PACT工藝在福建省某污水處理廠提標(biāo)改造工程中的應(yīng)用

張俊杰，宋宜嘉，王忠敏，孫永軍

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019；2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東青島 266001；3.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇南京 211816)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)的基礎(chǔ)設(shè)施也隨之不斷推進(jìn)，與之相關(guān)的污染治理設(shè)施的數(shù)量也逐年累增。但水體的納污能力卻變得嚴(yán)重不足，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。有限的環(huán)境容量帶來的改變對城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放總量提出了更高的要求。多年來，我國一直在加強(qiáng)水污染治理力度方面出臺了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和政策，如《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)和《水污染防治行動計劃》(“水十條”)等，并要求部分城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)。城鎮(zhèn)污水處理廠的提標(biāo)改造不同于其他的新建工程，往往涉及工藝、技術(shù)、設(shè)備、運行、投資等諸多環(huán)節(jié)。

粉末活性炭法(powdered activated carbon treatment，PACT)是指曝氣池前(或曝氣池內(nèi))投加粉末活性炭與回流的污泥混合，一起完成對曝氣池廢水中有機(jī)污染物處理的過程，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下，對有機(jī)物進(jìn)行去除。楊春維等[1]對比了PACT和序列間歇式活性污泥法(SBR)處理糠醛廢水的工藝參數(shù)和去除效果，結(jié)果表明，PACT工藝具有運行穩(wěn)定、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、污泥沉降性能好等優(yōu)點。同時，研究發(fā)現(xiàn)PACT工藝在對實際廢水和模擬廢水的降解試驗中，與活性炭吸附法、活性污泥工藝相比具有較大的優(yōu)勢。處理實際廢水時，PACT工藝對CODCr的去除率比活性污泥法高10%左右，比活性炭吸附法高18%左右；處理模擬廢水時，PACT工藝對染料的去除率比活性污泥法平均高50%，比活性炭吸附工藝平均高5%[2]。本文以福建省某污水處理廠提標(biāo)改造為例，從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，提出污水處理廠提標(biāo)改造的主體工藝方案為PACT工藝，并分析其工程運行效果。

1 項目背景及提標(biāo)改造前運行情況

福建省某污水處理廠工程規(guī)劃總規(guī)模為17.0×104m3/d，一期、二期已建規(guī)模為6.0×104m3/d。主體工藝為“水解酸化+改良型Carrousel 氧化溝+濾布濾池”，尾水采用成品次氯酸鈉消毒工藝，污泥采用板框壓濾脫水機(jī)進(jìn)行深度脫水至60.0%含水率后外運填埋處置。一期工程于2014年12月開工建設(shè)，2015年7月完成土建并進(jìn)入通水調(diào)試階段，2016年4月進(jìn)入試運行階段，2016年6月進(jìn)入商業(yè)運營。二期工程于2015年9月開工建設(shè)，2015年12月完成土建并進(jìn)入通水調(diào)試階段，2017年3月進(jìn)入試運行階段，2017年10月進(jìn)入商業(yè)運營，工程設(shè)計規(guī)模為6.0萬m3/d，一次建成，要求提標(biāo)改造后出水各項指標(biāo)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

表1為該污水處理廠設(shè)計與實際進(jìn)出水水質(zhì)。如表1所示，污水處理廠實際平均出水水質(zhì)濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中規(guī)定的一級B排放標(biāo)準(zhǔn)，并且實際平均進(jìn)水水質(zhì)滿足設(shè)計要求。

表1 現(xiàn)狀設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Existing Water Quality of Influent and Effluent

2 目前污水處理廠運行中存在的問題

該污水處理廠自投產(chǎn)以來運行正常，各項出水水質(zhì)指標(biāo)基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，廠內(nèi)主要設(shè)備維護(hù)使用得當(dāng)，均能正常運轉(zhuǎn)，滿足正常運營要求。但同時也存在一些問題，根據(jù)實地調(diào)研、水廠運營數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，主要問題如下。

