武汉市某开发区工业废水处理厂一期, 设计处理废水能力为5万m³/d, 出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准, 主要废水为该开发区内的纺织服装、建材、造纸、化工 (生物) 、食品、电力和钢铁机械等工业企业的废水, 同时包括区域内生活污水。尾水排放至长江中游, 属污染减排重点控制区域。

该厂提标改造工程, 要求出水水质提高至《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, 本文通过对现状工艺、水质水量情况调查分析, 在工程用地紧张的条件下, 对可能的方案进行评价预测, 最终比选确定技术可行性、可操作性强的废水处理提标改造工艺。

该厂现状进出水水质具有如下特点: (1) 工业废水量较大, 存在较难降解的有机物, 偶有色度 (10~20倍) ; (2) 本工程进水平均BOD₅/COD=0.27<0.3, 废水可生化性较差, 本工程C/N=3.4较低, 碳源明显不足; (3) BOD₅、COD、SS、NH₃-N、TP、TN在现有工艺和运行水量的基础上, 平均值可以达到GB 18918-2002一级B标准, 无法满足一级A标准。该厂2014~2015年废水主要进出水水质情况如表1所示。

本厂运行至2015年底, 废水量约为3万m³/d, 工业废水约占50%。随着该开发区不断发展, 进水中工业废水的比例呈逐年上升趋势, 进水水量不同时段的波动性较大。根据实测数据, 2016年底, 废水处理量已增加到4万m³/d。2014年11月~2015年11月该厂月平均水量走势如图1所示。

本废水处理厂现有主体工艺为水解酸化+倒置A²/O氧化沟+消毒, 工艺流程如图2所示。

(1) 现状工艺采用水解酸化池, 停留时间9h, 能够起到对水质水量的均化调节作用, 同时将难降解大分子有机物一定程度上分解成为小分子有机物, 便于后续生化处理, 是强化预处理的重要工艺环节。

(2) 一期工程的生化处理工艺采用倒置A²/O氧化沟, 总水力停留时间达到16h, 其中厌氧区1.5h, 缺氧区2.5h, 好氧区12h, 充分的回流和曝气起到明显的降解COD、总氮和氨氮的效果。但是由于进水BOD₅偏低, 废水碳源不足, 可生化性不够稳定。

(3) 目前系统出水为二沉池出水, 后续无过滤装置, 出水SS偏高, 能够达到一级B标准, 无法达到一级A标准。

(4) 一期工程采用化学加药强化去除TP, 出水TP能够达到一级B标准。

为了能够达到较好的提标改造运行效果, 本工程采用强化二级处理措施与深度处理措施联用, 以达到处理目的。

本工程根据现状工艺特点进行针对性改造设计, 充分挖掘现状工艺潜力, 提高二级出水水质, 以减轻后续深度处理的难度。强化措施主要是针对废水处理工艺的短板和缺口进行改造。

该废水处理厂已设计水解酸化池, 且生化处理工艺采用倒置A²/O氧化沟, 总的水力停留时间达到16h, 再加上充分的回流和曝气, 能够起到明显的降解COD、总氮和氨氮的效果。针对原本生化性不稳定的问题通过投加碳源装置, 为生物池投加必要的碳源, 以达到强化生物处理的目的。一期工程已采用化学除磷装置, 可以到达控制总磷指标的目的, 同时将除磷加药管引至深度处理构筑物, 必要时进行投加, 增加除磷的保证率。因此, 强化二级处理措施主要为生物池投加碳源和改造除磷加药设施。

通过强化二级处理措施可提高二级出水水质, 但是仍需增加深度处理措施, 才能保证出水水质要求。

常用的深度处理措施有:设置微絮凝过滤、接触过滤或直接过滤单元、设置反硝化处理单元、设置混凝沉淀+过滤组合单元等, 各种措施都有其适应性及特点。

(1) 若二级出水水质已相对良好, 各项水质接近一级A标准, TP基本达标而SS不稳定时, 可设置微絮凝过滤 (混凝+过滤) 、接触过滤 (混合+过滤) 或直接过滤等过滤单元。但本工程BOD₅、COD、NH₃-N、TN都存在一定处理难度, SS去除压力依然较大, 对于出水水质无法达到稳定的控制, 由此可见, 该工艺并不适用于本工程。

(2) 反硝化处理单元, 更适宜二级强化处理出水NH₃-N及TN指标偏高的情况, 在处理构筑物前补充必要的外加碳源, 处理构筑物相对复杂, 投资成本高, 也并不适合本工程的水质特点。

(3) 混凝沉淀+过滤组合单元, 适用于二级强化处理出水的NH₃-N及TN出水浓度较低, BOD₅、COD基本稳定达到一级B标准, SS不稳定, 需要化学除磷等情况。这种情况下, 设置混凝+沉淀+过滤组合单元, 相对更为适宜。但应增加强化脱氮除磷措施, 同时注重选择对去除难降解有机物和色度的更为高效的工艺, 以保证各项出水指标稳定达到一级A标准。

因此, 经过综合分析, 本工程推荐采用混凝沉淀+过滤组合单元进行深度处理。

(1) 混凝沉淀工艺选择。本工艺为深度处理的混凝沉淀单元, 二沉池出水SS较低, 要达到良好的混凝效果, 混凝工艺应与沉淀池具有较强的适应性。沉淀池型种类较多, 常用的主要有以下几种:平流沉淀池、斜管沉淀池、高效沉淀池等。

