调研表明, 江苏省化工园区集中污水处理厂在实际处理负荷、工艺路线设置和参数合理性方面普遍存在问题, 部分污水处理厂实际处理规模只有设计规模的50%左右^[1]。而园区污水处理的工艺路线和设计参数仍然沿袭了市政污水的治理思路, 缺乏针对特征污染物的深度处理工艺^[2]。随着更严格排放标准要求的提出, 目前江苏省所有化工园区集中污水处理厂均需要提标到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, 因此存在较大的提标改造需求。鉴于此, 本文针对洋口港临港工业区集中污水处理厂的规模调整和工艺改造, 围绕针对性处理工艺选择及池体参数调整进行了分析与探讨, 并提出了相应的解决措施与工程方案, 对深入理解化工园区综合废水的达标治理和污水处理厂的提标改造, 具有较大的借鉴意义。

洋口港临港工业区以大型石化和化工产业为主导, 一期面积10km²。园区集中污水处理厂原设计规模3万m³/d, 分两组并联运行, 负责收集处理整个洋口港开发区的工业废水, 企业废水经过预处理后接管至污水处理厂, 达标尾水提升通过排海管道深海排放。原拟采用BOT模式委托运营, 主体处理工艺为调节池 (事故池) +水解酸化+AO+混凝沉淀+普通快滤+消毒, 设计接管标准为《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996) 中三级标准, 排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。但该项目在土建完工之后整体被园区管委会回购。经过调研, 园区污水处理厂服务企业及接管水质具有以下特点:

(1) 园区入驻企业10家, 均为化工和化工仓储企业, 主要产品涉及丙烯腈、丙烯酰胺、黄原酸盐环已酮、邻苯基苯酚等, 另外接入部分附近镇区和石材加工园区的生活污水。

(2) 经过核算, 目前园区的工业废水实际产生量不足1 000 m³/d, 预计5年内, 区域待投产项目总工业废水产生量约2 000 m³/d。此外生活污水的实际产生量不超过1 000 m³/d, 考虑预留远期1 000m³/d的生活污水处理规模, 因此5年内的总处理规模不超过5 000 m³/d, 远低于原设计规模。

(3) 园区未设置一企一管, 仍然采用重力自流收集的方式收集接管废水, 接管废水成份复杂, 含有各种有毒抑制因子如酚类、苯系物、含氮杂环类物质等, 水质、水量具有一定的冲击负荷。

鉴于此, 本次污水处理厂改造工程的主要目的为: (1) 缩减设计处理规模, 使之与实际处理规模匹配, 污水处理厂得以低碳稳定运行; (2) 针对现有水质, 对工艺路线进行调整、优化和完善, 使出水能稳定达到GB 18918-2002一级A标准。改造前后污水处理厂工艺流程见图1。

根据上述水量描述, 污水处理厂改造工程设计水量调整为5 000m³/d, 设计水质如表1所示。

(1) 污水处理厂设计规模与实际废水产生量严重不匹配。原污水处理厂设计规模3万m³/d, 分两条线并联处理, 单条线处理规模1.5万m³/d, 而近期实际的废水处理量不超过5 000m³/d, 产能严重不匹配。而污水处理厂主体工艺的土建已经全部完成, 如果按照原有规模运营, 必将导致污水处理厂出现运行不正常、运行费用过高等问题。

(2) 现有处理工艺难以实现出水的高水平稳定达标排放。污水处理厂执行的排放标准是GB18918-2002一级A标准, 而接纳废水主要为化工、石化废水和少量生活污水, 水质复杂, 特征有机污染物众多, 存在一定的冲击负荷。而原处理工艺缺乏对特征有机污染物的针对性去除工艺, 较难实现苯系物、含氮杂环类等难降解物质的有效处理。其中, 深度处理工艺仅为混凝沉淀+过滤+消毒, 没有针对生化处理后残余顽固性特征有机污染物的破坏处理手段。根据经验, 该套工艺出水在COD、TN等指标上很难实现高水平稳定达标排放。

(3) 污水处理厂生化处理工艺设计参数普遍偏小。生化处理是性价比最高的处理工艺, 承担着污染物的主要去除功能, 是污水处理厂的核心关键工段。由于接管废水水质复杂, B/C低, 因此污水处理厂生化处理相应的停留时间等参数, 均应大于常规的市政污水处理设计参数。但原生化系统设计参数按照市政污水类推, 例如其调节池满负荷停留时间为6.1h, 水解酸化为11.2h, AO池为13.9h, 普遍偏低。此外, A∶O的停留时间比为1∶4.5, 缺氧段停留时间短, 较难实现高效的生物脱氮。

