某高新技术产业园区污水处理厂设计处理能力为3万 m3/d,接纳的废水以电子、光伏、机械制造为主,废水成分复杂、可生化性差、处理难度大,且部分废水中含有重金属。出水水质中COD、BOD5、NH3-N、TP等指标执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅳ类水标准。根据进水水质特征和出水要求,将进厂废水分为重金属废水和综合废水进行分质预处理,预处理后再混合进行进一步处理。主体工艺采用混凝沉淀-水解酸化-两级 AO/MBR-臭氧催化氧化-高效沉淀池-反硝化滤池-次氯酸钠消毒。结果表明,组合工艺对该工业废水具有较好的去除效果,COD、BOD5、SS、NH3-N、TP去除率均达95%以上,直接处理成本约3.44元/m3,出水水质能够稳定达到设计要求。

关键词:

污水处理厂;重金属废水;水解酸化;臭氧催化氧化;反硝化滤池

 

0     引言

       某高新技术产业园区生产过程中产生电子、光伏、机械制造类废水。电子废水主要来源于湿法刻蚀和化学机械研磨的酸洗等,含有大量的高分子有机物、有机氮等难降解物质,处理难度大;光伏废水是生产过程中使用大量氢氟酸、硝酸等化学品,产生的高浓度含氟、含氮废水,可生化性差;机械制造废水除酸碱废水、含氰废水外,部分废水中还含有各种重金属以及表面活性剂、柠檬酸、EDTA、硫脲、炔二醇、香豆素等,具有水质组成复杂、有机物和总氮污染浓度高、可生化性差等特点。电子、光伏、机械制造废水具有污染物浓度高、成分复杂、可生化性差等处理难点,含有机氮、有机磷、难降解的COD以及部分废水含重金属是较难处理的重要原因,是非常难处理的工业废水。以某高新技术产业园区污水处理厂工程实例,分析进水水质、处理工艺、工艺单体设计参数、运行效果并进行成本分析,以期为同类水质的项目建设提供参考。

1      概述

        某高新技术产业园区有装备制造、生物医药、食品、电子信息、科技研发等产业,以电子、光伏、机械制造等为主。园区内企业生产过程中产生的废水,经预处理后达到相应的国家或行业标准,分类收集,通过专门管道输送至园区污水处理厂集中处理。

1.1   废水水量及水质

        园区污水处理厂接纳处理的废水是经企业预处理达到《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T31962—2015)、《污水综合排放标准》(GB8978—1996)、《电子工业水污染物排放标准》(GB39731—2020)和《电池工业污染物排放标准》(GB30484—2013)等相关标准后排放的废水。进入园区污水处理厂的废水中,部分含有铜等重金属,因其处理过程产生的污泥是危险废弃物,需单独进行预处理,其他废水收集混合后一起预处理。废水经企业预处理后,污染物浓度大幅下降,废水水量和水质特征见表1。

       

         所接纳的废水中,重金属废水约4250m3/d,考虑水量的变化特性以及适当余量,预处理规模按0.5万 m3/d进行设计;电子、光伏、机械制造、食品及其他废水,合计约2.19万 m3/d,此类废水中含重金属的已纳入重金属废水处理,其他进行合并、混合后一起进行预处理,考虑水量的变化特性以及适当余量,预处理规模按2.5万 m3/d进行设计;两种预处理后的废水混合进入后端进一步处理,因此,园区污水处理厂的总规模为3万 m3/d

1.2   排放标准

        根据当地环保部门对项目环境影响评价报告书的批复,园区污水处理厂设计出水 COD、BOD5、NH3-N、TP、氟化物指标执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅳ类水标准,总氮为10mg/L,俗称“准Ⅳ类”标准;SS等其他常规指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)表1中一级 A标准,总铜等行业特征污染物指标执行《电 子 工 业 水 污 染 物 排 放 标 准》(GB39731—2020)直接排放限值。具体见表2。

        

