潘名賓，謝益佳，胡長青，張文俊，李 璐，陳燕波

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.山東晨鳴紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司，山東壽光 262705；3.湖北中錦環(huán)境有限公司，湖北黃岡 438000)

我國工業(yè)廢水排放主要集中在造紙、石化、煤炭、冶金、紡織、制藥、食品等行業(yè)。其中造紙及紙制品行業(yè)廢水排放量占工業(yè)廢水總排放量的16.4%[1]。我國一直以來都很重視造紙工業(yè)廢水的治理與水資源重復(fù)利用，2008年國家環(huán)保部發(fā)布了《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3544—2008)，對制漿造紙企業(yè)水污染物排放限值及污水外排水量限值提出了更嚴(yán)格的要求。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對造紙企業(yè)單位產(chǎn)品排水量為20 t/t產(chǎn)品，對制漿企業(yè)為50 t/t產(chǎn)品[2]。在新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求下，造紙企業(yè)工業(yè)用水重復(fù)利用率持續(xù)上升，據(jù)報(bào)道2015年我國造紙工業(yè)的水重復(fù)利用率已達(dá)75.5%[3]。膜分離技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)的廢水處理[4]，在我國近幾年來新建或改建的造紙廢水回用項(xiàng)目中，也得到了越來越多的應(yīng)用。但膜法技術(shù)在應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生濃縮水，濃縮水的一個(gè)典型特征是含鹽量高。鹽分對生化系統(tǒng)微生物會(huì)產(chǎn)生不利影響，其主要機(jī)理是鹽析作用致使微生物的脫氫酶活性降低，生物增長緩慢，產(chǎn)率系數(shù)低；鹽濃度升高時(shí)，水的滲透壓也會(huì)隨之升高，微生物細(xì)胞脫水引起細(xì)胞原生質(zhì)分離，從而導(dǎo)致微生物細(xì)胞破裂死亡[5]。一般情況下，高鹽廢水的有機(jī)物含量也很高，活性污泥經(jīng)過馴化可以不同程度適應(yīng)高鹽分廢水[6]。中水回用系統(tǒng)膜濃縮水含鹽量高，而有機(jī)物含量卻很低，生化性差，處理難度大，特別是較大規(guī)模的中水回用膜濃縮水處理，一直是一項(xiàng)技術(shù)難題。當(dāng)中水回用膜濃縮水量規(guī)模不大時(shí)，通常會(huì)排入城市污水處理廠合并處理；國內(nèi)部分垃圾填埋場膜系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水即是用罐車就近運(yùn)至城市污水廠處理[7]。當(dāng)膜濃縮水量規(guī)模大時(shí)，普通的污水處理廠難以接納處理。國內(nèi)外也有用蒸發(fā)法處理膜濾濃縮液的案例，但是蒸發(fā)法的能耗很高，如果沒有可利用的余熱，水量規(guī)模又較大時(shí)在經(jīng)濟(jì)上是不合適的[8-11]。湖北某工業(yè)園區(qū)污水廠接納的污水以膜濃縮水為主，水量規(guī)模為2.5萬m3/d，是國內(nèi)首座以處理膜濃縮水為主的集中式污水處理廠工程案例。

1 項(xiàng)目概況

湖北某工業(yè)園區(qū)集中式污水處理廠一期設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d，服務(wù)園區(qū)東南片區(qū)，面積約為5.59 km2，一期占地面積為0.699 4 km2，設(shè)計(jì)建設(shè)年限至2025年。園區(qū)內(nèi)近期引入了該市歷史上最大的單體項(xiàng)目，為某制漿造紙企業(yè)，項(xiàng)目總投資逾200億元，其中一期投資逾70億元。該制漿造紙項(xiàng)目用水量較大，污水經(jīng)處理后大部分廠內(nèi)回用，企業(yè)內(nèi)部采用的污水處理及中水回用主體工藝為：初沉-厭氧-好氧-二沉-芬頓-三沉-砂濾-超濾-反滲透-回用。其超濾及反滲透產(chǎn)生的濃縮水外排至工業(yè)園區(qū)集中式污水處理廠進(jìn)一步處理，外排水量約為2.5萬m3/d，工業(yè)園區(qū)集中式污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水量及水質(zhì)

園區(qū)集中式污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為3.0萬m3/d，由于園區(qū)內(nèi)暫無其他排污企業(yè)，實(shí)際每日進(jìn)水量即為前述制漿造紙企業(yè)中水回用系統(tǒng)外排水量，約為2.5萬m3/d。園區(qū)集中式污水廠與企業(yè)間簽訂了進(jìn)水水質(zhì)協(xié)議，約定了企業(yè)排放污水的水質(zhì)值，其主要污染物指標(biāo)如表1所示。

