河南某縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理工藝設(shè)計(jì)及效果

朱 勍 ，田敏敏 ，趙同謙 ，肖春艷 ，陳 睿

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海 200030；3.河南理工大學(xué)，河南焦作 454003）

河南某縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為生物基材料、食品加工、紡織服裝、機(jī)電裝備制造，分為工業(yè)生產(chǎn)區(qū)、現(xiàn)代化倉儲(chǔ)物流區(qū)、居住生活服務(wù)區(qū)三大功能區(qū)。近年來，隨著縣城產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的快速發(fā)展，原有污水處理廠（處理縣區(qū)生活污水與產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)產(chǎn)生的廢水）已無法滿足集聚區(qū)內(nèi)廢水處理任務(wù)，因此該縣規(guī)劃建設(shè)一座新的污水處理廠（近期規(guī)模2萬m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模4萬m3/d），對產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)超負(fù)荷的廢水進(jìn)行處理。

產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)產(chǎn)生的廢水屬于有機(jī)廢水，常采用A2O、氧化溝、SBR、生物接觸氧化法及MBR等工藝處理。MBR工藝采用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)二沉池實(shí)現(xiàn)泥水分離，具有出水水質(zhì)好、有機(jī)剩余污泥排放量少與抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)勢。改良A2O工藝進(jìn)一步改善了A2O工藝中聚磷菌與反硝化菌的碳源競爭、硝化菌與反硝化菌及聚磷菌之間的污泥齡矛盾、回流硝酸鹽抑制磷的釋放等問題〔1〕，更適用于我國污水處理廠進(jìn)水碳源普遍不足的現(xiàn)狀。改良A2O+MBR工藝具有2種工藝的優(yōu)勢，在我國污水處理廠提標(biāo)改造中發(fā)揮了積極作用〔2-4〕。本項(xiàng)目在分析了產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)廢水特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過工藝比選，決定采用改良A2O+MBR組合工藝并評價(jià)了其對產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)廢水的處理效果，以期為同行提供借鑒。

1 水質(zhì)分析

產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的污水收集管網(wǎng)，將廢水單獨(dú)輸送至該污水處理廠。根據(jù)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)入駐企業(yè)類型及居民區(qū)人口調(diào)查，并結(jié)合廢水取樣結(jié)果，得出進(jìn)水水質(zhì)特征。

1.1 進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)

1.1.1 工業(yè)廢水占比大

2020年該縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠服務(wù)范圍內(nèi)常住人口3.9萬，人口自然增長率和機(jī)械增長率之和為0.8%，預(yù)測2030年產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)人口約8.42萬。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018），居民平均綜合生活用水量指標(biāo)為70～150 L/d，結(jié)合該縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)特點(diǎn)，并參考其他類似城區(qū)綜合生活用水量指標(biāo)，本項(xiàng)目單位人口綜合生活用水量指標(biāo)取130 L/d，計(jì)算近遠(yuǎn)期生活污水量。產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)產(chǎn)業(yè)以食品加工為主，機(jī)電、服裝為輔，2016年企業(yè)污水排放總量為11 660 m3/d，取年增長率為6%，計(jì)算近遠(yuǎn)期工業(yè)廢水量。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 項(xiàng)目近遠(yuǎn)期水量Table 1 Project wastewater quantity of short and long term

由表1可知，產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)近、遠(yuǎn)期工業(yè)廢水量占總水量的比例分別為74.4%與70.7%，均高于70%，產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠進(jìn)水主要為工業(yè)廢水。

1.1.2 水質(zhì)、水量波動(dòng)大

由于產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)多以食品生產(chǎn)加工企業(yè)為主，產(chǎn)能和產(chǎn)量根據(jù)原料供應(yīng)及產(chǎn)品銷售淡旺季有所改變，導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)大，易對生化系統(tǒng)造成沖擊。

