洋口港臨港工業(yè)區(qū)污水廠改造工程設(shè)計及運行效果分析

沈孝輝，蔣永偉，郭方崢，張麗珍

(1.江蘇省環(huán)科院環(huán)境科技有限責任公司，江蘇南京 210036；2.江蘇省環(huán)保集團有限公司，江蘇南京 210036)

江蘇省化工企業(yè)眾多，現(xiàn)有化工園區(qū)(集中區(qū))53家，年產(chǎn)值2萬多億，帶來巨大經(jīng)濟利益的同時也帶來了巨大的安全環(huán)保問題。根據(jù)《江蘇省化工產(chǎn)業(yè)安全環(huán)保整治提升方案》(蘇辦〔2019〕96號)與《江蘇省化工園區(qū)(集中區(qū))環(huán)境治理工程實施意見》(蘇政辦發(fā)〔2019〕15號)文件要求，提出徹底整治關(guān)閉高污染落后化工產(chǎn)能，減少污染物排放量及環(huán)境風(fēng)險，推動化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，由于企業(yè)關(guān)閉，廢水量減少，造成廢水處理設(shè)施出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。此外，部分園區(qū)(集中區(qū))污水處理按照市政污水處理工藝及管理模式實施，未考慮到化工廢水特征，致使污水出水難以達標。同時，針對化工廢水，江蘇省頒布了《化工工業(yè)主要水污水染排放標準》(DB 32/939—2020)，對于集中處理污水廠出水提出更高的要求。因此，很多化工園區(qū)(集中區(qū))污水廠存在提標改造的需求。

1 項目背景

洋口港臨港工業(yè)區(qū)位于南通如東，該工業(yè)園區(qū)一期主要以大型石化和化工產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，園區(qū)污水實行“企業(yè)預(yù)處理+園區(qū)污水廠集中處理”的模式。園區(qū)已于2014年完成3萬m3/d污水廠建設(shè)，但是由于園區(qū)入駐企業(yè)的變化，園區(qū)預(yù)測未來5年內(nèi)，實際水量僅有0.4萬～0.5萬m3/d，污水廠設(shè)計處理規(guī)模與實際廢水量嚴重不匹配。同時，園區(qū)企業(yè)以化工企業(yè)為主，且大多為中小化工企業(yè)，企業(yè)自備預(yù)處理設(shè)施處理效果不佳，廢水水量水質(zhì)波動較大，接管廢水中含有各種有毒抑制因子如苯酚類、苯胺類、氯苯類等物質(zhì)。此外，鹽分大量接納對廢水生化處理也有較大的負面影響。污水廠原設(shè)計進出水水質(zhì)如表1所示。最后，本項目污水處理廠原設(shè)計工藝是按照市政污水處理工藝類推(圖1)，而園區(qū)主要廢水為化工廢水，無法滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)表1一級A排放標準和江蘇省《化學(xué)工業(yè)主要水污染物排放標準》(DB 32/939—2020)一級排放標準?；谝陨显颍鬯畯S提標改造迫在眉睫。

表1 污水廠原設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent of WWTP

圖1 污水廠原工藝流程圖Fig.1 Original Process Flow Chart of WWTP

2 設(shè)計難點及改造思路

園區(qū)現(xiàn)階段排放廢水企業(yè)約11家，涉及精細化工、新材料等，產(chǎn)品涵蓋聚丙烯酰胺、丙烯酰胺、水性樹脂類、高固組分涂料樹脂、甲基庚烯酮、多佐胺、突厥酮、噻吩磺酰胺、精己二酸、己二酸檸檬酸、對甲酚、胺類和酚類抗氧化劑等。同時，還有少量廠區(qū)生活污水，廢水中含有多種難生物降解物質(zhì)，水質(zhì)復(fù)雜，特征有機污染物眾多，對污水處理廠微生物具有很強的抑制及殺滅作用，廢水的B/C極低，可生化性極差。

