工業園區混合廢水處理廠工程設計與探討:以福建某化工廢水處理廠為例

戴煒豪

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

根據石油化工廢水處理相關行業分析報告,2020年中國石油化工行業廢水處理量約為67億m3,占工業廢水全行業總處理量的20%～25%。石化廢水包含苯類、環己酮和醇類物質等有機污染物,具有高CODCr、高氨氮以及可生化性差的水質特點。曾明等[1]采用芬頓+二級生物處理+深度處理技術處理石化廢水,達到一級A排放標準;曾祥專等[2]采用生化+紫外芬頓法處理水性涂料生產廢水,可穩定達標;史鐵錘等[3]采用水解酸化/膜生物反應器(MBR)工藝處理石化倉儲企業廢水,可穩定達標。集中式污水處理設施即污水處理廠,已成為我國絕大多數工業園區的標配[4]。太湖流域某化工園區建設污水處理廠采用水解酸化、芬頓氧化等工藝對園區內的化工廢水進行處理,出水水質穩定達標[5]。

該項目的處理對象為福建某工業園區內的工業廢水,其中主要為石化工業廢水,約占全部廢水處理量的60%,廢水主要來源于環己酮裝置、己內酰胺裝置、硫酸裝置、過氧化氫裝置、甲醇制氫、煤制氫裝置等生產污水,以及生活污水、沖洗水、初期污染雨水等,含有苯類、環己酮和醇類物質等有機污染物。該廢水CODCr含量高、氨氮含量高、可生化性較差,需要采用高級氧化、水解酸化等工藝進行處理,且工業園區企業較多,廢水來源較為復雜,需要在前端進行企業分類收集。本文結合預處理、水解酸化、生化處理、高級氧化、深度處理、消毒工藝和精細化設計,探討了工業園區混合污水處理廠的部分設計要點,可為國內類似工業污水廠提供一定思路和案例參考。

1 園區水質特點及目標

1.1 園區污水廠進水水質

該項目位于福建省某工業園,園區內生產的產品包含己內酰胺、合成樹脂、油漆涂料、油墨等。污水處理對象主要為化工廢水,以及少量區域內產生的生活污水。工業廢水中還存在一些毒性大、抑制生物降解的高濃度廢水。相關企業的生產廢水在經過各企業初步處理后,排放至園區污水處理廠。因此,需通過分析各企業出水水質,確定該污水處理廠的設計進水水質。

根據園區提供的《水污染物排放接收處理意向協議書》,園區污水處理廠二期工程共服務10家企業,分別隸屬于石化工業、合成樹脂工業和油墨工業,其中石化工業廢水的含量約占全部廢水處理量的60%。根據各家企業環評批復,石化工業企業的出水應達到《石油化學工業污染物排放標準》(GB 31571—2015)中間接排放的限值;合成樹脂工業的污水排放應執行《合成樹脂工業污染物排放標準》(GB 31572—2015)中的間接排放標準;油墨工業企業的污水排放執行《油墨工業水污染物排放標準》(GB 25463—2010)間接排放標準或《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中的三級標準。將上述行業標準對比《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)、《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)及一期工程設計進水水質,如表1所示。

表1 排放標準及一期工程進水水質對比

該工程處理廢水主要包含石化工業廢水、合成樹脂工業廢水、油墨工業廢水等。對于石化工業、合成樹脂工業企業,由于GB 31571—2015和GB 31572—2015的間接排放標準在常規指標上沒有規定,主要以GB 8978—1996及GB/T 31962—2015中更嚴格的數值來確定。對于油墨工業企業,GB 25463—2010的間接排放標準對懸浮物、有機物、氮磷的要求比《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)更為嚴格。根據規定,當行業排放標準與《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)及《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)矛盾時,優先執行行業排放標準。故油墨工業企業的出水懸浮物、CODCr、BOD5、氨氮、總氮、總磷按GB 25463—2010中的間接排放標準執行。同時參考一期工程的設計進水水質,一期工程設計進水水質對進水懸浮物、總磷、化學需氧量有更合格的限制,但對色度、溶解性固體指標、總氮、氨氮又過于寬松。因此,該項目設計進水水質在懸浮物和總磷指標上與一期工程保持一致。此外,結合現狀實測水質,設計進水CODCr質量濃度沿用一期工程,取350 mg/L,而設計進水BOD5質量濃度取120 mg/L。

綜上,考慮各企業內部污水處理工藝、工藝運行穩定性及建議的接管標準,并參考國內類似園區污水處理廠設計水質,最終確定該項目的設計進水水質如表2所示。

表2 設計水質取值

1.2 工程建設規模

該工程為園區工業污水處理廠二期工程,主體部分設計規模為2.0萬m3/d,土建和設備一次性建成。部分構建筑物考慮遠期擴建容量,按3.0萬m3/d設計。前序已建現狀一期工程規模為1.0萬m3/d。

