某工業(yè)園區(qū)污水廠的工藝診斷及水質(zhì)優(yōu)化研究

張?zhí)希?黃顯懷， 唐玉朝， 王坤， 朱趙冉

（安徽建筑大學(xué)a.環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230601）

隨著城鎮(zhèn)工業(yè)化的迅速發(fā)展， 工業(yè)園區(qū)污水成分變得較為復(fù)雜， 且水量水質(zhì)波動(dòng)較大［1－2］， 加大了污水處理難度［3-5］。 目前， 工業(yè)園區(qū)污水廠多數(shù)采用物理、 化學(xué)、 生物技術(shù)整合的綜合型處理工藝來(lái)提高污水處理效率［6］。 污水處理技術(shù)提升的同時(shí)， 仍然存在一些問(wèn)題制約著污水治理發(fā)展， 如園區(qū)環(huán)境監(jiān)管力度不足， 污水廠設(shè)計(jì)不夠完善， 缺乏完善的管理體制［7］， 此外園區(qū)企業(yè)內(nèi)部污水處理及工藝運(yùn)行的水平差異較大［8］。 以某化工園區(qū)為例，該園區(qū)經(jīng)近些年的持續(xù)發(fā)展， 逐漸形成以精細(xì)化工、 機(jī)械、 醫(yī)藥中間體等為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)， 個(gè)別重污染企業(yè)不僅污水量大， 且成分復(fù)雜， 污水中含有苯化合物、 聚合物之類的大分子鏈等較難降解的物質(zhì)， 同時(shí)一些企業(yè)的化工原材料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成很多有毒的結(jié)合產(chǎn)物。 目前， 該園區(qū)污水廠現(xiàn)有的處理工藝不能保證水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1 工程概況

1.1 污水廠工藝流程

該工業(yè)園區(qū)污水廠近期建設(shè)規(guī)模為1.5 × 104m3／d， 其中70% 為工業(yè)廢水， 30% 為生活污水，園區(qū)污水成分較為復(fù)雜， 多數(shù)為高氮廢水。 污水廠采用荷蘭DHV 公司卡魯塞爾氧化溝處理工藝，出水執(zhí)行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)， 工藝流程見圖1。

1.2 污水廠進(jìn)出水水質(zhì)

從2018 年1 月至2019 年1 月， 污水廠進(jìn)水COD 濃度嚴(yán)重偏低， 屬于嚴(yán)重低碳源污水， 出水NH3-N 以及TP 均能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)， 但出水TN 遠(yuǎn)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。 實(shí)際進(jìn)水m（BOD5）／m（TN） ＝0.73，不能滿足反硝化對(duì)碳源需求， 一般在工程中， 廢水m（BOD5）／m（TN）＜3 時(shí)， 需要額外補(bǔ)充碳源［9］。 污水廠進(jìn)水水質(zhì)見表1。

圖1 工藝流程Fig. 1 Treatment process

表1 污水廠進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Influent and effluent water quality of wastewater treatment plant

2 主要問(wèn)題及原因分析

2.1 廠外問(wèn)題

（1） 園區(qū)企業(yè)自身的預(yù)處理力度不夠。 通過(guò)對(duì)18 家污染企業(yè)的深入調(diào)研， 有4 ～5 家企業(yè)分別生產(chǎn)農(nóng)藥、 硝酸、 硝基苯等。 重點(diǎn)企業(yè)污水排放指標(biāo)見表2。

表2 重點(diǎn)企業(yè)總排放口水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab. 2 Water quality data of total discharge outlet of key enterprises

由表2 可見， 重點(diǎn)企業(yè)排放污水的TN 和硝酸鹽氮濃度均過(guò)高， 且COD 濃度較低， 排放口的碳氮比嚴(yán)重不足。 分析原因?yàn)椋?這些高硝酸鹽氮特征污染物在企業(yè)內(nèi)部并未得到有效降解， 且企業(yè)缺乏除氮的工藝。 而高濃度-N 的排放對(duì)污水廠TN 的去除帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

