某循環經濟示范園污水處理廠工程設計實例

任杰， 王先鋒， 涂照妹， 唐云， 杜翠紅

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

1 工程概況

某循環經濟示范園主導產業為新材料產業、 智能產業、 高端裝備制造業、 現代物流業， 積極發展機械加工產業、 靜脈產業、 現代農業和智慧城市產業。 2021 年園區引進了一家能源股份企業， 主要生產太陽能光伏電池， 分兩期建設， 兩期建成后總污水量約2.6×104m3／d， 企業針對含氟污水采用兩級除氟工藝處理后出水排入園區污水處理廠， 其中一級處理采用氯化鈣除氟， F-質量濃度由900 mg／L 降至12 mg／L， 二級處理采用除氟劑除氟， F-質量濃度由12 mg／L 降至4 mg／L（遠期8 mg／L）以下，導致園區污水處理廠來水Cl-以及TDS 含量較高。此外， 園區還引入了部分電子、 化工及生物醫藥企業。 園區企業對廢水進行預處理后， 排放至園區污水處理廠進行集中處理。 根據現場對水質水量的調研， 主要排污企業共有5 家， 其中光伏企業污水2.6 × 104m3／d， 特征污染因子為F-、 Cl-和TDS；化工、 電子企業污水2 380 m3／d， 特征污染因子為TP； 醫 藥 企 業 污 水400 m3／d， 特 征 污 染 因 子 為COD。 該污水處理廠主要接收光伏企業的含氟污水， 以及少量重力流的其他企業生產和生活污水。根據來水水質分析結果及以往設計經驗， 本項目采用預處理-芬頓-水解酸化-AO 生化-二沉池-高密度沉淀池-臭氧氧化-曝氣生物濾池-濾布濾池-接觸消毒工藝， 在分質預處理的基礎上去除污水中的F-， 利用生化池去除有機物及氨氮， 利用臭氧及曝氣生物濾池對難降解有機物進一步去除。

2 設計規模及進出水水質

2.1 設計規模

本項目設計規模為4.0×104m3／d， 其中含氟污水2.6 × 104m3／d， 由壓力流專管輸送至污水處理廠； 其他企業生產及生活污水合計1.4×104m3／d，由重力流污水管統一輸送至污水處理廠。

2.2 廢水水質

本項目進水主要為壓力流的光伏企業含氟污水以及少量重力流的電子、 化工及生物醫藥企業與園區生活污水的混合污水。 出水要求達到DB34／2710—2016《巢湖流域城鎮污水處理廠和工業行業主要水污染物排放限值》中表2 城鎮污水處理廠Ⅰ標準及GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A 標準。 設計進出水水質如表1 所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Design influent and effluent water quality

表2 實際進出水水質Tab.2 Actual influent and effluent water quality

3 污水處理工藝

3.1 工藝選擇

（1） 預處理。 上游光伏企業針對含氟污水采用氯化鈣除氟處理工藝， 導致來水Cl-和TDS 含量較高［1-2］， 不僅對生化系統的運行影響較大， 對工藝設備、 管道腐蝕性也較高。 其他污水主要為園區的生活污水以及部分重力流工業污水。 由于這兩類污水水質組分及性質相差較大， 本工程采用分質預處理。 含氟污水進入除氟沉淀池進行預處理， 其他污水經過粗細格柵后直接與預處理后的含氟污水一并進入勻質調節池。 由于混合后污水的B／C 值較低，水中含有較多的難生化降解或不可生化降解的物質，難以滿足直接生化降解的要求， 因此， 采用芬頓工藝對混合污水進行預處理以提高其可生化性［3］。

（2） 生化處理。 為確保生化處理對COD、 TN的去除效果， 本工程采用成熟穩定的AO 生化工藝，該工藝不但工藝流程簡單， 構筑物少， 同時污泥量相對較低， 能有效節約運行成本［4］。 此外該工藝對來水水質敏感性不高， 工藝耐沖擊負荷能力較強。

（3） 深度處理。 由于末端有機物通常難以生化降解， 本工程采用具有強氧化性的臭氧， 利用·OH將難降解有機物降解成易生化的中間產物， 通過附著在曝氣生物濾池填料中微生物的作用可有效將有機中間產物生化降解［5］。 考慮到曝氣生物濾池出水SS 可能會超標， 通過濾布濾池對出水SS 進行把關， 確保出水達標排放。

