李堯丞(四川四通歐美環(huán)境工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著國家環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，對廢水排放的要求越來越高，圍繞省委“一干多支、五區(qū)協(xié)同”的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、宜賓市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃以及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，立足區(qū)域發(fā)展定位，宜賓市行政區(qū)域界定生態(tài)環(huán)境問題為優(yōu)先保護(hù)、重點監(jiān)管、一般控制三種主要類型，共62個環(huán)境控制單元。對涉及水、大氣、土壤、自然資源等方面的重點區(qū)域，全市有30個重點管控單元，其中，城鎮(zhèn)重點單元11個，行業(yè)重點單元14個，環(huán)境因素重點單元5個[1]。重點范圍涉及人口較為稠密的城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)和工業(yè)聚集的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，其中工業(yè)集中區(qū)是環(huán)?？刂频闹攸c區(qū)域。該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠的主要工藝技術(shù)路線與設(shè)計參數(shù)仍沿用傳統(tǒng)的市政污水處理理念，主要的污水處理工藝為水解酸化+改良型SBR+D型濾池，出水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)，通過園區(qū)集中排污口排放，最后匯入長江。由于原工藝設(shè)計，化工廢水引入園區(qū)污水處理廠，極大影響處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，按照規(guī)劃環(huán)評要求，園區(qū)內(nèi)所有企業(yè)的廢水均必須進(jìn)入園區(qū)進(jìn)行深度處理達(dá)標(biāo)后，才能向外排放。而隨著園區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的入駐和正常投產(chǎn)的增多，污水處理難度加大，甚至無法達(dá)到更嚴(yán)格的污水排放規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行提標(biāo)改造。

1 污水處理廠現(xiàn)狀

目前工業(yè)園區(qū)已引入企業(yè)八十余家，工業(yè)廢水污染物和園區(qū)工業(yè)企業(yè)類型有很大關(guān)系。有7戶工業(yè)污水排放企業(yè)的廢水主要是特種化工行業(yè)廢水、制藥行業(yè)廢水、造紙行業(yè)廢水，其中化工廢水、造紙廢水均需達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級標(biāo)準(zhǔn)，廢水量約為6 000 m3/d, 其余企業(yè)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)入污水處理廠處理，且該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠所接納的污水均不含重金屬。

該工業(yè)園區(qū)污水處理廠于2011年4月建成并投入運行，占地面積66畝，主要處理工業(yè)集中區(qū)的工業(yè)污水，總處理規(guī)模為10 000 m3/d，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)。2018年對該項目進(jìn)行提標(biāo)改造，2019年9月建成投運，處理規(guī)模仍為10 000 m3/d，提標(biāo)后削減COD 36.5 t/a，氨氮7.3 t/a。采用的主要處理工藝為A2/O+MBR+垂直流人工濕地，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2 提標(biāo)改造工藝設(shè)計

2.1 提標(biāo)改造設(shè)計進(jìn)出水及指標(biāo)分析

如表1所示，該標(biāo)準(zhǔn)對各污染物的去除要求都比較高。針對工業(yè)廢水成分復(fù)雜、可生化性差、有機物難降解、色度高等問題，應(yīng)選擇具備較強去除效果的有機物并有脫氮除磷功能的高效污水深度處理的先進(jìn)工藝。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

其中，各指標(biāo)含義如下：

(1)COD。對普通城鎮(zhèn)污水，預(yù)處理構(gòu)筑物的完善和生化系統(tǒng)中不同工藝的組合，將使COD的去除率有較大幅度的提高，通常COD去除不存在問題。但是由于進(jìn)水中大部分為工業(yè)污水，含大量難降解COD，僅采用常規(guī)生物處理難以達(dá)到上述排放標(biāo)準(zhǔn)，需設(shè)置針對難降解COD的處理工藝進(jìn)行處理。

(2)NH3-H。為了達(dá)到出水要求，進(jìn)水氨氮主要由硝化過程來完成去除，進(jìn)行完全硝化，反應(yīng)過程中需要完全反硝化輔助。采用完全反硝化設(shè)計和人工濕地深度處理，能夠保證出水氨氮指標(biāo)控制在3 mg/L以內(nèi)[2]。