針對園區(qū)廢水特點及污水廠現(xiàn)狀，本次改造主要思路如下。

(1)“廠網(wǎng)”綜合考慮，源頭控制污染物產(chǎn)生。排水企業(yè)實現(xiàn)“一企一管”，錯時排放，增加企業(yè)排水在線監(jiān)測設(shè)備；制定廢水接管標準(表2)，特別是特征污染物，有效控制進水污染物濃度，降低對污水廠水質(zhì)沖擊。

表2 污水廠廢水接管和排放標準Tab.2 Standard for Wastewater Reception and Effluent of WWTP

(2)改造污水一條生產(chǎn)線，使其滿足現(xiàn)狀處理水量要求。

(3)強化生化處理單元。化工園區(qū)集中廢水進行生化處理時，相應(yīng)的停留時間等參數(shù)均應(yīng)大于常規(guī)的市政污水處理設(shè)計參數(shù)。同時，必須考慮生化系統(tǒng)低碳工況下運行。因此，本次改造生化池投加粉末活性炭，形成生物活性炭工藝(powdered activated carbon treatment，PACT)，強化生化單元處理效果，防止活性污泥流失。

(4)新增“臭氧催化氧化+BAF”深度處理單元，去除難降解有機物，實現(xiàn)廢水穩(wěn)定達標排放。

3 工藝設(shè)計

項目土建施工按照3.0萬m3/d的設(shè)計規(guī)模建成，分為2組生產(chǎn)線。根據(jù)實際廢水來水情況，本次污水站改造規(guī)模為0.5萬m3/d，對其中1組生產(chǎn)線改造，另1組備用。針對化工廢水，本次改造強化廢水生化段處理，新增水解酸化池生物填料，提高處理效果，同時向AO池添加粉末活性炭，形成AO生物活性炭工藝。增加“臭氧催化氧化+曝氣生物濾池”深度處理工藝，確保污水廠達標排放。改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 污水廠改造后工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of WWTP after Reconstruction

3.1 企業(yè)排水

園區(qū)化工企業(yè)排水實行“一企一管”，固定時間段排水，企業(yè)設(shè)置尾水排放池，設(shè)置在線監(jiān)控設(shè)備(包括流量計、COD在線監(jiān)測儀、電導(dǎo)率儀等)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。嚴格執(zhí)行廢水接管標準，監(jiān)控企業(yè)來水情況。要求企業(yè)嚴格按照規(guī)范執(zhí)行廢水的收集與預(yù)處理并強化污水處理廠處理效果，設(shè)計應(yīng)急處理機制，確保污水廠正常運行和達標排放。此外，園區(qū)還需嚴格控制企業(yè)準入條件，不建議污染嚴重、廢水處理難度大、產(chǎn)能落后企業(yè)入園，降低污水廠正常運行風(fēng)險。

3.2 預(yù)處理單元

本次改造，預(yù)處理單元充分利用原有處理構(gòu)筑物，采用“粗格柵/提升泵+調(diào)節(jié)池+初沉池+水解酸化”工藝。其中，粗格柵利舊，更換原有提升泵，提升泵按照水量0.5萬m3/d規(guī)模配置(Q=105 m3/h，H=12 m，N=5.5 kW，2用1備)。本項目主要處理化工廢水，理論上調(diào)節(jié)池越大越好，本次改造使用原有調(diào)節(jié)池，調(diào)整后調(diào)節(jié)池停留時間增大至33.5 h，滿足水質(zhì)水量調(diào)節(jié)；初沉池只使用1組，按照0.5萬m3/d實際處理水量設(shè)計，停留時間為8.7 h，表面負荷為0.46 m3/(m2·h)，滿足使用要求。