表1 造紙企業(yè)外排膜濃水水質(zhì)

污水廠其他納管企業(yè)規(guī)模為0.5萬m3/d，該部分水質(zhì)參照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中三級標(biāo)準(zhǔn)及《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 343—2010)確定，水質(zhì)值如表2所示。

表2 其他工業(yè)企業(yè)排水水質(zhì)

按水量加權(quán)平均計(jì)算表1、表2的水質(zhì)值，確定工業(yè)園集中式污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)值。出水水質(zhì)按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3所示，污水廠尾水排至長江。

表3 污水廠設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

3 污水處理工藝方案比選及設(shè)計(jì)

膜濃縮污水的特性是含鹽量高，可生化性差，通常應(yīng)以物化處理為主，但本項(xiàng)目有脫氮要求，有必要采用生化處理。因此，污水處理工藝方案應(yīng)包括生化脫氮處理及物化深度處理工藝單元。高含鹽量污水對活性污泥的微生物活性會(huì)有明顯的抑制作用，其主要機(jī)理為以下3個(gè)方面：(1)隨著鹽度的升高，活性污泥微生物的生長受到影響，其生長的適應(yīng)期變長，對數(shù)增長期的生長速度變慢，減速生長期的歷時(shí)變長；(2)鹽度加強(qiáng)了微生物的呼吸作用和細(xì)胞的溶胞作用；(3)鹽度降低了有機(jī)物的可生物降解性和可降解程度，使有機(jī)物的去除率和降解速率下降。本項(xiàng)目進(jìn)水CODCr及BOD5濃度均較低，屬于貧營養(yǎng)的高鹽廢水，國內(nèi)尚未見類似工程案例報(bào)道，相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對貧營養(yǎng)高鹽廢水的相關(guān)生化設(shè)計(jì)參數(shù)也未給出指導(dǎo)取值。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，前端企業(yè)尚未投產(chǎn)，無進(jìn)廠原污水進(jìn)行中試試驗(yàn)。同時(shí)，污水處理廠采用PPP模式建設(shè)運(yùn)行，PPP項(xiàng)目公司與上游排污企業(yè)簽有風(fēng)險(xiǎn)協(xié)議，需按期投產(chǎn)，也無工期可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。在此前提條件下，污水處理工藝設(shè)計(jì)的總體思路是長流程設(shè)計(jì)，短流程運(yùn)行，確保污水廠按期達(dá)標(biāo)投產(chǎn)。設(shè)計(jì)擬定了兩種工藝方案進(jìn)行比選，其中推薦工藝流程方案如圖1所示，對比方案工藝流程如圖2所示。

圖1 推薦方案污水處理工藝流程圖

圖2 對比方案污水處理工藝流程圖

在生物處理工藝段，推薦方案采用生物膜法，與比較方案的活性污泥法工藝相比，其在應(yīng)對貧營養(yǎng)的高鹽廢水處理上具有更好的適應(yīng)性。為防止高鹽濃度對硝化及反硝化系統(tǒng)運(yùn)行的影響，兩方案均設(shè)置脫氮備用運(yùn)行路線，可將脫氮功能前置，即可將進(jìn)中水回用系統(tǒng)前的污水先接入生物處理工藝段進(jìn)行脫氮處理，降氮后再行濃縮，確保總氮達(dá)標(biāo)。當(dāng)生物處理單元采用脫氮備用路線運(yùn)行時(shí)，推薦方案采取的是O3-曝氣生物濾池+Fenton兩級高級氧化，而比較方案僅為單級氧化，從對保障出水CODCr的可靠性上來看，推薦方案的保障性更高。Fenton工藝土建成本不高，其所需要的藥劑前端制漿造紙企業(yè)內(nèi)均可提供，藥劑運(yùn)輸具有很好的便利性。從工程投資角度比較，推薦方案工程費(fèi)用約為2.63億元，比較方案工程費(fèi)用約為2.41億元。雖然推薦工藝方案投資稍高，但其在出水水質(zhì)保障的可靠性上要高于比較工藝方案，在沒有條件進(jìn)行現(xiàn)場中試試驗(yàn)的前提下，設(shè)計(jì)最終采用的是圖1中的推薦污水處理工藝方案。

