污水廠更嚴格排放標準設計案例分析
——以青島市某工業園污水廠為例

陳民東,鄧 浩,王寶娟,莊 貴,李超超

(1.青島騰遠設計事務所有限公司,山東青島 266100;2.膠州首創博瑞水務有限公司,山東膠州 266300;3.膠州市住房和城鄉建設局,山東膠州 266300)

截至2022年年底,全國城市和縣城建成污水處理廠近4 700座,年污水處理量達941億m3左右。越來越多的工業企業向鄉鎮聚集,在鄉鎮水環境治理過程中,污水處理設施同時接納生活污水和工業廢水的情況較為普遍[1],而且各地出水標準不斷提高[2]。鄉鎮污水處理廠往往存在對工業廢水進水比例考慮不足、工藝路線不完善、導致脫氮除磷效率低以及出水不能穩定達標的問題[3]。本文以某工業園新建污水處理廠為實例,其進水中工業廢水約占2/3,出水標準為準Ⅳ類(除TN外),分析工藝路線選取、工藝單體設計參數及運行效果,總結了設計特點,以期待為類似項目的工程設計提供參考。

1 工程概況

本項目位于青島膠州市某鎮工業園,污水處理廠選址在多元生物科技園東南角,占地面積為4 500 m2,用地性質為排水用地。收集處理洋河南部工業園及周邊村莊污水,設計規模為3 000 m3/d。

2 污水來源及進出水水質

2.1 污水來源

根據調查,本項目服務范圍內現狀生活污水量約為500 m3/d。近期人口規模約為2萬人,居民污水量定額取65 L/(人·d)[4],污水收集系數為0.8,預測近期村莊生活污水量為1 040 m3/d。現狀工業廢水主要來自多元生物及某粉條廠。多元生物緊鄰污水處理廠,年產長鏈二元酸為3 055 t,副產品為液蠟和蛋白飼料,廢水排水量為300 m3/d。企業建有污水處理站,其污染物排放指標如表1所示。粉條廠位于周邊村莊,廢水量為150 m3/d,主要污染物為CODCr、SS等。

表1 多元生物廢水污染物指標

近期擬落戶園區的某食品與某啤酒公司,廢水量約為1 500 m3/d。結合該鎮相關規劃,預測近期工業廢水量為2 000 m3/d。因此,本項目近期設計規模為3 000 m3/d,遠期規模為6 000 m3/d。本項目建設以近期為主,預處理單元考慮遠期預留。

2.2 進出水水質

城鎮污水處理廠進水污染物濃度的高低決定污水處理工藝流程的選擇,與污水廠的基建投資和運行費用密切相關[5]。項目建設前要準確預測污水廠建成后服務期內的水質,難度較大。本項目進水水質根據現場實測值及結合青島周邊污水廠進水水質綜合確定。

本項目出水排出口為南側溫涼河,河道水質保護目標為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類標準,經多次論證確定出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準,其中CODCr、BOD5、氨氮、TP執行《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類標準。具體如表2所示。

表2 設計進出水水質

3 工藝選擇

3.1 預處理工藝

本項目進水有3路,多元生物廢水1路中含有大量難降解污染物,污水量約為300 m3/d,占處理量10%,不應與生活污水混合后處理,故采用單獨1路。來水先進入單獨設置的調節池,再進行臭氧預氧化后,進入總調節池,進入后續處理單元。第2路重力流污水經廠區提升泵站提升至粗格柵,第3路來自配套管網提升泵站。

本項目預處理單元采用粗、細格柵+旋流沉砂池+調節池+初沉池,如圖1所示。旋流沉砂池可以去除污水中密度較大的泥砂等無機顆粒。調節池用來調節水量和均化水質。生物處理系統的進水SS/BOD5越高,反硝化速率越低,碳源在缺氧段未被充分利用,從而導致TN去除率下降[6]。本項目進水SS高,設置初沉池保證生物單元脫氮效果。

圖1 預處理工藝流程

3.2 生化處理工藝

3.2.1 生化可行性分析

污水生物處理是以污水中所含污染物作為營養源,利用微生物的代謝作用使污染物被降解,污水得以凈化。因此,對污水成分的分析以及判斷污水能否采用生物處理是設計污水生物處理工程的前提。

本項目進水水質BOD5/CODCr=0.45,該比值>0.3時,可采用生化處理,比值越大,污水可生化性越好。

本項目進水BOD5質量濃度為250 mg/L,TN質量濃度為65 mg/L,則BOD5/TN=3.85,一般BOD5/TN>5時,可認為碳源充足[7],本項目考慮設置碳源投加系統以保證反硝化的順利進行。