1.1.3 進(jìn)水濃度高、營養(yǎng)比例失衡

該縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)食品加工企業(yè)占大多數(shù)，覆蓋豆乳、釀造、肉品、飲料、果蔬和生鮮等，這些產(chǎn)品在生產(chǎn)加工過程中洗滌、浸泡、燙煮和設(shè)備清洗等操作會(huì)產(chǎn)生大量高濃度有機(jī)廢水〔5〕；生產(chǎn)原料各異導(dǎo)致廢水成分復(fù)雜，主要含有蛋白質(zhì)、脂肪、磷及大量懸浮物〔6-7〕。對集聚區(qū)產(chǎn)生的廢水取樣檢測，發(fā)現(xiàn)廢水中COD、TN、TP均較高，同時(shí)營養(yǎng)比例失衡；TN、TP相對偏高，可能存在生物脫氮除磷碳源不足的問題。

1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)對該縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)工業(yè)區(qū)廢水量、生活區(qū)污水量、水質(zhì)特征的調(diào)查及預(yù)測，設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠近期規(guī)模為2萬m3/d，出水指標(biāo)需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中出水TN參考《河南省轄海河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 41/777—2013），TN≤15 mg/L。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表2。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Table 2 Design influent and effluent quality

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過工藝比選，預(yù)處理采用粗格柵+提升泵房、細(xì)格柵+旋流沉砂池及調(diào)節(jié)池3個(gè)工藝組合池；生物及深度處理采用改良A2O+MBR組合工藝；出水采用次氯酸鈉消毒；污泥脫水采用污泥壓濾泵+污泥池+壓濾機(jī)，用污泥泵將暫存在A2O+MBR組合池內(nèi)的污泥抽至污泥池，經(jīng)重力濃縮后進(jìn)入壓濾脫水設(shè)備中進(jìn)行脫水，工藝流程見圖1。

圖1 改良A2O+MBR組合工藝流程Fig. 1 Flow chart of modified A2O+MBR process

2.2 工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）針對進(jìn)水濃度高、成分復(fù)雜及水質(zhì)水量波動(dòng)大的問題，采用改良A2O+MBR工藝，利用膜的高效截留作用使生化段維持較高的污泥濃度，提高生化系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力和對污染物的去除能力。

（2）針對進(jìn)水TN高的情況，首先采用MBR膜分離系統(tǒng)，維持好氧池內(nèi)較長的污泥齡，富集硝化細(xì)菌，提高硝化效率。對于反硝化部分，設(shè)置雙缺氧池（缺氧池1、缺氧池2），缺氧池1優(yōu)先利用污水中的碳源進(jìn)行反硝化，缺氧池2強(qiáng)化內(nèi)源反硝化，可節(jié)約碳源投加量并強(qiáng)化缺氧池的生物脫氮功能。2個(gè)缺氧池均設(shè)置了備用碳源投加裝置，缺氧池1的碳源投加點(diǎn)前置，缺氧池2的碳源投加點(diǎn)后置，必要時(shí)在缺氧池內(nèi)投加碳源，保證TN達(dá)標(biāo)排放。碳源投加量根據(jù)2個(gè)缺氧池各自的出水COD與NO3--N濃度調(diào)整，保證缺氧池2出水口NO3--N質(zhì)量濃度低于1.5 mg/L〔8〕，且COD不高于缺氧池2進(jìn)水口。

（3）針對進(jìn)水TP高的情況，以強(qiáng)化生物除磷為主，化學(xué)除磷為輔。設(shè)置膜池到缺氧池1、缺氧池1到厭氧池的硝化液回流。相比從膜池或沉淀池直接回流至厭氧池的設(shè)計(jì)，經(jīng)過缺氧池1的緩沖，一方面減少了溶解氧對厭氧環(huán)境的沖擊，另一方面避免了過多硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭匾种凭哿拙屃?，可?qiáng)化生物厭氧釋磷。

3 主要構(gòu)筑物及參數(shù)

（1）粗格柵池。粗格柵池土建按遠(yuǎn)期規(guī)模建設(shè)，池內(nèi)設(shè)機(jī)械格柵機(jī)2套（近期1用1備，遠(yuǎn)期互為備用），格柵池整體尺寸為6.75 m×1.60 m×9.00 m，配人工運(yùn)渣手推車。過柵流速0.6～0.8 m/s，柵條間隙10 mm，柵前水深1 m，安裝傾角75°。

（2）提升池及提升泵房。提升池及提升泵房土建按遠(yuǎn)期規(guī)模建設(shè)，設(shè)備按近期規(guī)模安裝，提升池尺寸 為12.30 m×5.00 m×11.00 m，提 升 泵 房 尺 寸 為12.82 m×6.77 m。采用3臺(tái)提升泵（Q=630 m3/h，H=16.5 m，N=55 kW），1臺(tái)電葫蘆（2 t）。

