高排放標準下工業聚集區廢水處理廠提標改造技術探討
我國早期的工業聚集區產業結構多樣，廢水水質、水量變化大，成分復雜，有毒有害且難降解有機物含量高。當前越來越多的流域和地區制定了較《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）更為嚴格的地方性排放標準，工業聚集區廢水處理廠達標排放面臨更大的挑戰。提標改造工程需根據特定的水質特點，從源頭調控、穩定預處理、強化生物處理、完善深度處理的角度出發，針對特征污染物采取有效措施，合理確定工藝路線。
目前我國建成和在建的工業聚集區已經達到了9000多個，工業廢水排放量占全國污水排放總量的45%左右。園區綜合工業廢水的水質、水量變化大，成分復雜，難降解和有毒有害物質含量高，pH不穩定，污染物含量高且營養不均衡。由于產業結構調整、主體工藝針對性不強、管理不到位等原因，工業聚集區往往成為水污染控制的重災區。目前海河流域的京津地區、巢湖流域、太湖流域、賈魯河流域等地區均制定了較《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）更嚴格的地方性排放標準；2015年環保部頒布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準（征求意見稿）》中提出了在國土開發密度較高、生態環境脆弱的地區執行水污染物特別排放限值，主要指標參照地表Ⅳ類；水污染物排放標準呈現進一步收緊的趨勢。工業聚集區廢水處理廠提標改造面臨著更大的挑戰。
1提標改造總體工作思路
1.1特征污染物識別
對工業聚集區的既有排污企業進行摸底調查，了解其生產工藝和主要原材料，分析其可能產生的污染組分。逐一調研其所屬行業排放廢水的水質特點和行業排放標準，了解企業內部既有的廢水處理工藝，分析廢水中可能存在的TDS、難降解有機物、有毒有害物質、有機磷、不可氨化的有機氮等制約達標排放的限制性因素，為制定有針對性的提標改造方案奠定基礎。
1.2搜集實際進出水水質資料、分析污染組分、水質特點、變化規律和現狀設施能夠達到的處理效果
分析工業聚集區廢水處理廠實際進水水質，重點關注pH、油、懸浮物、色度、堿度、重金屬、鐵、銅、氰化物、TDS、苯系化合物、氯系化合物、醫藥中間體、特殊顯色基團等非常規檢測的污染物含量。通過分析B/C判斷可生化性，分析氨氮和總氮指標的差值判斷生物脫氮的可行性，通過長歷時的生物處理試驗判斷難降解COD的含量，通過觀察生物反應池內的污泥性狀了解來水的生物毒性。
了解運行過程中曾經出現過的異常現象，如污泥分散、污泥上浮、進水pH和顏色變化、懸浮物和漂浮物含量變化等等，分析進水水質的變化規律。
搜集實際出水水質指標及其變化規律，將其與排放標準對照，分析提標改造需要強化去除的污染物指標；與進水水質對照，分析現狀設施運行效能。
1.3強化源頭調控，為末端達標排放創造條件
工業聚集區廢水處理廠提標改造不單純是內部改造問題，必須從整個園區水污染防治的角度出發，強化源頭治理、監管與調控，為達標排放創造條件，源頭調控與末端治理并重。源頭調控主要有4個方面內容：
（1）規范排污口建設，企業排污口設置水質水量計量裝置，納入監管單位實時監控系統，重點監控指標依據不同的行業適當調整，確保源頭達標排放。
（2）制定園區內部企業水污染物間接排放標準。當前大部分工業聚集區的廢水經過排污企業與末端處理廠兩次處理，既加大了企業的成本，也加大了廢水處理廠的處理難度，不利于廢水處理社會成本的最小化。2008年頒布的制漿造紙、電鍍等11個行業的水污染物排放標準創設了以協商方式來確定水污染物間接排放標準的新模式。針對BOD5、COD等常規污染物間接排放限值適當放寬或不做要求，進一步收嚴第一類污染物、難降解COD、不易處理的氮磷、有毒有害物質的排放限制。
