某工業區污水處理廠污水處理工藝設計

高 原

(上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海 200125)

1 工程概況

本工程位于上海市遠郊，片區內現狀污水處理設施已無法滿足地區水量增加的需要，因此在片區中部規劃新建污水處理廠，以分擔下游處理設施的壓力。工程近期設計規模為7.5萬t/d，遠期規模為15萬t/d，服務范圍涵蓋了鎮區、居住社區、工業組團和工業片區。根據地區污水量預測， 2017年工業廢水量所占比例達到73%，隨著規劃人口增加，生活污水量將有所增加，預計2020年工業廢水量比例仍占總水量的64%，工業廢水比重遠高于生活污水。

從污水來源和污水量構成來看，本工程有別于常規的城鎮生活污水廠，具有工業園區污水處理廠的特征。鑒于工業廢水比重高，且主要服務于各類工業區，故定性為工業區污水處理廠。因此，本工程按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準執行是具有一定挑戰性的。

2 設計水質研究

2.1 進水水質分析

由于本工程不同于常規的生活污水處理廠，在確定處理工藝前，必須對其進水水質進行充分調研和分析。本次選取的水質采樣點位于污水廠服務區域末端的污水泵站，對其近期的水質資料進行分析，具有較好的代表性和指導意義。

通過對該采樣點近3年定期采樣數據進行分析(圖1)，水質波動范圍較大，部分天數的COD和TP濃度已超過《污水排入城鎮下水道水質標準》(DB 31/445—2009)中規定，TP的超標情況尤為突出。根據區域內現狀水質調查資料，初步判斷存在碳源低、可生化性較差，進水氮磷濃度高等特點。

圖1 進水濃度變化圖Fig.1 Variation Diagram of the Influent Concentration

工業廢水的成分與常規生活污水差異較大，為保證工程所采用的處理工藝能夠穩定達標，需要摸清氮、磷的類型，確保處理工藝有針對性。因此，在常規指標分析的基礎上，開展水質特性與組分分析，為處理工藝方案選擇提供技術支撐。為此，分別對夏季和冬季的水質進一步監測分析，結果如表1所示。

表1 水質組分分析

2.2 設計進水水質

本工程服務范圍的污水包括工業廢水和生活污水，污水廠設計水質的確定應近遠期兼顧。既要考慮現狀水質存在的超標排放的情況，也應考慮到隨著政府加大對企業排污的監管力度，工業企業的污水排放將全部執行《污水排入城鎮下水道水質標準》(DB 31/445—2009)的納管標準，進廠水質將會有較大的改善。因此，根據工業廢水和生活污水量的比例，以生活污水水質、納管標準水質和現狀實際排放的工業廢水水質，進行加權計算，確定本工程的設計進水水質和校核進水水質，如表2所示，確保在污水廠穩定運行的同時，也能夠應對近期部分超標進水工況。

表2 進水水質設計

3 污水處理工藝論證

3.1 污水處理難點

(1)進水水質超標風險高

根據現狀水質情況，各項進水指標均存在較大的波動，進水超標的天數較多。本工程工業廢水所占比重較大，企業是否達標排污對進水水質的影響較大，雖然地方政府已加大對工業企業排污的監管力度，但進水水質超標仍是影響污水廠穩定運行的關鍵性風險因素。為了確保工程的安全穩定運行，設計工藝中仍需采取有針對性的措施，確保各種工況均能穩定可靠達標。

(2)可生化性難以保證

工業廢水所占比重大，企業類型復雜，食品加工等企業并不占主導，因此進水CODCr的可生化性難以保證。本工程污水處理廠進水水質BOD5/CODCr=0.32(校核水質時為0.27)，可生化性一般。需在生化處理前創造一定的條件，微生物才可將水中的有機污染物降解到比較低的水平。

(3)碳源總量不足

由于工業廢水比重較大，生活污水提供的碳源非常有限。而工業企業中電鍍加工、電子類企業所占比例較大，食品加工等企業相對較少，進一步加劇了碳源不足的問題。本工程TN約為60 mg/L，BOD5/TN=2.67(校核水質時為2.13)，遠低于生物脫氮所需的碳源量，因此需在處理過程中補充碳源。