本項目進水TP質量濃度為8 mg/L,則BOD5/TP=31.25,該比值大于或等于17時,采用生物除磷工藝可取得良好除磷效果。

3.2.2 生化處理工藝選擇

目前針對高標準出水污水廠常見脫氮除磷處理工藝有:傳統AAO工藝、倒置AAO工藝、UCT工藝、Bardenpho工藝、VIP工藝,AAO+MBR、AAO+反硝化生物濾池等組合工藝[8]。本項目進水TN、TP高,用地面積緊張,無法采用二級脫氮,需全部在一級生物池完成。因此,選擇脫氮除磷效果好的改良型AAO+AO工藝。其特點是對5段Bardenpho工藝進一步改良,進水可分2點進入厭氧A池和缺氧A池,兩點流量可通過閘門靈活分配,經過兩級反硝化后的污泥回流至厭氧池,避免了富含的硝酸鹽對生物除磷產生不利影響,2點進水不僅保證厭氧池聚磷菌利用有機物充分釋磷,又能避免缺氧池碳源不足導致氮的去除率不高,如圖2所示。

圖2 生化處理工藝流程

3.3 深度處理工藝選擇

根據國內已建污水廠實際運行經驗,在正常運轉情況下,二沉池出水SS質量濃度難以穩定達到10 mg/L的要求值,且組成出水SS的主要成分是活性污泥絮體,其本身的有機成分較高,并含有一定比例的磷[9]。因此,二沉池后采用高效沉淀池,進一步去除SS及TP。

經過生化處理后的污水,可生物降解有機物已經消耗殆盡,針對難降解CODCr、不可降解可溶性CODCr,可選擇的技術包括臭氧催化氧化、芬頓氧化和活性炭吸附3種[10]。活性炭吸附需定期再生,芬頓氧化雖然去除效率高,但需調節pH,藥劑種類多,運行成本高。因此,本項目采用臭氧氧化塔,利用臭氧的氧化能力,將部分難生物降解物完全氧化為二氧化碳和水,保證出水CODCr穩定達標。

臭氧氧化塔長期運行池體易滋生生物泥,除定期排泥外,為保證SS達標,設置砂濾罐去除SS。

最后設置接觸消毒池去除細菌和病毒等微生物,保證回用,前端的臭氧氧化單元也能有效地降低消毒劑的投加量。

本項目深度處理工藝采用“高效沉淀池+臭氧催化塔+砂濾罐+接觸消毒”,高效沉淀池出水設置在線監測儀表,CODCr、SS均達標時,選擇超越路線2,直接消毒后排放。CODCr達標、SS不達標時,選擇超越路線1,經過濾、消毒后排放,如圖3所示。

圖3 深度處理工藝流程

4 主要處理單元及設計參數

4.1 預處理池

①粗細格柵(規模為6 000 m3/d,Kz=1.7)

粗格柵采用回轉式格柵除污機2臺,渠寬為800 mm,柵條間隙為15 mm,柵條寬為10 mm,柵前水深為0.4 m。細格柵采用回轉式格柵除污機2臺,渠寬為800 mm,柵條間隙為5 mm,柵條寬為10 mm,柵前水深為0.5 m。粗、細格柵池前后均設有2臺閘門在檢修時用,同時均配套無軸螺旋輸送壓榨機1臺。

②旋流沉砂池(規模為6 000 m3/d,Kz=1.7)

旋流沉砂器2套,單臺d=1 830 mm,攪拌器N=0.75 kW,采用壓縮空氣提砂,配套鼓風機Q=1.5 m3/min,風壓為34.3 kPa,配套不銹鋼砂水分離器1臺。

③調節池(規模為300、3 000 m3/d)

多元生物調節池:1座,設計規模為300 m3/d,兼作事故池,有效容積為150 m3,總停留時間為12 h,內設葉輪直徑為500 mm攪拌器1臺。設置潛水排污泵2臺(1用1備),Q=12.5 m3/h、H=13 m、N=1.1 kW,1臺變頻。

總調節池:1座,設計規模為3 000 m3/d,分2格,可單獨運行,有效容積為1 840 m3,總停留時間為14.7 h,內設葉輪直徑為500 mm攪拌器6臺。設置潛水排污泵3臺(2用1備),Q=63 m3/h、H=10 m、N=4 kW,2臺變頻。

