某開發(fā)區(qū)污水處理廠二期工程工藝設(shè)計(jì)

馮靜嫻， 曹倩倩， 劉晶晶

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東區(qū)域中心， 南京 210023）

光伏產(chǎn)業(yè)是半導(dǎo)體與新能源需求結(jié)合衍生的產(chǎn)業(yè)， 近年來在我國得到大力發(fā)展， 2021 年我國光伏市場累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到308 GW［1］。 光伏廢水水質(zhì)單一、 水量大， 進(jìn)水Ca2+濃度往往偏高，有機(jī)物含量偏低［2-3］。 光伏廢水處理難點(diǎn)主要在于除氟， 排入污水處理廠的F-濃度需滿足GB／T 31962—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。 含氟廢水通常采用混凝沉淀法、 化學(xué)沉淀法、吸附法等處理方法除氟［4-5］。 任夢嬌［6］設(shè)計(jì)采用三級混凝沉淀除氟裝置處理光伏企業(yè)生產(chǎn)廢水， 經(jīng)處理后， 出水F-質(zhì)量濃度可穩(wěn)定達(dá)到6.7 mg／L。魏霞［7］設(shè)計(jì)采用混凝氣浮處理單晶硅生產(chǎn)廢水中的F-， 出水F-質(zhì)量濃度可穩(wěn)定在8 mg／L 以下。 某開發(fā)區(qū)污水處理廠來水為生產(chǎn)單晶硅太陽能電池片的光伏廢水及周邊企業(yè)生產(chǎn)廢水， 本文針對該污水處理廠工藝流程設(shè)計(jì)， 介紹了其工藝方案、 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等， 以期為類似光伏廢水處理項(xiàng)目提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)定位主要為機(jī)電產(chǎn)業(yè)， 現(xiàn)狀已有1 座污水處理廠， 主要收集范圍包括周邊居民生活污水及經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)企業(yè)廢水， 該污水廠一期已建規(guī)模為2 萬m3／d。 為解決該地招商引資的光伏產(chǎn)業(yè)及周邊企業(yè)廢水處理問題， 需要在原廠預(yù)留地塊內(nèi)擴(kuò)建處理規(guī)模。 根據(jù)收集資料及現(xiàn)場調(diào)查情況， 污水處理廠現(xiàn)狀出水TN 存在超標(biāo)情況， 且出水采用紫外消毒， 不滿足現(xiàn)階段當(dāng)?shù)鼗赜盟螅?此外全廠未做除臭處理。 因此， 本次擴(kuò)建工程， 除了二期新建規(guī)模為3 萬m3／d 的廢水處理設(shè)施外， 還需考慮全廠回用水和除臭工程。

2 設(shè)計(jì)規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

該污水處理廠主要處理開發(fā)區(qū)工業(yè)廢水， 包括光伏企業(yè)和其他企業(yè)的工業(yè)廢水。 結(jié)合現(xiàn)狀規(guī)劃和光伏、 電子企業(yè)環(huán)評， 確定二期新建規(guī)模為3 萬m3／d， 其中光伏廢水量占二期處理量的91%。

2.2 現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)

污水處理廠2019 年2 ～11 月進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示（一期進(jìn)水中已接入部分光伏廢水）。 由表1可知， 現(xiàn)狀污水廠一期進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低， 出水TN 濃度存在超標(biāo)情況。

表1 2019 年2 ～11 月污水廠一期進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Influent and effluent water quality of the first-stage project of sewage treatment plant in February to November of 2019

2.3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

結(jié)合開發(fā)區(qū)部分光伏企業(yè)出廠廢水實(shí)測水質(zhì)（見表2）， 同時(shí)為適應(yīng)開發(fā)區(qū)未來發(fā)展， 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)留有一定余量， 確定二期工程進(jìn)水水質(zhì)；出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)（排放口ρ（F-）≤3 mg／L）。 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表3 所示。結(jié)合光伏企業(yè)出水及設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)分析可知， 二期工程進(jìn)水B／C 值低于0.4， 可生化性一般， 進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低， 廢水處理中需投加碳源。

