某工業(yè)區(qū)污水處理廠污水處理工藝設(shè)計(jì)

高 原

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200125)

1 工程概況

本工程位于上海市遠(yuǎn)郊，片區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀污水處理設(shè)施已無(wú)法滿足地區(qū)水量增加的需要，因此在片區(qū)中部規(guī)劃新建污水處理廠，以分擔(dān)下游處理設(shè)施的壓力。工程近期設(shè)計(jì)規(guī)模為7.5萬(wàn)t/d，遠(yuǎn)期規(guī)模為15萬(wàn)t/d，服務(wù)范圍涵蓋了鎮(zhèn)區(qū)、居住社區(qū)、工業(yè)組團(tuán)和工業(yè)片區(qū)。根據(jù)地區(qū)污水量預(yù)測(cè)， 2017年工業(yè)廢水量所占比例達(dá)到73%，隨著規(guī)劃人口增加，生活污水量將有所增加，預(yù)計(jì)2020年工業(yè)廢水量比例仍占總水量的64%，工業(yè)廢水比重遠(yuǎn)高于生活污水。

從污水來(lái)源和污水量構(gòu)成來(lái)看，本工程有別于常規(guī)的城鎮(zhèn)生活污水廠，具有工業(yè)園區(qū)污水處理廠的特征。鑒于工業(yè)廢水比重高，且主要服務(wù)于各類工業(yè)區(qū)，故定性為工業(yè)區(qū)污水處理廠。因此，本工程按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行是具有一定挑戰(zhàn)性的。

2 設(shè)計(jì)水質(zhì)研究

2.1 進(jìn)水水質(zhì)分析

由于本工程不同于常規(guī)的生活污水處理廠，在確定處理工藝前，必須對(duì)其進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行充分調(diào)研和分析。本次選取的水質(zhì)采樣點(diǎn)位于污水廠服務(wù)區(qū)域末端的污水泵站，對(duì)其近期的水質(zhì)資料進(jìn)行分析，具有較好的代表性和指導(dǎo)意義。

通過(guò)對(duì)該采樣點(diǎn)近3年定期采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖1)，水質(zhì)波動(dòng)范圍較大，部分天數(shù)的COD和TP濃度已超過(guò)《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/445—2009)中規(guī)定，TP的超標(biāo)情況尤為突出。根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)調(diào)查資料，初步判斷存在碳源低、可生化性較差，進(jìn)水氮磷濃度高等特點(diǎn)。

圖1 進(jìn)水濃度變化圖Fig.1 Variation Diagram of the Influent Concentration

工業(yè)廢水的成分與常規(guī)生活污水差異較大，為保證工程所采用的處理工藝能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需要摸清氮、磷的類型，確保處理工藝有針對(duì)性。因此，在常規(guī)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，開展水質(zhì)特性與組分分析，為處理工藝方案選擇提供技術(shù)支撐。為此，分別對(duì)夏季和冬季的水質(zhì)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 水質(zhì)組分分析

2.2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

本工程服務(wù)范圍的污水包括工業(yè)廢水和生活污水，污水廠設(shè)計(jì)水質(zhì)的確定應(yīng)近遠(yuǎn)期兼顧。既要考慮現(xiàn)狀水質(zhì)存在的超標(biāo)排放的情況，也應(yīng)考慮到隨著政府加大對(duì)企業(yè)排污的監(jiān)管力度，工業(yè)企業(yè)的污水排放將全部執(zhí)行《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/445—2009)的納管標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)廠水質(zhì)將會(huì)有較大的改善。因此，根據(jù)工業(yè)廢水和生活污水量的比例，以生活污水水質(zhì)、納管標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)和現(xiàn)狀實(shí)際排放的工業(yè)廢水水質(zhì)，進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，確定本工程的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)和校核進(jìn)水水質(zhì)，如表2所示，確保在污水廠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也能夠應(yīng)對(duì)近期部分超標(biāo)進(jìn)水工況。

表2 進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計(jì)

