陳民東,鄧 浩,王寶娟,莊 貴,李超超

(1.青島騰遠設(shè)計事務(wù)所有限公司,山東青島 266100;2.膠州首創(chuàng)博瑞水務(wù)有限公司,山東膠州 266300;3.膠州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,山東膠州 266300)

截至2022年年底,全國城市和縣城建成污水處理廠近4 700座,年污水處理量達941億m3左右。越來越多的工業(yè)企業(yè)向鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚集,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水環(huán)境治理過程中,污水處理設(shè)施同時接納生活污水和工業(yè)廢水的情況較為普遍[1],而且各地出水標(biāo)準不斷提高[2]。鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠往往存在對工業(yè)廢水進水比例考慮不足、工藝路線不完善、導(dǎo)致脫氮除磷效率低以及出水不能穩(wěn)定達標(biāo)的問題[3]。本文以某工業(yè)園新建污水處理廠為實例,其進水中工業(yè)廢水約占2/3,出水標(biāo)準為準Ⅳ類(除TN外),分析工藝路線選取、工藝單體設(shè)計參數(shù)及運行效果,總結(jié)了設(shè)計特點,以期待為類似項目的工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本項目位于青島膠州市某鎮(zhèn)工業(yè)園,污水處理廠選址在多元生物科技園東南角,占地面積為4 500 m2,用地性質(zhì)為排水用地。收集處理洋河南部工業(yè)園及周邊村莊污水,設(shè)計規(guī)模為3 000 m3/d。

2 污水來源及進出水水質(zhì)

2.1 污水來源

根據(jù)調(diào)查,本項目服務(wù)范圍內(nèi)現(xiàn)狀生活污水量約為500 m3/d。近期人口規(guī)模約為2萬人,居民污水量定額取65 L/(人·d)[4],污水收集系數(shù)為0.8,預(yù)測近期村莊生活污水量為1 040 m3/d?，F(xiàn)狀工業(yè)廢水主要來自多元生物及某粉條廠。多元生物緊鄰污水處理廠,年產(chǎn)長鏈二元酸為3 055 t,副產(chǎn)品為液蠟和蛋白飼料,廢水排水量為300 m3/d。企業(yè)建有污水處理站,其污染物排放指標(biāo)如表1所示。粉條廠位于周邊村莊,廢水量為150 m3/d,主要污染物為CODCr、SS等。

表1 多元生物廢水污染物指標(biāo)

近期擬落戶園區(qū)的某食品與某啤酒公司,廢水量約為1 500 m3/d。結(jié)合該鎮(zhèn)相關(guān)規(guī)劃,預(yù)測近期工業(yè)廢水量為2 000 m3/d。因此,本項目近期設(shè)計規(guī)模為3 000 m3/d,遠期規(guī)模為6 000 m3/d。本項目建設(shè)以近期為主,預(yù)處理單元考慮遠期預(yù)留。

2.2 進出水水質(zhì)

城鎮(zhèn)污水處理廠進水污染物濃度的高低決定污水處理工藝流程的選擇,與污水廠的基建投資和運行費用密切相關(guān)[5]。項目建設(shè)前要準確預(yù)測污水廠建成后服務(wù)期內(nèi)的水質(zhì),難度較大。本項目進水水質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場實測值及結(jié)合青島周邊污水廠進水水質(zhì)綜合確定。

本項目出水排出口為南側(cè)溫涼河,河道水質(zhì)保護目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838—2002)Ⅳ類標(biāo)準,經(jīng)多次論證確定出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準,其中CODCr、BOD5、氨氮、TP執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類標(biāo)準。具體如表2所示。

表2 設(shè)計進出水水質(zhì)

3 工藝選擇

3.1 預(yù)處理工藝

本項目進水有3路,多元生物廢水1路中含有大量難降解污染物,污水量約為300 m3/d,占處理量10%,不應(yīng)與生活污水混合后處理,故采用單獨1路。來水先進入單獨設(shè)置的調(diào)節(jié)池,再進行臭氧預(yù)氧化后,進入總調(diào)節(jié)池,進入后續(xù)處理單元。第2路重力流污水經(jīng)廠區(qū)提升泵站提升至粗格柵,第3路來自配套管網(wǎng)提升泵站。