2      废水处理工艺

2.1   工艺流程

        园区污水处理厂接纳处理的废水虽经企业预处理后,仍含有一定比例的有机氮、有机磷和难降解的COD,可生化性差,部分废水中还含有重金属。有机氮、有机磷和溶解性难降解 COD 的高效去除是废水处理后达标排放的难点和关键。水解酸化工艺能够提高废水的可生化性,并能将部分有机氮转化成氨氮,有利用于后端的好氧处理;臭氧催化氧化等高级氧化工艺能够有效去除污水中难降解的COD,同时将部分有机氮、有机磷转化成无机氮和无机磷,有利于进一步处理;粉末活性炭能够吸附废水中部分溶解性难降解的 COD。部分废水中含有的重金属,易在生化系统富集,造成生化系统中毒,影响处理效果,但重金属不能被生物降解,只能通过物理、化学方法转移存在位置或转变物化形态,需设置专门针对性工艺进行处置,并且重金属污泥属于危废,需单独处置。借鉴国内重金属、电子、光伏、机械制造等废水处理的成功经验,结合进水水质特点和出水要求,将重属废水单独进行预处理,其他不含重金属的废水混合一起进行预处理,两种预处理后的废水混合后进一步处理。预处理采用混凝沉淀、水解酸化等工艺,降低生化系统负荷,同时提高可生化性;采用两级 AO/MBR工艺具有较好的COD去除、除磷和脱氮效果;深度处理采用臭氧催化氧化、高效沉淀和反硝化滤池对COD、TP和TN的去除效果明显;主体工艺采用混凝沉淀-水解酸化-两级 AO/MBR-臭氧催化氧化-高效沉淀池-反硝化滤池-次氯酸钠消毒。废水处理工艺流程图见图1。

          

2.2     主要工艺单体及设计参数

2.2.1  调节池

         (1)重金属废水调节池 设计规模0.5万 m3/d,平面尺寸12.42m×16.81m,有效水深9.0m,停留时间9h。主要设备:污水提升泵3台,潜水搅拌机6台。

         (2)综合废水调节池 设计规模2.5万 m3/d,平面尺寸16.65m×54.83m,有效水深8.0m,停留时间7h。主要设备:污水提升泵3台,潜水搅拌器6台。

2.2.2  重金属废水事故应急池

          设计规模0.5万 m3/d,平面尺寸16.29m×23.34m,有效水深9.0m,停留时间16h。主要设备:污水提升泵3台。

2.2.3 混凝沉淀池

         (1)重金属废水混凝沉淀池 设计规模0.5万m3/d,平 面 尺 寸 12.40 m×16.80 m,有 效 水 深9.4m,沉淀区表面水力负荷1.73m3/(m2·h)。主要设备:加药搅拌器1台,反应搅拌器3台,沉淀区刮泥机1台,剩余污泥泵2台。

         (2)综合废水混凝沉淀池 设计规模2.5万 m3/d,平面尺寸17.80m×45.50m,有效水深9.4m,分4格。沉淀区直径11.0m,表面水力负荷2.74m3/(m2·h)。主要设备:快速混合搅拌器4台,絮凝搅拌器4台,沉淀区刮泥机4台,剩余污泥泵6台。

2.2.4  中间水池

          设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 17.80 m×15.62m,有效水深5.0m,停留时间1.1h。主要设备:提升泵4台,超细格栅2台。

2.2.5  水解酸化池

          设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 24.75 m×54.82m,有效水深8.0m,停留时间8.3h。主要工艺设备:潜水搅拌器16台,排泥泵2台,立体弹性填料1830m3。

2.2.6  两级 AO/MBR池

          设计规模3万 m3/d。两级 AO 池平面尺寸79.95m×54.72m,有效水深8.0m,总停留时间27h,其中一级 A池8h,一级 O池12h,二级 A池5.0h,O 池2.0h;污泥浓度6.0g/L,硝化速率0.06kgNH3-N/(kgMLSS·d),反硝化速率0.022kgNO-3-N/kgMLSS·d,污泥负荷0.05kgBOD5/(kgMLSS·d),污泥产率0.32kgMLSS/kgBOD5,硝化液回流比200%~300%;MBR 膜池平面尺寸18.35m×7.06m,有效水深4.8m,停留时间0.4h,污泥浓度8.0~12.0g/L,MBR至 AO 池污泥回流比300%~400%。主要设备:一级缺氧池搅拌器18台,一级好氧池推流器4台,二级缺氧池搅拌器2台,混合液回流泵3台,污泥回流泵3台,排泥泵2台,MBR产水泵8台,管式曝气系统2组;中空纤维膜,膜通量 15L/m2·h,每 组 产 水 量 750 m3/h,40组。

2.2.7   臭氧催化氧化池

           设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 21.10 m×17.50m,有效水深6.5m,停留时间1.9h;臭氧投加浓度60mg/L,催化氧化接触时间17min。主要设备:臭氧发生器,产量20kg/h,浓度8~10wt%,4台;反冲洗离心泵5台,反冲洗鼓风机2台。

2.2.8  高效沉淀池

          设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 21.10 m×17.50m,有效水深6.2m。混合反应时间3.5min,絮凝反应时间13.2min,沉淀时间0.7h,沉淀区直径10.0m,表面水力负荷7.96m3/(m2·h)。主要设备:混合区搅拌器2台,絮凝区搅拌器2台,中心传动刮泥机2台,回流污泥泵3台,剩余污泥泵3台。