(4)進水氮、磷濃度高

綜合水質調查情況，現狀進水氮、磷濃度已超常規城鎮污水處理廠的處理能力，因此需在工藝流程的各個環節考慮采用生物和化學協同處理的手段，才能確保出水穩定達標。

3.2 處理工藝選擇

(1)預處理單元：針對進水波動較大、超標風險高的特征，在預處理階段設置調節池，應對進水水質和水量波動，減少進水對后續生物系統的沖擊負荷。此外，由于進水以工業廢水為主，且進水可生化性較低，可通過水解酸化工藝，提高污水可生化性，改善后續生化系統處理效果。

(2)生物處理單元：在傳統AAO工藝基礎上進行針對性的改良，以適應本工程的實際需要。

①在生物處理池前段增設預缺氧區，充分利用進水碳源進行反硝化反應，去除其中的硝酸鹽氮和溶解氧，同時也可減少對后續厭氧池釋磷效果的影響。

②生物池內的流態由常規的推流式改為完全混合式，應對工業廢水的沖擊負荷，確保出水能夠穩定達標。

③在好氧池的前段增加攪拌器，使其能在好氧或缺氧之間靈活切換，進水TN高或者穩定較低時按照缺氧功能運行，保證TN的去除效果，減少外加碳源量。

④在好氧池的2/3處投加填料，形成MBBR功能區，進一步提高內部碳源的利用率，強化脫氮及難降解有機物的去除功能，同時可以通過調整填料的填充率，應對近遠期水質濃度的變化。

生物處理單元工藝流程如圖2所示。

圖2 生物處理單元工藝流程圖Fig.2 Process of Biological Treatment Units

(3)深度處理單元：著重強化出水水質，確保穩定達標。針對進水TP濃度較高的問題，可結合混凝沉淀單元，通過投加藥劑實現化學除磷；針對TN濃度較高的問題，可與過濾處理相結合，通過投加碳源，以同時實現TN和SS等水質指標的穩定達標。

3.3 污水處理工藝流程

本工程污水處理工藝采用“調節池+水解酸化+改良AAO生物反應池+二沉池+高效終沉池+反硝化深床濾池”，如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程Fig.3 Technological Process of Wastewater Treatment

3.4 水質變化應對方案

(1)設計水質工況

本工程二級生物處理采用改良AAO工藝，在設計進水水質條件下，改良AAO工藝中“SWING”池作為好氧池使用，可保證出水水質穩定達標。

(2)高氮水質工況

當進水TN濃度較高、碳源不足時，生物池中“SWING”池作為缺氧池使用，同時在缺氧池投加碳源，保證脫氮效果。此外，在深度處理階段，可通過反硝化深床濾池進一步強化脫氮效果，確保出水TN穩定達標。通過以上措施，從而有效應對高氮污水。

(3)高磷水質工況

當進水TP濃度較高超過生物除磷能力時，可采用化學除磷的方式確保出水TP達標。通過在調節池、生物池好氧段和高效終沉池投加除磷藥劑的方式，強化除磷效果。

(4)難降解COD超標工況

由于本工程工業廢水所占比例高，可能出現難降解COD較高的情況，為此，在深度處理工藝中設置備用的粉末活性炭投加裝置，可通過投加粉末活性炭吸附去除難降解COD。

4 處理工藝優化研究

為確保本工程處理工藝的有效性和設計參數的合理性，設計過程中，針對水解酸化、生物處理和深度處理等關鍵環節進行試驗研究，為工程設計提供參考和支撐。

4.1 水解酸化工藝研究

目前較為常用的水解酸化池有兩種形式，升流式水解污泥床和厭氧接觸法。綜合考慮處理效果和用地，本項目水解酸化池采用升流式。進水采用連續式一管一孔配水裝置，采用特制配水器通過配水堰將水均勻分配到配水管內，可確保配水均勻、不易堵塞，保證系統運行的穩定性。該種形式的水解酸化池在以往的工業區污水處理廠工程中均有較好的應用[1]。