平流沉淀池占地面积大, 土建投资成本高, 本工程深度处理用地十分紧张, 平流沉淀池不具有适应性;斜管沉淀池, 因上升流速的控制, 所需斜管面积较大, 且二级出水SS较低, 对絮凝池要求很高, 斜管沉淀池的效果不能够得到有效保证;而高效沉淀池一般池体深度较大, 工程造价较高, 不过其集机械混合、絮凝、澄清于一体, 分离效率高、占地面积小, 又因设有污泥回流和高效混合, 絮凝效果相对更好^[1], 比较而言更适宜作为本工程深度处理池型。

(2) 过滤工艺选择。目前应用于市政污水深度处理技术的过滤工艺包括传统砂滤技术、膜分离技术、高效纤维滤池 (滤布滤池) 、活性砂过滤池等, 各有其特点和适应性。根据本工程特点, 我们提出以下几种具有相对适应性的深度处理滤池进行综合比较, 详见表2。

膜分离技术中的再生粉末活性炭浸没式膜分离器 (CUF) , 是一种投加活性炭再结合浸没式超滤膜的组合膜分离技术, 此工艺对BOD₅、COD、SS和色度的去除效果均比较明显。据调研, 该工艺目前在绍兴水处理发展有限公司废水处理工程中, 进行了为期两年的中试, 对该厂以印染废水为主的工业废水处理取得良好的效果。

粉末活性炭—超滤的组合工艺作为提标改造最后一道保障性屏障, 能够有效去除BOD₅、COD、SS和色度, 且因为活性炭的投加, 增强了对溶解性有机质和色度的去除, 并在一定程度上可以缓解膜污染, 保持较高的膜通量^[2]。根据工艺设计, 该组合工艺活性炭用量不大, 能够充分再生回用。在沉淀池出水效果好的情况下, 亦可以超越该分离单元, 这对本工程的水量水质和运行特点而言更为合适, 因此推荐作为本工程的过滤工艺。

本提标改造工程根据方案优选, 最终确定的工艺流程如图3所示。

工艺流程特点: (1) 为倒置A²/O氧化沟提供外加碳源, 弥补进水碳源的不足; (2) 深度处理工艺采用高效混凝沉淀池联合活性炭浸没式膜分离器, 置于二沉池之后; (3) 高效混凝沉淀池与活性炭浸没式膜分离器之间设置水质指标在线监测设施, 如果水质已达出水标准, 则直接进入消毒池;如水质较差, 则进入活性炭浸没式膜分离器进行处理, 再消毒排放; (4) 于高效混凝沉淀池增加除磷加药设施, 保证出水总磷达标。

(1) 碳源投加。碳源选择:乙酸钠, 投加点:生物池缺氧区, 投加量:按照反硝化氨氮进行计算, 反硝化1kg按NO₃-N投加乙酸钠约3kg, 为达到强化生物处理的效果, 乙酸钠的投加量约为20 mg/L。主要设备:乙酸钠投加罐2个, PE材质, 容积2m³;隔膜计量泵, 2台, 0.55kW;不锈钢搅拌器:2台, 功率0.75kW。

(2) 高效混凝沉淀池。设计流量:Q=5万m³/d, 总变化系数Kz=1.4, Q_max=2 917m³/h, 分为2座, 单座Q_max=1 460m³/h。高效沉淀池尺寸:29.8m×21.4m, 水深5.4 m。搅拌区:48.6 m³, 停留时间为120s (高时) 。反应区:319 m³, 停留时间:12.8min (高时) 。澄清区:有效沉淀面积143.96m², 设计表面负荷10.2m³/ (m²·h) ;污泥回流比为2%~5%。

(3) 再生粉末活性炭浸没式膜分离器 (CUF) 。设计流量 (平均日) :2 084 m³/h, 平面尺寸 (1座) :L×W×H=25.0m×22.0m×4.0m, 设计有效水深:3m, 膜面积:50 000m², 停留时间:60min, 再生粉末活性炭投加量:50mg/L。

主要设备:再生粉末活性炭浸没式膜分离系统 (含膜组件、曝气系统、出水泵、反洗水泵、PLC自控装置) :1套, 单套处理能力:2 084m³/h。另配备排炭系统1套。气动隔膜泵 (配套空压机) :Q=20m³/h, H=60 m, 2台 (1用1备) ;空压机:Q=2.0m³/min, P=0.6 MPa, N=15kW, 2台 (1用1备) 。再生粉末活性炭粉末给料机:2套。再生粉末活性炭储罐:20m³, 5个。活性炭除尘系统:1套。

(1) 根据水质特性及工艺现状分析, 最终确定的提标改造方案为:为生物池外加碳源;采用高效混凝沉淀池联合活性炭浸没式膜分离器作为深度处理工艺;增加水质指标在线监测设施, 在水质良好情况下, 实现超越活性炭浸没式膜分离器的功能;在高效混凝沉淀池增加除磷加药设施, 保证出水总磷达标。

(2) 深度处理采用高效混凝沉淀池联合活性炭浸没式膜分离器, 该膜分离系统较常规超滤工艺, 更具有去除色度和溶解性有机质功能, 同时能够延缓膜污染^[2], 出水保证率高。

(3) 于高效混凝沉淀池后设置在线监测装置, 根据水质情况, 自由切换出水是否经过活性炭浸没式膜分离器作为超越构筑物, 在保障出水水质的同时实现构筑物的经济性运行。