(1)目前，接入管網(wǎng)的污水基本為印染企業(yè)污水站處理后間接排放的污水，生活污水量占比極少，雖然來水水質(zhì)均在設(shè)計指標(biāo)限值內(nèi)，但由于進(jìn)水絕大部分為印染廠排水，工業(yè)廢水與生活污水的比例與原設(shè)計值相差甚遠(yuǎn)，實際進(jìn)水的B/C為0.2左右。且印染企業(yè)采用原料助劑為活性染料，屬于印染廢水中難處理的物質(zhì)，導(dǎo)致污水廠進(jìn)水顏色多變、成分復(fù)雜，含有大量的表面活性劑，可生化性極差，現(xiàn)有的污水處理廠工藝對各項污染物的去除效果已基本達(dá)到極限，很難再進(jìn)一步提高各污染指標(biāo)的去除率[3]。如何提高進(jìn)水B值、降低色度以及減少出水中不可生化的CODCr，是本次提標(biāo)的難點及重點所在。

(2)由于進(jìn)水中含有大量的工業(yè)廢水，污泥絮凝性、沉降性能差，目前靠在生物池投加絮凝劑作為核體強(qiáng)化污泥凝聚效果，改善在二沉池的沉淀性能，但二沉池沉降分離效果仍不理想，導(dǎo)致后續(xù)濾布濾池工段的運行受到很大的影響(出水量小、堵塞、難以清洗等)，現(xiàn)有濾布濾池已難以維持正常運行。

(3)分別在一期、二期工程處設(shè)置尾水蓄水池，污水處理廠尾水為漲落潮間歇式外排。根據(jù)現(xiàn)有的廠區(qū)布置情況，提標(biāo)改造對象為一期、二期尾水，需要尾水統(tǒng)一引至深度處理系統(tǒng)，再引回至尾水蓄水池。

綜上，從改善水環(huán)境質(zhì)量和保護(hù)資水流域環(huán)境的角度出發(fā)，對污水處理廠的提標(biāo)改造勢在必行。

3 設(shè)計方案

3.1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)

污水處理廠提標(biāo)改造工程出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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A標(biāo)準(zhǔn)，在三門閘下游感潮河段設(shè)置尾水排放口，間歇式排放，待海水退潮時污水處理廠尾水乘潮排放(低潮位下)，最終受納水體為海洋。表2為提標(biāo)后污水處理廠的設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)及其去除率。

表2 提標(biāo)后設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality and Removal Rate after Upgrading

3.2 設(shè)計方案

本工程出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所要達(dá)到的出水水質(zhì)要求，主要污染物處理率必須分別達(dá)到CODCr≥88.9%、BOD5≥95.0%、SS≥95.4%、TN≥70.0%、氨氮≥85.7%、TP≥83.3%、色度≥57.1%。提標(biāo)改造前污水處理廠原工藝流程為“粗格柵及進(jìn)水泵房→細(xì)格柵及曝氣沉砂池→水解酸化池→改良型Carrousel-2000氧化溝→二沉池→濾布濾池→接觸消毒池→蓄水池→尾水泵房排海”，污泥處理采用“污泥濃縮+調(diào)理改性+板框壓濾”工藝。

對比《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A和一級B標(biāo)準(zhǔn)，可知一級A標(biāo)準(zhǔn)在CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS方面均有更嚴(yán)格的要求。根據(jù)工藝原理，氨氮、TN的強(qiáng)化去除只能采用生化方法，CODCr、BOD5的強(qiáng)化去除有生化方法和以物化為主的深度處理方法，SS的強(qiáng)化去除只能依靠深度處理，而TP的強(qiáng)化去除可采用生化方法和化學(xué)方法。

綜合考慮本工程的實際進(jìn)水水質(zhì)特點，以及現(xiàn)有工藝的運行情況，本次提標(biāo)改造工程在現(xiàn)有的“預(yù)處理+二級生化處理”基礎(chǔ)上增加“三級深度處理”工藝，最終形成“預(yù)處理+強(qiáng)化二級生化處理+三級深度處理”的工藝流程，確保出水水質(zhì)中的主要污染物指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 PACT工藝分析與方案確定

由于本項目印染廢水中的多環(huán)和雜環(huán)類化合物，普通的活性污泥生物法處理后，出水指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)且污泥沉降性能較差，PACT對于此類污染物卻有較好的處理效果。