2.2.9  反硝化深床滤池

          设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 36.94 m×24.15m,有效水深3.5m,1座4格,单格过滤面积56m2。滤料厚度1.7m,滤速5.58m/h,强制滤速7.44m/h。气洗强度75m3/(m2·h),3~5min;水洗强度30m3/(m2·h),5~10min;气水联合洗时气洗强度75m3/(m2·h),水洗强度15m3/(m2·h),10min。主要设备:离心泵3台,鼓风机3台。

2.2.10 消毒接触池

           设计规模 3 万 m3/d,平面尺寸 16.29 m×18.37m,有效水深4.0m,接触时间0.9h。消毒剂采用成品次氯酸钠溶液,溶液浓度10%,投加浓度6mg/L有效氯。

2.2.11 污泥浓缩池

          (1)重金属污泥浓缩池 平面尺寸24.12m×8.05m,有效水深4.5m,分3组,停留时间12h。

          (2)综合废水污泥浓缩池 平面尺寸24.12m×8.05m,有效水深4.5m,分3组,停留时间8h。

          (3)有机污泥浓缩 池 平 面 尺 寸 16.08 m×8.05m,有效水深4.5m,分2组,停留时间6.5h;2.2.12 污泥脱水机房污泥脱水机房平面尺寸52.20m×25.0m,净层高12.0m。

         (1)重金属污泥系统 采用板框机械脱水,脱水后泥饼含水率≤60%。主要设备:板框压滤机,过滤面积60m2,2台。

         (2)无机污泥脱水系统 采用板框机械脱水,脱水后泥饼含水率≤60%,主要设备:板框压滤机,过滤面积250m2,2台。

         (3)有机污泥脱水系统 采用离心机脱水,脱水后泥饼含水率≤80%,主要设备:离心脱水机,进料流量20m3/h,2台。

2.2.13  鼓风机房

           平面尺寸56.18m×14.39m,净层高8.0m。

主要设备:两级 AO 池鼓风机,流量3900Nm3/h,风压 90kPa,4 台;MBR 系 统 风 机,流 量 4800Nm3/h,风压60kPa,4台。

3      运行效果

        园区污水处理厂于2020年6月竣工并开始对各处理单元进行调试,两级 AO/MBR和反硝化滤池所需启动时间较长,借助于附近市政污水处理厂污泥菌种,约25d后两级 AO/MBR出水达到设计值,在辅助外加碳源的情况下,12d后反硝化滤池挂膜成功。2020年8月至2021年4月份试运行期间,平均进水量为22530m3/d(其中,重金属废水3920m3/d,综 合 废 水 18610 m3/d),负 荷 率 约75%,生化系统一级 AO 污泥负荷0.045kgBOD5/(kgMLSS·d),泥龄22d,水力停留时间26.7h,一级 A池 MLSS4300mg/L,DO0.22mg/L,一级O池 MLSS4600mg/L,DO3.3mg/L;二级 AO 污泥负荷为0.031kgBOD5/(kgMLSS·d),泥龄20d,水力停留时间9.3h,硝化液回流比250%,二级 A池    MLSS5100mg/L,DO0.25mg/L,二级池 O MLSS5400mg/L,DO3.7mg/L;MBR池 MLSS8200mg/L,DO4.1mg/L,水力停留时间0.5h,MBR至 AO池污泥回流比330%;反硝化滤池反硝化负荷0.22kgNO-3-N/(m3·d),平均滤速4.2m/h,空床停留时间24.3min,反冲洗周期为24h,碳源投加量20×10-6;臭氧催化氧化池中臭氧实际投加量为30~50mg/L。