3.2 工藝流程及說明

污水處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment

含氟污水首先進入除氟沉淀池， 加入除氟劑、混凝劑、 絮凝劑等化學藥劑， 通過化學沉淀法去除污水中F-。 園區其他污水經重力管網收集后先后進入粗、 細格柵井內， 去除較大的漂浮物及細小懸浮物后， 經過沉砂池分離并去除污水中砂粒與浮渣。 兩股污水經預處理后一同進入均質調節池， 在勻質調節池中進行水質水量調節后進入芬頓絮凝池， 利用芬頓反應生成的·OH 降解污水中的有機物， 改善污水可生化性。 芬頓絮凝池出水自流至水解酸化池， 在水解酸化池內通過微生物的水解酸化作用將污水中難降解的有機物轉為易于生化降解的中間體， 進一步提高污水的可生化性。 水解酸化池出水進入AO 生化池的缺氧池， 在缺氧環境下將進水以及從好氧池回流的混合液中的硝態氮還原成氮氣； 缺氧池出水進入好氧池， 好氧池內設鼓風曝氣， 在好氧的環境下去除污水中殘留的有機污染物， 并將進水中的NH3-N 轉化成硝態氮。 AO 生化池出水進入二沉池進行固液分離， 部分污泥通過泵提升回流至前端缺氧池， 剩余污泥去污泥脫水間的儲泥池。

二沉池出水經泵提升后進入高密度沉淀池， 通過投加PAC、 PAM， 確保出水TP 達標， 同時去除水中的膠體類物質和懸浮物。 高密度沉淀池出水進入臭氧氧化單元（含臭氧接觸池、 臭氧緩沖池）， 在臭氧-雙氧水系統中， 雙氧水分解形成的HO2·是一種·OH 的引發劑［6］， 能夠有效提高·OH 的反應生成速率［7］， 從而實現對污水中殘留的有機物進行強氧化， 改善污水可生化性。 為避免水中殘余臭氧破壞后段曝氣生物濾池中微生物的生長， 在臭氧接觸池后設置臭氧緩沖池。

臭氧緩沖池出水進入曝氣生物濾池， 曝氣生物濾池內裝填高比表面積的顆粒填料， 作為微生物膜生長的載體。 污水自下向上流過濾料層， 在濾料層下部鼓風曝氣， 污水中的有機污染物與填料表面生物膜通過生化反應得到降解， 填料同時起到物理過濾作用。

曝氣生物濾池出水進入濾布濾池， 進一步保障出水SS 達標。 濾布濾池出水進入消毒池進行消毒處理， 達標后排放。

4 主要構筑物及設計、 運行參數

（1） 除氟沉淀池。 1 座， 分2 個系列， 總尺寸為24.60 m×20.70 m×6.40 m。 pH 調節池有效容積為162.5 m3， 除氟反應池有效容積為343 m3， pH回調池有效容積為108 m3， 混合池有效容積為27 m3， 絮凝池有效容積為361 m3， 沉淀池有效容積為1 527 m3。 pH 調節池停留時間為9 min， 除氟反應池停留時間為19 min， pH 回調池停留時間為6 min， 混合池停留時間為1.5 min， 絮凝池停留時間為20 min， 沉淀池表面水力負荷為8 m3／（m2·h）。配置中心傳動刮泥機2 臺， 刮泥機直徑為9.6 m，功率為0.75 kW； 污泥螺桿泵6 臺（4 用2 備）， 流量為25 m3／h， 揚程為20 m， 功率為7.5 kW； 移動式潛污泵2 臺， 流量為50 m3／h， 揚程為20 m， 功率為8.5 kW。 控制除氟反應pH 值為6.66， 除氟劑投加量為750 mg／L， PAC 投加量為10 mg／L， PAM投加量為3 mg／L。

（2） 勻質調節池及事故池。 勻質池2 格， 單格尺寸為36.30 m×25.30 m×8.30 m， 總有效容積為13 500 m3， 停留時間為8 h。 配置雙曲面攪拌機8臺， 功率為7.5 kW。 調節池2 格， 單格尺寸為54.60 m× 25.30 m × 8.30 m， 總有效容積為20 250 m3， 停留時間為12 h。 配置雙曲面攪拌機12 臺，功率為7.5 kW， 提升泵4 臺， 流量為170 m3／h，揚程為12 m， 功率為11 kW。 事故池2 格， 單格尺寸為36.30 m ×25.30 m × 8.30 m， 總有效容積為13 500 m3， 停留時間為8 h。 配置雙曲面攪拌機8臺， 功率為7.5 kW； 提升泵4 臺， 流量為95 m3／h， 揚程為15 m， 功率為7.5 kW。