在生化進(jìn)水中投加粉末活性炭與回流的污泥混合，一起完成對曝氣池廢水中有機(jī)污染物處理，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下對有機(jī)物進(jìn)行去除。這主要體現(xiàn)在兩個方面，一是粉末活性炭巨大的比表面積賦予其非常強(qiáng)的吸附性能；二是在活性污泥與粉末活性炭界面之間的溶解氧和降解基質(zhì)濃度有了很大幅度的提高，從而也提高了CODCr的去除率。且PACT法對工業(yè)廢水中的一些大分子有機(jī)物也有良好的處理效果。目前，本工程進(jìn)水可生化性差，B/C低，即使氧化溝停留時間達(dá)17 h，但生物處理效果仍然不佳。因此，考慮將現(xiàn)有的氧化溝工藝改造為可投加粉末活性炭的PACT工藝[4-5]，在氧化溝中投加粉末活性炭強(qiáng)化該工段的處理效果?，F(xiàn)場試驗證明，通過投加粉末活性炭，可提高氧化溝對CODCr的去除率。

確定本項目的工藝方案為“粗格柵及進(jìn)水泵房(現(xiàn)有)→細(xì)格柵及曝氣沉砂池(現(xiàn)有)→水解酸化池(現(xiàn)有)→PACT(改造)→二沉池(現(xiàn)有)→二級提升泵房(新建)→高效沉淀池(新建)→V型濾池(新建)→濾布濾池及接觸消毒池(現(xiàn)有)→巴氏計量渠道(新建)→三級提升泵房(現(xiàn)有)→蓄水池(現(xiàn)有)→尾水提升泵房(現(xiàn)有)→排海”。詳細(xì)工藝流程如圖1所示。

圖1 提標(biāo)改造后工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram after Upgrading and Reconstruction

考慮到污水處理廠提標(biāo)改造工程用地緊張，本工程在構(gòu)筑物選擇方面盡可能選取占地面積小、操作維護(hù)簡便、處理效果能滿足使用要求的工藝，同時考慮機(jī)械混合、機(jī)械絮凝方式的選擇，本工程混合絮凝沉淀工藝選擇“高效沉淀池”[6]。V型濾池是一種源于法國的新型濾池，其采用均質(zhì)濾料，濾層厚，濾料可進(jìn)行深層截污,具有濾速較高、濾料沖洗徹底、耗水量少、投資適中、濾后水質(zhì)好且穩(wěn)定的優(yōu)點[7]。本工程雖已有濾布濾池工段，但實際該污水處理廠85%的進(jìn)水為印染廠尾水，與原設(shè)計文件確定的50%生活污水+50%的工業(yè)廢水比例偏差巨大，導(dǎo)致目前污水處理廠處于非正常運營狀態(tài)，只能依靠投入大量藥劑保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，同時也使現(xiàn)有濾布濾池難以正常運行(出水量小、堵塞、難以清洗、出水SS達(dá)不到設(shè)計要求等)。故本次提標(biāo)兼顧經(jīng)濟(jì)性和出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)要求，推薦采用較高流速的V型濾池作為深度處理的一級過濾工序，過濾后的出水再經(jīng)過現(xiàn)有的濾布濾池進(jìn)行二級過濾。采用兩級過濾方案，即利用了現(xiàn)有的濾布濾池系統(tǒng)，沒有造成現(xiàn)有設(shè)施的浪費，也使出水能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。綜上，最終決定采用“高效沉淀池+V型濾池+濾布濾池”的工藝為本次提標(biāo)改造的深度處理工藝。本工程設(shè)計采用固態(tài)PAC為化學(xué)除磷藥劑,經(jīng)現(xiàn)場制備為液劑后投加在深度處理的高效沉淀池。

印染廢水經(jīng)生化處理后，難降解有機(jī)物的存在使出水的CODCr、色度等指標(biāo)難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[8]。本次提標(biāo)工程通過在現(xiàn)有氧化溝投加活性炭，在高效沉淀池投加印染廢水去除劑，在接觸消毒池投加次氯酸鈉，利用活性炭及印染廢水去除劑的吸附效果、次氯酸鈉的氧化脫色性能，進(jìn)一步強(qiáng)化處理效果，以確保出水色度達(dá)標(biāo)。本次提標(biāo)工程沿用原有的次氯酸鈉消毒工藝。