本項目來水可生化性差，屬于難降解有機廢水，因此，需要水解酸化提高廢水可生化性。難降解的大分子污染物降解為小分子易于降解的污染物，提高B/C，增強后續(xù)好氧工段處理效果。在化工園區(qū)難降解廢水的處理中，停留時間一般為11～24 h[2-4]。因此，本次改造利用現(xiàn)有一組水解酸化池，有效停留時間為25.3 h，能夠滿足使用要求。但由于本項目來水存在一定毒性，污泥培養(yǎng)困難，存在污泥流失可能性，影響水解酸化工藝單元處理效果。因此，本次改造新增組合填料，填料裝填高度為2.5 m，增加了水解酸化池生物量，提高處理效果[5]。改造過程中將水解酸化池最后一格改為沉淀單元，沉淀污泥回流到水解池前端，維持水解酸化工藝段生物量。

3.3 生化處理單元

本項目來水可生化性差，屬于難降解有機廢水，同時有脫氮要求，所以生化處理單元采用AO生物活性炭工藝。主要通過在生物反應(yīng)池中投加粉末活性炭，通過微生物和生物活性炭聯(lián)合作用，強化微生物對污染物的降解過程。該工藝主要作用機理是活性炭巨大表面積和吸附作用，為微生物代謝活動營造良好的微環(huán)境，增加難降解有機物與微生物接觸時間[6]。研究表明，PACT工藝具有較好的生物強化作用，能提高生化系統(tǒng)有機物去除率，特別是對難降解有機物的去除，能夠改善污泥沉淀性能，提高AO工藝10%以上COD去除率，改造相對容易等[7-8]。因此，本次AO池改造，新增1套粉末活性炭投加系統(tǒng)，以提高難降解化工廢水去處理效率。

本項目AO池為廊道結(jié)構(gòu)，只能實現(xiàn)單座運行，處理0.5萬m3/d廢水，實際停留時間為41.8 h，停留時間過長。因此，考慮將單座AO池再分割成兩組，通過砌墻隔斷和安裝閘門，實現(xiàn)單組運行，無需其他管道改造，改造后有效停留時間為20.9 h(其中A段3.8 h，O段17.1 h)。此外，生化池中增設(shè)粉末活性炭投加裝置，粉末活性炭投加量為50～100 mg/L，將AO工藝改為AO生物活性炭工藝。AO池改造情況如圖3所示。

圖3 AO池改造示意圖Fig.3 Diagram of AO Pool Reconstruction

使用原有1組二沉池，表面負荷為0.26 m3/(m2·h)，污泥回流比為50%～100%，更換污泥回流泵(2臺，1用1備，Q=200 m3/h，H=6 m，N=5.5 kW)和剩余污泥泵(2臺，1用1備，Q=100 m3/h，H=8 m，N=7.5 kW)。

3.4 深度處理單元

生化出水CODCr難以達到排放標準，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果與實際工程應(yīng)用經(jīng)驗，本次深度處理工藝改為“混凝沉淀+臭氧催化氧化+BAF+纖維轉(zhuǎn)盤濾池”。改造后主要工藝運行參數(shù)如表3所示。

表3 改造后主要工藝運行參數(shù)Tab.3 Main Parameters of Engineering Design after Reconstruction

原有混凝反應(yīng)沉淀池保留，但只使用1組，其中反應(yīng)區(qū)尺寸為4.1 m×4.1 m×5.5 m(共3格)，停留時間為1.2 h，沉淀區(qū)尺寸為18.35 m×17.5 m×5.5 m，停留時間為7.7 h，表面負荷為0.65 m3/(m2·h)，可以滿足使用要求。

臭氧催化氧化池由原普通快濾池改造而來，將其中3組濾池改為臭氧催化單元，其中2組池體改為脫氣單元，增設(shè)臭氧曝氣盤，原有石英砂更換為臭氧催化填料，增加池體混凝土頂蓋。催化氧化池接觸時間為1.5 h，脫氣時間為1.0 h，催化填料高度為1.0 m，臭氧投加量為30 mg/L。采用曝氣盤投加，新建臭氧發(fā)生間1座，新增空氣源臭氧發(fā)生器1套，臭氧產(chǎn)量為8 kg/h。本次改造使用臭氧催化氧化工藝，可以提高臭氧羥基自由基(·OH)生成速率，間接氧化水中難降解有機物，其中催化填料使用專利技術(shù)，催化填料骨架為陶瓷填料，含Ti、W、Mn、Cu臭氧氧化催化劑，氧化劑穩(wěn)定性強，處理效果良好，可以提升50%以上臭氧氧化效率，基本不失效。

