池設超越管，當BAF出水SS達標時，可超越纖維轉盤濾池進入紫外消毒渠。

3.8 紫外消毒及巴氏計量槽

紫外消毒渠和巴氏計量槽合建。紫外消毒渠土建規模按2萬m3/d實施，設備規模按1萬m3/d安裝。紫外消毒渠設1座，分為2格，單格設紫外消毒燈管40根。紫外消毒渠末端集水池內設回用水泵，為帶式濃縮脫水機提供沖洗用水，并為臭氧發生器配套的板式換熱器提供外循環冷卻水。

巴氏計量槽設1座，內設喉口寬度為450 mm的巴氏計量槽1套，測量流量為4.5～630.0 L/s。

3.9 污泥處理系統

污泥處理系統土建規模按2萬m3/d實施，設備規模按1萬m3/d安裝。設置污泥儲池1座，分2格，總尺寸長×寬×高為6.0 m×6.3 m×4.5 m，暫存污水處理過程中產生的剩余污泥和物化污泥，污泥儲存時間為10 h。污泥脫水間設帶式濃縮脫水機機位3個，一期設脫水機2臺，單臺帶寬為1 m。

3.10 除臭系統

因預處理單元和污泥處理單元間距較遠，分別設置除臭設施，除臭設備形式采用離子除臭。預處理離子除臭處理風量為7 000 m3/h，收集并處理粗格柵及提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池臭氣。污泥系統離子除臭處理風量為8 500 m3/h，收集并處理污泥儲池和污泥脫水車間臭氣。

4 運行效果分析

4.1 設計工況運行情況預測

根據設計進出水水質和處理工藝，預測各處理單元污染物去除效果如表3所示。

4.2 實際運行情況

本工程于2018年8月建成投產，但因綜合產業園企業入駐率較低，實際收納的工業廢水較少。為降低工業廢水處理難度，并充分發揮工程效益，將污水處理廠附近區域生活污水引入廠內處理。2021年日平均處理水量約為8 500 m3/d，其中工業廢水占比約為60%。目前實際進水水質低于設計最大進水水質，實際運行時臭氧接觸池未投加臭氧，其出水超越BAF直接進入纖維轉盤濾池，經過濾消毒后外排。實際的進水水質和各處理單元主要污染物去除效果如表4所示。

5 技術經濟分析

本項目工程直接費用為4 826萬元，折合噸水投資為4 826元/m3。按設計水質和水量測算直接運行費用為1.399元/m3，具體的直接運行費用組成如表5所示。

由于目前實際進水量小于設計進水量，實際進水水質低于設計水質，實際的直接運行費用為0.755元/m3，實際的直接運行費用組成如表6所示。

表3 各處理單元沿程去除率 (設計水質)Tab.3 Removal Efficiencies along the Treatment Process (Designed Water Quality)

表4 各處理單元沿程去除率 (實際水質)Tab.4 Removal Efficiencies along the Treatment Process (Actual Water Quality)

表5 直接運行費用 (設計水質)Tab.5 Direct Operation Costs (Designed Water Quality)

表6 實際直接運行費用Tab.6 Actual Direct Operation Costs

6 結論

(1)綜合產業園區內的排水企業通常涵蓋的行業較多，園區廢水中污染物成分較為復雜，水質水量波動較大，同時經排水企業內部預處理后的廢水通常含有較多難生物降解的物質，以上因素給綜合產業園區廢水處理帶來了較大難度。采用“水解酸化+AAO+混凝沉淀+臭氧-BAF”組合工藝處理以食品制造、家具加工、機械制造和混裝制劑類制藥企業為主的綜合產業園廢水，出水水質可穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。本工程對于類似的綜合產業園區廢水處理系統的設計具有很好的參考和借鑒作用。

(2)工程噸水投資為4 826元/m3，設計工況下直接運行費用預計約為1.399元/m3。實際低進水水質時，直接運行費用為0.755元/m3。