（3）細(xì)格柵池。細(xì)格柵池土建按近期規(guī)模建設(shè)，每組1套設(shè)備，共2套，近期1用1備，整體尺寸為6.30 m×1.20 m×2.00 m。采用2臺(tái)內(nèi)進(jìn)轉(zhuǎn)鼓式細(xì)格柵機(jī)（格柵間距2 mm，N=1.5 kW），1臺(tái)不銹鋼高排水壓榨機(jī)（D=300 mm，Q=2 m3/h，N=2.2 kW），1輛不銹鋼尖斗手推車（900 mm×500 mm×350 mm），3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)（Q=5.56 m3/h，P=0.03 MPa，N=7.5 kW），1臺(tái)不銹鋼砂水分離器（Q=15～20 L/s，N=0.37 kW），1臺(tái)高壓泵（Q=16 m3/h，H=72 m，N=7.5 kW），1個(gè)PE材質(zhì)儲(chǔ)水罐（5 m3），1個(gè)鋼制電磁閥（DN50），3臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW），1套H2S檢測儀。

（4）旋流沉砂池。旋流沉砂池土建按近期規(guī)模設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土池體，1座2組，旋流沉砂池整體尺寸為D2.43 m×3.20 m。采用2套附壁式方閘門（B500 mm×H500 mm），2套不銹鋼閘板（B600 mm×H2 000 mm），2套不銹鋼閘板（B600 mm×H1 150 mm）。

（5）調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池土建按近期規(guī)模設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土池體，1座2格，調(diào)節(jié)池整體尺寸為43.90 m×10.00 m×4.00 m。水力停留時(shí)間約2.4 h，池底通過鼓風(fēng)曝氣攪動(dòng)污水，均勻水質(zhì)水量并防止污水中固體顆粒沉淀，出水由提升泵提升出水。采用2臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)（Q=27.48 m3/min，N=37 kW，P=510.2 Pa），6臺(tái)提升泵（Q=230 m3/h，H=16 m，N=15 kW），2臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW）。

（6）改良A2O+MBR組合池。改良A2O+MBR組合池土建按近期規(guī)模建設(shè)，1座4組，采用鋼筋混凝土池體。改良A2O+MBR組合池包含厭氧池、缺氧池1、缺氧池2、好氧池及膜池。單組尺寸為59.20 m×15.30 m×6.00 m，單 組 設(shè) 計(jì) 流 量5 000 m3/d，池 深6.0 m，有效水深5.0 m。污泥質(zhì)量濃度12 g/L，單位MLSS的BOD5負(fù)荷0.04 kg/（kg·d），單位BOD5污泥產(chǎn)率系數(shù)0.5 kg/kg（以VSS計(jì)），污泥齡30 d。厭氧池停留時(shí)間2.5 h，缺氧池1停留時(shí)間2 h，缺氧池2停留時(shí)間4 h，好氧池停留時(shí)間10 h，膜池停留時(shí)間2 h，總水力停留時(shí)間20.5 h。一級(jí)回流比200%，二級(jí)回流比100%。好氧池溶解氧為2 mg/L，最低水溫12 ℃，最高水溫25 ℃。MBR膜組件為本系統(tǒng)的核心部件之一，共4組中空纖維膜膜組件，每格池體配置1組，單組產(chǎn)水量5 000 m3/d，膜通量0.4 m3/（m2·d）；每格膜池末端不放置膜組件，不設(shè)曝氣裝置，控制末端溶解氧小于0.5 mg/L，使得硝化液回流后基本不引起缺氧池溶解氧變化。另外，主要附屬構(gòu)筑物有泵房、風(fēng)機(jī)房、辦公室、中控室等。

（7）消毒系統(tǒng)。消毒系統(tǒng)采用次氯酸鈉消毒法，通過加藥泵將次氯酸鈉溶液輸送至產(chǎn)水泵出水渠內(nèi)與出水混合消毒，MBR膜出水有效加氯量為8 mg/L。采用1臺(tái)消毒加藥泵（Q=50 m3/h，H=9 m，N=2.2 kW）。

