以印染廢水為主的某城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造工程實(shí)例

韓 玉，楊淳軻，沈 超，郜 睿，周尚平，史惠祥,,*

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 310012; 2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014；3.海寧市水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，浙江海寧 314403；4.嘉興市洪溪污水處理廠，浙江嘉興 314000)

印染業(yè)是一個(gè)高水耗、高污染的產(chǎn)業(yè)。據(jù)2015年環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)，印染行業(yè)廢水排放量約為18.4億m3/a，占工業(yè)廢水排放總量的10.1%，印染廢水中主要污染物CODCr排放量為20.6萬t，占工業(yè)廢水排放量的8.1%。浙江省是全國印染行業(yè)廢水排放量第一大省，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該省印染布總量占全國的50%以上。嘉興市是浙江省印染企業(yè)主要集聚地之一，印染是嘉興市主要的工業(yè)污染源。

印染廢水具有成分復(fù)雜、色度高、生物降解困難等特點(diǎn)，其處理一直是印染工業(yè)和污水處理行業(yè)需要克服的難題。目前，工程上多采用物化+生化+深度處理的組合工藝去除以印染廢水為主的混合污水。張如鋒等[1]通過“物化+生化+深度處理”組合工藝處理蘇州某印染廢水高占比污水處理廠的廢水，出水CODCr質(zhì)量濃度在38.4～40.8 mg/L。劉魯建等[2]采用粉末活性炭來深度處理印染廢水，中試研究發(fā)現(xiàn)，投加量為400～500 mg/L時(shí)，CODCr、色度、SS的去除率可達(dá)68%、92%、92%，出水水質(zhì)滿足《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4287—2012)。

嘉興市某城鎮(zhèn)污水處理廠原有處理規(guī)模為3.0萬m3/d，出水水質(zhì)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)B標(biāo)準(zhǔn)，主要接納周圍地區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水。其中，工業(yè)廢水占比近90%，而印染廢水占總廢水量的比例超50%，是典型的印染廢水高占比污水處理廠。2018年12月，浙江省人民政府發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)，對(duì)于新建及擴(kuò)改污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)提出更嚴(yán)格的要求，出水氨氮和TP需執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)[3]。污水處理廠現(xiàn)有處理效果不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，故需進(jìn)行提標(biāo)改造。

1 改造前工程概況

嘉興市某城鎮(zhèn)污水處理廠于2003年建成投入使用，服務(wù)人口約為6.5萬人，區(qū)域面積為75.43 km2，接納的污水主要為服務(wù)范圍內(nèi)的園區(qū)工業(yè)廢水和生活污水。該污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d，原有處理工藝為“粗格柵+細(xì)格柵+調(diào)節(jié)池+混凝反應(yīng)池+初沉池+配水池+AO池+二沉池”，處理后的污水排入當(dāng)?shù)氐募t旗塘，產(chǎn)生污泥經(jīng)過隔膜壓濾機(jī)脫水后外運(yùn)，尾水排放執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 原處理工藝水質(zhì)水量分析

1.1.1 水量

2019年，嘉興市該城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際進(jìn)水量如圖1和表1所示，進(jìn)水量隨季節(jié)變化不大(2月進(jìn)水量較少，推測(cè)原因是假期納管企業(yè)停工)，但遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)進(jìn)水量(3.0萬m3/d)，系統(tǒng)長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，亟需改造。由表1可知，該城鎮(zhèn)污水處理廠接收的廢水量主要為工業(yè)廢水，工業(yè)廢水占比87.9%，工業(yè)廢水又以印染廢水為主，約占總廢水量的55.2%，是典型以印染廢水為主的城鎮(zhèn)污水處理廠。

圖1 2019年全年進(jìn)水水量Fig.1 Annual Influent Quantity in 2019

表1 2019年園區(qū)各行業(yè)納管水量及企業(yè)數(shù)量Tab.1 Water Consumption and Number of Enterprises in Various Industries of the Park in 2019

1.1.2 進(jìn)出水水質(zhì)

改造前該城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際年平均進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 提標(biāo)改造前的年平均進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Annual Average Influent and Effluent Quality before Upgrading and Reconstruction

由表2可知，該污水處理廠原出水水質(zhì)各指標(biāo)均達(dá)到GB 18918—2002中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，出水中CODCr、SS含量較高。本次提標(biāo)改造工藝也重點(diǎn)考慮難生物降解有機(jī)物和SS的去除。

