李 勱， 郭興芳， 陶潤(rùn)先， 申世峰， 熊會(huì)斌

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 天津 300074）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國建成和在建工業(yè)園區(qū)已達(dá)到9 000 余家， 工業(yè)污水排放量占全國污水排放總量的45%左右[1]。 隨著工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展以及對(duì)水環(huán)境質(zhì)量要求的逐步提高，眾多污水處理廠面臨污染負(fù)荷增加，出水不達(dá)標(biāo)，以及占地受限等多方面的挑戰(zhàn)[2-3]。2015年4月16日國務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“水十條”），對(duì)水污染防治、水生態(tài)保護(hù)和改善水環(huán)境質(zhì)量等方面均提出了明確的工作目標(biāo)。 為貫徹落實(shí)“水十條”，加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理廠生產(chǎn)、運(yùn)行和污染治理技術(shù)的進(jìn)步， 天津市發(fā)布了DB 12/599—2015《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》， 要求污水處理廠尾水排放不低于A 類標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

天津海河流域某工業(yè)園區(qū)污水廠， 匯水區(qū)內(nèi)污水成分30%以上為工業(yè)企業(yè)廢水， 涵蓋企業(yè)類別包括生物及制藥、食品等產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過生物系統(tǒng)處理后的殘留有機(jī)物具有濃度低、難降解等特點(diǎn)，原處理工藝無法保障水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。按照《天津市水污染防治工作方案》要求，該廠出水需由GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)提升至DB 12/599—2015 《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》A 類標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱“天津地標(biāo)A”標(biāo)準(zhǔn)）。 為保障出水水質(zhì)滿足新地標(biāo)對(duì)污染物的排放要求，該廠于2018年完成提標(biāo)改造工程。

1 基本情況

該污水廠總服務(wù)面積為108 hm2，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為15 萬m3/d，分為4 個(gè)系列，各系列設(shè)計(jì)規(guī)模均為3.75×104m3/d。 原設(shè)計(jì)工藝為“改良AAO+深床濾池”，其中預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池的設(shè)計(jì)HRT 分別為1.4，7.4 和15 h。

2 工藝改造流程

2.1 改造前水質(zhì)

提標(biāo)改造前進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 提標(biāo)改造前進(jìn)、出水水質(zhì)mg·L-1

2.2 工藝流程及改造重點(diǎn)

改造前各污染物出水濃度均值可穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 由于該污水處理廠提標(biāo)改造標(biāo)準(zhǔn)提升且排水嚴(yán)格要求至瞬時(shí)值， 因此除保證重點(diǎn)指標(biāo)項(xiàng)目達(dá)標(biāo)外，還需提高出水各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定性。

（1）TN 的去除與進(jìn)水有機(jī)物濃度、污水可生化性和C/N 值密切相關(guān)，同時(shí)，還存在與TP 的協(xié)同去除，是污水處理廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行中的難點(diǎn)[4]。質(zhì)量濃度最高為14.98 mg/L，與新標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距，應(yīng)作為重點(diǎn)考慮的污染物。

（2）COD 最高質(zhì)量濃度為48.8 mg/L，與新標(biāo)準(zhǔn)差距較大，應(yīng)作為重點(diǎn)考慮的污染物。

（3）BOD 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在2.10 mg/L 以下，滿足排放要求。

（4）NH4+-N 最高質(zhì)量濃度為4.56 mg/L，可通過增強(qiáng)二級(jí)處理（延長(zhǎng)停留時(shí)間并增加曝氣量）去除。

（5）TP 最高質(zhì)量濃度為0.45 mg/L，為保證出水ρ（TP）低于0.3 mg/L，除生物除磷外，還需在深度處理段輔以化學(xué)除磷。

（6）SS 最高質(zhì)量濃度為9.2 mg/L，應(yīng)作為重點(diǎn)考慮的污染物。

2.3 工藝選擇

改造工程選擇“預(yù)處理+改良bardenpho 生物脫氮除磷+磁混凝澄清池+深床濾池+臭氧電催化高級(jí)氧化+紫外消毒”工藝，流程見圖1。 工程重點(diǎn)考慮對(duì)TN，COD 和SS 的去除，主要改造內(nèi)容如下：