表2 光伏企業(yè)出廠水質(zhì)Tab.2 Quality of effluent water from photovoltaic enterprise

表3 污水廠二期工程設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.3 Design influent and effluent water quality of the second-stage project of the sewage treatment plant

3 廢水處理工藝

3.1 工藝路線的確定

二期工程主要收集光伏廢水及其他企業(yè)廢水，為污水處理廠長遠(yuǎn)考慮， 本工程工藝的選擇除了滿足光伏廢水的處理功能外， 還需要適應(yīng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)未來入駐企業(yè)的廢水處理。

綜上所述， 廠內(nèi)采用一級預(yù)處理-二級強(qiáng)化處理-三級深度處理對進(jìn)廠廢水進(jìn)行處理。 其中， 一級預(yù)處理用于除Ca2+， 二級強(qiáng)化處理用于去除COD、TN、 NH3-N， 三級深度處理主要用于除氟并對SS、TP、 TN 進(jìn)一步處理， 起到出水達(dá)標(biāo)的把關(guān)作用。

3.2 預(yù)處理工藝的選擇

污水處理廠進(jìn)水由壓力提升接入， 廠內(nèi)不需要設(shè)置格柵， 預(yù)處理工藝采用調(diào)節(jié)池及應(yīng)急池-混凝沉淀池。

（1） 水質(zhì)水量調(diào)節(jié)。 由于工業(yè)廢水的水質(zhì)水量變化大， 一般在廢水進(jìn)廠后設(shè)置調(diào)節(jié)池單元用于水質(zhì)水量的調(diào)整。 為適應(yīng)事故工況及檢修需要， 污水處理廠設(shè)置應(yīng)急事故池。

（2） 除鈣工藝選擇。 光伏廢水的除氟預(yù)處理主要采用加鈣除氟工藝， 導(dǎo)致出水Ca2+偏高。 Ca2+過高會(huì)影響活性污泥生化效能， 堵塞生化處理的曝氣系統(tǒng)， 并加速設(shè)備腐蝕［8-9］。 為減少Ca2+對后續(xù)二級生化處理的影響， 需要在預(yù)處理階段對Ca2+進(jìn)行去除。 廢水軟化處理常采用的工藝包括離子交換法、 化學(xué)沉淀法等， 其中化學(xué)沉淀法技術(shù)成熟、 應(yīng)用廣泛、 處理效果好且投資低， 因此， 本工程除鈣工藝選用化學(xué)沉淀法［10］。

（3） 預(yù)留工藝選擇。 污水處理廠進(jìn)水有機(jī)物含量較低， 為滿足生化處理的所需碳源， 本次擴(kuò)建工程暫不設(shè)置水解酸化池。 考慮開發(fā)區(qū)遠(yuǎn)期存在進(jìn)水難降解有機(jī)物濃度高的情況， 預(yù)留水解酸化池用地用于后期改造。

3.3 生化處理工藝的選擇

傳統(tǒng)的A2O 工藝中硝化菌、 反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、 泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭， 很難在同一系統(tǒng)中同時(shí)獲得氮、 磷的高效去除。 Bardenpho 工藝是在A2O 工藝基礎(chǔ)上將生化處理單元分為6 段， 包括預(yù)缺氧、 厭氧、 缺氧、 好氧、 后缺氧及后好氧部分。 回流污泥回流至預(yù)缺氧段， 硝化液回流至缺氧段， 廢水經(jīng)厭氧、 好氧處理， 同步實(shí)現(xiàn)脫氮除磷； 后缺氧段投加外加碳源，進(jìn)一步降低廢水中氮的濃度， 同時(shí)在生物池中設(shè)置多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)及內(nèi)回流點(diǎn)， 通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)， 提高生化系統(tǒng)對COD、 TN、 TP 的處理效果［11］。 某位于海河流域的污水處理廠采用Bardenpho 工藝作為主體工藝， 處理后出水水質(zhì)可以穩(wěn)定達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（TN 除外）［12］。 本工程采用Bardenpho 工藝，在未來進(jìn)水水質(zhì)變化及出水要求提高的情況下， 可以在好氧段投加懸浮填料以提高生化段處理能力，減少后續(xù)提標(biāo)改造的相關(guān)投入。