（3） 芬頓絮凝池。 1 座， 分2 個系列， 總尺寸為47.60 m×36.30 m×6.65 m。 調酸池有效容積為333 m3， 混合池有效容積為167 m3， 氧化池有效容積為3 333 m3， 調堿池有效容積為333 m3， 混合池有效容積為55.5 m3， 絮凝池有效容積為333 m3，沉淀池有效容積為4 030 m3。 調酸池停留時間為12 min， 混合池停留時間為6 min， 氧化池停留時間為2 h， 調堿池停留時間為12 min， 混合池停留時間為2 min， 絮凝池停留時間為12 min， 單系列沉淀池池體尺寸為21.0 m×16.5 m×6.65 m， 表面水力負荷為3.8 m3／（m2·h）， 配置虹吸式吸泥機2 臺， 軌距為16.5 m， 池邊水深5.85 m， 功率為3.75×2 kW；排泥泵4 臺（2 用2 備）， 流量為12 m3／h， 揚程為18 m， 功率為2.2 kW。 27.5% H2O2投加量為45 mg／L， 25%FeSO4溶液投加量為45 mg／L， PAC 投加量為150 mg／L， PAM 投加量為4 mg／L。

（4） 水解酸化池。 1 座， 分2 個系列， 單系列尺寸為47.55 m×20.30 m×7.80 m， 總有效容積為20 000 m3。 每個系列內分15 格， 內部裝填組合填料， 總停留時間為12 h。 組合填料規格φ200 mm × 80 mm（直徑×片距）， 有效長度為3 m， 安裝間距為200 mm。

（5） AO 生化池。 1 座， 分2 個系列， 單系列缺氧池尺寸為31.00 m×26.60×7.80 m， 總有效容積為11 230 m3， 停留時間為6.74 h； 單系列好氧池尺寸為62.20 m×56.70 m×7.80 m， 總有效容積為24 800 m3， 停留時間為14.88 h。 污泥濃度為3.5 g／L， 污泥負荷為0.05 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 污泥回流比為100%， 混合液回流比為185%。 配置缺氧池雙曲面攪拌機8 臺， 功率為7.5 kW； 混合液回流泵6 臺（4 用2 備）， 流量為1 300 m3／h， 揚程為1 m， 功率為13 kW； 微孔曝氣器4 160 根， 規格為φ65 mm×1 000 mm， 曝氣量為5 ～7 m3／（h·m）。30% 乙酸鈉投加量為15 mg／L， 32% 氫氧化鈉（補充堿度）投加量為120 mg／L， 好氧池曝氣量為218 m3／min。

（6） 二沉池。 1 座， 周進周出矩形結構， 分4個系列， 總尺寸為49.70 m×36.50 m×6.00 m， 單系列池寬8.50 m， 池長44.00 m， 有效水深5.05 m，表面水力負荷為1.1 m3／（m2·h）。 配置非金屬鏈條式刮泥機成套設備4 套， 功率為0.55 kW。

（7） 高密度沉淀池。 1 座， 分2 個系列， 總尺寸為29.00 m×18.95 m×8.20 m。 快混池停留時間為2 min， 慢混池停留時間為17 min， 沉淀池表面水力負荷為6.89 m3／（m2·h）， 池邊水深為6.24 m。配置中心傳動刮泥機2 臺， 刮泥機直徑為11 m， 功率為0.75 kW； 剩余污泥泵2 臺（2 用）， 流量為25 m3／h， 揚程為20 m， 功率為7.5 kW； 污泥回流泵4臺（2 用2 備）， 流量為25 m3／h， 揚程為20 m， 功率為7.5 kW。 PAC 投加量為30 mg／L， PAM 投加量為3 mg／L。

（8） 臭氧氧化單元。 1 座， 尺寸為25.50 m ×23.00 m × 7.05 m。 臭氧接觸池停留時間為0.5 h，緩沖池停留時間為1.5 h。 臭氧投加量為40 mg／L，H2O2投加量為10 mg／L。

（9） 曝氣生物濾池。 1 座， 分6 格， 單格尺寸為9.00 m × 6.00 m × 7.00 m， 有效水深為6.50 m，填料高度為3.5 m， 空床停留時間為40 min。 配置曝氣風機8 臺（6 用2 冷備）， 風量為18.52 m3／min，風壓為58.8 kPa， 功率為25 kW； 反洗風機8 臺（6 用2 冷備）， 風量為22.8 m3／min， 風壓為78.4 kPa， 功率為37 kW； 反洗水泵3 臺（2 用1 備），流量為490 m3／h， 揚程為13.5 m， 功率為37 kW；污水提升泵2 臺（1 用1 備）， 流量為70 m3／h， 揚程為14.5 m， 功率為6 kW； 放空泵1 臺， 流量為100 m3／h， 揚程為5.5 m， 功率為5.5 kW。

（10） 濾布濾池。 1 座， 2 個系列， 總尺寸為10.45 m×6.35 m×8.50 m（帶遮陽棚）。 濾盤直徑為3 m， 每套10 個盤， 單盤過濾面積為12.8 m2， 濾速為6.5 m／s， 配置中心傳動系統驅動電機， 功率為0.75 kW； 沖洗水泵4 臺， 流量為70 m3／h， 揚程為13 m， 功率為5.5 kW。