(3)TN。進(jìn)水TN較高，總氮去除率要求高，其次化工廢水含鹽量高、色度高、生物難降解物質(zhì)多，B/C低，可生化性差，需要進(jìn)行充分反硝化，可通過合理碳源分配和控制工藝參數(shù)來完成，必要時外加碳源使其達(dá)標(biāo)排放。

(4)TP。該工業(yè)污水總磷含量偏低，采用具有生物除磷功能的污水處理工藝并附加化學(xué)除磷，從而達(dá)到出水總磷含量小于0.5 mg/L的要求，但化學(xué)除磷的投加會使水中的金屬磷酸鹽增多，形成更多的有機污泥，污泥處理的難度也隨之加大，故需設(shè)置深度處理工藝。

(5)BOD5。該項指標(biāo)在采用生物脫氮除磷工藝時可以達(dá)到。這是因為自養(yǎng)型的亞硝酸菌具有很小的比增長速率(μN)，與去除碳源的異養(yǎng)型微生物相比要小一個數(shù)量級以上，因此需要硝化系統(tǒng)比單純?nèi)コ荚碆OD5的系統(tǒng)具有更長的泥齡或更低的污泥負(fù)荷，在此條件下，BOD5的去除率將有大幅度提高[3]。

2.2 提標(biāo)改造工藝流程

如圖1所示，本次技改主要新建了產(chǎn)水間、膜池、反沖洗池、膜離線清洗池、膜格柵、調(diào)節(jié)池、隔油池。將原有生化池進(jìn)行改造，對改良SBR池進(jìn)行分隔，改造成厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)及MBR池區(qū)，保留原來預(yù)處理構(gòu)筑物。

圖1 污水處理廠提標(biāo)改造工藝流程圖

2.3 生化處理單元的提標(biāo)改造

將原SBR生化池改造為A2O+MBR池，縱向排列，4組并聯(lián)，在原池體內(nèi)增加隔墻，內(nèi)設(shè)推流器、污泥回流泵、盤式曝氣器。好氧池后端新建膜池和膜離線清洗池，每個膜池里安裝6套膜組，每套膜組件80片膜，每片膜面積為20 m2，共計約38 400 m2，采用PVDF材質(zhì)中空纖維膜，孔徑小于0.03 μm。

生物處理為三功能階段，依次是缺氧區(qū)段、厭氧區(qū)段和好氧MBR區(qū)段。原水先流入?yún)捬醵?，污泥中的磷在此段得到充分釋放；而后流入缺氧段，與好氧段回流的硝化液進(jìn)行混合，進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)，完成總氮的去除，再進(jìn)入好氧段，通過生物硝化作用，去除污水中氨氮，最后污水流到膜池，通過膜分離實現(xiàn)好氧段中較高的污泥濃度，富集優(yōu)勢菌種，在MBR膜的截留下，污泥濃度可達(dá)到8～10 g/L，能去除大部分COD和氨氮等有機物。

2.4 深度處理單元的提標(biāo)改造

為保障處理出水的所有指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，在末端出水處采用下流式預(yù)埋微生物垂直流人工濕地。在濕地構(gòu)筑物內(nèi)從下往上依次放置礫石、大石、碎石、專業(yè)填料、砂、土，每鋪設(shè)一層填料后，在該填料的表面放置固體專性菌種粉末(或顆粒)或放置包埋固定化的專性菌種填料。在砂、土內(nèi)種植挺水植物，在運行過程中，預(yù)埋的干菌種遇水后開始復(fù)蘇并繁殖，在不同層次分解不同的污染物。在中上層的硝化菌利用氧將水中的氨轉(zhuǎn)化成硝酸或亞硝酸根，好氧菌將水中部分有機物分解成CO2、H2O，除去部分COD與BOD5。該層的聚磷菌吸收水中的磷形成有機體，最終與濕地填料中的鈣、鐵形成不溶性的磷酸鈣、磷酸鐵而積附于填料或植物的根間，去除水中大部分磷。在下層的反硝化菌則利用水中的碳元素或水生植物的死根作為營養(yǎng)，將硝酸或者亞硝酸根轉(zhuǎn)化為氮氣，從而除去水中的氮。此外，垂直流人工濕地具有緩沖容量大、硝化能力強、耗電低、運行費用低等特點。