3 污水處理工藝論證

3.1 污水處理難點(diǎn)

(1)進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)高

根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)情況，各項(xiàng)進(jìn)水指標(biāo)均存在較大的波動(dòng)，進(jìn)水超標(biāo)的天數(shù)較多。本工程工業(yè)廢水所占比重較大，企業(yè)是否達(dá)標(biāo)排污對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的影響較大，雖然地方政府已加大對(duì)工業(yè)企業(yè)排污的監(jiān)管力度，但進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)仍是影響污水廠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性風(fēng)險(xiǎn)因素。為了確保工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)工藝中仍需采取有針對(duì)性的措施，確保各種工況均能穩(wěn)定可靠達(dá)標(biāo)。

(2)可生化性難以保證

工業(yè)廢水所占比重大，企業(yè)類型復(fù)雜，食品加工等企業(yè)并不占主導(dǎo)，因此進(jìn)水CODCr的可生化性難以保證。本工程污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)BOD5/CODCr=0.32(校核水質(zhì)時(shí)為0.27)，可生化性一般。需在生化處理前創(chuàng)造一定的條件，微生物才可將水中的有機(jī)污染物降解到比較低的水平。

(3)碳源總量不足

由于工業(yè)廢水比重較大，生活污水提供的碳源非常有限。而工業(yè)企業(yè)中電鍍加工、電子類企業(yè)所占比例較大，食品加工等企業(yè)相對(duì)較少，進(jìn)一步加劇了碳源不足的問(wèn)題。本工程TN約為60 mg/L，BOD5/TN=2.67(校核水質(zhì)時(shí)為2.13)，遠(yuǎn)低于生物脫氮所需的碳源量，因此需在處理過(guò)程中補(bǔ)充碳源。

(4)進(jìn)水氮、磷濃度高

綜合水質(zhì)調(diào)查情況，現(xiàn)狀進(jìn)水氮、磷濃度已超常規(guī)城鎮(zhèn)污水處理廠的處理能力，因此需在工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)考慮采用生物和化學(xué)協(xié)同處理的手段，才能確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.2 處理工藝選擇

(1)預(yù)處理單元：針對(duì)進(jìn)水波動(dòng)較大、超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)高的特征，在預(yù)處理階段設(shè)置調(diào)節(jié)池，應(yīng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)和水量波動(dòng)，減少進(jìn)水對(duì)后續(xù)生物系統(tǒng)的沖擊負(fù)荷。此外，由于進(jìn)水以工業(yè)廢水為主，且進(jìn)水可生化性較低，可通過(guò)水解酸化工藝，提高污水可生化性，改善后續(xù)生化系統(tǒng)處理效果。

(2)生物處理單元：在傳統(tǒng)AAO工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性的改良，以適應(yīng)本工程的實(shí)際需要。

①在生物處理池前段增設(shè)預(yù)缺氧區(qū)，充分利用進(jìn)水碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，去除其中的硝酸鹽氮和溶解氧，同時(shí)也可減少對(duì)后續(xù)厭氧池釋磷效果的影響。

②生物池內(nèi)的流態(tài)由常規(guī)的推流式改為完全混合式，應(yīng)對(duì)工業(yè)廢水的沖擊負(fù)荷，確保出水能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

③在好氧池的前段增加攪拌器，使其能在好氧或缺氧之間靈活切換，進(jìn)水TN高或者穩(wěn)定較低時(shí)按照缺氧功能運(yùn)行，保證TN的去除效果，減少外加碳源量。

④在好氧池的2/3處投加填料，形成MBBR功能區(qū)，進(jìn)一步提高內(nèi)部碳源的利用率，強(qiáng)化脫氮及難降解有機(jī)物的去除功能，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)整填料的填充率，應(yīng)對(duì)近遠(yuǎn)期水質(zhì)濃度的變化。