4.2 綜合生物池(規模為3 000 m3/d)

①初設池

采用平流式初沉池,分2格,并聯運行,單格尺寸19 m×2 m×4.6 m,有效水深為3 m,設計表面負荷為3.2 m3/(m2·h),初沉污泥量為600 kg DS/d。每格設置1個污泥斗,設置2臺污泥泵(1用1備),污泥泵Q=3 m3/h、H=25 m、N=0.37 kW,將初沉污泥提升至污泥儲池。

②改良型AAO+AO池

生物池1座,分2格,半地下式,有效水深為6 m,有效池容為3 075 m3,總停留時間為24.6 h,其中厭氧區、缺氧區、好氧區、后缺氧區、后好氧區停留時間分別為2.0、7.5、10.0、3.2、1.9 h;污泥質量濃度為3 500 mg/L,污泥齡為14 d,需氧量為38.2 kg O2/h,平均氣水比為7.7∶1,TN負荷率為0.03 kg TN/(kg MLSS·d),BOD5污泥負荷為0.06 kg BOD5/(kg MLSS·d)。最大內回流比為300%,污泥回流比為50%～100%。鼓風機3臺(2用1備,1臺變頻),Q=8 m3/min、風壓為68.6 kPa、N=18.5 kW。根據工藝運行的脫氮需要,投加碳源乙酸鈉,以滿足生物脫氮要求,投加位置在生物池前缺氧區和后缺氧區,投加量為60 mg/L(按質量分數為25%液態乙酸鈉計)。

③二沉池

采用平流式二沉池分2格,并聯運行,單格尺寸為19.2 m×5.0 m×5.9 m。設計表面負荷為0.76 m3/(m2·h),有效水深為3 m,設計停留時間為4 h;設置泵吸式桁架吸泥機2套,每套配套3臺吸泥泵。

4.3 高效沉淀池(規模為3 000 m3/d)

本工程設計高效沉淀池1座,與中間提升泵房合建,中間提升泵3臺(2用1備),Q=65 m3/h、H=11 m、N=4 kW。混凝區:尺寸為1.5 m×1.5 m×4.45 m,有效水深為3.75 m,水力停留時間為5 min,設置混凝攪拌器1臺。絮凝區:尺寸為3.1 m×3.1 m×5.45 m,有效水深為4.75 m,水力停留時間為20 min,設置渦流絮凝攪拌器1臺。斜管沉淀池:尺寸為5.3 m×5.3 m×5.15 m,有效水深為4.75 m,水力停留時間為35 min,其中,斜管區面積為16.5 m2,斜管區平均表面負荷為7.58 m3/(m2·h),池底設直徑為5.3 m刮泥機1臺。除磷藥劑為液態三氯化鐵,投加量為25 mg/L。

4.4 臭氧氧化塔(規模為300、3 000 m3/d)

臭氧預氧化塔(多元生物廢水):設計流量為300 m3/d,臭氧投加量為60 mg/L,反應時間為1.2 h,罐體直徑為1.6 m,材質為316L。配套φ100鈦板曝氣盤5套,尾氣破壞器1套。

后段臭氧氧化塔:設計流量為3 000 m3/d,臭氧投加量為24 mg/L,反應時間為60 min,氧化塔采用搪瓷拼裝罐,罐體直徑為5 m,高度為9 m,有效容積為150 m3,配套催化劑為43 m3。應急反沖洗風機1臺,Q=16 m3/min,H=8 m,N=37 kW;臥式離心泵3臺(2用1備,2臺變頻),Q=89 m3/h、H=28 m、N=11 kW。同時配套高效臭氧溶氣裝置2臺、尾氣破壞器1套。

4.5 砂濾罐間(規模為3 000 m3/d)

砂濾罐間1座,房間尺寸為11 m×9 m×8.5 m。設重力式無閥過濾器4臺,單套流量為40 m3/h,濾速為8 m/h、平均反沖洗強度為15 L/(m2·s),沖洗時間為5 min,進水壓力≤0.15 MPa,出水壓力≤0.04 MPa。

4.6 接觸消毒池及出水泵房(規模為3 000 m3/d)

接觸消毒池1座,設計反應時間為30 min,出水泵房、生物指示池與接觸消毒池合建,尺寸12.7 m×8.8 m×4.7 m。標準型巴氏計量槽1套,Q=125 m3/h,喉道寬為152 mm,喉道長為305 mm,水頭為0.25 m,配套超聲波液位計。出水消毒采用次氯酸鈉,次氯酸鈉投加量為5 mg/L。

