河南省某工業(yè)污水處理廠工藝設計探討

高偉楠，程樹輝，紀海霞，張欣蕊

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

目前，關于生活污水高出水標準的工程案例屢見不鮮，所采用的工藝路線也趨于穩(wěn)定。但對于工業(yè)污水來講，解決其高排放標準的工程案例中，針對單一工業(yè)污水處理的案例較多，而對于綜合性工業(yè)污水處理廠，特別是大型綜合性工業(yè)污水廠的設計案例則相對較少。事實上，對于單一工業(yè)污水來講，部分特定指標的達標往往需要付出較高的代價，且隨著出水標準的提升，將進一步增加企業(yè)負擔，而綜合污水處理廠能夠對不同行業(yè)的水質取長補短，緩解企業(yè)運營壓力，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)污水的高排放標準達標核心是有機物的處理，相比生活污水來講，工業(yè)污水可生化性相對較低、難降解有機物含量高，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，依據實際進水條件，對污水處理方案進行了工藝的比選及綜合設計，以期為其他類似污水處理項目提供參考。

1 工程概況

河南省某綜合污水處理廠，設計規(guī)模為15 萬m3/d，主要服務于工業(yè)園區(qū)。污水廠進水中工業(yè)污水所占比例超過80%，設計進出水水質如表1 所示，出水總氮執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，其余指標執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準。

表1 設計進出水水質Table 1 Designed inlet and outlet water quality mg/L

本工程進水以難降解工業(yè)污水為主，涵蓋了造紙、制藥、氮肥制造、印染、精細化工等諸多類型企業(yè)污水。其中，排污貢獻率較高的工業(yè)企業(yè)均設置了預處理設施，且多設置了水解酸化及二級處理工藝，其產生的污水送至污水處理廠時，所含有的易降解、易水解有機物已消耗殆盡，致使污水處理廠進水可生化性較差（BOD5/COD=0.25），影響后續(xù)處理過程中的生物脫氮除磷，因而需通過預處理提高進水可生化性，再通過生化處理單元對污水進行生化處理。同時為確保出水水質穩(wěn)定達標，需設置后處理設施，增設深度處理單元對出水COD 進行控制，保障最終出水達標。

2 有機物處理工藝比選

2.1 預處理工藝的選擇

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

（1）水解酸化法。水解酸化法可利用兼性厭氧的水解和產酸細菌將廢水中的難溶性有機物水解為溶解性有機物，使難降解的大分子物質轉化為易降解的小分子物質，從而提高進水的可生化性。水解酸化法效果好、成本低、不會造成二次污染，在難降解廢水的處理中有著廣泛應用，但其對停留時間的要求較高，實際工程應用中停留時間多在8 h 以上，最長達到18 h〔1-5〕。周傳庭等〔6〕針對上海某工業(yè)聚集區(qū)污水的處理，設置水解酸化池的停留時間為8 h時，廢水BOD5/COD 從0.25 提高 到了0.40 左右；段跟定等〔7〕在對某工業(yè)園區(qū)廢水的處理中，設置水解酸化停留時間為8 h 時，廢水BOD5/COD 未有明顯提高，而當水解酸化停留時間達到18 h 時，廢水BOD5/COD 才從0.29 提升至0.40〔3〕。較長的停留時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用。

（2）預氧化法。預氧化法主要是通過氧化劑使有毒、難生物降解的有機物環(huán)狀分子或長鏈分子部分斷裂，從而使難生化降解的大分子物質變成易于生化降解的小分子物質，提高廢水的可生化性。研究表明，臭氧預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〕將臭氧預氧化法應用于處理紡織原料廢水的中試裝置中，有機物去除率可達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 臭氧預處理染料廢水時，廢水BOD5/COD 從0.102 提高到0.406，同時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)定運行。但以臭氧氧化法作為一級處理提高進水可生化性時，由于受進水懸浮物（SS）的影響，臭氧消耗量較大，致使系統(tǒng)運行費用較高，需增設高效沉淀池降低進水SS，提高臭氧利用率。

（3）預處理工藝選擇。工程上，一般采用建設水解酸化池以實現廢水的水解酸化處理，采用“高效沉淀池+預臭氧接觸池”實現廢水的預氧化。將實現上述2 種預處理方法的實施方案進行經濟分析，對其投資、運行費用、占地進行比較，結果見表2。

表2 工業(yè)預處理方案比較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，臭氧預氧化方案的運行費用較高。由于本項目占地受限，占地是制約性因素，在滿足技術條件下，應優(yōu)先考慮占地節(jié)約的工藝，故預處理選擇臭氧預氧化方案。

2.2 生化處理工藝的選擇

本項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)，通過推流將好氧區(qū)硝化產生的硝酸鹽氮送至后置缺氧區(qū)進行處理，從而提高了總氮去除率（可達90%以上），后置好氧區(qū)對于后置缺氧區(qū)遺留的有機物做進一步去除。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，在總停留時間小于A2O 工藝的前提下，多段A2O 實際出水效果優(yōu)于A2O 工藝〔11〕。

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

本工程進水氨氮、總氮均較高，BOD5/TN=1.43，進水BOD5嚴重不足，需外加碳源，同時考慮到工程進水中工業(yè)污水比例較高，水量、水質波動性較大，且進水堿度可能不足，需預留藥劑投加位點。