本項目預(yù)處理單元采用粗、細格柵+旋流沉砂池+調(diào)節(jié)池+初沉池,如圖1所示。旋流沉砂池可以去除污水中密度較大的泥砂等無機顆粒。調(diào)節(jié)池用來調(diào)節(jié)水量和均化水質(zhì)。生物處理系統(tǒng)的進水SS/BOD5越高,反硝化速率越低,碳源在缺氧段未被充分利用,從而導(dǎo)致TN去除率下降[6]。本項目進水SS高,設(shè)置初沉池保證生物單元脫氮效果。

圖1 預(yù)處理工藝流程

3.2 生化處理工藝

3.2.1 生化可行性分析

污水生物處理是以污水中所含污染物作為營養(yǎng)源,利用微生物的代謝作用使污染物被降解,污水得以凈化。因此,對污水成分的分析以及判斷污水能否采用生物處理是設(shè)計污水生物處理工程的前提。

本項目進水水質(zhì)BOD5/CODCr=0.45,該比值>0.3時,可采用生化處理,比值越大,污水可生化性越好。

本項目進水BOD5質(zhì)量濃度為250 mg/L,TN質(zhì)量濃度為65 mg/L,則BOD5/TN=3.85,一般BOD5/TN>5時,可認為碳源充足[7],本項目考慮設(shè)置碳源投加系統(tǒng)以保證反硝化的順利進行。

本項目進水TP質(zhì)量濃度為8 mg/L,則BOD5/TP=31.25,該比值大于或等于17時,采用生物除磷工藝可取得良好除磷效果。

3.2.2 生化處理工藝選擇

目前針對高標(biāo)準出水污水廠常見脫氮除磷處理工藝有:傳統(tǒng)AAO工藝、倒置AAO工藝、UCT工藝、Bardenpho工藝、VIP工藝,AAO+MBR、AAO+反硝化生物濾池等組合工藝[8]。本項目進水TN、TP高,用地面積緊張,無法采用二級脫氮,需全部在一級生物池完成。因此,選擇脫氮除磷效果好的改良型AAO+AO工藝。其特點是對5段Bardenpho工藝進一步改良,進水可分2點進入?yún)捬魽池和缺氧A池,兩點流量可通過閘門靈活分配,經(jīng)過兩級反硝化后的污泥回流至厭氧池,避免了富含的硝酸鹽對生物除磷產(chǎn)生不利影響,2點進水不僅保證厭氧池聚磷菌利用有機物充分釋磷,又能避免缺氧池碳源不足導(dǎo)致氮的去除率不高,如圖2所示。

圖2 生化處理工藝流程

3.3 深度處理工藝選擇

根據(jù)國內(nèi)已建污水廠實際運行經(jīng)驗,在正常運轉(zhuǎn)情況下,二沉池出水SS質(zhì)量濃度難以穩(wěn)定達到10 mg/L的要求值,且組成出水SS的主要成分是活性污泥絮體,其本身的有機成分較高,并含有一定比例的磷[9]。因此,二沉池后采用高效沉淀池,進一步去除SS及TP。

經(jīng)過生化處理后的污水,可生物降解有機物已經(jīng)消耗殆盡,針對難降解CODCr、不可降解可溶性CODCr,可選擇的技術(shù)包括臭氧催化氧化、芬頓氧化和活性炭吸附3種[10]。活性炭吸附需定期再生,芬頓氧化雖然去除效率高,但需調(diào)節(jié)pH,藥劑種類多,運行成本高。因此,本項目采用臭氧氧化塔,利用臭氧的氧化能力,將部分難生物降解物完全氧化為二氧化碳和水,保證出水CODCr穩(wěn)定達標(biāo)。

臭氧氧化塔長期運行池體易滋生生物泥,除定期排泥外,為保證SS達標(biāo),設(shè)置砂濾罐去除SS。

最后設(shè)置接觸消毒池去除細菌和病毒等微生物,保證回用,前端的臭氧氧化單元也能有效地降低消毒劑的投加量。

本項目深度處理工藝采用“高效沉淀池+臭氧催化塔+砂濾罐+接觸消毒”,高效沉淀池出水設(shè)置在線監(jiān)測儀表,CODCr、SS均達標(biāo)時,選擇超越路線2,直接消毒后排放。CODCr達標(biāo)、SS不達標(biāo)時,選擇超越路線1,經(jīng)過濾、消毒后排放,如圖3所示。