1.2 污水處理廠提標(biāo)前問題

(1)污水處理廠的日污水處理量遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)處理規(guī)模，長期處于滿負(fù)荷或超負(fù)荷的狀態(tài)。

(2)提標(biāo)改造前城鎮(zhèn)污水處理廠出水的CODCr、BOD5和SS的質(zhì)量濃度分別為58.21、18.37 mg/L和17.21 mg/L，難生物降解有機(jī)物和SS含量高，出水中各指標(biāo)均已達(dá)到GB 18918—2002中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，但達(dá)不到浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 33/2169—2018。

(3)園區(qū)接納污水主要為印染廢水，可生化性差，需要通過輔助工程去除溶解性的難生物降解有機(jī)物。

(4)加藥系統(tǒng)落后。通過人工手動(dòng)投藥，過于依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，存在藥耗高、經(jīng)濟(jì)效益差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問題。

故本次提標(biāo)改造工程針對(duì)難生物降解的混合污水，需重點(diǎn)解決廢水中的SS、難生物降解CODCr的去除，擴(kuò)大污水處理量，改善加藥方式。

2 工藝比選

2.1 SS、難生物降解有機(jī)物的去除及工藝確定

目前該城鎮(zhèn)污水處理廠SS和有機(jī)物的去除主要采用“格柵集水井+混凝反應(yīng)池+AO”工藝，SS和CODCr的出水平均質(zhì)量濃度分別為17.21、58.21 mg/L，未到達(dá)浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 33/2169—2018。剩余殘留有機(jī)物主要是原污水?dāng)y帶的難降解有機(jī)物和微生物自身的內(nèi)源代謝產(chǎn)物，針對(duì)這部分可生化性差的有機(jī)物，生物降解作用微弱，需采用針對(duì)性的深度處理工藝[4]。目前應(yīng)用廣泛且去除效果好的工藝有化學(xué)氧化和活性炭吸附等[5]。高級(jí)氧化法對(duì)CODCr、色度去除效果好，但加藥量較大、污泥量大且處置困難。粉末活性炭作為一種良好的吸附劑，價(jià)格低廉、易獲得、反應(yīng)迅速，對(duì)CODCr、色度去除率較高[6]，可作為深度處理材料去除不易被微生物分解的污染物，從而達(dá)到排放要求。鄭州馬頭崗污水處理廠采用升流式活性炭吸附池，活性炭粒徑為2～5 mm，設(shè)計(jì)濾速約為6.7 m/h，空床停留時(shí)間約為60 min，出水CODCr質(zhì)量濃度可達(dá)5.8 mg/L，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求[6]。周卿等[7]針對(duì)工業(yè)廢水的生化處理出水不達(dá)標(biāo)問題，采用活性炭深度處理，當(dāng)停留時(shí)間為1 h，最大吸附容量為0.31 kg CODCr/kg時(shí)，可較好去除難降解有機(jī)物，使生化出水達(dá)標(biāo)。鑒于該城鎮(zhèn)污水處理廠的水質(zhì)特點(diǎn)和活性炭技術(shù)使用靈活、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，選用活性炭吸附工藝處理尾水，建造活性炭吸附池去除SS和溶解性有機(jī)污染物。

2.2 細(xì)菌、病原體去除及工藝確定

消毒工藝可有效殺滅污水中有害病原體，我國最常用的消毒工藝為氯化物消毒，采用的氯化物主要有液氯、二氧化氯和次氯酸鹽[8]。液氯消毒效果可靠、成本適中，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全管控要求較高，會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，形成二次污染。二氧化氯的制取、使用復(fù)雜，后期維修保養(yǎng)花費(fèi)大。次氯酸鈉消毒效果好，有利于有機(jī)污染物的去除，還可以有效調(diào)節(jié)出水的pH，降低了出廠水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，故本次提標(biāo)改造采用次氯酸鈉消毒。

2.3 加藥方式的設(shè)計(jì)

加藥系統(tǒng)一般可分為人工投加和自動(dòng)投加兩種方式，目前國內(nèi)污水處理廠多是通過人工手動(dòng)投藥滿足到出水水質(zhì)要求。人工投加方式主要依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)出水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，還存在藥耗高、經(jīng)濟(jì)效益差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問題，采用自動(dòng)投加的方式是大勢(shì)所趨[8]。本次提標(biāo)改造以粉末活性炭投加系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析確定了影響活性炭投藥量的主要因素(流量、pH和原水CODCr)[8]，構(gòu)建多元數(shù)控模型，智能化控制深度處理工藝中多種藥劑投加量，結(jié)合多個(gè)控制單體和數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)模，集成各單體主要傳感器等設(shè)備，形成以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)為核心的粉末活性炭自動(dòng)加藥技術(shù)。