3.4 深度處理工藝的選擇

深度處理采用高效沉淀池-反硝化深床濾池工藝。

（1） 除磷、 除氟工藝的選擇。 本工程進(jìn)水F-質(zhì)量濃度低于8 mg／L， 屬于低濃度含氟廢水。 投加PAC 和PAM 作為混凝劑， 其中PAC 在水中水解生成［Al13O4（OH）24］7+及Al（OH）3， 與水中顆粒物進(jìn)行吸附-電性中和脫穩(wěn)、 吸附架橋絮凝， PAM 與PAC聯(lián)用， 對生成的絮凝體進(jìn)行吸附架橋加快混凝沉淀，實(shí)現(xiàn)對TP 和F-的去除［13］。 文獻(xiàn)［14-15］研究結(jié)果表明， 投加絮凝劑進(jìn)行絮凝沉淀， 可以有效去除TP和F-。 因此， 選用高效沉淀池， 該池集混合、 絮凝、沉淀為一體， 用于氟化物和TP 的處理。

（2） 除氮工藝的選擇。 根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)出水水質(zhì)，推測出水TN 濃度有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。 本工程在生化處理段選用Bardenpho 工藝， 可以去除部分TN； 為了保障TN 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)， 過濾單元選用反硝化深床濾池工藝， 并接入一期廢水， 設(shè)計(jì)規(guī)模為5 萬m3／d。

3.5 工藝流程

通過以上分析， 污水處理廠最終確定了以除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床濾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

4 主要處理構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 總圖及高程設(shè)計(jì)

廠區(qū)廢水進(jìn)水管位于現(xiàn)狀廠區(qū)西側(cè)， 出水管位于廠區(qū)北側(cè)， 一期主要處理構(gòu)建筑物位于廠區(qū)西側(cè)， 預(yù)留用地位于廠區(qū)西南側(cè)及東側(cè)， 本次擴(kuò)建工程位于廠區(qū)預(yù)留用地。 廠區(qū)按功能區(qū)分為廢水預(yù)處理區(qū)、 廢水生化處理區(qū)、 廢水深度處理區(qū)、 污泥處理區(qū)、 輔助設(shè)施區(qū)等區(qū)塊。 二期工程在調(diào)節(jié)池和中間提升泵房出水設(shè)計(jì)采用泵提升； 為減少施工難度， 以二沉池埋深不大于2 m 進(jìn)行高程控制， 液位比地面高出2.80 m， 經(jīng)提升后至高效沉淀池及反硝化深床濾池， 末端消毒池液位比地面高出0.80 m，消毒池出水經(jīng)提升后接至現(xiàn)狀尾水排水管。

4.2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.1 預(yù)處理單元

（1） 調(diào)節(jié)池及事故池。 尺寸為64.70 m×35.00 m×8.20 m， 共3 組， 其中調(diào)節(jié)池2 組， 事故池1組， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 總停留時(shí)間為12 h。 其中1組調(diào)節(jié)池設(shè)置閥門與事故池應(yīng)急聯(lián)通， 在事故狀態(tài)下切換閥門兼作事故池， 此情況下事故池停留時(shí)間為8 h。

