河北某洗毛洗绒产业园区, 洗毛、洗绒企业的涉水环节主要是羊毛、羊绒原料的水洗。水洗过程一般包括放水、加热、添加洗料、投加毛 (绒) 原料、浸泡、脱水、烘干等工序, 耗水量20～30 m³/t毛、10～20 m³/t绒。水洗中需添加柠檬酸、洗料、焦磷酸钠或三聚磷酸钠含磷洗剂、毛能净、漂白等助剂、保险粉、纯碱等化学品, 部分企业还涉及深加工的少量染色。

企业排放的废水多较浑浊, 感官呈暗棕色, 含有少量的油脂、泡沫及浮渣。废水特征为高COD、NH₃-N、TN、TP、SS, 低pH, 还夹杂有碎毛絮。该类废水的可生化性非常好, 但由于浓度太高, 无法直接进行好氧生化处理, 须经预处理降低污染负荷后再进入好氧生化系统。

在完成园区下游污水处理厂的达标技改, 确保其出水全指标一级A达标的前提下, 针对产业园区的废水特性及环保监管复杂性, 构建排污企业-园区集中预处理设施-下游污水处理厂-受纳水体自上游至下游的污水分级治理及协同监管模式, 如图1、图2所示。针对各级的核心在线监测数据, 实行监管平台自动报警 (低限、高限) 、预警 (低、高) 。通过技术措施、管理手段、排污收费机制、物联网技术等“组合拳”, 为产业园区水环境治理和管理的实践, 提供一种“物联网+环保”的创新思维和实践导向。

各企业内部自设预处理站, 基本处理流程如图3所示。企业车间排水, 通过格栅、调节池, 再经过一级反应沉淀、气浮等物化处理后进入生化池, 生化采用曝气-缺氧-曝气的OAO工艺, 生化出水在二沉池固液分离, 并设有终端沉淀池以进一步改善水质。污泥通过叠螺脱水减容处理。

通过针对企业的用水监控 (智能预付费购水、总量限购等) 、排水监控 (排水量/质/时段等进行智能联锁受控) 、自设预处理站的运行能/物耗监控 (含电、药耗) 、污泥处置去向、视频监控、技术及管理措施, 强化企业源头规范、有序排污。针对企业实行用水预付费机制, 确保废水处理费收支两条线。企业超标排污时, 实行排污因子叠加收费的超标补偿机制, 从而确保废水处理经营收费的财政可持续性。

部分洗毛企业经预处理后的外排废水中COD仍有2 000～4 500 mg/L, NH₃-N约100～300 mg/L, pH为4.5～6.5。洗绒企业外排废水中含COD为1 000～3 000 mg/L, NH₃-N为50～180 mg/L, pH为5.5～7.0。

国务院2015年颁布的“水污染防治行动计划” (又称“水十条”) 规定:“集聚区内工业废水必须经预处理达到集中处理要求, 方可进入污水集中处理设施”。因此园区设有集中预处理设施, 其设计规模5 000 m³/d, 设计水质如表1所示, 企业尾水需满足园区集中预处理设施的进水要求, 处理后的废水, 达到《毛纺工业水污染物排放标准》 (GB 28937—2012) 的间接排放标准。

企业尾水, 输送至园区集中预处理设施, 经过格栅、预曝气调节池、混凝沉淀池进行物化处理, 出水进入水解沉淀池, 经水解酸化反应提高B/C。水解出水进入两级AO池, 最终通过终沉池, 达标后排入下游污水处理厂。系统产生的物化及生化污泥采用分质分流、独立脱水后集中外运处置, 见图4。

园区集中预处理设施的进水COD为1 500～4 800 mg/L, 进水NH₃-N为80～190 mg/L, 进水TN为110～220 mg/L, 进水TP为9～21 mg/L, 进水SS为90～1 600 mg/L, 出水水质基本满足达标限值要求, 如图5～图9所示。

通过针对上游企业排污信息 (水量、水质、排污阀、排污口视频) 实时监控, 以及园区集中预处理设施的进水监控 (各企业尾水的水质、水量) 、排水监控 (集中预处理后的水质、水量) 、污泥产率与去向、视频监控、排污许可管理措施等, 充分发挥园区集中预处理设施的效能, 确保废水经集中预处理达标纳管后进入下游污水厂处理。

下游污水处理厂设计规模2×10⁴m³/d, 受水范围包括县域居民生活污水及园区集中预处理设施的排水, 设计工业废水占比约30%。通过厂内运行达标风险评估后, 进行了优化技改, 确保设计出水达到GB 18918—2002一级A标准, 尾水就近排河。污泥含水率要求≤80%, 脱水后污泥进一步安全卫生处置。

