中科成污水处理厂现状设计规模为15万m³/d,位于青岛西海岸新区风河入海口处,占地约14.65hm²,总投资约3.3亿元,服务范围178km²,全部采用重力流排水,以BOT模式运营,分三期工程建设,处理工艺均为预处理+AAO+高效沉淀池,现状设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。根据《山东省半岛流域水污染物综合排放标准》(DB 37/676-2007),要求改造后出水水质满足GB 18918-2002一级A标准。

2014年开展项目可研工作,当时该厂进水中工业废水的比例为40%～50%,其中海藻生产企业废水3.5～4.5万m³/d,占比25%～32%。2004年一期工程投运以来实际数据表明进水有机物含量较高,高于常规城镇污水处理厂指标^[1],BOD、COD指标与青岛市内的团岛^[2]、李村河、海泊河污水处理厂类似,这与青岛地区的生活习惯、上游管网及历史原因等相关,本文是在现有进水水质的前提下研究问题,不对其具体成因做分析。因进水海藻废水较多,其性质特殊,国内没有先例可以借鉴,亦没有类似园区水质作为参考,因此该厂的升级改造工作相对复杂。分析现状,研究这部分工业废水的性质及影响,在充分利用现状处理设施的基础上,同时新增深度处理单元进行升级改造。

现状设计采用常规AAO工艺,各处理单元的设计参数比较保守。初沉池停留时间约2.5h,对SS和有机物的去除效果较好,去除率分别为55%和28%;AAO生化池停留时间大于23h,气水比10∶1,时间较长,污泥浓度4～5g/L,二沉池表面水力负荷约为1.3m³/(m²·h),水深4.5m,二沉池出水COD和SS分别约为80mg/L和92mg/L,生化及沉淀效果较稳定;高效沉淀池总反应时间约为17min,出水中COD和SS分别约为53.8 mg/L和9.1mg/L。出水指标能够稳定地达到GB 18918-2002一级B标准,且具备较好的抗冲击负荷能力。

实际运行进出水水质及本次升级改造出水水质标准见表1和表2。由表1可见,现状出水BOD、TN和NH₃-N指标已经达到GB 18918-2002一级A标准,只有COD、SS和TP指标需要通过升级改造进一步去除。TP超标部分可通过在现状高效沉淀池加药去除,因此,升级改造工程污水处理的重点为COD和SS的去除。

青岛明月海藻集团是一家集海藻加工、海洋药物、海洋食品、精细化工和海藻应用研究于一体的综合性高新技术企业。主要产品有海藻酸盐、甘露醇、海藻酸丙二醇酯(PGA)、山梨醇、海藻酸、碘、海藻肥、海藻饲料等。主导产品海藻酸盐国内市场占有率达到30%以上,国际市场占有率达20%以上。企业内部配有规模为2万m³/d的废水处理厂,处理工艺为ABR-接触氧化工艺,处理出水排入市政污水管网。除明月海藻集团外,区域内还有聚大洋藻业集团、南山海藻及多家小规模海藻生产企业,其生产废水最终都通过市政污水管网收集后进入中科成污水处理厂统一处理。

海藻生产企业以海洋中的海藻为原料,有关资料表明海藻生产废水中含有大量海藻酸盐^[3]。海藻酸盐是海藻中的海藻酸与海水中的矿物质生成的天然产物,它的主要产品有海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸钙、海藻酸铵等。以海藻酸钠为例,分子式为(C₅H₇O₄COONa)_n,聚合度为80～750,分子量理论值为198.11,相对分子质量为32 000～250 000,无臭无味无毒,溶于水,不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂,pH为6～9时粘性稳定。海藻酸钠是一种以海带、海藻为原料经各种离子交换(消化、过滤漂白和钙化、脱钙、中和转化)提取制成的天然链锁状高分子多糖聚合物,具有独特的增稠性、亲水性、稳定性、胶凝性等特征,广泛应用于食品工业中,属于有机物范畴。由于其亲水性及胶凝性的特点,需考虑其对COD进一步去除的影响,因此在升级改造中COD的去除无疑成为研究的重点。

2014年现状进水、出水COD统计见图1。由图可见COD指标呈现以下特点:

(1)进水COD波动大。该厂的原设计进水COD为900 mg/L,且近两年的实际进水数据中COD超设计值的概率达30%。

(2)COD去除效果较好,且较稳定。

(3)现状出水COD中的成分主要为难生物降解有机成分。现状出水COD为40～56 mg/L,而BOD为2.8～5.3 mg/L,BOD占COD的比例为7%～9.5%,剩余COD为难生物降解有机物。

现有工艺整体运行效果良好,对有机物、SS及NH₃-N的去除效果能够满足本次升级改造前端处理的要求,COD去除率为93%～97%,改造提升的空间很小。在现场进行AAO-MBBR工艺试验^[4,5],出水COD平均值约为78 mg/L,与现状出水差别及小。因此认为现状一级、二级处理工艺是合适的,升级改造工程中予以保留。需增加新的处理单元以进一步去除COD。

目前城市污水处理厂升级改造常规采用的工艺^[4,7]主要有以下几种:

(1)混凝沉淀+过滤。该工艺较成熟,且日常维护管理方便。(2)膜过滤。该工艺相对成熟,但存在膜污染、膜更换的问题,投资及运行成本偏大。(3)化学氧化法。在一定条件下,利用强氧化剂的氧化性,将水中有机污染物氧化成小分子有机物或无机成分,从而达到降低污染负荷目的。受到处理成本限制,强氧化剂在城市污水处理行业使用不多。(4)活性炭吸附。活性炭具有吸附性,在一些小规模污水处理设施中应用较多,主要起到过滤和保障性作用。因吸附饱和后需要再生或更换,所以大规模应用较少。遇到水质特殊情况会影响活性炭的正常使用寿命,有时也会附带产生泥线问题。

上述工艺就技术角度而言都能够满足本次升级改造的要求,但由于项目规模较大、水质特殊,为确保出水达到设计要求,同时满足后方要求,在现场进行了中试。试验装置进水来自现状高效沉淀池出水端,分砂滤试验、膜试验、臭氧试验3部分。

2个月的砂滤试验数据(见图2)表明,砂滤对COD的去除效果有限,为4%～5%,且不稳定。可见剩余COD中的有机物主要是溶解性的有机物,简单的物化、生化法很难将这部分有机物去除。

膜过滤试验分2个阶段进行,即超滤和反渗透。超滤试验表明超滤膜对剩余COD的去除效果不明显,与砂滤效果相当超滤对其基本没有截留作用。反渗透的COD去除率可达到89%～98%,效果较明显。膜试验进一步证明了该部分溶解性的COD多数为小分子有机物^[8]。

试验考察了臭氧接触时间30min和60min 2种条件(见图3、图4),结果表明投加量在20mg/L,停留时间30min时,效果相对较好,出水COD平均值在42mg/L左右,COD去除率达24.4%;投加量增加到25mg/L后,部分水样短时间发红,这种现象属于投加过量的表现。另外,停留时间60 min时,COD去除率反而降低,可见控制好投加量及接触时间对于反应效果至关重要。

按照现状出水不利情况下COD 60mg/L考虑,要想达到本次升级改造的设计出水要求,即COD 50mg/L,其去除率至少为17%。砂滤、超滤都达不到设计要求,反渗透和臭氧可满足设计要求,臭氧投加量20mg/L,停留时间30min。

本次升级改造的重点目标污染物为SS、COD,其中COD的去除是难点,单纯过滤不能满足要求,但对TP有一定的保障作用,因此认为本次升级改造中过滤单元仍是必要的。

结合现场中试试验结果,本次升级改造工艺路线分两条:方案一,采用砂滤+臭氧氧化相结合;方案二,采用部分反渗透与现状出水掺混。方案一投资约7 000万元,运行成本为0.42元/m³,方案二投资约9 000万元,运行成本为0.49元/m³。考虑到浓水问题及运行成本,综合比较,最终确定采用方案一,即砂滤+臭氧氧化工艺作为本次升级改造的推荐工艺。具体工艺流程见图5。

现状一期、二期及三期高效沉淀池出水经过新建二次提升泵房(现状出水泵房改造)提升,直接进入兼有滤池过滤和反硝化脱氮功能的活性砂滤池,在活性砂滤池中将SS、TP等进一步去除,最后经过臭氧接触池氧化部分难降解的有机物后深海排放。

中科成污水处理厂升级改造工程于2017年4月开工建设,2017年11月建成,12月开始正式运行。升级改造后日常监测数据见表3。

日常监测数据表明,经过升级改造后,中科成污水处理厂出水BOD₅、COD、SS、TP、NH₃-N和TN等指标全面达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级A标准。特别是出水COD由改造前的32～65 mg/L降至22～44mg/L,说明升级改造工艺达到了设计预期的效果^[9]。

(1)安全起见,臭氧接触池内补充增加液位计,同时信号线由液位计敷设至臭氧发生间内的臭氧发生器上,进行联动自控,以设置清池检修后池内注水达到设计水位时再启动臭氧发生器设备投加,避免空池或水位低时投加臭氧导致的安全隐患。

(2)液氧由液氧罐通往液化器,管路及汽化器温度为零下187℃,产生结冰。为运营安全,增加1.5m高不锈钢围挡。

(3)调试期间,臭氧发生器循环冷却水换热器有污堵现象,导致外循环水水温过高,臭氧设备报警停机。后来在循环冷却水进水管上增设1套自动式管道反冲洗过滤器,解决了相应问题。

(1)中科成污水处理厂升级改造深度处理采用活性砂滤池-臭氧接触氧化工艺,对污水中难降解的、溶解性的小分子有机物有较好的去除效果。

(2)随着城市的发展,结合总规的调整,该厂进水量不断增加,已接近满负荷,增加的水量以生活污水为主,进水水质整体有所改善。但现状已无扩建用地,鉴于该厂在排水系统中的重要性,建议提前着手扩建工作。

(3)针对有特殊工业废水混入的城市污水处理厂处理工艺的选择应慎重,建议前期进行充分的调研分析,并借鉴类似的工程实例,必要时辅以中试试验,确保处理方案的稳定性。

(4)建议相关部门控制进水水质,对排入城市下水道的工业废水应严格按国家颁布的《污水排入城镇下水道水质标准》(CJ 343-2010)执行,以利于污水处理厂长期稳定的运行。