推薦工藝方案中調(diào)節(jié)池及沉淀池設(shè)置的目的是為應(yīng)對前端來水水量的不均勻性；臭氧-曝氣生物濾池系統(tǒng)用于去除COD；硝化及反硝化濾池設(shè)置的目的是去除氨氮及總氮；芬頓系統(tǒng)設(shè)置的目的是進(jìn)一步去除COD及總磷；活性炭吸附池用于最后的色度、COD的達(dá)標(biāo)保障。芬頓系統(tǒng)及活性炭系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際來水水質(zhì)靈活超越，節(jié)省運(yùn)行成本。

推薦工藝流程方案的平面布置圖如圖3所示。

注：①調(diào)節(jié)池兼沉淀池; ②臭氧反應(yīng)池; ③硝化-反硝化濾池; ④曝氣生物濾池; ⑤芬頓提升泵房; ⑥芬頓流化塔; ⑦芬頓反應(yīng)池;⑧芬頓沉淀池; ⑨活性炭吸附池; ⑩接觸消毒池及排江泵房; 活性炭再生車間; 芬頓加藥區(qū); 污泥脫水車間; 污泥濃縮池; 臭氧制備間; 液氧站; 鼓風(fēng)機(jī)房; 加藥間; 綜合樓; 機(jī)修間

4 主要構(gòu)筑物及工藝參數(shù)

污水廠水處理主要構(gòu)筑物10座，為調(diào)節(jié)池兼沉淀池、臭氧反應(yīng)池、硝化-反硝化濾池、曝氣生物濾池、芬頓提升泵房、芬頓流化塔、芬頓沉淀池、活性炭吸附池、消毒池及排江泵房。生產(chǎn)附屬構(gòu)筑物有活性炭再生車間、臭氧發(fā)生器車間、液氧站、加藥間、芬頓加藥區(qū)、鼓風(fēng)機(jī)房及變配電間等。污泥處理構(gòu)筑物有污泥濃縮池、平衡池、污泥板框脫水車間。污水處理構(gòu)筑物及主要的生產(chǎn)附屬構(gòu)筑物工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

4.1 調(diào)節(jié)池兼沉淀池

設(shè)1座，分2格，平面尺寸為A×B=126.2 m×20.8 m。前端調(diào)節(jié)池采用平流沉淀池池型，具有水量調(diào)節(jié)功能的同時(shí)，兼具沉淀功能。全池設(shè)泵吸式刮泥機(jī)1套。單套參數(shù)Lk=20.3 m，N=15 kW。調(diào)節(jié)池末端設(shè)提升泵房，共設(shè)臥式離心泵4臺(tái)，3用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=870 m3/h，H=13 m，N=37 kW。實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)池兼沉淀池對來水COD去除率約為8%，效果顯著。

4.2 臭氧反應(yīng)池

共設(shè)2座，單座有效容積V=695 m3，平面尺寸L×B=20.9 m×12.20 m，有效水深為6.0 m，接觸時(shí)間T=62 min。臭氧設(shè)兩級投加系統(tǒng)，設(shè)計(jì)平均投加量為40 mg/L；最大投加量為50 mg/L。第一級臭氧接觸氧化時(shí)間t1=38 min；第二級臭氧接觸氧化時(shí)間t2=24 min。接觸池上部設(shè)尾氣破壞裝置，尾氣破壞裝置總功率N=2.45 kW。

4.3 硝化-反硝化濾池

設(shè)1座，平面尺寸為96.51 m×33.08 m。采用上向流輕質(zhì)濾料濾池形式。硝化濾池設(shè)6格，單格面積S=108 m2，濾料深度H=3.5 m，設(shè)計(jì)正常濾速V=5.1 m/h，強(qiáng)制濾速V=6.1 m/h，濾料區(qū)空床停留時(shí)間T=45 min。硝化濾池后設(shè)內(nèi)回流泵及反硝化濾池進(jìn)水提升泵，硝化濾池內(nèi)回流泵及反硝化濾池進(jìn)水提升泵各設(shè)4臺(tái)，單臺(tái)參數(shù)：Q=870 m3/h，H=8 m，N=37 kW，變頻。正常運(yùn)行時(shí)2用2備，當(dāng)采用備用路線運(yùn)行，即處理中水回用系統(tǒng)前污水時(shí)3用1備。反硝化濾池設(shè)8格，單格面積S=108 m2，濾料深度H=3.5 m，設(shè)計(jì)正常濾速V=1.6 m/h，強(qiáng)制濾速V=1.8 m/h，濾料區(qū)空床停留時(shí)間T=131 min。正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)4格，采用備用路線運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)8格。濾池下部設(shè)置廢水池，有效容積V=1 330 m3，池內(nèi)設(shè)水泵2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=321 m3/h，H=8.0 m，N=30 kW。