2.5 提標(biāo)改造工藝參數(shù)

本次對調(diào)節(jié)池進(jìn)行改造，改造后原調(diào)節(jié)池前半段作為沉淀區(qū)，后半段仍作為調(diào)節(jié)池，改造后調(diào)節(jié)時間6 h、沉淀區(qū)停留時間6 h。

生化池主要設(shè)計參數(shù)為：污泥濃度為厭氧區(qū)2.5 g/L，缺氧區(qū)5.0 g/L，好氧區(qū)7.5 g/L，膜池10 g/L?；亓鞅葹槟こ鼗亓髦梁醚醭?00%，好氧池回流至一級缺氧池200%，二級缺氧池至厭氧池100%，設(shè)計泥齡20 d，生化池及膜池總停留時間26.3 h，厭氧區(qū)停留時間4.5 h，缺氧區(qū)停留時間6.5 h，好氧區(qū)停留時間12.7 h，膜池停留時間2.7 h，設(shè)計氣水比(生化)6.9比1，污泥負(fù)荷0.11(kqB0D5/MLSS.d)。

人工濕地總有效面積13 000 m，根據(jù)現(xiàn)狀用地分為13個單元。每個單元長10 m，寬25 m，濕地填料層深度1.55 m，設(shè)計表面水力負(fù)荷：0.7 m3/(m2·d)，水力停留時間為1.0 d。

3 提標(biāo)改造運行效果分析

目前該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠的現(xiàn)有工藝基本穩(wěn)定運行，并按照實際測得的出水統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別對提標(biāo)改造后2021年全年廠內(nèi)生化段出水及濕地排放的尾水進(jìn)行分析。

3.1 對COD的去除效果

如圖2(a)所示，1—12月份進(jìn)水COD月均值均低于設(shè)計值，進(jìn)水波動較大，夏季進(jìn)水濃度偏低，冬季進(jìn)水濃度偏高，進(jìn)水COD在123～332 mg/L之間，年平均值在215 mg/L，出水COD在15～29 mg/L之間，對COD的平均去除率為90%。生化處理段COD平均去除率為86%，人工濕地平均COD去除率為25%，出水COD均值為22 mg/L。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，A2O+MBR+垂直流人工濕地工藝組合能夠有效去除生物處理段難以降解的COD，使得出水COD更為穩(wěn)定。這主要是因為膜分離對生物有著一定程度的強化作用，同時微濾膜可以實現(xiàn)對大分子有機物的物理截留，再加上膜表面沉積層對溶解性有機物的去除，使得系統(tǒng)具有比較高的COD去除率。垂直流人工濕地對有機污染物具有較強的去除能力，不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用可以很快被截留而被微生物利用，可溶性有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除[4]。

3.2 對氨氮的去除效果

如圖2(b)所示，運行期間進(jìn)水NH3-H在9～29 mg/L之間波動，出水NH3-H年均值為0.25 mg/L，去除率達(dá)到98.7%，生化處理段NH3-H平均去除率為97%，人工濕地平均NH3-H去除率為46%。

從數(shù)據(jù)上可以看出生化段脫氮效果好，冬季NH3-H去除率也很高。這是因為AAO+MBR工藝增加了生化處理系統(tǒng)內(nèi)的污泥濃度，提高了在好氧區(qū)內(nèi)的同步反硝化作用；同時MBR的截留作用避免了硝化細(xì)菌的流失，使得硝化細(xì)菌得以繁殖生長且不斷積累，進(jìn)一步增強了系統(tǒng)的生物脫氮能力[5]；另外，垂直流人工濕地通過物化循環(huán)、植物吸收和生物脫氮的多重途徑實現(xiàn)脫氮，其好氧區(qū)內(nèi)的硝化細(xì)菌與厭氧區(qū)內(nèi)的反硝化細(xì)菌協(xié)同作用，達(dá)到了對氨氮的高效去除。