圖1 污水處理廠提標(biāo)改造工藝流程

（1）對(duì)生物池進(jìn)行改造，通過提高加大曝氣量、提高污泥濃度，重新劃分生物池各個(gè)反應(yīng)段、充分挖掘現(xiàn)有構(gòu)筑物的潛力等措施， 強(qiáng)化生物池硝化反硝化效果，提高TN 的去除率[5]。

（2）對(duì)除磷工藝進(jìn)行改造，在微絮凝過濾工藝的濾池前增設(shè)混凝-沉淀工段，通過降低濾池的污染負(fù)荷來提升濾池的出水效果。

（3）選用臭氧高級(jí)氧化法去除污水難降解COD和色度。與其他高級(jí)氧化方式相比，該方法具有浮渣和污泥產(chǎn)生量少等特點(diǎn)[6]。

2.4 新建或改造構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）改造生物池2 座。 在現(xiàn)有池容不變的情況下，重新劃分生物池內(nèi)功能分區(qū)，由原“回流污泥反硝化段-厭氧段-缺氧段-好氧段”改為“回流污泥反硝化段-厭氧段-缺氧段1-好氧段1-缺氧段2-好氧段2”，并在第一好氧區(qū)出水末端設(shè)回流泵，將混合液回流至第一缺氧區(qū)。生物池內(nèi)混合液SS 質(zhì)量濃度由原設(shè)計(jì)的3.5 g/L 提高至4.0 g/L；

（2）新建磁混凝澄清池。處理規(guī)模為15 萬m3/d，尺寸為：L×B×H=16 m×60 m×9.5 m；

（3）新建提升泵房。將深床濾池出水提升至臭氧接觸池；新建半地下式鋼筋混凝土池1 座，尺寸為：L×B×H地下=12 m×12 m×6.5 m，地下深4.5 m；

（4）新建臭氧接觸池1 座，尺寸為：L×W×H=66.8 m×17.4 m×9.6 m，有效水深為8.2 m。

3 水質(zhì)處理效果

污水處理廠提標(biāo)改造后，2019年1月開始滿負(fù)荷運(yùn)行。

3.1 對(duì)COD 的去除效果

改造后，污水廠實(shí)際進(jìn)、出水COD 濃度變化見圖2。 由圖2 可知，運(yùn)行期間進(jìn)水ρ（COD）為139 ～504 mg/L，平均為266.8 mg/L，出水ρ（COD）平均為20.18 mg/L，去除率為91.8%。 臭氧高級(jí)催化氧化能使污水中難生物降解的有機(jī)物斷鏈、開環(huán)，轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的脂肪烴，改變其生化特性，有效去除生物處理段難以降解的COD，出水可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖2 改造后進(jìn)、出水COD 濃度

3.2 對(duì)TN 的去除效果

改造前，系統(tǒng)進(jìn)水的可生化性較差，ρ（BOD5）/ρ（TN）平均值為3.73，實(shí)際應(yīng)用中比值大于4 時(shí)才能夠保障較高的脫氮率， 碳源不足是影響脫氮效率偏低的重要原因之一[7]。 此外，工業(yè)廢水易對(duì)污泥系統(tǒng)造成沖擊， 使得原有生化系統(tǒng)無法達(dá)到預(yù)期脫氮效果，ρ（TN）需穩(wěn)定控制在10 mg/L 以下，僅依靠二級(jí)生物處理具有一定難度， 尤其是在冬季低溫條件下。研究表明，水溫低于12 ℃時(shí)，微生物活性將降低50%以上，這也是造成TN 超標(biāo)的主要原因[8]。

改造后，污水廠實(shí)際進(jìn)、出水TN 濃度變化見圖3。 由圖3 可知，進(jìn)水ρ（TN）在24.31 ～61.44 mg/L 之間，平均為40.5 mg/L。 運(yùn)行期間出水ρ（TN）平均為7.72 mg/L，去除率為80.4%，出水TN 可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖3 改造后進(jìn)、出水TN 濃度