3 工藝流程

提標(biāo)改造方案與工藝調(diào)整需符合經(jīng)濟(jì)適用、易于維護(hù)管理的要求，結(jié)合水質(zhì)水量和改造要求，在不影響原污水廠的正常運(yùn)行下，盡可能利用原有構(gòu)筑物及原有設(shè)備，來解決該污水處理廠所存在的問題[9]。綜合考慮該城鎮(zhèn)污水處理廠處理工藝可行性、工程實(shí)施難度以及工程投資運(yùn)行成本等因素，確定了本次改造工藝流程，新建西廠區(qū)，增加深度處理工藝“活性碳吸附+次氯酸鈉消毒”，如圖2所示。

圖2 提標(biāo)改造后污水處理工藝流程圖Fig.2 Flow Chart of Wastewater Treatment Process after Upgrading and Reconstruction

污水經(jīng)園區(qū)排水管網(wǎng)收集，匯流進(jìn)入格柵集水井，去除尺寸較大的SS后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，中和、均化水質(zhì)。調(diào)節(jié)池出水由泵提升進(jìn)入混凝反應(yīng)池，去除SS和部分溶解性有機(jī)物，經(jīng)初沉池沉淀后上清水導(dǎo)入配水池，然后進(jìn)入AO系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)生物處理，后經(jīng)二沉池出水，再通過提升泵房將東廠區(qū)的尾水導(dǎo)入西廠區(qū)。進(jìn)入西廠區(qū)的尾水先通過粉末活性炭吸附進(jìn)行深度處理，其中應(yīng)用了以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)為核心的粉末活性炭自動(dòng)加藥系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，使得活性炭吸附池的出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。廢水之后通過終沉池，沉淀污泥接至東廠區(qū)，上清液再排入濾池進(jìn)一步去除水中SS和TP，反洗水接至東廠區(qū)，剩余廢水則通過消毒池，經(jīng)次氯酸鈉消毒后達(dá)標(biāo)排放。初沉池、二沉池和終沉池排出的污泥送入污泥濃縮池，通過隔板壓濾機(jī)脫水生成干泥餅，部分回用至調(diào)節(jié)池，其余外運(yùn)處置。

4 處理規(guī)模、主要新增構(gòu)筑物及設(shè)備

本項(xiàng)目分為現(xiàn)有處理設(shè)施改造和新建深度處理設(shè)施兩部分。在現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)，對(duì)設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容改造，處理規(guī)模由現(xiàn)有的3.0萬m3/d擴(kuò)容改造至4.0萬m3/d新建廠區(qū)內(nèi)，新建深度處理實(shí)現(xiàn)4.0萬m3/d廢水提標(biāo)。主要新增構(gòu)筑物及設(shè)備如下。

(1)活性炭吸附池。1座，半地下鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸為36.5 m×15.0 m×5.5 m + 29.7 m×15.0 m×5.5 m，表面負(fù)荷為0.6 m3/(m2·h)，停留時(shí)間為2 h，粉末活性炭投加量為110 mg/L，10%的PAC投加量為350 mg/L。主要設(shè)備：折板式攪拌機(jī)12套，型號(hào)為JBG2500，功率為5.5 kW。

(2)終沉池。2座，半地下鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸為φ42.0 m×3.8 m，停留時(shí)間為2.5 h。主要設(shè)備：刮泥機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為ZBG42，功率為3.0 kW；污泥泵4臺(tái)(2用2備)，流量Q=90 m3/h，高度H=25 m，功率為15 kW。

(3)轉(zhuǎn)盤濾池。1座，半地下鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸為34.0 m×14.0 m×5.0 m，設(shè)計(jì)濾速為3.5 m/h，停留時(shí)間為1 h，反沖洗時(shí)間為2 h。主要設(shè)備：過濾系統(tǒng)2套，單套含有12個(gè)濾盤，濾盤直徑d=3 m，過濾面積為453.6 m2，過濾網(wǎng)孔孔徑≤10 μm，過濾類型為平面過濾；閘板閘門2臺(tái)，型號(hào)為800 mm×800 mm；反沖洗管道系統(tǒng)1套，包含8個(gè)DN80反沖洗動(dòng)力閥，4臺(tái)反沖洗泵(Q=25 m3/h，H=32 m，功率為8 kW)。