(4) 其他问题。污水处理厂还存在缺乏进水一企一管设计、不能实现水解酸化污泥截留回流、高程设置不合理、缺乏废气处理等问题。

根据以上问题分析, 污水处理厂接管废水定性为以化工废水为主的园区综合废水。针对该类废水的治理, 目前均采用预处理+生化处理+深度处理的组合工艺^[3]。由于废水暂时不能实现一企一管和分质处理, 因此应充分考虑应急措施。此外, 本项目较为特殊, 建构筑物已按照3万m³/d的设计规模完成土建, 而改造的废水处理规模确定为5 000m³/d, 因此, 改造工程首先必须在低碳运行的基础上考虑已有池体对实际处理水量的可行性、匹配性, 同时针对出水较高的排放标准, 强化废水生化处理, 新增废水深度处理工艺, 最终实现废水的稳定达标排放。

(1) 利用原有池体不变。主要指提升泵房、调节池和事故池, 其中调节池和事故池停留时间越长越好, 因此使用原有池体不变, 设计水量调整后调节池满负荷停留时间增大至36.5h。此外, 系统污泥回流井及提升井等也不作改动。

(2) 只使用一组 (半) 池体。主要指初沉池、二沉池、混凝沉淀池和普通快滤池, 按照5 000m³/d的设计处理量使用, 参数有所调整但不影响其使用。调整后, 初沉池表面负荷为0.46m³/ (m²·h) ;二沉池表面负荷为0.26 m³/ (m²·h) , 混凝沉淀池表面负荷为0.65m³/ (m²·h) , 普通快滤池空床滤速为2.7m/h。

(3) 对原有池体进行改造。主要指水解酸化池和AO池。水解酸化池在化工废水的处理中, 停留时间越长越好, 以超过18h为宜^[4], 同时考虑将水解酸化池最后一格改为污泥沉淀单元, 因此采用现有一组水解酸化池处理5 000m³/d的废水, 总停留时间为33.7h (不含最后一格沉淀单元的有效停留时间为25.3h) , 满足使用要求。AO池为廊道结构, 只能实现单座运行, 如处理5 000m³/d的废水实际停留时间长达41.8h, 而此时废水可生化性差, 有机负荷低, 无需过长的停留时间。因此考虑将单座AO再格为2组, 通过阻断和安装闸门, 实现单组运行, 其有效停留时间为20.9h (其中A段3.8h, O段17.1h) , 符合设计规范要求。改造如图2所示。

(4) 新建池体。主要指深度处理单元的臭氧催化氧化+曝气生物滤池 (BAF) +滤布滤池, 按照5 000m³/d的处理规模进行设计。在以上池体的改造中, 相关设备均按照池型情况和5 000m³/d的处理规模进行配套。

为提升生化系统的针对性和处理效率, 通过强化水解酸化和AO单元, 有效增加其对废水中有机物和毒性的抗冲击能力, 具体包括水解酸化污泥的有效收集回流、AO池改造为AO (PACT) 池等。

(1) 对原有混流式水解酸化池进行改造。由于水解酸化污泥增长缓慢且对处理效果有较大影响, 为确保不流失到后续AO池中, 将最后一格水解酸化池改为竖流式污泥沉淀池。单池尺寸为15m×19.5m×6.5m, 表面负荷为0.71m³/ (m²·h) , 底部设置6条长泥斗, 水解酸化污泥收集后依靠泵进行污泥回流。除最后一格的潜水搅拌机保留但不使用外, 原池内的其他潜水搅拌机保留运行。池内重新开孔导流, 将各小池的水力流态改为上流—下流—上流形式, 以提高泥水混合效果。原水解酸化池未设置填料, 改造后增加组合填料以提升处理效果。