3.3 對(duì)NH3-N 的去除效果

改造后，污水廠實(shí)際進(jìn)、出水NH3-N 濃度變化見圖4。由圖4 可知，運(yùn)行期間進(jìn)水ρ（NH3-N）在21.01～43.7 mg/L 之間，出水ρ（NH3-N）平均為0.26 mg/L，去除率達(dá)99.1%以上， 出水NH3-N 能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該工藝夏季運(yùn)行狀態(tài)良好，且在冬季低溫的情況下系統(tǒng)硝化性保持穩(wěn)定。

圖4 改造后進(jìn)、出水NH3-N 濃度

3.4 對(duì)TP 的去除效果

提標(biāo)改造后，進(jìn)、出水TP 濃度變化見圖5。由圖5 可知，運(yùn)行期間進(jìn)水ρ（TP）在2.30 ～10.42 mg/L 之間，平均為4.00 mg/L，出水ρ（TP）基本維持在0.20 mg/L 以下，去除率高達(dá)97.2%，生物除磷和化學(xué)除磷這2 方面的作用保證了高效的除磷效率。

圖5 改造后進(jìn)、出水TP 濃度

3.5 對(duì)懸浮物的去除效果

改造后，進(jìn)、出水的SS 濃度變化曲線見圖6。 由圖6 可知，運(yùn)行期間進(jìn)水ρ（SS）在20 ～570 mg/L 之間，平均為116 mg/L，出水ρ（SS）為2.3 mg/L，去除率高達(dá)96.7%。通過增加磁混凝沉淀工段，有效降低了濾池污染物負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)SS 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

圖6 改造后進(jìn)、出水SS 濃度

4 成本分析

（1）電耗成本

2017年處理水量為4.22×107m3，電耗共計(jì)1.34×107kW·h，計(jì)算可得噸水電耗為0.318 kW·h；2019年處理水量為4.14×107m3，電耗共計(jì)1.69×107kW·h，噸水電耗為0.408 kW·h。 分析可知，改造后噸水新增運(yùn)行能耗為0.09 kW·h，但提標(biāo)改造能夠充分提高污染物去除的規(guī)模效益，成本無明顯增幅。

（2）藥耗

城鎮(zhèn)污水處理廠投加外部碳源是藥劑消耗的主要原因[9]。 根據(jù)2017年、2019年處理水量及脫氮除磷藥劑消耗量和價(jià)格，經(jīng)計(jì)算可得噸水碳源投加成本為0.32 元、除磷藥劑投加成本為0.029 元。 成本分析結(jié)果表明，該廠由一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)提高到目前天津地標(biāo)A 標(biāo)準(zhǔn)，其中TN 去除率明顯提升，成本提高的主要原因?yàn)橥饧犹荚促M(fèi)用。

（3）生態(tài)環(huán)境效益

該污水處理廠提標(biāo)改造后使排入河流的污染物質(zhì)總量大幅減少，年削減量約為：COD 10 837 t，NH3-N 1 700 t，TN 1 760 t，TP 191 t。有效改善了該地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，削減了排入渤海近海水環(huán)境的污染物質(zhì)，在提高城市衛(wèi)生水平，保護(hù)城市水源及保證水體功能方面，取得了良好的環(huán)境效益。

（4）主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

工程新增占地面積為3.01×105m2，工程總投資2.24 億元，污水廠工程運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、水費(fèi)及人工費(fèi)，處理成本為2.28 元/m3，處理經(jīng)營(yíng)成本為1.85 元/m3。

5 結(jié)論

該污水處理廠采用“預(yù)處理+改良bardenpho 生物脫氮除磷+磁混凝澄清池+深床濾池+臭氧電催化高級(jí)氧化+紫外消毒”， 工藝對(duì)原工藝處理的工業(yè)園區(qū)廢水進(jìn)行出水提標(biāo)改造， 改造后出水COD，TN，NH3-N，TP，SS 指標(biāo)均可達(dá)到天津地方標(biāo)準(zhǔn)DB 12/599—2015 要求，出水水質(zhì)穩(wěn)定、運(yùn)行效果良好。 成本分析結(jié)果表明，改造成本增加因素主要為碳源。改造后排入河流的污染物質(zhì)大大降低，強(qiáng)有力改善了該地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量，具有良好的環(huán)境、生態(tài)景觀效益。