（8）計(jì)量槽。計(jì)量槽土建按近期規(guī)模設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1座，計(jì)量槽整體尺寸為15.60 m×1.30 m×2.00 m。采 用1套 巴 氏 計(jì) 量 槽（Q=12.5～850 L/s，N=0.37 kW），1套在線監(jiān)測設(shè)備（含COD、NH3-N、TN、TP、pH在線監(jiān)測設(shè)備）。

（9）污泥池。污泥池土建按近期規(guī)模設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1座2格，污泥池整體尺寸為6.93 m×5.05 m×3.20 m。改良A2O+MBR組合池產(chǎn)泥量（含水率約99%）約為80 m3/d，脫水后污泥產(chǎn)量為4 t/d，含水率約80%。采用2臺(tái)隔膜板框壓濾機(jī)（過濾面積100 m2，濾室容積2 m3，N=5.5 kW），2臺(tái)螺桿泵（Qmax=10 m3/h，P=0.6 MPa，N=15 kW），2臺(tái)軸流式通風(fēng)機(jī)（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW）。

4 工程運(yùn)行效果

冬季低溫條件下污泥活性較低，不利于污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析2021年11月至2022年1月共3個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，探究該項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行效果。

4.1 進(jìn)水情況

為明確進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)及波動(dòng)情況，計(jì)算產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠運(yùn)行3個(gè)月進(jìn)水各水質(zhì)指標(biāo)的累計(jì)概率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP的累積概率Fig. 2 Cumulative probability of influent COD，NH3-N，TN and TP

由圖2可知，產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP穩(wěn)定達(dá)到進(jìn)水水質(zhì)（表1）要求的700、80、100、8 mg/L以內(nèi)的概率分別為92%、98%、86%、97%，進(jìn)水中NH3-N與TP基本穩(wěn)定在進(jìn)水要求范圍內(nèi)，但COD與TN超標(biāo)情況相對較多，這是由于企業(yè)存在偷排現(xiàn)象。同時(shí)，進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP的 平 均 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為（425.1±162.2）、（48.3±15.7）、（83.9±14.7）、（4.2±1.9） mg/L，水質(zhì)波動(dòng)較大。

4.2 污染物去除效果

污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月期間的進(jìn)出水水質(zhì)及污染物去除率如圖3所示。

由圖3可知，進(jìn)水COD、NH3-N、TN、TP波動(dòng)較大，但各出水指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)出水要求。COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別約為94.26%、98.77%、87.76%、95.19%。進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)對該工藝去除污染物的效果影響不大，在進(jìn)水超標(biāo)且水質(zhì)波動(dòng)大的情況下，該工藝依然可穩(wěn)定處理達(dá)標(biāo)。

圖3 進(jìn)出水COD、NH3-N、TN、TP及去除率Fig. 3 COD，NH3-N，TN and TP and removal rates of influent and effluent

5 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠近期工程項(xiàng)目總投資9 609.19萬元，其中土建工程費(fèi)用為3 254.68萬元。運(yùn)營成本為1.47元/m3，包括電耗0.63元/m3、藥劑費(fèi)0.21元/m3、人工費(fèi)0.15元/m3、修理維護(hù)費(fèi)0.32元/m3、其他費(fèi)用0.16元/m3。藥劑費(fèi)包括外加碳源費(fèi)用0.074元/m3、混凝藥劑費(fèi)用0.024元/m3、消毒藥劑費(fèi)用0.096元/m3、膜維護(hù)藥劑費(fèi)用0.016元/m3。廠區(qū)總用地面積約13 200 m2（近期用地），單位水量占地指標(biāo)為0.66 m2/（m3·d）。

6 結(jié)論

針對河南某縣產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理廠進(jìn)水中工業(yè)廢水占比大、水質(zhì)水量波動(dòng)大、氮磷等污染物含量高的特點(diǎn)，采用常規(guī)污水處理工藝難以使出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。本工程設(shè)計(jì)采用的改良A2O+MBR組合工藝具有耐水質(zhì)負(fù)荷沖擊及強(qiáng)化脫氮除磷等優(yōu)勢，出水可穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污水處理成本合理。該工程的技術(shù)路線能較好地適用于產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理，可為其他類似產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污水處理提供工程借鑒。