（11） 加藥罐區。 2 座， 綜合加藥罐區平面尺寸為39.00 m×13.00 m， 雙氧水加藥罐區平面尺寸為13.00 m×6.00 m。 設氫氧化鈉、 硫酸亞鐵、 乙酸鈉、 除氟劑、 雙氧水投加裝置各1 套。

（12） 污泥脫水間／加藥間。 1 座， 平面尺寸為39.30 m×34.30 m。 設疊螺式污泥濃縮機3 套， 單套處理能力為600 ～1 000 kg［DS］／h； 高壓板框壓濾機3 套， 單套過濾面積為300 m2， 脫水后泥餅含水率不高于60%， 泥餅外運處置， 配套污泥泵、污泥切割機、 沖洗水泵、 加藥裝置等。

（13） 生物除臭裝置。 2 套， 其中1 套處理能力為40 000 m3／h， 收集范圍包括粗格柵及提升泵站、 細格柵及沉砂池、 除氟沉淀池、 事故池、 勻質調節池、 芬頓絮凝池； 另1 套處理能力為50 000 m3／h， 收集范圍包括水解酸化池、 AO 生化池、 污泥脫水間（含污泥脫水間調理池、 污泥池及板框設備臭氣）。

5 工程設計特點

（1） 本工程污水主要為光伏企業的含氟污水，針對來水F-濃度較高的特點， 預處理階段設置除氟沉淀池， 在酸性條件下， 除氟劑對F-表現出明顯的吸附和絡合作用， 使出水F-濃度達標的同時，降低其對AO 生化池內微生物的毒性， 確保生化處理效果。

（2） 由于光伏企業污水中有機物含量相對較低， 污水在AO 生化池中可能會出現碳源不足的情況， 因此在前期設計階段， 本工程污水處理廠考慮接入園區的生活污水， 既解決了小流量生活污水的處理問題， 又解決了AO 生化池碳源不足的問題，降低了污水處理廠的運行成本。

（3） 本工程要求出水COD 質量濃度不高于40 mg／L， 為確保達標， 深度處理采用臭氧催化氧化+曝氣生物濾池組合工藝， 臭氧可與水中OH-發生化學反應， 生成HO2·， 同時雙氧水也會生成HO2·， 大量的HO2·使得·OH 生成速率大大提高，利用·OH 的強氧化性在降解有機物的同時也能有效提高難降解有機物可生化性， 配合曝氣生物濾池中生物膜的作用可進一步去除COD。

6 工程運行效果

根據小試試驗結果可知， 在進水氟化物質量濃度為3.53 mg／L， pH 值為6.66 條件下， 出水氟化物含量隨除氟劑投加量的增加而降低， 在確保出水氟化物質量濃度小于1 mg／L 的排放要求下， 除氟劑經濟投加量為750 mg／L。

目前， 本項目進水量約為20 000 m3／d， 進水全部來自某光伏企業的含氟廢水， 該企業尚未達到最大產能， 因此排水量未達到26 000 m3／d 的設計值。 考慮到本工程污水處理廠尚處于起步運營階段， 經與某光伏企業協商， 企業內部污水處理廠加大了除氟劑投加量， 使得出水氟化物含量相對較低， 待污水處理廠穩定運行后含氟污水的氟化物含量會逐步達到設計指標。 根據現有進水情況， 近30 d 的實際進出水水質監測結果如表2 所示， 該污水處理廠能夠穩定達標排放。

7 工程投資及運行成本

本工程總投資為51 518.9 萬元， 其中廠外管線投資10 467.8 萬元。 單位經營成本為12.14 元／m3，單位總成本為14.66 元／m3， 其中人工費為0.38 元／m3， 藥劑費為9.63 元／m3， 水電費為0.41 元／m3。

8 結語

（1） 目前該污水處理廠進水均來自某光伏企業的含氟廢水， 實際進水有機物及氟化物含量相對較低， 廢水經除氟系統、 生化系統及臭氧加曝氣生物濾池的深度處理后能夠穩定達標排放。

（2） 本工程實踐表明， 采用除氟沉淀池工藝對光伏企業的含氟污水進行除氟預處理是可行的， 出水F-濃度能夠穩定達標排放， 同時也降低了F-對后續生化系統的影響。

（3） 采用臭氧催化氧化+曝氣生物濾池組合工藝對污水處理廠尾水進行深度處理是可行的， 在臭氧和雙氧水的協同作用下能夠有效降解有機物并提高污水可生化性， 在曝氣生物濾池中微生物的作用下出水COD 能夠穩定達標。