（2） 園區(qū)部分企業(yè)間歇式排放污水， 且存在偷排、 漏排。 污水廠進(jìn)水水質(zhì)水量波動(dòng)很大， 且降雨時(shí)， 污染成分不明、 色度較高的污水進(jìn)入污水廠，使廠內(nèi)工藝常處于崩潰狀態(tài)。 廠內(nèi)時(shí)常產(chǎn)生刺激性氣味， 其活性污泥混合液泛出大量泡沫， 有活性污泥大面積死亡的跡象。 分析原因?yàn)閳@區(qū)有生產(chǎn)二氯異氰尿酸鈉的企業(yè)， 此產(chǎn)品水溶液能均勻地釋放次氯酸， 故廢水中含有有效氯， 且較穩(wěn)定。 對(duì)廠內(nèi)進(jìn)水有效氯進(jìn)行了測(cè)定， 結(jié)果見圖2。 由圖2 可知，有效氯質(zhì)量濃度平均值達(dá)到1.80 mg／L， 高濃度的氯抑制了微生物的活性， 生物處理能力下降。

2.2 廠內(nèi)問(wèn)題

圖2 進(jìn)水有效氯濃度變化情況Fig. 2 Changes of available chlorine concentration in influent water

（1） 推流器與池壁角度設(shè)計(jì)不合理。 氧化溝及缺氧池共設(shè)置6 臺(tái)QJB 型潛水推流器， 池中推流器均與池壁垂直。 缺氧池推流器方位不合理， 一般對(duì)于單一方形池， 推流器不應(yīng)與池壁呈90°， 此設(shè)計(jì)局限于垂直推流， 推流效果較差， 因重力影響，推流形成的流場(chǎng)向下傾斜， 推流距離不夠， 水流流動(dòng)出現(xiàn)死角， 長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致活性污泥沉積， 其與污水不能進(jìn)行充分接觸［10］。 微生物在系統(tǒng)內(nèi)也不能與混合液良好循環(huán)， 同時(shí)抑制了反硝化菌的活動(dòng)， 反硝化能力被削弱。

（2） 存在跌水富氧現(xiàn)象。 預(yù)處理單元均為無(wú)蓋式處理系統(tǒng)， 曝氣沉砂池出水處具有明顯的跌水富氧狀況。 據(jù)此， 對(duì)曝氣沉砂池跌水前、 后的DO 濃度分別進(jìn)行測(cè)定， 結(jié)果見圖3。 由圖3 可知， 曝氣沉砂池出水口跌水前DO 質(zhì)量濃度平均值為2.99 mg／L， 跌水后DO 質(zhì)量濃度平均值為5.12 mg／L。整個(gè)跌水DO 質(zhì)量濃度增加量為2.13 mg／L， 相當(dāng)于多耗費(fèi)了2.13 mg／L 的COD， 損失了0.75 mg／L 的－N 理論去除量， 消耗了部分碳源， 不利于出水TN 達(dá)標(biāo)。

圖3 曝氣沉砂池跌水前后DO 濃度變化Fig. 3 DO concentration changes before and after falling water of aerated grit chamber

（3） 回流硝化液DO 濃度過(guò)高。 回流硝化液DO 質(zhì)量濃度平均值達(dá)到5.02 mg／L， 同時(shí)缺氧池DO 質(zhì)量濃度平均值達(dá)到0.52 mg／L， 如圖4 所示。分析原因?yàn)椋?污水廠使用回流堰門控制硝化液回流， 回流量不夠精準(zhǔn)； 該廠使用2 臺(tái)功率均為132 kW 的豎軸低速倒傘表曝機(jī)在氧化溝并聯(lián)曝氣， 實(shí)際充氧能力效率為2.22 ～2.29 kg［O2］／（kW·h）， 曝氣量相對(duì)過(guò)大； 同時(shí)由于進(jìn)水COD 濃度較低， 耗氧速率較慢， 好氧池出水DO 濃度較高。 因此高濃度DO 被帶入缺氧池部分， 導(dǎo)致缺氧池DO 濃度偏高， 影響反硝化環(huán)境， 抑制脫氮效果。