新增BAF位于臭氧催化氧化池東側(cè)，尺寸規(guī)格為14.0 m×16.0 m×7.45 m，有效深度為6.45 m，1座(6組)，有效停留時間為2.6 h。采用粒徑為4～6 mm球形輕質(zhì)多孔生物濾料，裝填高度為3.5 m，采用“氣洗+氣水洗+水洗”反洗，反洗周期為24～48 h。“臭氧催化氧化+BAF”組合作為深度處理單元，首先臭氧催化單元一方面去除有機物，另一方面提高有機物可生化性，然后利用BAF工藝占地面積小、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，不但可有效去除廢水中難降解污染物，還可以降低工藝運行成本[9-11]。

BAF出水SS不能達到10 mg/L的標準，因此，BAF之后設(shè)置濾池進一步去除SS，確保達標。本次改造新建纖維轉(zhuǎn)盤濾池，濾池尺寸為8.0 m×8.0 m×3.0 m，1座，設(shè)計濾速為6 m/s。原有消毒池保留，停留時間為5.0 h，可滿足使用要求，設(shè)備按照0.5萬m3/d處理規(guī)模配置。

4 水質(zhì)達標分析

本項目于2015年12月完成改造并投入使用，但由于園區(qū)入駐企業(yè)不足，污水廠水量不足，無法滿負荷運行，2016年1月—2019年12月污水廠進水水量如圖4所示。污水廠改造完成后，來水不足，污水廠長期處于低負荷運行，運行費用較高，處理直接成本為6～10元/m3。2019年3月份開始，污水廠進水量穩(wěn)定在3 000 m3/d以上，2019年3月—12月，污水月均處理量達到設(shè)計規(guī)模75%以上。因此，本次運行效果分析采用2019年3月—12月的數(shù)據(jù)。

圖4 2016年1月—2019年12月平均月進水量Fig.4 Average Monthly Inflow of WWTP during January 2016 to December 2019

如圖5、圖6所示，污水廠進水CODCr含量在250～300 mg/L，經(jīng)過生化系統(tǒng)處理后，出水基本穩(wěn)定在120 mg/L左右，CODCr總?cè)コ守暙I值在50%～60%，說明“水解酸化+AO(PACT)”工藝能夠高效、低成本地去除水中絕大部分有機物?；炷恋砉に嚩稳コ鼵ODCr量在20～40 mg/L，CODCr總?cè)コ守暙I值在10%～20%，說明生化池出水中含較多懸浮物，而本次改造，沉淀池表面負荷為0.46 m3/(m2·h)，遠小于正常取值。這可能一部分由于改造后，生化池停留時間較長，延時曝氣使得活性污泥自養(yǎng)化解絮，另一部分可能是因為本項目進水為化工廢水，含有毒苯酚、氯苯等物質(zhì)，使得部分活性污泥死亡解絮?！俺粞醮呋趸?BAF”深度處理工藝去除效率不穩(wěn)定，去除CODCr量在30～50 mg/L，CODCr總?cè)コ守暙I值在13%～20%，這可能是廢水含鹽量高，正常進水約3 000～4 500 mg/L。經(jīng)過4年多運行，致使催化填料部分失效，無法產(chǎn)生大量·OH，而O3對有機物分解具有選擇性，致使無法將部分高分子有機物降解成小分子有機物，BAF無法降解這些高分子有機物，使得出水CODCr波動。經(jīng)過深度處理工藝后，排放水池出水CODCr含量在40 mg/L左右，能夠保證出水達標。