(2) 将AO池改造为AO (PACT) 池。向活性污泥系统中投加粉末活性炭即为PACT工艺。根据相关研究成果和应用实例^[5,6], PACT在运行中粉末活性炭的投加量为50～100mg/L, 在此基础上可以提高10%左右的COD去除率, 且这部分去除率主要来自难降解有机污染物, 运行成本在0.2元/m³废水左右。通过形成PACT池, 还可以有效提高化工废水处理系统的抗冲击负荷和稳定性, 具有较高的性价比, 也可以作为应急工艺使用。PACT工艺的粉末活性炭采用干式投加法。

经过水质分析、专家论证以及实际工程应用经验考察, 确定新增臭氧催化氧化+曝气生物滤池+滤布滤池的深度处理工艺, 以此提高尾水中残余顽固性特征有机污染物的去除效果, 保障深度处理效率和出水稳定性。

(1) 臭氧催化氧化采用内置臭氧催化剂填料的形式。臭氧与臭氧催化剂接触后被分解产生羟基自由基, 间接地与水中有机物作用。由于羟基自由基的氧化性强且具有广谱性, 因此其降解效果更佳, 可以提升30%左右的臭氧氧化效率^[7]。催化剂采用负载Ti、W、Mn等重金属的烧结性球形多孔轻质陶粒滤料, 稳定性强, 末端设有脱气池, 避免对后续BAF工艺微生物菌种的损害。研究表明^[8], 针对化工园区集中污水处理厂的深度处理, 臭氧的投加量控制在35～50mg/L为佳。而本项目的废水中含有少量的生活污水, 因此适当降低臭氧投加量, 将其量控制在30mg/L左右, 同步新增建设规范的臭氧发生间。

(2) 曝气生物滤池 (BAF) 采用常规的除碳硝化型曝气生物滤池, 采用防堵塞滤头, 考虑到出水水质要求较高 (SS<10mg/L) 且预留用地不足, 因此后续设置滤布滤池, 同时保留原有次氯酸钠消毒的末端处理方式, 以保障生物指标的达标。

(3) 针对新增深度处理工艺的插入, 根据对现有工艺的评估, 考虑到污水处理厂已采用了三级提升 (集水井→调节池, 调节池→初沉池, 二沉池→混凝反应池) , 而普通快滤池顶标高+4.50m到消毒池顶标高+1.60m存在较大的高程差, 因此深度处理工艺直接在普通快滤池和消毒池之间插入, 实现高程的有效衔接。

改造前后的平面布置见图3。原有已完成的构筑物不变, 新增的臭氧催化氧化、曝气生物滤池、滤布滤池、臭氧发生间集中在深度处理区域, 实现工艺有效衔接。在高程设置方面, 已有构筑物高程和提升不变, 新增臭氧催化氧化池顶标高+4.3m, 曝气生物滤池池顶标高+2.5 m, 滤布滤池池顶标高+1.9m, 实现无缝对接。

改造后污水处理厂稳定达标的关键在于特征有机污染物的去除和冲击负荷的平复。在特征有机污染物的去除方面, 从前到后依靠3个手段实现梯度削减。首先是水解酸化池, 通过污泥浓度的增加提升对难降解特征有机污染物的去除效果;其次是PACT工艺, 通过投加粉末活性炭形成的生物载体和不完全吸附再生作用, 提高对特征有机污染物的去除;再次是臭氧催化氧化单元, 其对微量特征有机物污染物有较好的广谱去除效果。而针对冲击负荷的平复, 主要依靠前段收集管网和监控平台的有效监管, 冲击负荷一旦进入污水处理厂, 将通过调节池 (事故池) 的功能有效提升系统对水质波动的平复效果。此外, 在低温等极端环境条件下, 可以通过提高粉末活性炭和臭氧的投加量来提升系统的达标稳定性。

原有不变或只使用一组的已建构筑物不再赘述, 相应的参数变化见表2。新增部分的构筑物设计如下:

(1) 臭氧催化氧化池。臭氧催化氧化池为半地上封闭合建结构, 分为臭氧催化氧化区和脱气池区, 尺寸分别为8.4m×6.2m×8.0m和8.7m×3.0m×8.0m, 其中臭氧催化氧化区分为2组, 采用臭氧曝气搅拌, 设置滤板、滤头、垫层和催化剂层, 同步设置反冲洗系统, 反冲洗量为10L/ (m²·s) 左右, 确保催化剂层不堵塞。催化剂使用量52 m³, 层高1m, 空床接触时间15min。臭氧尾气通过引风机抽至尾气破坏处理单元。

