高偉楠，程樹(shù)輝，紀(jì)海霞，張欣蕊

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082）

目前，關(guān)于生活污水高出水標(biāo)準(zhǔn)的工程案例屢見(jiàn)不鮮，所采用的工藝路線也趨于穩(wěn)定。但對(duì)于工業(yè)污水來(lái)講，解決其高排放標(biāo)準(zhǔn)的工程案例中，針對(duì)單一工業(yè)污水處理的案例較多，而對(duì)于綜合性工業(yè)污水處理廠，特別是大型綜合性工業(yè)污水廠的設(shè)計(jì)案例則相對(duì)較少。事實(shí)上，對(duì)于單一工業(yè)污水來(lái)講，部分特定指標(biāo)的達(dá)標(biāo)往往需要付出較高的代價(jià)，且隨著出水標(biāo)準(zhǔn)的提升，將進(jìn)一步增加企業(yè)負(fù)擔(dān)，而綜合污水處理廠能夠?qū)Σ煌袠I(yè)的水質(zhì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，緩解企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力，更利于解決中小企業(yè)聚集區(qū)發(fā)展和污染之間的矛盾。工業(yè)污水的高排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)核心是有機(jī)物的處理，相比生活污水來(lái)講，工業(yè)污水可生化性相對(duì)較低、難降解有機(jī)物含量高，增加了其處理難度。筆者以河南省某綜合性工業(yè)污水處理廠為例，依據(jù)實(shí)際進(jìn)水條件，對(duì)污水處理方案進(jìn)行了工藝的比選及綜合設(shè)計(jì)，以期為其他類(lèi)似污水處理項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

河南省某綜合污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)模為15 萬(wàn)m3/d，主要服務(wù)于工業(yè)園區(qū)。污水廠進(jìn)水中工業(yè)污水所占比例超過(guò)80%，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示，出水總氮執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Table 1 Designed inlet and outlet water quality mg/L

本工程進(jìn)水以難降解工業(yè)污水為主，涵蓋了造紙、制藥、氮肥制造、印染、精細(xì)化工等諸多類(lèi)型企業(yè)污水。其中，排污貢獻(xiàn)率較高的工業(yè)企業(yè)均設(shè)置了預(yù)處理設(shè)施，且多設(shè)置了水解酸化及二級(jí)處理工藝，其產(chǎn)生的污水送至污水處理廠時(shí)，所含有的易降解、易水解有機(jī)物已消耗殆盡，致使污水處理廠進(jìn)水可生化性較差（BOD5/COD=0.25），影響后續(xù)處理過(guò)程中的生物脫氮除磷，因而需通過(guò)預(yù)處理提高進(jìn)水可生化性，再通過(guò)生化處理單元對(duì)污水進(jìn)行生化處理。同時(shí)為確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需設(shè)置后處理設(shè)施，增設(shè)深度處理單元對(duì)出水COD 進(jìn)行控制，保障最終出水達(dá)標(biāo)。

2 有機(jī)物處理工藝比選

2.1 預(yù)處理工藝的選擇

預(yù)處理的目的是提高進(jìn)水BOD5/COD，保障生化系統(tǒng)高效運(yùn)行。有工程報(bào)道的提高污水可生化性的預(yù)處理方法主要包括水解酸化法和預(yù)氧化法。

（1）水解酸化法。水解酸化法可利用兼性厭氧的水解和產(chǎn)酸細(xì)菌將廢水中的難溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，使難降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解的小分子物質(zhì)，從而提高進(jìn)水的可生化性。水解酸化法效果好、成本低、不會(huì)造成二次污染，在難降解廢水的處理中有著廣泛應(yīng)用，但其對(duì)停留時(shí)間的要求較高，實(shí)際工程應(yīng)用中停留時(shí)間多在8 h 以上，最長(zhǎng)達(dá)到18 h〔1-5〕。周傳庭等〔6〕針對(duì)上海某工業(yè)聚集區(qū)污水的處理，設(shè)置水解酸化池的停留時(shí)間為8 h時(shí)，廢水BOD5/COD 從0.25 提高 到了0.40 左右；段跟定等〔7〕在對(duì)某工業(yè)園區(qū)廢水的處理中，設(shè)置水解酸化停留時(shí)間為8 h 時(shí)，廢水BOD5/COD 未有明顯提高，而當(dāng)水解酸化停留時(shí)間達(dá)到18 h 時(shí)，廢水BOD5/COD 才從0.29 提升至0.40〔3〕。較長(zhǎng)的停留時(shí)間增加了工程投資及占地，在一定程度上限制了水解酸化法的應(yīng)用。