(4)消毒計(jì)量排放井。1座，半地下鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸為10.0 m×6.0 m×3.0 m，停留時(shí)間為0.5 h。主要設(shè)備：次氯酸鈉消毒系統(tǒng)一套，次氯酸鈉(10%)投加量為20 mg/L；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1套。排水系統(tǒng)1套。

(5)加藥間。1座，地上框架結(jié)構(gòu)，尺寸為21.0 m×15.0 m + 20.0 m×6.0 m。主要設(shè)備：活性炭智能投加系統(tǒng)2套，主要由WinCC7.0組態(tài)軟件和德國西門子S7-200/S7-300PLC構(gòu)成，投加能力為0～2 000 L/h，包含計(jì)量泵、變頻器、可編輯邏輯控制器(PLC)管路和電控系統(tǒng)；PAC投加系統(tǒng)一套，投加能力為0～2 000 L/h，包含攪拌器、計(jì)量泵、管路和電控裝置。

(6)綜合用房。1座，地上框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為42.0 m×20.0 m。

(7)倉庫及維修間。1座，地上框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為52.0 m×30.0 m。

(8)儲(chǔ)藥區(qū)塊。1座，地上框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為36.0 m×20.0 m。

5 運(yùn)行效果

提標(biāo)改造后，污水廠實(shí)際進(jìn)水量在3.46～4.78萬 m3/d，平均進(jìn)水量為4.26萬 m3/d，進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示，出水的CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮和TP平均質(zhì)量濃度為37.99、7.98、7.50、5.22、0.83 mg/L和0.10 mg/ L，污水處理廠處理效果明顯提升，穩(wěn)定滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。其中，活性碳吸附池CODCr日均質(zhì)量濃度由進(jìn)水76.4 mg/L降低到出水40.0 mg/L，處理效果顯著。催化污泥濃縮池CODCr質(zhì)量濃度為91.5 mg/L，故存在一定程度的脫附。原水類大腸菌群指數(shù)≥24 000個(gè)/L，處理后的水體中類大腸菌群指數(shù)日均值在670～790個(gè)/L。污泥產(chǎn)生量為29.10 t/d(回用9.84 t/d，外送處置18.26 t/d)，經(jīng)鑒定污泥貯存滿足《危險(xiǎn)廢物貯存污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18597—2001)和《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599—2001)。

表3 提標(biāo)改造后平均進(jìn)出水水質(zhì) (2020年8月—2021年4月)Tab.3 Average Influent and Effluent Quality after Upgrading and Reconstruction (August 2020 to April 2021)

工程建設(shè)投資約3 750萬元，提標(biāo)改造工程運(yùn)行后噸水處理成本增加了0.34元，包含經(jīng)營成本、固定成本折舊費(fèi)及稅費(fèi)。其中，經(jīng)營成本主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、污泥處置費(fèi)、人員工資及福利費(fèi)、修理費(fèi)和檢測(cè)費(fèi)等。與同類型案例相比較[9-11]，本次提標(biāo)改造工程具有投資少、新增單位水量成本低的特點(diǎn)。

6 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目建成1座以處理印染廢水為主的萬噸級(jí)城鎮(zhèn)污水處理廠(規(guī)模為4.0×104m3/d)，總處理規(guī)模增加了1.0×104m3/d，采用“活性炭吸附+濾池+次氯酸鈉消毒”對(duì)原工藝處理的混合污水尾水進(jìn)行出水提標(biāo)，充分利用原廠區(qū)進(jìn)行工程改造，選擇使用運(yùn)行靈活、穩(wěn)定以及費(fèi)用低、投資小的污水處理工藝和設(shè)備，與原有處理設(shè)施銜接合理，確保污水處理廠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)新增工藝穩(wěn)定運(yùn)行后，水量一直在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，出水CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮和TP的排放平均值分別達(dá)到37.99、7.98、7.50、5.22、0.83 mg/L和 0.10 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到浙江省地標(biāo)DB 33/2169—2018中的要求，處理效果明顯提升。

(3)提標(biāo)改造后，污水處理的噸水處理成本增加了0.34元。對(duì)于有迫切提標(biāo)需要的印染工業(yè)園區(qū)，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。