4.4 曝氣生物濾池

設(shè)1座，分6格，單格平面尺寸為8.0 m×5.4 m，與濾池合建有反沖洗泵房。反沖洗泵房內(nèi)設(shè)離心水泵3臺(tái)，2用1備，2臺(tái)變頻，單臺(tái)參數(shù)：Q=436 m3/h，H=10 m，N=22 kW。反沖洗羅茨鼓風(fēng)機(jī)設(shè)2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=36 m3/min，H=6.0 m，N=55 kW。曝氣羅茨鼓風(fēng)機(jī)設(shè)3臺(tái)，Q=15 m3/min，H=6.0 m，N=30 kW。鼓風(fēng)機(jī)房底部設(shè)反沖洗集水池，集水池內(nèi)設(shè)潛污泵2臺(tái)，單臺(tái)參數(shù):Q=150 m3/h，H=7.5 m，N=5.5 kW。

4.5 芬頓提升泵房

設(shè)1座，平面尺寸為21.0 m×12.8 m，提升泵房前端設(shè)集水池，集水池分2格，可單獨(dú)運(yùn)行。泵房內(nèi)設(shè)臥式離心泵3臺(tái)，2用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=730 m3/h，H=15 m，N=45 kW。

4.6 芬頓流化塔

芬頓流化塔共設(shè)3個(gè)，單個(gè)塔高為12.9 m，直徑φ=3.85 m，材質(zhì)為316L，內(nèi)襯玻璃鋼防腐。單塔處理能力為1.0萬m3/d。芬頓流化塔的進(jìn)水總管上投加濃硫酸，芬頓流化塔內(nèi)投加硫酸亞鐵及雙氧水，藥劑與來水在塔內(nèi)充分混合反應(yīng)。每個(gè)芬頓反應(yīng)塔旁設(shè)4臺(tái)臥式離心泵，2用2備，用于反應(yīng)塔內(nèi)部的循環(huán)、流化，整個(gè)芬頓反應(yīng)塔共設(shè)置12臺(tái)循環(huán)流化泵，單臺(tái)泵參數(shù)：Q=300 m3/h，H=18 m，N=30 kW，循環(huán)泵材質(zhì)為雙相不銹鋼。

4.7 芬頓反應(yīng)池

設(shè)1座，平面尺寸為25.1 m×23.9 m，池總高H=7.0 m，有效水深為6.5 m，共分2格，單格有效容積為1 450 m3，總停留時(shí)間為115 min，其中芬頓反應(yīng)時(shí)間為92 min。末端設(shè)置為中和反應(yīng)區(qū)，投加液堿，停留時(shí)間為23 min。反應(yīng)池底部設(shè)有穿孔曝氣管，鼓風(fēng)曝氣攪拌。

4.8 芬頓沉淀池

設(shè)2座，采用中進(jìn)周出輻流式沉淀池池型，平面尺寸φ=32.90 m，H=4.00～6.50 m。沉淀池前設(shè)絮凝池1座，絮凝池內(nèi)設(shè)慢速攪拌反應(yīng)器，絮凝池內(nèi)投加PAM，PAM投加量3～5 mg/L。

4.9 活性炭吸附池

活性炭吸附在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用的難點(diǎn)問題是吸附飽和后的更換與再生問題，本項(xiàng)目采用的活性炭吸附池型從新活性炭的投加、運(yùn)行過程中的反洗、飽和后的提取、飽和炭的脫水、再生與新炭儲(chǔ)存均實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化，解決了活性炭吸附工藝在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用的操作瓶頸。活性炭吸附池全過程可機(jī)械化運(yùn)行，僅1人操作值守即可。

活性炭吸附池設(shè)1座，平面尺寸為65.7 m×15.5 m，H=7.8 m。吸附池分10組，每組包括8個(gè)吸附單元，每單元安裝1套PP材質(zhì)XF3000-78型吸附器，共80套。吸附器下部為60°八棱倒錐，每單元裝活性炭32 m3，全池共裝活性炭1 280 t。吸附池頂部設(shè)電動(dòng)平車1臺(tái)，規(guī)格為8 700 mm×3 200 mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)N=2×0.25 kW?；钚蕴课匠貎?nèi)的活性炭利用電動(dòng)平車及吸附器可實(shí)現(xiàn)活性炭的機(jī)械投加及飽和活性炭的機(jī)械提出。