（2）預(yù)氧化法。預(yù)氧化法主要是通過(guò)氧化劑使有毒、難生物降解的有機(jī)物環(huán)狀分子或長(zhǎng)鏈分子部分?jǐn)嗔?，從而使難生化降解的大分子物質(zhì)變成易于生化降解的小分子物質(zhì)，提高廢水的可生化性。研究表明，臭氧預(yù)氧化能夠顯著提高污水BOD5/COD，一定條件下可將BOD5/COD 從0 提高至0.15～0.5〔5，8〕。C. A. SOMENSI 等〔9〕將臭氧預(yù)氧化法應(yīng)用于處理紡織原料廢水的中試裝置中，有機(jī)物去除率可達(dá)25.5%，BOD5/COD 提高6.8 倍，有效改善了廢水的可生 化 性，削 弱 了 廢 水 毒 性。Xujie LU 等〔10〕采 用 臭氧預(yù)處理染料廢水時(shí)，廢水BOD5/COD 從0.102 提高到0.406，同時(shí)COD 去除率＜30%，為生物處理系統(tǒng)保留了可降解碳源。整體上，預(yù)氧化可顯著提高廢水BOD5/COD，并能夠去除水中生化毒性，有利于后續(xù)生化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但以臭氧氧化法作為一級(jí)處理提高進(jìn)水可生化性時(shí)，由于受進(jìn)水懸浮物（SS）的影響，臭氧消耗量較大，致使系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較高，需增設(shè)高效沉淀池降低進(jìn)水SS，提高臭氧利用率。

（3）預(yù)處理工藝選擇。工程上，一般采用建設(shè)水解酸化池以實(shí)現(xiàn)廢水的水解酸化處理，采用“高效沉淀池+預(yù)臭氧接觸池”實(shí)現(xiàn)廢水的預(yù)氧化。將實(shí)現(xiàn)上述2 種預(yù)處理方法的實(shí)施方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)其投資、運(yùn)行費(fèi)用、占地進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 工業(yè)預(yù)處理方案比較Table 2 Comparison of industrial pretreatment schemes

由表2 可知，水解酸化方案的投資高、占地大，臭氧預(yù)氧化方案的運(yùn)行費(fèi)用較高。由于本項(xiàng)目占地受限，占地是制約性因素，在滿足技術(shù)條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮占地節(jié)約的工藝，故預(yù)處理選擇臭氧預(yù)氧化方案。

2.2 生化處理工藝的選擇

本項(xiàng)目脫氮主要在生化段完成。傳統(tǒng)A2O 工藝中，由于受到硝化液回流比的限制，理論上總氮的極限去除率為80%。多段A2O 工藝在好氧區(qū)后增加了后置缺氧區(qū)及后置好氧區(qū)，通過(guò)推流將好氧區(qū)硝化產(chǎn)生的硝酸鹽氮送至后置缺氧區(qū)進(jìn)行處理，從而提高了總氮去除率（可達(dá)90%以上），后置好氧區(qū)對(duì)于后置缺氧區(qū)遺留的有機(jī)物做進(jìn)一步去除。天津市寧河區(qū)城市污水處理廠兩期工程分別采用了多段A2O和A2O 工藝，在總停留時(shí)間小于A2O 工藝的前提下，多段A2O 實(shí)際出水效果優(yōu)于A2O 工藝〔11〕。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)TN 去除率接近80%，即為理論上A2/O 工藝的脫氮能力極限，因此本次設(shè)計(jì)采用多段A2O 工藝。二沉池選用成熟低耗的輻流式周進(jìn)周出二沉池。

本工程進(jìn)水氨氮、總氮均較高，BOD5/TN=1.43，進(jìn)水BOD5嚴(yán)重不足，需外加碳源，同時(shí)考慮到工程進(jìn)水中工業(yè)污水比例較高，水量、水質(zhì)波動(dòng)性較大，且進(jìn)水堿度可能不足，需預(yù)留藥劑投加位點(diǎn)。

本工程生物池設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了預(yù)臭氧氧化單元出水高溶解氧對(duì)于后續(xù)單元處理效果的影響，延長(zhǎng)了厭氧區(qū)停留時(shí)間并在厭氧區(qū)進(jìn)行了強(qiáng)制脫氣。