（2） 除硬混凝沉淀池。 尺寸為31.90 m×22.40 m×7.20 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 反應(yīng)池前端設(shè)置NaOH 反應(yīng)區(qū)和Na2CO3反應(yīng)區(qū)， 反應(yīng)時(shí)間均為5 min； 混合區(qū)和絮凝區(qū)， 反應(yīng)時(shí)間分別為2 min 和5 min； 后接輻流式斜管沉淀池， 表面負(fù)荷為11.28 m3／（m2·h）， 斜管區(qū)面積為113.76 m2， 斜管區(qū)高0.9 m。 經(jīng)混凝沉淀后， 采用稀硫酸回調(diào)pH值， 反應(yīng)時(shí)間為2 min。 NaOH 調(diào)節(jié)pH 值大于10，Na2CO3投加量為267 mg／L， PAM 投加量為2 mg／L，PAC 投加量為120 mg／L， 稀硫酸回調(diào)pH 值為7 左右， 物化污泥量為6 t［DS］／d。

4.2.2 生化處理單元

（1） Bardenpho 生化池。 尺寸為82.53 m×51.20 m×6.90 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 總停留時(shí)間為18.79 h， 其中預(yù)缺氧區(qū)、 厭氧區(qū)、 缺氧區(qū)、好氧區(qū)、 后缺氧區(qū)和后好氧區(qū)有效容積分別為737.5、 1 337.5、 6 987.5、 9 775、 2 975 m3和1 675 m3。 設(shè)計(jì)污泥濃度為3.5 g／L， 污泥負(fù)荷為0.051 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）； 硝化液回流比為150% ～300%， 污泥回流比為50%～100%。 設(shè)計(jì)曝氣量為140 m3／min， 乙 酸 鈉 最 大 投 加 量 為111.94 mg／L，剩余污泥量為5 t［DS］／d。

（2） 二沉池。 單池內(nèi)徑為28.00 m， 池邊水深4.00 m， 共2 座， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 表面負(fù)荷為1.02 m3／（m2·h）， 沉淀時(shí)間為3 h。

4.2.3 深度處理單元

（1） 中間提升泵房及高效沉淀池。 中間提升泵房1 座， 尺寸為10.10 m×5.50 m×4.30 m， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 內(nèi)置軸流泵， 泵池有效池容為68.6 m3。高效沉淀池與中間提升泵房合建， 尺寸為24.35 m×22.00 m×7.20 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 采用輻流式斜管沉淀池， 表面負(fù)荷為7 m3／（m2·h）， 沉淀池前設(shè)混合區(qū)和絮凝區(qū)， 停留時(shí)間分別為1.8 min 和10 min， 污泥回流比為3%～6%。 PAM 投加量為2 mg／L， PAC 投加量為350 mg／L， 備用除氟劑， 除氟效果不理想時(shí)投加， 同時(shí)設(shè)置堿液用于出水pH 值回調(diào)至7 左右， 物化污泥量為5 t［DS］／d。

（2） 反硝化深床濾池。 下向流單層濾料濾池，尺寸為30.70 m×26.10 m×7.80 m（含管廊間）， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； 采用陶制生物濾料， 粒徑為2.5 mm， 厚1.5 m， 礫石承托層厚0.3 m， 分6 組， 單組過濾面積為48.97 m2， 正常濾速為7.10 m／h， 強(qiáng)制濾速為8.50 m／h， 處理總規(guī)模為5 萬m3／d。 采用長柄濾頭進(jìn)行配水配氣， 并采用氣水聯(lián)合沖洗進(jìn)行反洗， 氣洗強(qiáng)度為90 m3／（m2·h）， 水沖強(qiáng)度為20 m3／（m2·h）。

（3） 消 毒 池 及 回 用 水 池。 尺 寸 為42.60 m ×10.90 m×4.40 m， 與反硝化深床濾池合建， 消毒池消毒時(shí)間不小于30 min， 回用水量占比為25%。