圖3 深度處理工藝流程

4 主要處理單元及設(shè)計參數(shù)

4.1 預(yù)處理池

①粗細格柵(規(guī)模為6 000 m3/d,Kz=1.7)

粗格柵采用回轉(zhuǎn)式格柵除污機2臺,渠寬為800 mm,柵條間隙為15 mm,柵條寬為10 mm,柵前水深為0.4 m。細格柵采用回轉(zhuǎn)式格柵除污機2臺,渠寬為800 mm,柵條間隙為5 mm,柵條寬為10 mm,柵前水深為0.5 m。粗、細格柵池前后均設(shè)有2臺閘門在檢修時用,同時均配套無軸螺旋輸送壓榨機1臺。

②旋流沉砂池(規(guī)模為6 000 m3/d,Kz=1.7)

旋流沉砂器2套,單臺d=1 830 mm,攪拌器N=0.75 kW,采用壓縮空氣提砂,配套鼓風(fēng)機Q=1.5 m3/min,風(fēng)壓為34.3 kPa,配套不銹鋼砂水分離器1臺。

③調(diào)節(jié)池(規(guī)模為300、3 000 m3/d)

多元生物調(diào)節(jié)池:1座,設(shè)計規(guī)模為300 m3/d,兼作事故池,有效容積為150 m3,總停留時間為12 h,內(nèi)設(shè)葉輪直徑為500 mm攪拌器1臺。設(shè)置潛水排污泵2臺(1用1備),Q=12.5 m3/h、H=13 m、N=1.1 kW,1臺變頻。

總調(diào)節(jié)池:1座,設(shè)計規(guī)模為3 000 m3/d,分2格,可單獨運行,有效容積為1 840 m3,總停留時間為14.7 h,內(nèi)設(shè)葉輪直徑為500 mm攪拌器6臺。設(shè)置潛水排污泵3臺(2用1備),Q=63 m3/h、H=10 m、N=4 kW,2臺變頻。

4.2 綜合生物池(規(guī)模為3 000 m3/d)

①初設(shè)池

采用平流式初沉池,分2格,并聯(lián)運行,單格尺寸19 m×2 m×4.6 m,有效水深為3 m,設(shè)計表面負荷為3.2 m3/(m2·h),初沉污泥量為600 kg DS/d。每格設(shè)置1個污泥斗,設(shè)置2臺污泥泵(1用1備),污泥泵Q=3 m3/h、H=25 m、N=0.37 kW,將初沉污泥提升至污泥儲池。

②改良型AAO+AO池

生物池1座,分2格,半地下式,有效水深為6 m,有效池容為3 075 m3,總停留時間為24.6 h,其中厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、后缺氧區(qū)、后好氧區(qū)停留時間分別為2.0、7.5、10.0、3.2、1.9 h;污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg/L,污泥齡為14 d,需氧量為38.2 kg O2/h,平均氣水比為7.7∶1,TN負荷率為0.03 kg TN/(kg MLSS·d),BOD5污泥負荷為0.06 kg BOD5/(kg MLSS·d)。最大內(nèi)回流比為300%,污泥回流比為50%～100%。鼓風(fēng)機3臺(2用1備,1臺變頻),Q=8 m3/min、風(fēng)壓為68.6 kPa、N=18.5 kW。根據(jù)工藝運行的脫氮需要,投加碳源乙酸鈉,以滿足生物脫氮要求,投加位置在生物池前缺氧區(qū)和后缺氧區(qū),投加量為60 mg/L(按質(zhì)量分數(shù)為25%液態(tài)乙酸鈉計)。

③二沉池

采用平流式二沉池分2格,并聯(lián)運行,單格尺寸為19.2 m×5.0 m×5.9 m。設(shè)計表面負荷為0.76 m3/(m2·h),有效水深為3 m,設(shè)計停留時間為4 h;設(shè)置泵吸式桁架吸泥機2套,每套配套3臺吸泥泵。