2.3 深度處理工藝的選擇

經(jīng)過(guò)二級(jí)生物處理后，出水中污染物指標(biāo)大幅下降，但與出水指標(biāo)相比仍有一定差距，需選擇針對(duì)性的深度處理工藝。本工程預(yù)測(cè)二級(jí)生物處理出水及最終出水水質(zhì)指標(biāo)如表3 所示。二級(jí)出水SS 受限于二沉池的泥水分離能力，預(yù)計(jì)將攜帶10～20 mg/L的非溶解性COD，過(guò)濾后二級(jí)出水COD 會(huì)有所降低，但仍需進(jìn)一步處理。目前，處理難降解有機(jī)物的工藝主要包括高級(jí)氧化工藝和吸附工藝。

在某煤礦乳化液泵站改造中，采用了智能集成工業(yè)系統(tǒng)，包括使用了多級(jí)過(guò)濾、PLC智能控制、變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)記錄等自動(dòng)化設(shè)備。

表3 預(yù)測(cè)的出水水質(zhì)指標(biāo)Table 3 Predicted effluent quality index mg/L

（1）高級(jí)氧化工藝及方案比選。目前最為常用的高級(jí)氧化技術(shù)主要有Fenton 氧化和臭氧氧化。Fenton 試劑具有極強(qiáng)的氧化能力，特別適用于對(duì)難生物降解或有生物毒性的工業(yè)廢水的處理，但因作為其生產(chǎn)原料之一的雙氧水本身不穩(wěn)定，可能對(duì)處理效果有一定的影響。臭氧氧化具有接觸時(shí)間短、處理效率高、不受溫度影響等特點(diǎn)，并具有殺菌、除臭、除味、脫色等功能，同時(shí)，臭氧分解后產(chǎn)生新生態(tài)氧原子，其在水中形成·OH，可快速除去廢水中的有機(jī)污染物，而自身被分解為氧，不會(huì)造成二次污染，并且，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，其對(duì)于廢水中木質(zhì)素等難降解物質(zhì)的氧化降解具有較好的效果。2 種技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 Feton 氧化和臭氧氧化工藝比較Table 4 Compartson of Feton oxidation and ozone oxidation processes

由表4 可知，F(xiàn)enton 試劑氧化法的一次性投資略低于臭氧氧化，但是其運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于后者，且還需額外的污泥處理處置費(fèi)用，此外，其對(duì)水質(zhì)變化較為敏感，對(duì)人工操作要求較高。綜合考慮投資、后期運(yùn)行費(fèi)用及管理等因素，本項(xiàng)目深度處理單元推薦采用臭氧氧化技術(shù)，同時(shí)，因臭氧氧化去除COD 成本較高，為進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，采用“臭氧氧化+曝氣生物濾池（BAF）”實(shí)現(xiàn)對(duì)COD 的進(jìn)一步去除并對(duì)氨氮進(jìn)行把關(guān)，同時(shí)在設(shè)備前端增加多效澄清池降低TP、SS，提高臭氧的利用率。

（2）吸附工藝及方案比選。本工程二級(jí)處理出水COD 較高，且臭氧氧化具有一定的選擇性，單一的采用臭氧氧化存在一定的不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，因此考慮增加活性炭吸附單元進(jìn)一步降低污水COD。目前使用較多的吸附工藝主要包括加炭澄清池及活性炭吸附床工藝。綜合比較，加炭澄清池技術(shù)更為靈活，具有更好的耐沖擊能力，通過(guò)調(diào)整粉末活性炭的投加量，能夠有效地確保出水水質(zhì)安全，同時(shí)能夠?qū)P起到很好的去除作用，因此，采用加炭澄清池作為吸附單元。

綜上，本工程深度處理工藝采用“澄清池+臭氧氧化+BAF+加炭澄清池”組合工藝。

3 主要技術(shù)路線及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 主要技術(shù)路線

通過(guò)以上分析，本工程最終確定了以“預(yù)氧化+多段A2O 生物池+多效澄清池+臭氧氧化+曝氣生物濾池+加炭澄清池”為核心的工藝路線，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow diagram

相較于市政污水處理廠來(lái)講，工業(yè)污水處理廠進(jìn)水波動(dòng)性較大，含部分有毒有害物質(zhì)，如有毒有害物質(zhì)超過(guò)閾值會(huì)對(duì)微生物造成不可逆的影響?；诖耍竟こ淘谙到y(tǒng)的抗沖擊性能上充分考慮了物化工藝在此方面的優(yōu)勢(shì)。在生化系統(tǒng)承受范圍內(nèi)，可通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)等措施應(yīng)對(duì)水質(zhì)波動(dòng)；如遇非正常來(lái)水進(jìn)入時(shí)，則可通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)，控制短時(shí)污水進(jìn)入事故池；當(dāng)非正常來(lái)水量超過(guò)事故池儲(chǔ)存能力時(shí)，廢水跨越生化處理段，通過(guò)物化手段進(jìn)行臨時(shí)處理，以提高系統(tǒng)安全性。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