該污水處理廠對污泥處置要求為含水率不大于60.0%，目前污水處理廠現(xiàn)有污泥采用“污泥濃縮+調(diào)理改性+板框壓濾”的工藝[9]。本次提標(biāo)改造產(chǎn)生的污泥仍通過現(xiàn)有污泥處置系統(tǒng)，處理達(dá)標(biāo)后同現(xiàn)有污泥一起外運至垃圾填埋場進(jìn)行填埋處置。污泥脫水機(jī)房現(xiàn)有3臺板框壓濾機(jī)，每日工作約12 h，處理約9.1 t絕干泥。提標(biāo)后利用現(xiàn)有的脫水機(jī)房系統(tǒng)，通過增加板框運行批次的方式消化提標(biāo)后新增的污泥量，板框每日的工作時間由12 h增加至20 h。

本次提標(biāo)工段沒有產(chǎn)生臭氣，故除臭系統(tǒng)維持現(xiàn)狀，沿用原有的生物濾池工藝對產(chǎn)生臭氣的工段進(jìn)行臭氣收集處理，在新增處理工段不考慮除臭設(shè)施。

4 主要構(gòu)筑物工藝設(shè)計

由于該污水處理廠排水的特殊性——每日尾水儲存于蓄水池，乘潮排放。本次提標(biāo)工程需先將一期、二期二沉池的出水引至深度處理區(qū)新建的高效沉淀池，經(jīng)處理后的尾水仍需要先儲存于蓄水池中，再在海水落潮時乘潮排放[10]。將高效沉淀池與V型濾池及反沖洗泵池布置在預(yù)留用地中(廠區(qū)西北側(cè))，新建巴氏計量渠道布置在一期蓄水池北側(cè)空地處(廠區(qū)東北側(cè))，新建的1#、2#二級提升泵房分別布置在一期、二期二沉池出水旁。輔助建筑中，3#變配電間及柴油發(fā)電機(jī)房、深度處理加藥間、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)房、活性炭投加車間布置在預(yù)留用地中(廠區(qū)西南側(cè))，碳源投加系統(tǒng)布置在現(xiàn)有氧化溝旁。新增建(構(gòu))筑物為1#二級提升泵房、2#二級提升泵房、高效沉淀池、V型濾池及反沖洗泵房、巴氏計量渠道、深度處理加藥間及反沖洗鼓風(fēng)機(jī)房、碳源投加系統(tǒng)、3#變配電間及柴油發(fā)電機(jī)房。污水處理廠提標(biāo)改造總體布置如圖2所示。

圖2 污水處理廠提標(biāo)改造總體布置圖Fig.2 General Layout of Upgrading and Reconstruction of WWTP

4.1 中間提升泵站

廠區(qū)新建中間提升泵房兩座，將一期、二期的二沉池出水分別通過泵提升至新建高效沉淀池。中間提升泵站平面尺寸為L×B=6.0 m×10.0 m，為可提升式潛污泵，Q=850 m3/h，H=8 m，N=30 kW，2用1備，變頻調(diào)節(jié)。

4.2 高效沉淀池

高效沉淀池的表面負(fù)荷為6 m3/(m2·h)[11]。機(jī)械混合池分4格，單格尺寸為L×B=2.9 m×2.9 m，有效水深為5.8 m，混合時間為3.44 min。絮凝反應(yīng)池分4格，單格尺寸為L×B=5.3 m×5.3 m，有效水深為5.8 m，絮凝時間為11.5 min。沉淀池分4格，單格尺寸為L×B=12.5 m×12.5 m，有效水深為6.2 m，單格設(shè)計流量為850 m3/h。

4.3 V型濾池

每座濾池分為6格，單格尺寸為L×B=5.3 m×5.3 m，池深為4.25 m，單格過濾面積為60 m2，平均濾速為6.94 m/h。反沖洗泵房與高效沉淀池和V型濾池合建，為濾池提供反沖洗水源，為半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1座，有效儲存面積為200 m3，平面尺寸為L×B=14.4 m×5.6 m，有效水深為3.2 m，反沖洗強(qiáng)度為6 L/(s·m2)，氣反沖洗強(qiáng)度為15 L/(s·m2)。

巴氏計量渠道按6.0×104m3/d規(guī)模建設(shè)，計量6萬t規(guī)模污水廠的出水水量。

將現(xiàn)有氧化溝改造成PACT工藝，需新建深度處理加藥間和反沖洗鼓風(fēng)機(jī)房1座。平面尺寸為L×B=20.0 m×12.0 m。

4.4 碳源投加系統(tǒng)