圖4 污水廠回流硝化液DO 濃度變化Fig. 4 Changes of DO concentrations in reflux nitrifying fluid of wastewater treatment plant

（4） 嚴(yán)重缺乏碳源。 進(jìn)水m（BOD5）／m（TN） ＝0.73， 污水廠進(jìn)水COD 濃度嚴(yán)重偏低， 沒有足夠的碳源將TN 去除。 外加有機(jī)碳源迫在眉睫， 且碳源需易降解， 避免殘留中間產(chǎn)物。

3 解決方案及改造措施

3.1 源頭沖擊管控

針對(duì)園區(qū)企業(yè)內(nèi)部污水處理技術(shù)不成熟， 以及部分企業(yè)存在偷排、 漏排等問(wèn)題， 部分企業(yè)完善了內(nèi)部污水處理核心工藝且對(duì)污水處理設(shè)施重新進(jìn)行了科學(xué)改造； 企業(yè)實(shí)施了連續(xù)排放， 減少了高負(fù)荷沖擊； 地方環(huán)保部門等積極遵循多方監(jiān)管、 共同負(fù)責(zé)、 源頭管控原則， 協(xié)調(diào)污水廠專業(yè)技術(shù)人員承擔(dān)了部分污染企業(yè)預(yù)處理裝置運(yùn)行及管理工作， 污水廠因此摸清了進(jìn)水濃度及成分， 避免了企業(yè)偷排、漏排等問(wèn)題［11］。

3.2 推流器角度改造

改變推流器與池壁的角度， 從90°改造為45°，擴(kuò)大推流面積， 見圖5。 角度改造之后， 活性污泥在池內(nèi)混合均勻， 污水與之充分接觸反應(yīng)， 同時(shí)反硝化能力明顯提高。 缺氧池出水NO3--N 質(zhì)量濃度平均值從37.0 mg／L 降到27.2 mg／L， 見表3。

圖5 缺氧池推流器方位的改造Fig. 5 Orientation modification of thruster in anoxic pool

表3 推流器方位改造前后NO3--N 濃度Tab. 3 NO3--N concentrations before and after orientation modification of thruster

3.3 進(jìn)水有效氯的控制

針對(duì)進(jìn)水氯偏高問(wèn)題， 該廠立即向生化池內(nèi)投加活性污泥和化工廢水處理專用DM 菌， 該菌為固態(tài)顆粒狀， 由多種微生物構(gòu)成， 功能齊全， 系統(tǒng)啟動(dòng)較快， 生物活性高， 污泥沉降效果好， 適用于厭氧、 兼氧、 好氧等生物法處理工藝， 且具有較高的耐鹽性和抗毒性。 在第1 天、 第5 天、 第10 天分別在缺氧池前端投加菌種， 以此控制池內(nèi)污泥菌種情況。 同時(shí)， 該廠又選定亞硫酸氫鈉作為還原劑來(lái)除去進(jìn)水氯， 并通過(guò)試驗(yàn)， 對(duì)亞硫酸氫鈉與氯濃度配比以及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行研究， 結(jié)果如圖6。 由圖6 可知， 亞硫酸氫鈉與氯濃度比為2.5 ∶1， 反應(yīng)時(shí)間為1 min 時(shí)， 除氯效果最佳。 該廠以此反應(yīng)條件在進(jìn)水前端的管道中投加亞硫酸氫鈉后， 有效氯質(zhì)量濃度從1.80 mg／L 降到了0.25 mg／L， 起到了良好的除氯效果。

3.4 跌水富氧的控制

圖6 不同亞硫酸氫鈉與氯濃度比下有效氯濃度隨時(shí)間的變化Fig. 6 Changes of available chlorine concentration along with time under different concentration ratios of sodium bisulfite to chlorine