试运行期间,对各处理单元的进水、出水水质进行了跟踪检测,各处理单元污染物处理效果见表3。
           

         调节池对SS的去除有一定的效果,去除率达25%以上,对其他污染物去除效果不明显;混凝沉淀池对COD、BOD5、SS、TP、总铜、氟化物的去除均有较明显效果,去除率分别为37.4%,28%,85%、53.5%、76.5%、68.2%,混凝沉淀池对 NH3-N 和 TN 的效果不明显;水解酸化池对 COD、BOD5 有一定的降解,去除率达18.8%、10%,对其他污染物去除效果不明显,NH3-N 浓度不降反升,原因是部分有机氮转化成 NH3-N,同时,水解酸化池处理后的B/C由进水的0.37提升到0.42,改善了B/C;两级 AO/MBR生化系统对COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP和总铜,均有较好的去除效果,去除率分别达到87.8%、97.7%、88.9%、98.3%、81%、66.7%、25%,对总铜有一定的去除率是因为活性污泥的吸附功能,对氟化物无明显去除效果;臭氧催化氧化对COD、BOD5、NH3-N、TN、TP 均有一定的去除效果,去 除 率 分 别 达 42%、38.1%、47.5%、34%、61.1%,主要是氧化了 NH3-N、有机氮、有机磷和难降解COD等,对其他污染物无效果;高效沉淀池对COD、BOD5、SS、TP、总铜、氟化物有一定的去除效果,分别达18.4%、15.4%、25%、48.6%、33.3%、28.2%,对其他污染物效果不明显;反硝化滤池主要对SS、TN、TP 去 除 有 效,分 别 达 33%、14.3%、11.1%,SS和 TP是因其过滤特性去除,TN 是因滤池的反硝化功能去除,去除率偏低是因为滤池进水 TN偏低,反硝化滤池对其他污染物效果不明显;消毒接触池,除杀菌消毒功能外,对污染物去除效果均不明显。分析表3运行数据,进水 COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP、总铜、氟化物浓度和相应的出水浓度,去除率均≥89%,出水水质远优于设计标 准,各 工 艺 单 元 对 污 染 物 具 有 较 好 的 去除率。

4      投资及运行费用

        园区污水处理厂总占地面积约3.95hm2,工程总投资约37807万元(其中:土建17658万元,设备及安装12740万元,土地购置费3555万元,其他费用3854万元),单位水投资为1.26万元/m3,单位水投资与市政类污水处理项目相比相对较高,主要原因是进水水质成分复杂和出水标准高,相应的处理工艺流程较长,因此单位投资较高;与其他同类水质要求的工业废水处理项目相比,投资是偏低的。

         运行成本包括电费、药剂费、自来水费、污泥处置费、维修费等,统计2020年8月至2021年4月运行数据,成本约3.44元/m3(其中:电费1.37元/m3,药剂费1.24元/m3,自来水费0.004元/m3,污泥处置费0.76元/m3,维修费0.07元/m3),具体如下:

        (1)电费。设备装机容量约2570kW,实际电单耗为1.82kW·h/m3,电费综合单价按0.75元/(kW·h)浓度算,电费为1.37元/m3。

        (2)药剂费。生产过程中使用的化学品、药剂费种类较多,用量和单价也各不一致,药剂总单耗1.24元/m3,消耗量及费用情况见表4。
       

         (3)自来水费。平均每天自来水用量约32m3,自来水单 价 为 4.2 元/m3,自 来 水 单 耗 为 0.004元/m3。

         (4)污泥处理置费。园区污水处理厂生产过程中产生危险废物和普通废物两种污泥,危险废物污泥每天产生量约1.1t,处理单价3580元/t,一般废物污泥每天产生量约27t,处理单价为480元/t,污泥处置总单耗为0.76元/m3。

        (5)维修费。试运行期内平均每月发生的设备维修、备品配件和材料消耗等费用约5万元,折合成单耗约为0.07元/m3。

5       结论
         某高新产业园区污水处理厂根据进水水质成份复杂、可生化性差、处理难度大和排放要求高的特点,通过技术分析,采用专管收集,分质预处理的方式,采用混凝沉淀-水解酸化 - 两 级 AO/MBR-臭氧催化氧化-高效沉淀池-反硝化滤池-次氯酸钠消毒工艺,对 COD、BOD5、SS、NH3-N、TP、TN、总铜、氟化物等均有较好的去除效果,出水水质能够稳定达到设计要求。主要处理单元有如下特征:

          (1)对不同来源的工业废水采用分质预处理,减少了危险废弃物的产生量和处理费用,降低运行成本,同时降低了运行风险。

          (2)水解酸化池对 COD、BOD5 有一定的去除效果,同时可提高废水的可生化性,B/C由进水的0.38提升至0.42,并可将部分有机氮转化成 NH3-N,转化约3.6mg/L。

          (3)两 级 AO/MBR 组 合 生 化 工 艺 对 COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP均有较高的去除率,合理控制运行参数,有利于提高处理效率。

          (4)臭氧催化氧化能够氧化部分难降解 COD,并对有机氮、NH3-N、TP均有一定的去除作用,去除率在30%以上。
           (5)反硝化滤池仅对 TN、SS的去除有效,运行时需控制好溶解氧、反冲洗强度、反冲洗周期和碳源投加量。

           (6)组合工艺具有适用水质范围广、运行稳定、投资小、处理成本低的特点。

 

 

原标题：高排放标准下某高新园区污水处理厂工程实例

原作者：关永年