生物處理單元工藝流程如圖2所示。

圖2 生物處理單元工藝流程圖Fig.2 Process of Biological Treatment Units

(3)深度處理單元：著重強(qiáng)化出水水質(zhì)，確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。針對(duì)進(jìn)水TP濃度較高的問(wèn)題，可結(jié)合混凝沉淀單元，通過(guò)投加藥劑實(shí)現(xiàn)化學(xué)除磷；針對(duì)TN濃度較高的問(wèn)題，可與過(guò)濾處理相結(jié)合，通過(guò)投加碳源，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)TN和SS等水質(zhì)指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.3 污水處理工藝流程

本工程污水處理工藝采用“調(diào)節(jié)池+水解酸化+改良AAO生物反應(yīng)池+二沉池+高效終沉池+反硝化深床濾池”，如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程Fig.3 Technological Process of Wastewater Treatment

3.4 水質(zhì)變化應(yīng)對(duì)方案

(1)設(shè)計(jì)水質(zhì)工況

本工程二級(jí)生物處理采用改良AAO工藝，在設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)條件下，改良AAO工藝中“SWING”池作為好氧池使用，可保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)高氮水質(zhì)工況

當(dāng)進(jìn)水TN濃度較高、碳源不足時(shí)，生物池中“SWING”池作為缺氧池使用，同時(shí)在缺氧池投加碳源，保證脫氮效果。此外，在深度處理階段，可通過(guò)反硝化深床濾池進(jìn)一步強(qiáng)化脫氮效果，確保出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。通過(guò)以上措施，從而有效應(yīng)對(duì)高氮污水。

(3)高磷水質(zhì)工況

當(dāng)進(jìn)水TP濃度較高超過(guò)生物除磷能力時(shí)，可采用化學(xué)除磷的方式確保出水TP達(dá)標(biāo)。通過(guò)在調(diào)節(jié)池、生物池好氧段和高效終沉池投加除磷藥劑的方式，強(qiáng)化除磷效果。

(4)難降解COD超標(biāo)工況

由于本工程工業(yè)廢水所占比例高，可能出現(xiàn)難降解COD較高的情況，為此，在深度處理工藝中設(shè)置備用的粉末活性炭投加裝置，可通過(guò)投加粉末活性炭吸附去除難降解COD。

4 處理工藝優(yōu)化研究

為確保本工程處理工藝的有效性和設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)水解酸化、生物處理和深度處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為工程設(shè)計(jì)提供參考和支撐。

4.1 水解酸化工藝研究

目前較為常用的水解酸化池有兩種形式，升流式水解污泥床和厭氧接觸法。綜合考慮處理效果和用地，本項(xiàng)目水解酸化池采用升流式。進(jìn)水采用連續(xù)式一管一孔配水裝置，采用特制配水器通過(guò)配水堰將水均勻分配到配水管內(nèi)，可確保配水均勻、不易堵塞，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。該種形式的水解酸化池在以往的工業(yè)區(qū)污水處理廠工程中均有較好的應(yīng)用[1]。

為了驗(yàn)證水解酸化工藝在本工程中的作用并確定相關(guān)參數(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)水樣進(jìn)行了為期半年的污泥培養(yǎng)，同時(shí)采集了現(xiàn)場(chǎng)水樣進(jìn)行相應(yīng)的水解酸化小試。由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)水解酸化池停留時(shí)間≤8 h時(shí)，COD指標(biāo)降低非?？?，B/C顯著提高；當(dāng)停留時(shí)間>8 h時(shí)，COD指標(biāo)仍然繼續(xù)降低，但降低速度較慢，B/C逐漸降低，如圖4所示。

當(dāng)停留時(shí)間≤8 h時(shí)，COD分解形成的BOD量高于原水中BOD被降解量，從而使B/C比增加；當(dāng)停留時(shí)間>8 h時(shí)，分解形成的BOD量開始低于BOD被降解量，B/C比開始下降。通過(guò)本次的試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建水解酸化池的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定水解酸化工藝有助于改善本工程進(jìn)水可生化性，水解酸化池的設(shè)計(jì)停留時(shí)間確定為8 h。