（3）重點監控園區內可能存在的總量小、濃度高、毒性大、含鹽量高，嚴重影響末端處理工藝正常運行的廢水、廢料等，必須單獨處置，嚴禁進入公共排污系統。
（4）有條件的大型工業園區可采用“污污分流”的方式，將水質差別較大、對處理工藝要求迥異、混合后可能產生新的難處理組分的廢水分別排入各自的廢水處理廠，從整體上降低工業聚集區水污染治理難度和成本。
1.4末端治理思路
綜合工業廢水提標改造須從穩定預處理、強化生物處理、完善深度處理3個方面著手。
工業廢水重在預處理，預處理主要包括水質預警、水質水量調節、事故排放、水質調理、有毒有害物質去除等工序。預處理工藝是否合理，是后續生物處理和深度處理能否穩定運行的前提條件。
高排放標準下綜合工業廢水的生物處理須重點強化其對難降解有機物的去除能力，對水質水量、有毒有害物質和TDS、游離氨的耐受能力，脫氮能力等。
深度處理是提標改造的最后屏障，主要確保COD、TP、SS3項指標達到排放標準。高排標準規定的SS小于5mg/L，目前常用各種形式的砂濾和超濾系統，也有采用磁混凝沉淀直接出水，還有待實踐的進一步檢驗。高排標準規定的TP小于0.3mg/L，目前主要還是靠混凝沉淀，常用混凝沉淀、高密度沉淀、重介質沉淀等，也可根據水質特點選擇氣浮工藝。確保TP穩定達到0.3mg/L以下，須關注二沉池出水中有機磷的含量，普通混凝沉淀和氣浮對有機磷去除能力有限，磁加載混凝沉淀工藝在有些項目中具有較好的處理效果，有機磷主要還是依靠源頭調控。高排標準規定的COD小于30mg/L，難降解COD的深度去除工序已經成為深度處理的常用配置。
1.5通過試驗研究合理確定工藝路線和設計參數
綜合工業廢水成分復雜，污染物組分之間相互影響，且在處理過程中可能產生新的污染組分，采用的工藝流程及試驗效果必須經過試驗驗證，主要設計參數需在試驗過程中摸索，有條件的項目需開展全流程的中試研究。主要驗證內容包括各工序的最優運行工況、處理效果、電耗、藥耗等，為工程實施提供依據。
2案例分析
2.1工程背景
北方某工業聚集區廢水處理廠，服務面積約11km²，目前已入住企業百余家，主要排污企業涉及鋼鐵、精細化工、制藥、機械加工、有色冶金、輕工制造、橡膠制品等7個門類。現狀廢水處理設施設計規模1.5萬m³/d，采用奧貝爾氧化溝工藝，未能達到理想的處理效果，亟需提標改造。
2.2建設規模
園區已經建成十多年，基本沒有閑置用地，近年來雨季日處理水量約9000m³/d，旱季日處理水量約7000m³/d。由于企業越來越重視水資源的節約和循環利用，實際排污量跟原規劃差別較大，這也是工業聚集區普遍情況。提標改在工程將設計規模調整為1.0萬m³/d。
2.3進出水水質
設計過程中搜集了近一年的實際進水檢測數據，BOD5、SS、TP指標參照實測水質的90%保證率取值，COD、NH3-N、TN按照當地污水綜合排放標準和企業所在行業的排放標準取值。除此以外，為保障出水穩定達標排放，通過源頭調控的方式對進水中的難降解COD、不可氨化的有機氮、有機磷等指標做了進一步規定。出水執行當地的地方排放標準。
2.4設計思路
工業聚集區廢水處理廠提標改造是一個系統工程，一方面園區管委會加強排污口規范化建設、逐步制定適合園區的內部排放標準、加強對偷排誤排行為的監管；另一方面末端廢水處理廠根據實際情況提標改造。
針對本工程需要達到的排放標準，作為末端治理的提標改造工程需重點解決進水穩定和調理、COD和TN的穩定達標問題。
（1）進水均質與調節。本工程接收的廢水來自園區內的百余家排污企業，工業類別復雜多樣，污染組分差別較大，水質特點各不相同，排污時段跟生產工序息息相關，規律性不強。預處理階段設置水質水量調節池，盡量延長均質時間，緩和水質水量的波動性；設置事故排放池存儲源頭企業的事故排水，對于后續處理系統穩定運行至關重要。