3.3 對總氮的去除效果

如圖2(c)所示，進(jìn)水TN月均值變化幅度較大，在15～39 mg/L之間，主要是受到園區(qū)化工企業(yè)不同階段的廢水排放，造成進(jìn)水TN濃度偏高或偏低。出水TN在7.59～12.33 mg/L之間，年均值為9.42 mg/L，去除率為44%～80%之間，生化處理段TN平均去除率為56%，人工濕地平均TN去除率為15%。夏天總氮去除率低，這是因為雨季的到來使得進(jìn)水濃度偏低，碳氮比不滿足反硝化反應(yīng)條件。

通過上述數(shù)據(jù)可以得出，該工藝對總氮的去除效果較為穩(wěn)定。在MBR中，由于活性污泥濃度高、泥齡長，污泥的黏度也較大，氧氣的擴散能力小，造成氧氣的傳遞效果差，難擴散到絮體內(nèi)部，在污泥絮體表面形成好氧區(qū)，而在絮體內(nèi)部卻可能形成缺氧區(qū)，甚至厭氧區(qū)。在MBR運行時，混合液不可能完全混合，可能出現(xiàn)死角，在整體好氧下出現(xiàn)局部缺氧甚至厭氧；同時，由于MBR的特殊構(gòu)造，在膜絲上會有一定的活性污泥沉積，嚴(yán)重時形成濾餅層，造成濾餅層和膜絲間缺氧，在不同的區(qū)域分別形成適合硝化菌和反硝化菌生長的條件，實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮[6]。但人工濕地對化工廢水總氮去除能力較為有限。

3.4 對總磷的去除效果

如圖2(d)所 示，進(jìn) 水TP濃 度 偏 低，在0.6～1.2 mg/L之間，原因是該工業(yè)園區(qū)大部分企業(yè)廢水排放不涉及磷。出水TP在0.09～0.2 mg/L之間，年均值為0.14 mg/L，去除率為79%，生化處理段TP平均去除率為60%，人工濕地平均為TP去除率為50%。

圖2 運行效果分析

通過以上數(shù)據(jù)可得出其除磷效果顯著。其原因是MBR膜的過濾截留與吸附作用將除磷菌截留在膜池中，使其相對濃度增加，且膜表面的微生物污泥層為聚磷菌提供了厭氧環(huán)境，使得MBR對TP有較好的去除效果。另外，垂直流人工濕地還擁有特殊的填料構(gòu)造和水流模型，可以利用填料、菌種、植被這種復(fù)合生態(tài)體系的物理、化學(xué)和生物上的協(xié)調(diào)作用，以達(dá)到對污水中磷元素的有效去除。垂直流人工濕地采用火山巖填料，而經(jīng)研究表明以火山石為填料的單元對總磷的去除率最高，由于火山渣呈弱堿性，因此可溶性的無機磷易與火山石中的Al3+、Fe3+、Ca2+等發(fā)生吸附和沉淀反應(yīng)，形成以羥基鈣磷灰石為代表的穩(wěn)定的固態(tài)磷酸鹽[7]。

4 運行成本分析

該工業(yè)污水處理廠提標(biāo)改造項目投入5 200 萬元，項目總投資9 000 萬元，直接單位運行成本為2.63 元/m3，運行費用主要包括能耗費用、藥劑費用、污泥費用、人工費用、設(shè)備維護(hù)費用、在線運維費用、水質(zhì)檢測費用及人工濕地運行維護(hù)費用等。其中能耗費用占比30%，主要是提升泵、鼓風(fēng)機、產(chǎn)水泵、回流泵等核心設(shè)備能耗較大，實際運行耗電量為748.3 kW·h，噸水運行電費為1.08 元/m3。MBR膜的運行維護(hù)尤為重要，MBR膜反洗藥劑包括10%次氯酸鈉、氫氧化鈉、檸檬酸，單位藥劑費用分別為0.045 元/m3、0.001 元/m3、0.145 元/m3。

5 結(jié)語

采用MBR+人工濕地工藝組合能使工業(yè)園區(qū)污水處理達(dá)標(biāo)，且該工藝運行效果穩(wěn)定，人工濕地具有良好的深度凈化效果。該工業(yè)園區(qū)污水處理廠 對COD、NH3-N、TN和TP的 年 平 均 去 除 率分別達(dá)到90% 、98.7% 、62% 和79%；其中濕地對COD、NH3-N、TN和TP的年平均去除率分別為25%、46%、15%、50%，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》。