5 運行效果及分析

項目2020年10月份投產運行,2021年度實際進出水水質如表3所示。由表3中的數據可見,雖然進水水質波動較大,但系統處理效果很穩定,主要污染物CODCr、氨氮、TN、TP平均去除率分別為96.38%、99.59%、86.97%、98.70%,出水水質均優于設計標準。

表3 實際進出水水質

6 設計特點

本項目有以下特點:處理規模小,水質水量波動大;進水中工業廢水約占2/3,其中含有大量難降解污染物的多元生物廢水占總處理量10%,進水TN、TP高,TN去除全部在生物池完成;出水水質為“準Ⅳ類”,出水標準高;用地面積極為緊張。因此,工藝方案選擇有如下特點。污水廠平面布置如圖4所示。

圖4 污水廠平面布置圖

1)針對多元生物廢水,方案階段曾論證其與另2路污水混合一并處理的可行性,但考慮該路廢水量較大,且成分復雜還含有大量硫酸鹽、金屬離子等,混合后勢必會增大污水的處理難度,也不便于當該路進水超標后,及時關閉。最終確定將多元生物廢水分質處理。多元生物廢水預處理工藝常用有臭氧氧化與芬頓工藝,現場取樣進行小試,小試結果表明,兩種工藝對CODCr均很高效,芬頓工藝CODCr去除率略高。但考慮芬頓工藝所用藥劑種類多、藥劑儲運風險大、工藝操作難度大,最終選用臭氧氧化工藝,CODCr去除量與臭氧投加量之比為1∶4,反應時間為1.2 h。

2)針對本項目處理單元多,占地面積受限,綜合生物池采用方形池體,初沉池、二沉池均采用平流式池型,便于與生物池共壁建造。同時混合液回流、污泥回流均采用渠道輸送形式,減少了管道敷設,池體更集中緊湊。

3)改良型AAO+AO工藝采用厭氧池、缺氧池兩點進水,并可以通過閘門靈活分配兩點進水量,保證了聚磷菌與反硝化菌在各自適宜環境成為優勢菌群,運行結果表明,TN去除完全可在生物池解決,TN去除率可穩定在85%以上。本項目僅在后缺氧池投加少量碳源,節省了成本。生物池TP去除率在80%以上,發現前缺氧池有反硝化除磷現象,原因可能在厭氧/缺氧交替環境下,聚磷菌以硝態氮為電子受體進行了吸磷反應[11]。

4)本項目采用富氧氣源現場制備臭氧,將無油壓縮空氣經過冷干處理送入空分系統將氮氣和氧氣分離,將氧氣收集制備臭氧,制得的臭氧額定質量分數為4%～5%,略低于液氧源系統的6%～10%,但高于空氣源系統的1%～2%。綜合分析發現,現場制備臭氧前期設備費用雖比液氧源系統略大,5年以后前者減少的綜合運行成本已能抵消前期設備費的增加,長期運行前者反而更經濟。同時液氧站與周邊道路、建筑都有防火間距要求[12],廠區面積狹小,采用液氧源系統不利于廠區平面布置。

5)本項目高效沉淀池及臭氧氧化塔出水處各設置一組SS、COD在線監測儀表,與臭氧投加系統聯動,可實現臭氧的精準投加。同時,可根據高效沉淀池出水水質,選擇不同的超越路線。

6)前端投加臭氧,間接減少了接觸消毒池次氯酸鈉用量。兩種方式的聯合,可有效抑制尾水長距離輸送中細菌的滋生,保證了消毒效果。

7 結語

(1)工業園區中難降解工業廢水,應優先進行分質處理或有效預處理后再接入污水處理廠。

(2)改良型AAO+AO工藝脫氮除磷效果好,抗沖擊能力強,適用于占地面積較小,對脫氮除磷有較高要求的項目。

(3)深度處理單元是水質達標的關鍵,采用高效沉淀池+臭氧催化+砂濾+接觸消毒,出水穩定,運行成本較低,很適合于工業廢水占比高且含有較多難降解有機物,出水標準高的工業園區污水處理廠。

(4)本項目解決了長期存在的水環境污染問題,引入企業落戶促進了經濟的發展,高品質出水可用做城市雜用水、景觀補水等,有效地節約了水源,具有很好的社會效益、環境效益和經濟效益。