（2）除鐵。從現場的實際運行情況來看，活性污泥呈紅褐色，進水中Fe2+濃度約為80~90mg/L，過高的鐵離子會造成曝氣系統的堵塞，影響生物處理的正常運行，增加除鐵工序是必要的。
除鐵可以通過源頭調控和末端治理2種方式解決。源頭調控對于已經運營了十幾年的工業園區來講難度較大，需要對園區入住的幾個鋼鐵企業建設若干個分散性的除鐵設施，建設、運行、管理工作量更大，需要協調的工作較多，因此選擇了末端集中除鐵方案。
除鐵一般通過曝氣的方式解決，曝氣除鐵的過程會產生一定濃度的鐵系絮凝劑，具有強化一級沉淀的功能，在工業聚集區廢水處理工藝中考慮強化一級沉淀工序是必要的，可以有效的削減來水中的難降解COD、重金屬和其他有毒有害物質，保障后續生物系統正常運行；此外還可以有效去除進水中的懸浮物和膠體性物質，減少后續處理負荷，而懸浮物和膠體性物質對后續脫氮除磷所需碳源的貢獻較小。從這個角度來看，對脫氮除磷要求較高的廢水處理工程采用強化一級沉淀工序是可行的。
（3）水質調理。本工程接收的廢水經過源頭治理后排入，容易降解的污染物在源頭治理過程中已經消耗殆盡，營養物不均衡是末端治理工程面臨的普遍問題，同時也是保障生物處理穩定運行必須要解決的問題。實際進水水質監測數據顯示，低碳高氮現象突出，碳源不足將成為生物脫氮的主要限制性因素，必須考慮補充外加碳源；此外進水TP含量隨季節性波動較大，濃度小于1.0mg/L的時段較長，曝氣除鐵的過程也會進一步降低進入生物系統磷元素，為維持活性污泥正常運行，補充適當的磷元素是必要的。
（4）難降解有機物去除。明確廢水中難降解有機物的含量是制定工藝方案、合理確定各工序設計參數、確保末端穩定達標的前提和基礎。
現狀工程采用奧貝爾氧化溝作為生物處理系統，由于實際處理量未達到設計規模，實際停留時間32~41h左右，停留時間很長，出水COD一直維持在50~60mg/L，能夠在一定程度上反映難降解COD的含量。
提標改造工程通過曝氣除鐵（強化一級沉淀）、強化生物處理、氣浮過濾等深度除濁措施盡可能提高對難降解COD的去除效果，同時采用羥基氧化工藝保障出水COD達標排放。
（5）深度脫氮。明確進水中不可氨化的有機氮含量是保障出水TN達標排放的前提條件。從實際進水水質的統計資料來看，氨氮和總氮指標差值為5mg/L左右，不可氨化的有機氮含量可以接受，可以采用生物脫氮的方式保障TN達標排放。
2.5工藝流程
預處理階段增加進水調節池及事故貯存池，增加pH調節和曝氣除鐵池，細格柵后補充氰化物及生物毒性在線監測設施；生物處理階段將現狀奧貝爾氧化溝調整為4段AO生物池，投加粉末活性碳形成低濃度PACT工藝；深度處理階段采用高效淺層納米氣浮、兩級臭氧催化氧化和細砂過濾器。主體工藝流程如圖1所示。
2.6主要設計參數
2.6.1調節池及事故池
廢水經沉砂池后重力流進入調節池，調節池停留時間8h；事故池停留時間4h，排空時間48h。調節池內設置潛水推流器防止沉泥，廢水經調節以后后續設計規模按照平均流量考慮。
2.6.2曝氣除鐵池
曝氣除鐵池包括中和區、預曝氣區和沉淀區3部分。為減少產泥量，中和區投加氫氧化鈉，最大投加量150mg/L，實際投加量根據來水中鐵離子含量調整；預曝氣區停留時間1.5h，有效水深5.5m，穿孔管曝氣，氧利用率6%，汽水比1.3∶1，氣源采用容積式風機，PAM投加量0.5mg/L；沉淀區停留時間1.8h，有效水深3.5m，表面負荷1.7m³/（m²·h）。
2.6.3復合式四段AO生物池
生物反應池改造重點考慮去除COD和TN，兼顧除磷，采用4段AO的形式，通過投加少量的粉末活性碳，維持正常的污泥濃度，同時強化對難降解有機物的去除效果。主要設計參數如下：污泥濃度2000mg/L，第一缺氧區停留時間11h，第一好氧區停留時間11h，第一好氧區污泥回流比300%，第二缺氧區停留時間4h，第二好氧區停留時間2h，汽水比10∶1，補磷量3mg/L，粉末活性炭投加量20mg/L，碳源補充量108mgBOD5/L。二沉池利用現狀，停留時間和堰口負荷相當于設計參數的50%，預計可以達到沉淀效果。