跌水富氧是由于跌水處空氣與外界富含氧氣的空氣發(fā)生了交換。 該廠在曝氣沉砂池出口跌水處使用柔性避光板進(jìn)行遮蓋， 避光板四周用膠帶密封，可以在避光板上方留出小孔， 便于溶氧儀進(jìn)行DO測(cè)定。 以此方法來(lái)隔絕跌水區(qū)的正?？諝饨粨Q， 降低跌水含氧量。 此措施使得該廠跌水富氧增量從2.13 mg／L 降低到0.53 mg／L， 此次改造節(jié)省COD約1.60 mg／L， 避免了碳源的額外消耗。

3.5 回流硝化液DO 控制

為降低回流硝化液以及缺氧池的DO 濃度， 提升缺氧區(qū)反硝化效果。 首先可增設(shè)內(nèi)回流泵來(lái)代替回流堰門精準(zhǔn)控制硝化液回流比； 其次可關(guān)閉1 臺(tái)倒傘表曝機(jī)， 僅運(yùn)行1 臺(tái)， 減少曝氣量； 最后內(nèi)回流比由300% 降低至180%， 降低DO 回流量。 通過(guò)改造與調(diào)控， 回流硝化液DO 質(zhì)量濃度從5.02 mg／L 降低至2.9 mg／L 左右， 缺氧池DO 質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.28 mg／L 左右。

3.6 外加碳源的優(yōu)選

為提高進(jìn)水碳氮比， 需在缺氧池外加碳源。 目前常用外加碳源有淀粉、 葡萄糖、 甲醇、 乙酸鈉等。 在相同的COD 投加量條件下， 就脫氮能力與安全性而言， 乙酸鈉優(yōu)于葡萄糖和甲醇［12］， 且乙酸鈉相對(duì)于淀粉更易降解， 因此， 該廠采用乙酸鈉作為補(bǔ)充碳源。 乙酸鈉COD 當(dāng)量為0.58， 即1 kg 乙酸鈉相當(dāng)于0.58 kg COD［13］。 該廠現(xiàn)進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度為47.4 mg／L， 若使出水TN 質(zhì)量濃度控制在15 mg／L 以內(nèi)， 則每天至少還需去除32.4 mg／L 的TN， 水量為15 000 m3／d， 所以每天共需去除486 kg 的TN， 而去除1 kg TN 需要2.86 kg COD［14］， 因此共需1 390 kg COD， 但考慮到未加碳源時(shí)利用原水中的COD 已去除13.2 mg／L TN， 共198 kg TN，所以原水中可利用的COD 量為566 kg， 即至少外加824 kg COD 才能滿足反硝化脫氮需求， 相應(yīng)乙酸鈉投加量約為1 421 kg／d。 考慮到該廠需長(zhǎng)期外加碳源， 且乙酸鈉投加成本過(guò)高， 后續(xù)可尋找更為廉價(jià)的碳源進(jìn)行代替。

4 生產(chǎn)運(yùn)行效果

污水廠通過(guò)上述優(yōu)化方案改造后， 工藝穩(wěn)定運(yùn)行5 個(gè)月， 出水TN、 NH3-N 濃度均能達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 如圖7 所示。

圖7 污水廠工藝改進(jìn)后TN、 NH3-N 濃度Fig. 7 Concentrations of TN and NH3-N in wastewater treatment plant after process modification

5結(jié)論

（1） 通過(guò)對(duì)某工業(yè)園區(qū)管理問(wèn)題以及污水廠工藝運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行分析和診斷， 提出了源頭沖擊管控、 推流器角度改造、 進(jìn)水余氯控制、 跌水富氧控制、 回流硝化液DO 控制以及外加碳源選擇等6 項(xiàng)科學(xué)應(yīng)對(duì)措施， 使得污水廠出水TN、 NH3-N 濃度穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 這些優(yōu)化措施形成的“源頭管控－工藝改造”內(nèi)外結(jié)合模式， 在應(yīng)對(duì)工業(yè)園區(qū)污水廠TN 超標(biāo)問(wèn)題時(shí)處理效果十分明顯， 對(duì)其他類似園區(qū)污水治理也具有一定的參考意義。