高效沉淀池：3 組，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為20 m3/（m2·h），由混凝反應(yīng)池、介質(zhì)反應(yīng)池、絮凝反應(yīng)池及沉淀池組成，各池停留時(shí)間分別為2、2、4、25 min。

生物池：3 組，采用五段式A2O 生物池，完全混合式池形，有效水深6.5 m，總設(shè)計(jì)停留時(shí)間為21 h（厭氧區(qū)3 h、缺氧區(qū)5.5 h、好氧區(qū)7 h、脫氣區(qū)0.5 h、后置缺氧區(qū)3.5 h、后置好氧區(qū)1.5 h），污泥質(zhì)量濃度為3 000～4 000 mg/L，生物池最大氣水比為9.5∶1，污泥回流比為30%～100%，混合液最大回流比為300%。

二沉池：4 座，采用輻流式周進(jìn)周出沉淀池，單池直徑為45 m。設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為0.98 m3/（m2·h），平均固體負(fù)荷為190 kg/（m2·d），平均水力停留時(shí)間為4.07 h。

多效澄清池：3 組，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為35 m3/（m2·h），由混凝反應(yīng)池、介質(zhì)反應(yīng)池、絮凝反應(yīng)池及沉淀池組成，各池停留時(shí)間分別為2 、2 、4、15 min。

主臭氧接觸池：2 組，采用三段式臭氧接觸池，有效水深7 m。設(shè)計(jì)停留時(shí)間為1 h，最大臭氧投加質(zhì)量濃度為50 mg/L，三段的臭氧投加質(zhì)量比為2∶1∶1。

曝氣生物濾池：2 座，單座12 格，單格過(guò)濾面積90 m2，平均濾速2.89 m3/（m2·h）。單格濾池由陶粒濾料組成的生物過(guò)濾區(qū)及濾料下的曝氣區(qū)組成，濾料采用3～5 mm 陶粒，COD 去除負(fù)荷約0.6 kg/（m3·d），采用氣水反沖洗方式進(jìn)行反洗，反洗周期為4～6 d。

加炭澄清池：3組，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為15 m3/（m2·h），由活性炭反應(yīng)池、混凝反應(yīng)池、介質(zhì)反應(yīng)池、絮凝反應(yīng)池及沉淀池組成，其中混凝反應(yīng)池、介質(zhì)反應(yīng)池、絮凝反應(yīng)池及沉淀池停留時(shí)間分別為2、2、4、15 min。

濾布濾池：4 組，濾盤(pán)直徑3 m。每個(gè)濾池設(shè)置22 個(gè)盤(pán)片，峰時(shí)濾速為7.7 m3/（m2·h）。

4 工程運(yùn)行效果

工程于2019 年開(kāi)工建設(shè)，2021 年通水試運(yùn)行，目前實(shí)際進(jìn)水量約8 萬(wàn)t/d，出水COD、氨氮、總氮及總磷平均分別為22、0.45、4.45、0.04 mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 工程投資及成本

本工程概算總投資為62 006.37 萬(wàn)元，其中工程費(fèi)用51 660.17 萬(wàn)元，對(duì)于工業(yè)污水廠來(lái)講初期投資較低。經(jīng)營(yíng)成本3.80 元/m3，加上固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、無(wú)形及遞延資產(chǎn)推銷(xiāo)費(fèi)，折合單位水處理成本約為4.39 元/m3，具體見(jiàn)表5。與同類(lèi)污水處理廠相比，該污水廠的初期投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，證明了該技術(shù)路線在綜合處理成本上具備一定優(yōu)勢(shì)。

表5 成本計(jì)算Table 5 Cost calculation

6 結(jié)論

對(duì)于綜合性工業(yè)污水的處理，應(yīng)重點(diǎn)圍繞有機(jī)物的處理設(shè)計(jì)工藝路線，綜合考慮預(yù)處理、生化處理及深度處理工藝的采用與選擇。本工程采用以“預(yù)氧化+多段A2O生物池+多效澄清池+臭氧氧化+曝氣生物濾池+加炭澄清池”為核心的工藝路線對(duì)污水進(jìn)行處理，出水總氮達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。