4.2.4 輔助設(shè)施處理單元

（1） 加藥間。 混凝沉淀池東側(cè)新建加藥間， 框架結(jié)構(gòu)， 尺寸為26.0 m×8.00 m×6.70 m， 內(nèi)設(shè)稀硫酸、 NaOH、 PAC 儲(chǔ)罐及Na2CO3存儲(chǔ)區(qū)、 PAM制藥機(jī)。

（2） 除臭系統(tǒng)。 采用生物濾池除臭， 鋼筋混凝土基礎(chǔ)， 長25 m， 寬13 m， 除臭風(fēng)量為48 000 m3／h， 包括一期、 二期處理構(gòu)筑物臭氣。

（3） 其他輔助設(shè)施。 鼓風(fēng)機(jī)房、 污泥脫水機(jī)房及部分藥劑投加設(shè)備利用現(xiàn)狀輔助設(shè)施空間。

5 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1） 為保障出水F-質(zhì)量濃度低于3 mg／L， 本工程設(shè)計(jì)采用一級混凝沉淀法除氟。 混合池、 絮凝池同步投加PAC、 PAM 和除氟劑形成絮凝體， 并在高效沉淀池內(nèi)完成沉淀去除， 表面負(fù)荷取7 m3／（m2·h）， 低于一般高效沉淀池。

（2） 廠區(qū)總體設(shè)計(jì)結(jié)合預(yù)留用地及處理工藝，二期預(yù)處理單元除硬混凝沉淀池布置在東側(cè)， 后期運(yùn)維可以與一期協(xié)調(diào)管理。 二級處理及三級處理自南向北布置， 出水池緊靠現(xiàn)狀出水管。 整個(gè)工藝流程布置緊湊， 并滿足消防、 運(yùn)輸?shù)纫蟆?/p>

（3） 預(yù)處理采用混凝沉淀池用于除硬， 二級處理工藝采用Bardenpho 工藝， 強(qiáng)化廢水脫氮除磷，三級處理采用高效沉淀池和反硝化深床濾池， 進(jìn)一步保證出水TN 和TP 達(dá)標(biāo)， 并用于除氟。

（4） 結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)相關(guān)規(guī)劃， 為適應(yīng)遠(yuǎn)期來水水質(zhì)， 預(yù)處理預(yù)留水解酸化池用地用于后期改造， 并在高程上預(yù)留相關(guān)水損。

6 工程運(yùn)行效果

二期工程于2021 年開工建設(shè)， 2022 年通水試運(yùn)行， 二期實(shí)際進(jìn)水量約為1.7 萬m3／d（廠內(nèi)二期接收一期部分廢水）， 污水處理廠2022 年10 ～12月進(jìn)出水水質(zhì)如表4 所示。

表4 運(yùn)行期進(jìn)出水水質(zhì)Tab.4 Influent and effluent water quality during operation

該污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定， 各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB 18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)， 且ρ（F-）＜3 mg／L。

7 投資及運(yùn)行成本

二期工程規(guī)模為3 萬m3／d， 總投資11 934.76萬元， 其中工程費(fèi)為9 942.20 萬元， 工程其他費(fèi)為1 081.64 萬元， 工程預(yù)備費(fèi)為881.91 萬元。

經(jīng)成本分析， 正常年總成本為3 252 萬元， 年經(jīng)營成本為2 748.45 萬元， 總成本為2.97 元／m3，經(jīng)營成本為2.51 元／m3， 其中工資福利為64 萬元／a（以額外增加8 人算）， 藥劑費(fèi)約為55 000 元／d，電費(fèi)約為11 600 元／d。

8 結(jié)語

本項(xiàng)目污水處理廠主要接納該開發(fā)區(qū)內(nèi)光伏企業(yè)及其他園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)廢水， 根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和排水標(biāo)準(zhǔn)， 采用除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床濾池為核心工藝進(jìn)行處理， 出水COD、 TN、 NH3-N、 TP 可穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)， 且ρ（F-）＜3 mg／L。 成本分析表明， 本工程總成本為2.97 元／m3， 經(jīng)營成本為2.51 元／m3。