4.3 高效沉淀池(規(guī)模為3 000 m3/d)

本工程設(shè)計高效沉淀池1座,與中間提升泵房合建,中間提升泵3臺(2用1備),Q=65 m3/h、H=11 m、N=4 kW?；炷齾^(qū):尺寸為1.5 m×1.5 m×4.45 m,有效水深為3.75 m,水力停留時間為5 min,設(shè)置混凝攪拌器1臺。絮凝區(qū):尺寸為3.1 m×3.1 m×5.45 m,有效水深為4.75 m,水力停留時間為20 min,設(shè)置渦流絮凝攪拌器1臺。斜管沉淀池:尺寸為5.3 m×5.3 m×5.15 m,有效水深為4.75 m,水力停留時間為35 min,其中,斜管區(qū)面積為16.5 m2,斜管區(qū)平均表面負荷為7.58 m3/(m2·h),池底設(shè)直徑為5.3 m刮泥機1臺。除磷藥劑為液態(tài)三氯化鐵,投加量為25 mg/L。

4.4 臭氧氧化塔(規(guī)模為300、3 000 m3/d)

臭氧預(yù)氧化塔(多元生物廢水):設(shè)計流量為300 m3/d,臭氧投加量為60 mg/L,反應(yīng)時間為1.2 h,罐體直徑為1.6 m,材質(zhì)為316L。配套φ100鈦板曝氣盤5套,尾氣破壞器1套。

后段臭氧氧化塔:設(shè)計流量為3 000 m3/d,臭氧投加量為24 mg/L,反應(yīng)時間為60 min,氧化塔采用搪瓷拼裝罐,罐體直徑為5 m,高度為9 m,有效容積為150 m3,配套催化劑為43 m3。應(yīng)急反沖洗風(fēng)機1臺,Q=16 m3/min,H=8 m,N=37 kW;臥式離心泵3臺(2用1備,2臺變頻),Q=89 m3/h、H=28 m、N=11 kW。同時配套高效臭氧溶氣裝置2臺、尾氣破壞器1套。

4.5 砂濾罐間(規(guī)模為3 000 m3/d)

砂濾罐間1座,房間尺寸為11 m×9 m×8.5 m。設(shè)重力式無閥過濾器4臺,單套流量為40 m3/h,濾速為8 m/h、平均反沖洗強度為15 L/(m2·s),沖洗時間為5 min,進水壓力≤0.15 MPa,出水壓力≤0.04 MPa。

4.6 接觸消毒池及出水泵房(規(guī)模為3 000 m3/d)

接觸消毒池1座,設(shè)計反應(yīng)時間為30 min,出水泵房、生物指示池與接觸消毒池合建,尺寸12.7 m×8.8 m×4.7 m。標(biāo)準型巴氏計量槽1套,Q=125 m3/h,喉道寬為152 mm,喉道長為305 mm,水頭為0.25 m,配套超聲波液位計。出水消毒采用次氯酸鈉,次氯酸鈉投加量為5 mg/L。

5 運行效果及分析

項目2020年10月份投產(chǎn)運行,2021年度實際進出水水質(zhì)如表3所示。由表3中的數(shù)據(jù)可見,雖然進水水質(zhì)波動較大,但系統(tǒng)處理效果很穩(wěn)定,主要污染物CODCr、氨氮、TN、TP平均去除率分別為96.38%、99.59%、86.97%、98.70%,出水水質(zhì)均優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準。

表3 實際進出水水質(zhì)

6 設(shè)計特點

本項目有以下特點:處理規(guī)模小,水質(zhì)水量波動大;進水中工業(yè)廢水約占2/3,其中含有大量難降解污染物的多元生物廢水占總處理量10%,進水TN、TP高,TN去除全部在生物池完成;出水水質(zhì)為“準Ⅳ類”,出水標(biāo)準高;用地面積極為緊張。因此,工藝方案選擇有如下特點。污水廠平面布置如圖4所示。