由于進(jìn)水B/C較低，考慮投加碳源措施，投加質(zhì)量濃度為35 mg/L的乙酸鈉。故在現(xiàn)有氧化溝附近，建設(shè)碳源投加系統(tǒng)。一期兩座氧化溝，分別配1套碳源投加系統(tǒng)；二期1座氧化溝，配套1套碳源投加系統(tǒng)。

4.5 現(xiàn)有一期和二期系統(tǒng)改造

將現(xiàn)有二期三級提升泵房及尾水泵房的軸流泵全部遷移至一期三級提升泵房及尾水泵房，使一期三級提升泵房及尾水泵房的提升能力達(dá)到6×104m3/d。分別在一期、二期增加1套1.5萬t/d的濾布濾池設(shè)備。同時改造進(jìn)、出水管道，進(jìn)水管道分別接自V型濾池出水，出水管道分別接至新建巴氏計量渠道。

本次提標(biāo)工程由于投加粉末活性炭及印染廢水去除劑，新增絕干泥量約5.2 t/d(根據(jù)水質(zhì)情況，活性炭作為應(yīng)急處置，一周投加1 d，投加量為100 mg/L，增加活性炭泥為1 t DS)。原設(shè)計泥量為9.1 t DS/d，污泥脫水機(jī)房現(xiàn)有3臺200 m2的板框壓濾機(jī)，單臺處理能力約為1 t DS/批次，4 h/批次，按每天工作12 h設(shè)計，每天運行3個批次。提標(biāo)后考慮延長脫水機(jī)房運行時間，增加板框壓濾機(jī)每天的運行批次，消化提標(biāo)后新增的污泥量，預(yù)計需增加2個批次，板框每天工作時間由12 h增加至20 h。增加散裝粉末活性炭投加系統(tǒng)，采用射流投加法，投加點分別為一期、二期氧化溝的進(jìn)水管道上。

4.6 預(yù)留臭氧系統(tǒng)設(shè)計

因本廠進(jìn)水中印染廢水比例較高，設(shè)計上在生化前段預(yù)留臭氧催化氧化系統(tǒng)的接口和用地，為將來留有一定的防范措施。如果本工程投產(chǎn)后，進(jìn)水中印染廢水比例超過60%，為確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，將需要啟動臭氧系統(tǒng)建設(shè)工作。

5 工程運行效果及成本分析

本項目于2018年6月開始建設(shè)，2019年8月正式投入運營。從2019年9月—2020年12月對污水處理廠進(jìn)行了連續(xù)16個月的水質(zhì)檢測。如圖3、圖4所示，出水的CODCr不僅有較好的去除效果，且CODCr含量在30～45 mg/L的月數(shù)量占據(jù)了總月數(shù)量的75%。說明出水水質(zhì)穩(wěn)定地達(dá)到了提標(biāo)改造的預(yù)期目標(biāo)，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 提標(biāo)后CODCr的月出水濃度Fig.3 Monthly Effluent Concentration of CODCr after Upgrading

圖4 提標(biāo)后CODCr的出水濃度月占比Fig.4 Monthly Proportion of CODCr Concentration in Effluent after Upgrading

污水廠提標(biāo)改造前的單位運行成本和改造后的新增單位運行成本如表3所示，提標(biāo)改造前運行成本為1.490元/m3，提標(biāo)后新增成本為1.210元/m3。

表3 污水處理廠運行成本Tab.3 Operation Cost of WWTP

6 結(jié)論

本文主要基于福建省某污水處理廠提標(biāo)改造，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)要求，本次提標(biāo)改造可為全國范圍內(nèi)污水處理廠的提標(biāo)改造提供一定的借鑒作用。

(1)實際情況中污水處理廠存在進(jìn)水可生化性差、B/C低等情況，導(dǎo)致現(xiàn)有氧化溝工藝生物處理效果不佳。將現(xiàn)有氧化溝工藝改造為可投加粉末活性炭的PACT工藝，通過投加活性粉末碳增強(qiáng)該工段的處理效果，并在此基礎(chǔ)上增加“高效沉淀池+V型濾池+濾布濾池”的深度處理工藝，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

(2)通過對總體布置方案做出調(diào)整后，在有限的占地范圍內(nèi)新建和改造了一批構(gòu)筑物，既保障了項目的順利實施又實現(xiàn)了對現(xiàn)有資源的合理利用。

(3)提標(biāo)后經(jīng)過為期一年的運行證明，該工藝運行穩(wěn)定，污水處理廠出水各項指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。