(2) 曝气生物滤池。为半地上组合池, 顶部为配水廊道, 设置4组曝气生物滤池, 1组清水池和1组反冲洗出水池, 对称布置, 单池尺寸5.0m×7.4m×7.1m, 自下而上安装单孔膜空气扩散器、长柄滤头、标准滤板、鹅卵石承托层和陶粒滤料, 滤料层高3.5m。同步配套反冲洗系统、曝气系统和自控系统, 实现自动运行。

(3) 滤布滤池。滤布滤池主要用于去除SS, 管理和操作要求较为简单, 占地面积小, 自动化程度高。由于处理规模较小, 只设置一座滤布滤池, 尺寸为5.0m×2.6m×3.5m。滤盘直径2m, 过滤网孔孔径≤10μm, 平面过滤介质抗拉强度≥600N/cm, 每个滤盘过滤面积≥5.7 m²。配反洗泵、进出水调节堰板和相应自动控制系统。

(4) 臭氧发生间。用于安置臭氧发生器和相应的低压配电系统, 尺寸20.0m×10.0m, 臭氧发生器采用空气源。

洋口港临港工业区污水处理厂改造工程总投资1 325.88万元, 其中建筑工程费用313.24万元, 只包括新建池体与改造部分。安装工程费102.88万元, 设备购置费715.51万元, 其他工程费用204.25万元。

实际的直接运行成本核算如下:2018年1～6月份实际平均处理水量为2 612m³/d, 单位用电量为2.2kW·h/m³废水, 电价0.66元/ (kW·h) , 电费E1=1.452元/m³废水;实际使用的药剂主要有PAC、阳离子PAM、阴离子PAM、次氯酸钠等物质, 粉末活性炭和营养药剂为不定期投加, 平均药剂费E2=2.558元/m³废水;废水处理厂定员18人, 人均工资4 500元/月, 则实际人工费E3=1.034元/m³废水;实际污泥产生量0.43t/d, 污泥处置费用约3 500元/t (作为危废处置) , 则污泥处理费E4=0.576元/m³废水;综上, 改造后污水处理厂实际直接运行成本约为5.62元/m³废水 (不包括折旧、维修等费用) 。

洋口港临港工业区污水处理厂于2016年3月份完成调试并通过验收, 运行2年多来, 出水稳定达标, 在2018年1～6月份的主要运行情况如图4所示。

由图4可知, 目前实际的进水水质水量存在一定的波动, 废水进水量为2 100～3 500 m³/d。对照实际处理效果, 进水COD平均为259.4mg/L, 出水COD均为46.3 mg/L;进水氨氮平均为17.32mg/L, 出水氨氮平均为1.32mg/L;进水TP平均为2.28mg/L, 出水TP平均为0.14mg/L;进水SS平均为92.4mg/L, 出水SS平均为5mg/L, 整体处理效果较为稳定。此外, 对进出水的pH、盐分和BOD₅也进行了监测, 进出水pH较为稳定, 均显示为中性, 进出水的盐份平均在3 100mg/L左右。进水BOD₅平均在100 mg/L左右, 出水BOD₅在2.7mg/L左右, 整体而言, 进水的可生化性不佳。

虽然出水实现稳定达标, 但在实际运行中, 对来水水质监控能力较为薄弱。由于没有设置一企一管, 针对特征污染物也没有开展相应监测监控, 来水水质很难实现有效监管和超标溯源。

针对化工园区污水处理厂规模调整及工艺改造工程, 在调研水量、分析水质特点和工艺存在问题梳理的基础上, 充分利用原有设施, 采用设计水量匹配、强化生化处理、增设深度处理的改造思路, 将污水处理厂处理工艺由原有的调节池 (事故池) +水解酸化+AO+混凝沉淀+过滤+消毒工艺, 调整为调节池 (事故池) +水解酸化+AO+混凝沉淀+过滤+臭氧催化氧化+曝气生物滤池+滤布滤池+消毒组合工艺, 并利用原有分组池体缩减了处理规模, 降低了运行成本。设计亮点: (1) 改造水解酸化单元使之具备污泥收集和回流功能, 保障水解酸化污泥不流失; (2) 增加的臭氧催化氧化+BAF+滤布滤池具备较强的针对性; (3) 采用臭氧催化剂, 提升了系统的处理效果。经过长时间的运行, 出水可以稳定实现《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。