圖4 污水廠平面布置圖

1)針對多元生物廢水,方案階段曾論證其與另2路污水混合一并處理的可行性,但考慮該路廢水量較大,且成分復(fù)雜還含有大量硫酸鹽、金屬離子等,混合后勢必會增大污水的處理難度,也不便于當(dāng)該路進水超標(biāo)后,及時關(guān)閉。最終確定將多元生物廢水分質(zhì)處理。多元生物廢水預(yù)處理工藝常用有臭氧氧化與芬頓工藝,現(xiàn)場取樣進行小試,小試結(jié)果表明,兩種工藝對CODCr均很高效,芬頓工藝CODCr去除率略高。但考慮芬頓工藝所用藥劑種類多、藥劑儲運風(fēng)險大、工藝操作難度大,最終選用臭氧氧化工藝,CODCr去除量與臭氧投加量之比為1∶4,反應(yīng)時間為1.2 h。

2)針對本項目處理單元多,占地面積受限,綜合生物池采用方形池體,初沉池、二沉池均采用平流式池型,便于與生物池共壁建造。同時混合液回流、污泥回流均采用渠道輸送形式,減少了管道敷設(shè),池體更集中緊湊。

3)改良型AAO+AO工藝采用厭氧池、缺氧池兩點進水,并可以通過閘門靈活分配兩點進水量,保證了聚磷菌與反硝化菌在各自適宜環(huán)境成為優(yōu)勢菌群,運行結(jié)果表明,TN去除完全可在生物池解決,TN去除率可穩(wěn)定在85%以上。本項目僅在后缺氧池投加少量碳源,節(jié)省了成本。生物池TP去除率在80%以上,發(fā)現(xiàn)前缺氧池有反硝化除磷現(xiàn)象,原因可能在厭氧/缺氧交替環(huán)境下,聚磷菌以硝態(tài)氮為電子受體進行了吸磷反應(yīng)[11]。

4)本項目采用富氧氣源現(xiàn)場制備臭氧,將無油壓縮空氣經(jīng)過冷干處理送入空分系統(tǒng)將氮氣和氧氣分離,將氧氣收集制備臭氧,制得的臭氧額定質(zhì)量分數(shù)為4%～5%,略低于液氧源系統(tǒng)的6%～10%,但高于空氣源系統(tǒng)的1%～2%。綜合分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場制備臭氧前期設(shè)備費用雖比液氧源系統(tǒng)略大,5年以后前者減少的綜合運行成本已能抵消前期設(shè)備費的增加,長期運行前者反而更經(jīng)濟。同時液氧站與周邊道路、建筑都有防火間距要求[12],廠區(qū)面積狹小,采用液氧源系統(tǒng)不利于廠區(qū)平面布置。

5)本項目高效沉淀池及臭氧氧化塔出水處各設(shè)置一組SS、COD在線監(jiān)測儀表,與臭氧投加系統(tǒng)聯(lián)動,可實現(xiàn)臭氧的精準投加。同時,可根據(jù)高效沉淀池出水水質(zhì),選擇不同的超越路線。

6)前端投加臭氧,間接減少了接觸消毒池次氯酸鈉用量。兩種方式的聯(lián)合,可有效抑制尾水長距離輸送中細菌的滋生,保證了消毒效果。

7 結(jié)語

(1)工業(yè)園區(qū)中難降解工業(yè)廢水,應(yīng)優(yōu)先進行分質(zhì)處理或有效預(yù)處理后再接入污水處理廠。

(2)改良型AAO+AO工藝脫氮除磷效果好,抗沖擊能力強,適用于占地面積較小,對脫氮除磷有較高要求的項目。

(3)深度處理單元是水質(zhì)達標(biāo)的關(guān)鍵,采用高效沉淀池+臭氧催化+砂濾+接觸消毒,出水穩(wěn)定,運行成本較低,很適合于工業(yè)廢水占比高且含有較多難降解有機物,出水標(biāo)準高的工業(yè)園區(qū)污水處理廠。

(4)本項目解決了長期存在的水環(huán)境污染問題,引入企業(yè)落戶促進了經(jīng)濟的發(fā)展,高品質(zhì)出水可用做城市雜用水、景觀補水等,有效地節(jié)約了水源,具有很好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。