圖5 污水廠CODCr的變化Fig.5 Variation of CODCr in WWTP

圖6 各工藝段CODCr總?cè)コ暙I率Fig.6 Contribution Rate of CODCr Removal in Each Process

對TP的去除效果如圖7所示。由圖7可知，污水廠進水TP為2.5～3.5 mg/L，出水TP含量基本維持在0.3 mg/L以下，系統(tǒng)總?cè)コ蕿?0%以上。其中。TP去除主要依靠生化系統(tǒng)聚磷菌和混凝沉淀化學(xué)除磷，生化系統(tǒng)TP去除率為50%～70%，去除效果較好，化學(xué)除磷作為生化除磷的補充，進一步去除剩余磷酸鹽，對TP的去除率為60%～85%。

圖7 污水廠TP的變化Fig.7 Variation of TP in WWTP

如圖8、圖9所示,本項目平均進水TN含量16 mg/L左右，進水氨氮含量14 mg/L左右，出水TN含量平均7.25 mg/L，氨氮含量平均0.93 mg/L左右，能夠穩(wěn)定達標排放，其中主要依靠生化系統(tǒng)的硝化與反硝化去除TN和氨氮，生化段氨氮去除率80%左右，去除效果較好。

圖8 污水廠氨氮變化Fig.8 Variation of Ammonia Nitrogen in WWTP

圖9 污水廠TN變化Fig.9 Variation of TN in WWTP

5 運行成本核算

污水廠直接運行成本包括電費、藥劑費、污泥處置費和人工費用等，本次改造后直接運行成本如表4所示。

運行藥劑中，粉末活性炭和營養(yǎng)藥劑不定期投加，PAC和陰離子PAM主要用于混凝沉淀，陽離子PAM主要用于污泥調(diào)質(zhì)。由表4可知，污水廠主要運行成本為電耗和人工費用，分別占總運行成本59.1%和27.9%，直接運行成本為4.162元/m3(不含大修、折舊費用)。

表4 運行成本分析Tab.4 Analysis of Operation Cost

6 結(jié)論與改進

本項目利用原3萬m3/d污水廠改造，充分利用原有構(gòu)筑物，改造后設(shè)計處理0.5萬m3/d化工廢水，處理工藝“初沉池+水解酸化+AO(PACT工藝)+混凝反應(yīng)沉淀+臭氧催化氧化+BAF+纖維轉(zhuǎn)盤”。經(jīng)過4年多運行，出水水質(zhì)可以穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)表1一級A排放標準和江蘇省《化學(xué)工業(yè)主要水污染物排放標準》(DB 32/939—2020)一級排放標準，可以為類似化工園區(qū)污水處理廠改造提供借鑒與參考。

雖然目前污水廠實現(xiàn)穩(wěn)定達標排放，但在實際運行過程中，仍然存在以下需要改進和不足之處。

(1)污水廠在實際運行過程中未監(jiān)測企業(yè)來水特征污染物和有毒污染物。由于排水化工企業(yè)廢水中污染物成分復(fù)雜，且企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的變化，引起排放廢水中特征污染物和有毒污染物變化較大，給監(jiān)測帶來困難。建議園區(qū)制定企業(yè)廢水分質(zhì)收費，對有毒有害難降解污染物廢水，需要經(jīng)過高級氧化預(yù)處理后排放至污水廠。

(2)運行費用過高?，F(xiàn)階段污水廠直接運行費用高于預(yù)期處理成本，主要原因：一方面實際進水量未達到設(shè)計規(guī)模，能耗較高；另一方面部分工藝段運行負荷較高，增加運行成本，如深度處理單元中臭氧催化氧化臭氧實際投加量約為60 mg/L，為原設(shè)計2倍。

(3)實際進水還未達到設(shè)計規(guī)模，滿負荷運行效果有待考察。本項目核心生化單元的停留時間較長，其滿負荷實際運行效果有待考察。AO為原有改建，停留時間長，長時間曝氣后，污泥濃度不高，在投加粉末活性炭后，MLSS一般為1 500～2 000 mg/L，實際產(chǎn)生的剩余污泥量不多。