圖4 水解酸化試驗(yàn)分析Fig.4 Analysis of Hydrolytic Acidification Test

4.2 生物處理工藝研究

目前活性污泥模型以其較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果可對(duì)污水處理廠工藝設(shè)計(jì)的診斷評(píng)估提供技術(shù)支持[2]。為了驗(yàn)證本工藝的處理效果，本次設(shè)計(jì)中采用了活性污泥模型進(jìn)行驗(yàn)證(圖5)。

本次驗(yàn)證采用BioWin模擬軟件，數(shù)學(xué)模型構(gòu)建以ASM2d為基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)改良AAO生物處理單元進(jìn)行模擬。模型進(jìn)水為經(jīng)過(guò)水解酸化后的水，模擬對(duì)象為生物池及二沉池，相關(guān)控制措施也包括在模型中。模型的輸入?yún)?shù)主要包括污水處理廠主要構(gòu)筑物的物理參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、化學(xué)計(jì)量參數(shù)、進(jìn)出水水質(zhì)水量等。

通過(guò)對(duì)不同水溫、內(nèi)回流比、交替區(qū)運(yùn)行(SWING池)和碳源投加等條件進(jìn)行對(duì)比模擬，確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行條件。結(jié)果顯示，為保障反硝化效果，需結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)，在生物池缺氧段進(jìn)行碳源投加；生物池交替區(qū)在低溫時(shí)，建議以好氧區(qū)運(yùn)行，增強(qiáng)硝化反應(yīng)，有利于生物脫氮；而在高溫條件下，建議以缺氧區(qū)運(yùn)行，增加反硝化時(shí)間，有利于降低出水TN濃度；同時(shí)，增大混合液回流比到300%～400%，有助于提高生物脫氮效果。

圖5 污水處理模型Fig.5 Wastewater Treatment Model

在優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)處理效果進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，在水溫為10 ℃以及碳源投加條件下，除TP外，均滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 模擬生物處理出水水質(zhì)Fig.6 Simulation of Effluent Quality of Biological Treatment

由于模型中僅對(duì)生物處理過(guò)程進(jìn)行模擬，未考慮化學(xué)除磷單元，實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)深度處理階段的混凝、沉淀和過(guò)濾工藝，可滿足出水TP濃度<0.5 mg/L的要求。

4.3 混凝沉淀工藝研究

近年來(lái)，為強(qiáng)化處理效果，增加運(yùn)行負(fù)荷，減少占地面積，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝沉淀工藝進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，成功開發(fā)新型高效沉淀池，且在實(shí)際工程中逐步得到推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。在新型高效沉淀池中，以加載載體型高效沉淀池為典型代表。目前國(guó)內(nèi)常用的加載載體型高效沉淀池包括加砂高速沉淀池和磁混凝澄清池。綜合考慮本廠進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)、工程可行性和經(jīng)濟(jì)性，本項(xiàng)目混凝沉淀采用磁混凝澄清池工藝。

為驗(yàn)證磁混凝澄清技術(shù)對(duì)本工程的適用性，采集現(xiàn)場(chǎng)水樣進(jìn)行了磁混凝燒杯試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)水TP為6.9～94 mg/L的情況下，通過(guò)投加適量的藥劑，可使出水TP穩(wěn)定達(dá)到0.5 mg/L以下，除磷效果較好。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)進(jìn)水水質(zhì)和水量波動(dòng)，增設(shè)調(diào)節(jié)池和水解酸化池，改善了進(jìn)水可生化性，有效保障和提高了后續(xù)生物處理效果。

(2)通過(guò)改良AAO工藝，以有效應(yīng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)變化的影響，同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)化生物脫氮能力，確保生物處理效果的穩(wěn)定。

(3)深度處理階段采用高效沉淀池和反硝化深床濾池工藝，進(jìn)一步強(qiáng)化脫氮除磷效果，確保出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

(4)通過(guò)試驗(yàn)研究和模型預(yù)測(cè)，對(duì)主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(5)建立多工況運(yùn)行1模式，有效應(yīng)對(duì)不同進(jìn)水水質(zhì)。