為了驗證水解酸化工藝在本工程中的作用并確定相關參數，利用現場水樣進行了為期半年的污泥培養，同時采集了現場水樣進行相應的水解酸化小試。由試驗結果可知：當水解酸化池停留時間≤8 h時，COD指標降低非常快，B/C顯著提高；當停留時間>8 h時，COD指標仍然繼續降低，但降低速度較慢，B/C逐漸降低，如圖4所示。

當停留時間≤8 h時，COD分解形成的BOD量高于原水中BOD被降解量，從而使B/C比增加；當停留時間>8 h時，分解形成的BOD量開始低于BOD被降解量，B/C比開始下降。通過本次的試驗，同時結合國內外已建水解酸化池的設計經驗，確定水解酸化工藝有助于改善本工程進水可生化性，水解酸化池的設計停留時間確定為8 h。

圖4 水解酸化試驗分析Fig.4 Analysis of Hydrolytic Acidification Test

4.2 生物處理工藝研究

目前活性污泥模型以其較為準確的預測結果可對污水處理廠工藝設計的診斷評估提供技術支持[2]。為了驗證本工藝的處理效果，本次設計中采用了活性污泥模型進行驗證(圖5)。

本次驗證采用BioWin模擬軟件，數學模型構建以ASM2d為基礎，重點對改良AAO生物處理單元進行模擬。模型進水為經過水解酸化后的水，模擬對象為生物池及二沉池，相關控制措施也包括在模型中。模型的輸入參數主要包括污水處理廠主要構筑物的物理參數、運行參數、動力學參數、化學計量參數、進出水水質水量等。

通過對不同水溫、內回流比、交替區運行(SWING池)和碳源投加等條件進行對比模擬，確定優化的設計參數和運行條件。結果顯示，為保障反硝化效果，需結合進水水質，在生物池缺氧段進行碳源投加；生物池交替區在低溫時，建議以好氧區運行，增強硝化反應，有利于生物脫氮；而在高溫條件下，建議以缺氧區運行，增加反硝化時間，有利于降低出水TN濃度；同時，增大混合液回流比到300%～400%，有助于提高生物脫氮效果。

圖5 污水處理模型Fig.5 Wastewater Treatment Model

在優化參數的基礎上對處理效果進行模擬，結果顯示，在水溫為10 ℃以及碳源投加條件下，除TP外，均滿足一級A排放標準，如圖6所示。

圖6 模擬生物處理出水水質Fig.6 Simulation of Effluent Quality of Biological Treatment

由于模型中僅對生物處理過程進行模擬，未考慮化學除磷單元，實際設計中，通過深度處理階段的混凝、沉淀和過濾工藝，可滿足出水TP濃度<0.5 mg/L的要求。

4.3 混凝沉淀工藝研究

近年來，為強化處理效果，增加運行負荷，減少占地面積，國內外對混凝沉淀工藝進一步改進優化，成功開發新型高效沉淀池，且在實際工程中逐步得到推廣應用，并取得了良好的效果。在新型高效沉淀池中，以加載載體型高效沉淀池為典型代表。目前國內常用的加載載體型高效沉淀池包括加砂高速沉淀池和磁混凝澄清池。綜合考慮本廠進水水質特點、工程可行性和經濟性，本項目混凝沉淀采用磁混凝澄清池工藝。

為驗證磁混凝澄清技術對本工程的適用性，采集現場水樣進行了磁混凝燒杯試驗。試驗結果表明，在進水TP為6.9～94 mg/L的情況下，通過投加適量的藥劑，可使出水TP穩定達到0.5 mg/L以下，除磷效果較好。

5 結論

(1)針對進水水質和水量波動，增設調節池和水解酸化池，改善了進水可生化性，有效保障和提高了后續生物處理效果。

(2)通過改良AAO工藝，以有效應對進水水質變化的影響，同時進一步強化生物脫氮能力，確保生物處理效果的穩定。

(3)深度處理階段采用高效沉淀池和反硝化深床濾池工藝，進一步強化脫氮除磷效果，確保出水水質達到一級A標準。

(4)通過試驗研究和模型預測，對主要工藝設計參數進行優化。

(5)建立多工況運行1模式，有效應對不同進水水質。