设计进出水水质如表2所示。

自下游污水处理厂投入运行以来, 存在着以下问题:①进水含毛絮等杂物, 且格栅运行年久, 截污效率差。②生化氧化沟采用浮筒+曝气转碟的机械曝气, 曝气充氧效率低, DO长期处于≤1.0 mg/L的较低水平, 出水氨氮难以稳定达标, 且运行能耗高;高进水浓度造成生化单元污泥浓度高, 二沉池的固体负荷高, 偶有跑泥现象。③曝气生物滤池为上向流, 通过滤头配水配气, 毛绒等杂物易在池底配水区聚集, 造成滤头淤堵, 长期运行易使拼装滤板翻板、滤料坍塌、滤池过流能力及处理效率均大幅降低。④由于个别企业生产涉及染色工段, 造成进水色度高, 现有生化工艺难以保证出水色度达标。⑤现有脱水机能力有限, 脱泥量及含水率无法保证。⑥生化除磷能力有限, 无法保证出水TP稳定达标。⑦进水碳氮比偏低, 无法保证出水TN稳定达标。⑧消毒剂二氧化氯采用盐酸与氯酸钠反应制备, 涉及受管制危险化学品盐酸的安全管理, 且消毒药耗高。

下游污水处理厂于2015年10月起实施“分部改造”的优化技改, 2016年4月底改造完成并实现稳定运行。

优化技改后的工艺流程, 如图10所示。

处理单元包括预处理、二级生化处理、深度处理、污泥处理4部分, 其中预处理包括两级格栅拦截、一次提升及旋流沉砂分离;二级生化单元包括氧化沟、二沉池及回流 (剩余) 污泥系统, 并设有自曝气区向缺氧区的混合液回流系统;深度处理单元包括二次提升、曝气生物滤池、V型滤池、清水池。曝气生物滤池主要起去除有机物、硝化功能, 滤池均设有气、水反洗系统, 反洗后废水进入反洗废水池, 再回到厂进水口。

将现有5 mm细格栅更换为2 mm网孔阶梯格栅, 并配备自动清洗装置, 提高拦污效率。

现有氧化沟单元采用AAOA, 即前端的厌氧区-缺氧区, 后端的曝气区-缺氧区采用渠道环流, 各分区的设计HRT分别为:2 h、4h、12 h、3h。基本遵循相关规范对HRT的参数要求^[1]。

将现有机械曝气改为鼓风曝气方式, 配套曝气扩散器采用可提式管膜微孔曝气器, 无需停水即可进行安装及检修维护, 鼓风曝气设备与DO联锁。拆除原10台浮筒曝气机 (18/15 kW) 及4台转碟曝气机 (30 kW) 。新增国产罗茨鼓风机2台 (60 m³/min, 90 kW, 1台变频) 、1台 (40 m³/min, 75 kW, 变频) 、可提式曝气扩散器 (每个配气配重管对称安装4根管式膜) , 池内共安装管膜式微孔曝气器1 250套 (Ø65 mm, 单根膜长1 m, 单膜气量3～5 m³/h) , 设计气水比7.2∶1。

现状采用平流式二沉池, 规范规定表面负荷q宜为0.6～1.5、固体负荷G≤150^[2], 校核实际q为1.2 m³/ (m²·h) 、G达135 kg/ (m²·d) , 现状取值偏高。为降低负荷, 确保良好的固液分离效果, 减少出水跑泥风险, 新增平流二沉池1座, 以此将q控制在≤0.8、G控制在≤90。

曝气生物滤池分为4格 (单格面积A=64 m²) , 采用陶粒滤料及卵石承托、拼装滤板。设计滤速3.25 m/h, 硝化负荷0.45 kgNH₃-N/ (m³·d) , 空床停留时间60 min, 基本符合相关规范要求^[3]。

现针对曝气生物滤池的进水及曝气方式进行优化技改, 即改上向流为下向流, 悬浮物及绒毛被截留在滤料表层, 通过反洗排除, 不会堵塞滤头;另由滤板下的滤头配气改为滤板上的单孔膜曝气, 提高曝气均匀性及充氧效率, 降低滤板翻板风险。

曝气生物滤池的改造前后过流方式见图11。

选用国产臭氧系统 (采用液氧源) , 2台10 kg/h。臭氧设备系统由液氧罐区、臭氧发生器主机、冷却水系统、臭氧泄露报警、臭氧尾气处理、电气及自控系统等组成。新增臭氧接触池1座, 设计接触时间40 min。根据脱色需求, 实际消耗原料液氧源 (10%含量) 约1.2～1.5 t/d (臭氧有效投量6～7 mg/L) 。

原有2台带宽1 m的带式压滤机更换为2台叠螺脱水机 (300 kg/h) 。

辅以化学除磷, 确保出水TP稳定达标。选用铁盐除磷剂, 新增计量加药泵 (Q=252 L/h, 0.7 MPa) 2台, 加药点选择细格栅出水段, 便于泥/水/药充分紊流混合, 在二沉池进行固液分离并排泥, 将含磷化学污泥排出系统。