4.10 接觸消毒池及排江泵房

設(shè)1座，平面尺寸為22.8 m×11.0 m，H=4.75 m。接觸消毒池分為獨(dú)立的2格，消毒采用二氧化氯消毒，二氧化氯設(shè)計(jì)投加量為7 mg/L，出水混合后經(jīng)巴氏計(jì)量渠進(jìn)入排江泵房。巴氏計(jì)量槽侯寬B=0.3 m，泵房內(nèi)設(shè)潛污泵3臺(tái)，2用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=625 m3/h，H=11 m，P=37 kW。

4.11 活性炭再生車間

設(shè)1座，平面尺寸為41.3 m×9.5 m，再生車間內(nèi)有內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)再生爐、冷卻機(jī)、洗氣塔、引風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備。再生爐活性炭再生能力為12 t/d，直徑D=1.8 m，L=16.7 m?；钚蕴吭偕囬g外設(shè)飽和炭料倉及再生炭料倉各1個(gè)，料倉容積V=75 m3，直徑D=4.0 m，高H=5.0 m。

4.12 芬頓加藥區(qū)

由濃硫酸加藥系統(tǒng)、氫氧化鈉加藥系統(tǒng)及雙氧水加藥系統(tǒng)組成。

濃硫酸儲(chǔ)罐設(shè)1個(gè)，儲(chǔ)存濃度為98%的濃硫酸，儲(chǔ)罐容積V=60 m3，采用玻璃鋼材質(zhì)。配套安裝濃硫酸投加泵2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)投加泵參數(shù)：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設(shè)置濃硫酸卸料泵1臺(tái)，參數(shù)：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

氫氧化鈉儲(chǔ)罐設(shè)1個(gè)，儲(chǔ)罐容積V=60 m3，采用316L不銹鋼材質(zhì)。儲(chǔ)罐邊設(shè)氫氧化鈉投加泵位2臺(tái)，1用1備。單臺(tái)投加泵參數(shù)：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設(shè)置氫氧化鈉卸料泵1臺(tái)，參數(shù)：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

雙氧水儲(chǔ)罐設(shè)1個(gè)，儲(chǔ)罐容積V=60 m3；采用316L材質(zhì)。儲(chǔ)罐邊設(shè)雙氧水投加泵位2臺(tái)，1用1備。單臺(tái)投加泵參數(shù)：Q=5 m3/h，H=40 m，N=4.0 kW。配套設(shè)置雙氧水卸料泵1臺(tái)，參數(shù)：Q=35 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW。

儲(chǔ)罐外設(shè)圍堰防火堤，堤高為1.5 m，內(nèi)用玻璃布及高分子涂料防腐。

5 工程投資

本項(xiàng)目工程直接費(fèi)用為26 337萬元，折合噸水投資為8 779元/m3。污水廠日常運(yùn)行經(jīng)營成本約3.42元/m3。

6 運(yùn)行效果分析

項(xiàng)目于2019年10月建成通水，運(yùn)行1年多來出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，表觀效果優(yōu)越，實(shí)際出水CODCr≤40 mg/L，色度≤15度。污水廠2020年6月—12月進(jìn)水水量約為2.3萬m3/d，進(jìn)、出水月均水質(zhì)值如表4所示。項(xiàng)目單位污水處理電耗指標(biāo)為0.83 kW·h/m3。日常運(yùn)行投加的藥劑主要為芬頓反應(yīng)藥劑，各藥劑投加量如下：濃硫酸(98酸)320 mg/L、氫氧化鈉(30%成品)320 mg/L、雙氧水(27%液體)200 mg/L、FeSO4·7H2O(固體)200 mg/L。

表4 污水廠實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)情況

7 結(jié)論

(1)造紙廢水膜法中水回用產(chǎn)生的濃縮水生化性差，含鹽量高，采用臭氧-硝化反硝化生物濾池-曝氣生物濾池-芬頓-活性炭吸附工藝流程可以將本項(xiàng)目中水回用膜濃縮水穩(wěn)定處理至達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，出水表觀效果好，實(shí)際運(yùn)行出水CODCr≤40 mg/L，色度≤15度。

(2)活性炭吸附用于難降解工業(yè)污水處理時(shí)，宜采用可機(jī)械化運(yùn)行的池型及成套設(shè)備，有利于減少生產(chǎn)運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。