2.6.4高效淺層納米氣浮
廢水經曝氣除鐵和二沉池兩次沉淀，前者相當于化學絮凝沉淀，后者相當于生物絮凝沉淀，可以采用重力沉淀去除的污染物基本去除殆盡。廢水中可能存在的油和漂浮物或生物處理過程中產生的難沉淀的生物碎屑可以通過氣浮手段解決，因此深度處理階段考慮采用效果較好的淺層納米氣浮工序。主要設計參數如下：表面負荷4.85m³/（m²·h），有效水深650mm，設計轉速0.1~0.2rpm，溶氣水壓力0.4MPa，回流比30%，停留時間8min，PAC投加量50mg/L，PAM投加量1.0mg/L。同時預留了氫氧化鈉和強氧化劑的投加點位。
2.6.5兩級臭氧催化氧化
為保障出水COD穩定達標排放，采用兩級臭氧催化氧化產生的羥基自由基對難降解有機物進行無選擇性徹底氧化，難降解有機物去除量按照30mg/L設計。
催化劑選用二氧化鈦負載型催化劑，負載厚度大于0.2mm，催化劑粒徑3~5mm，填充高度2.5m。
反應器采用多級逆流異相催化氧化形式，兩級串聯運行。采用空氣源臭氧發生器，通過穿孔曝氣管形成大體量氣泡包裹在催化劑外表面，提高羥基自由基的產生量，強化對難降解有機物的去除效果。
一級反應器停留時間30min，分4個系列，不銹鋼結構，直徑4.5m，高3.0m，單罐催化劑填充量42t，配套出水回流系統；二級反應器停留時間85min，分2個系列，長10m、寬10m、高3.0m，單套催化劑填充量76t，配套水氣回流系統和臭氧尾氣破壞系統。
2.6.6細砂過濾器
本工程采用8套細砂過濾器作為末端保障工藝，濾料采用級配濾料，濾料總厚度1.2m，其中0.5~0.9mm的石英砂800mm，1.0~2.0mm的石英砂200mm，2~4mm石英砂200mm。設計濾速6.5m/h，單罐面積8m²，沖洗方式為水洗，沖洗強度15L/（m²·s），沖洗周期16~24h。
2.7主要技術經濟指標
提標擴建工程總投資9069.17萬元，第一部分工程費7148.68萬元，包括土建工程2298.35萬元，設備費3613.77萬元。耗電1.5（kw·h）/m³，經營成本約4.89元/m³。
3關于工業聚集區廢水處理廠提標改造的思考
滿足高排放標準的工業聚集區廢水處理廠提標改造，需要配套的工藝流程長、投資和運行成本高、操作管理復雜。園區水污染防治還是應該從整個園區水資源綜合利用的角度統籌考慮，按照低質低用、高質高用、梯級利用、循環利用的原則，實現企業之間水資源的相互調配，最大程度的減少廢水排放量，條件好的園區可從整體上實現廢水“零排放”。
建設生態型工業園區是解決園區水污染治理的根本出路。通過優化產業結構，建設資源節約和環境友好的產業模式，加強對既有園區的環境監管，鼓勵資源共享、廢棄物循環利用，發展循環經濟，推行清潔生產，從源頭減少污染物的產生，實現末端治理向源頭預防的轉變。
工業聚集區廢水末端治理工程投資和運行成本中用于脫氮和難降解COD去除的費用比例最高。脫氮的成本主要集中在需要補充大量的外加碳源，有條件的項目可采用污泥水解或多點進水多級AO工藝充分挖掘、利用廢水中的內碳源，減少對外加商品碳源的依賴，最大限度的降低脫氮成本。采用羥基氧化工藝去除難降解有機物電耗或藥耗較高，且需要定期更換催化劑，投資和運行成本很高。制定工藝路線時，應盡量提高前序工藝對難降解有機物的去除能力，將水解、微電解、預氧化、混凝沉淀、混凝氣浮、過濾、吸附等物理化學手段與復合式生物處理手段有機結合，最大程度的削減羥基氧化的處理負荷。
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