辅以外碳源 (电子供体) 强化生物脱氮, 选用乙酸作为碳源。新增计量加药泵 (Q=252 L/h, 0.7 MPa) 2台, 加药点设置在生化池缺氧段。

采用次氯酸钠 (10%有效含量) 实现加氯消毒目的, 新增计量加药泵 (Q=128 L/h, 0.7 MPa) 2台, 加药点设在清水池中后端, 确保一定的消毒反应时间, 次氯酸钠投量在30～50 mg/L (有效氯投量3～5 mg/L) 。

优化技改前后的主要污染物指标 (COD、NH₃-N、SS) 对比分析结果如图12～图14所示 (4月份之前为改造前;4月之后为改造后) 。

改造后生化池、曝气生物滤池均提高了去除效能。臭氧系统的脱色效果良好, 连续投加次氯酸钠时, 粪大肠菌群数≤1 000个/L。叠螺脱水系统运行时, 实测污泥含水率在73%～78%。综上, 处理出水及污泥的指标达标, 实现了预期效果。

鉴于固体铝盐除磷剂 (如PAC) 需要人工溶配药, 液体硫酸铝等采购渠道受限, 本项目仅考察铁盐除磷剂的应用。以细格栅出水作为原水, 分别投加不同种类、不同投量聚合氯化铁 (PFC) 、聚合硫酸铁 (PFS) 、七水硫酸亚铁 (绿矾) , 通过“除磷效果最优、吨水药耗最低”的性价比选, 筛选最优除磷药剂, 结果如图15～图17所示。

当进水TP为3.5 mg/L, 通过化学除磷实现TP≤0.5 mg/L目标时, 除磷的药耗约0.05元/m³, 药耗约0.013～0.016元/g磷。最优铁盐药剂为PFC (PFC>PFS>绿矾) , 铁与进水磷的质量比约5～6∶1 (摩尔比2.8～3.4∶1) , 基本符合金属盐与磷的经验摩尔比1～3^[4]。

在生物反应池投加化学除磷剂时, 药剂发生水解, 可能产生大量氢离子, 如果废水碱度不足, 会导致生化池pH下降, 影响微生物活性^[5]。由于PFC、PFS均为酸性药剂, 随着其投量增加, pH有所降低, pH宜控制6.8～7.2。

图18为改造后除磷剂对出水TP的影响, 验证了化学除磷的有效性。投加除磷剂后, TP去除率从50%～60%提高至90%以上。去除每1 mg/L的TP时, PFC投量约40～60 mg/L (有效铁投量4～6 mg/L) 。

进水的COD/TN约在5～9波动, 如不增加外碳源, 难将出水TN稳定于15 mg/L以下。图19为在生化缺氧区首段投加乙酸 (>99%含量, COD当量约1.07 gCOD/g乙酸) 外碳源前后, 总出水TN的变化。投加外碳源时, 去除每1 mg/L的TN时, 乙酸投量约6～8 mg/L。考虑到99%以上纯乙酸低于16 ℃时存在结晶问题, 冬季采购低含量乙酸及采取加热保温措施。

技改前后的全厂电耗对比见图20。尽管增加了臭氧系统电耗, 但由于氧化沟的曝气节能优化、曝气生物滤池的曝气技改, 总体电耗仍下降了0.08 kW·h/m³左右。

下游污水处理厂是下游的最后一道治理把关单元, 通过污水处理厂的进水监控 (入厂的水质、水量) 、排水监控 (出厂的水质、水量) 、生化处理单元的在线仪表监控 (DO、MLSS等) 、运行能/物耗监控及污泥产率与去向、视频监控、排污许可管理措施等, 充分发挥污水处理厂的提质增效功能, 确保尾水全指标达标后, 排入受纳水体。

受纳水体自身具备一定的水体自净能力和环境容量, 起到进一步活水净化功能。在关键断面, 安装在线监测设备 (COD、氨氮、TN、TP等) 。河道设有中水回用提升设施, 作为县域环城水系、景观湖的补给水及市政公用的取水源。

(1) 河北某洗毛洗绒产业园区, 在完成下游污水处理厂的达标技改, 确保其出水全指标一级A达标的前提下, 通过技术措施、管理手段、排污收费机制、物联网技术等“组合拳”, 构建了排污企业-园区集中预处理设施-下游污水处理厂-受纳水体上下游的污水分级治理及协同监管模式, 实现了产业园水处理系统的长期经济化和精细化运行。

(2) 上下游的污水分级治理及协同监管模式, 为产业园区提供了一种“物联网+环保”的创新思维和实践导向, 是实现县级水环境治理的技术可持续性、管理可持续性、财政收费可持续性以及产业园区环境保护与经济发展协同性的有效措施。