本工程生物池設計時充分考慮了預臭氧氧化單元出水高溶解氧對于后續(xù)單元處理效果的影響，延長了厭氧區(qū)停留時間并在厭氧區(qū)進行了強制脫氣。

2.3 深度處理工藝的選擇

經過二級生物處理后，出水中污染物指標大幅下降，但與出水指標相比仍有一定差距，需選擇針對性的深度處理工藝。本工程預測二級生物處理出水及最終出水水質指標如表3 所示。二級出水SS 受限于二沉池的泥水分離能力，預計將攜帶10～20 mg/L的非溶解性COD，過濾后二級出水COD 會有所降低，但仍需進一步處理。目前，處理難降解有機物的工藝主要包括高級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)，包括使用了多級過濾、PLC智能控制、變頻控制系統(tǒng)運行狀態(tài)記錄等自動化設備。

表3 預測的出水水質指標Table 3 Predicted effluent quality index mg/L

（1）高級氧化工藝及方案比選。目前最為常用的高級氧化技術主要有Fenton 氧化和臭氧氧化。Fenton 試劑具有極強的氧化能力，特別適用于對難生物降解或有生物毒性的工業(yè)廢水的處理，但因作為其生產原料之一的雙氧水本身不穩(wěn)定，可能對處理效果有一定的影響。臭氧氧化具有接觸時間短、處理效率高、不受溫度影響等特點，并具有殺菌、除臭、除味、脫色等功能，同時，臭氧分解后產生新生態(tài)氧原子，其在水中形成·OH，可快速除去廢水中的有機污染物，而自身被分解為氧，不會造成二次污染，并且，經大量實驗證明，其對于廢水中木質素等難降解物質的氧化降解具有較好的效果。2 種技術的特點對比見表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，Fenton 試劑氧化法的一次性投資略低于臭氧氧化，但是其運行成本遠高于后者，且還需額外的污泥處理處置費用，此外，其對水質變化較為敏感，對人工操作要求較高。綜合考慮投資、后期運行費用及管理等因素，本項目深度處理單元推薦采用臭氧氧化技術，同時，因臭氧氧化去除COD 成本較高，為進一步降低運行成本，采用“臭氧氧化+曝氣生物濾池（BAF）”實現對COD 的進一步去除并對氨氮進行把關，同時在設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標風險，因此考慮增加活性炭吸附單元進一步降低污水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，加炭澄清池技術更為靈活，具有更好的耐沖擊能力，通過調整粉末活性炭的投加量，能夠有效地確保出水水質安全，同時能夠對TP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 主要技術路線及設計參數

3.1 主要技術路線

通過以上分析，本工程最終確定了以“預氧化+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，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow diagram

相較于市政污水處理廠來講，工業(yè)污水處理廠進水波動性較大，含部分有毒有害物質，如有毒有害物質超過閾值會對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。在生化系統(tǒng)承受范圍內，可通過調整運行參數等措施應對水質波動；如遇非正常來水進入時，則可通過預警系統(tǒng)，控制短時污水進入事故池；當非正常來水量超過事故池儲存能力時，廢水跨越生化處理段，通過物化手段進行臨時處理，以提高系統(tǒng)安全性。

3.2 主要設計參數

高效沉淀池：3 組，設計表面負荷為20 m3/（m2·h），由混凝反應池、介質反應池、絮凝反應池及沉淀池組成，各池停留時間分別為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，總設計停留時間為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，采用輻流式周進周出沉淀池，單池直徑為45 m。設計表面負荷為0.98 m3/（m2·h），平均固體負荷為190 kg/（m2·d），平均水力停留時間為4.07 h。

多效澄清池：3 組，設計表面負荷為35 m3/（m2·h），由混凝反應池、介質反應池、絮凝反應池及沉淀池組成，各池停留時間分別為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。設計停留時間為1 h，最大臭氧投加質量濃度為50 mg/L，三段的臭氧投加質量比為2∶1∶1。

曝氣生物濾池：2 座，單座12 格，單格過濾面積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 去除負荷約0.6 kg/（m3·d），采用氣水反沖洗方式進行反洗，反洗周期為4～6 d。

加炭澄清池：3組，設計表面負荷為15 m3/（m2·h），由活性炭反應池、混凝反應池、介質反應池、絮凝反應池及沉淀池組成，其中混凝反應池、介質反應池、絮凝反應池及沉淀池停留時間分別為2、2、4、15 min。

濾布濾池：4 組，濾盤直徑3 m。每個濾池設置22 個盤片，峰時濾速為7.7 m3/（m2·h）。

4 工程運行效果

工程于2019 年開工建設，2021 年通水試運行，目前實際進水量約8 萬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，出水水質優(yōu)于設計預期。

5 工程投資及成本

本工程概算總投資為62 006.37 萬元，其中工程費用51 660.17 萬元，對于工業(yè)污水廠來講初期投資較低。經營成本3.80 元/m3，加上固定資產折舊費、無形及遞延資產推銷費，折合單位水處理成本約為4.39 元/m3，具體見表5。與同類污水處理廠相比，該污水廠的初期投資及運行費用均較低，證明了該技術路線在綜合處理成本上具備一定優(yōu)勢。

表5 成本計算Table 5 Cost calculation

6 結論

對于綜合性工業(yè)污水的處理，應重點圍繞有機物的處理設計工藝路線，綜合考慮預處理、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污水進行處理，出水總氮達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，其余指標達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準。