1.3 工程建設目標

根據環評批復,該工程的設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準及相關行業特征污染物排放標準。根據該工程的水質特點,該工程將重點聚焦難降解有機物、氮類污染物、SS和TP等污染物指標。

該工程的污泥處理目標為污泥采用重力濃縮+板框脫水處理,含水率低于60%,經污泥鑒定后外運處置。

該工程臭氣控制標準按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的二級標準以及《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)執行。

2 工程設計方案

2.1 該項目污水處理的重點難點

該工程處理廢水中,環己酮污水中含有苯類及環己酮等有機污染物;己內酰胺廢水包含氨肟化廢水、苯萃殘液及離子交換廢水;過氧化氫廢水中含有較多的石油類和磷酸鹽。難降解的特征污染物包括苯類、環己酮和醇類物質等有機污染物,廢水的主要特點是高CODCr、高氨氮以及可生化性差。因此,該工程污水處理環節中的主要難點在于進水中存在較高的難降解有機物。

對于化工廢水中溶解性難降解有機物,通過常規生物法難以達到出水要求,需要借助高級氧化工藝進一步去除。常規的高級氧化法有臭氧氧化、光催化氧化及芬頓氧化等,比選如下。

(1)臭氧催化氧化法

臭氧氧化體系具有較高的氧化還原電位,能夠氧化廢水中的大部分有機污染物,被廣泛應用于工業廢水處理中。臭氧能氧化水中許多有機物,但臭氧與有機物的反應是有選擇性的,而且不能將有機物徹底分解為CO2和H2O,臭氧氧化后的產物往往為羧酸類有機物。此外,臭氧的化學性質極不穩定,尤其在非純水中,氧化分解速率以分鐘計。

(2)光催化氧化法

光催化氧化法是一種新興技術,是在表面催化劑存在的條件下,利用一定波長的紫外光或可見光在常溫高壓下催化氧化廢水中的有機污染物,使有機物氧化降解的反應過程。在光催化過程中,TiO2是目前使用最廣泛的半導體催化劑,受光輻射的TiO2微?？墒顾掷m發生氧化還原反應并產生氫氣,其產生的強氧化性活性自由基能夠氧化去除水中絕大多數有機污染物。光催化氧化法常被用于處理自來水,處理后水中有機污染物的濃度、水的UV254值和COD都大大降低,但在污水復雜環境中的處理應用案例較少。

(3)芬頓氧化法

芬頓氧化法在常溫常壓下對難生物降解廢水、有毒廢水和生物抑制性廢水有著穩定、有效的去除功能,其利用反應過程中產生大量的羥基自由基,來氧化分解水中的有機物。芬頓氧化法一般在pH值為2～5的條件下進行,該方法優點是過氧化氫分解速度快,因而氧化速率也較高。在經過芬頓氧化法后,污水呈酸性,故在后續再串聯設置氧化池,并投加藥劑實現中和。

該工程的一期工程采用芬頓氧化法去除難降解有機物,去除效果良好。針對該工程企業廢水的相關小試處理數據如表3所示。

表3 芬頓法處理園區化工廢水試驗數據

由表3可知,采用芬頓法可以將出水CODCr質量濃度控制在50 mg/L以下,達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A的標準,且CODCr去除率在60%以上。根據上述小試結果以及一期工程的運行經驗,采用芬頓高級氧化可顯著去除難降解污染物。因此,該工程設置芬頓塔及芬頓高級氧化池作為深度處理工藝,以去除生化段未去除的難降解有機物。

此外,該工程在生化池前設置水解酸化池,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,提高污水的可生化性。將廢水中的不溶性有機物水解為可溶性物質,將大分子難生物降解的物質轉化為易于生物降解的物質(如有機酸類),改善污水的可生化性,為后續的好氧生物處理創造條件,同時色度物質得到部分有效去除。

2.2 工藝流程

針對該項目廢水特性,在常規處理工藝上作了強化,各處理環節采用的主要工藝方案有以下內容。

(1)預處理段:采用細格柵及旋流沉砂池+氣浮(某油墨企業廢水)+水解酸化+混凝沉淀。

(2)二級處理段:采用厭氧+兩級缺氧-好氧(AO)生物反應池+二沉池。

(3)深度處理段:采用芬頓高級氧化+三沉池+反硝化深床濾池。

(4)消毒工藝:采用次氯酸鈉消毒。

(5)污泥處理工藝:采用重力濃縮+板框脫水工藝。

(6)除臭工藝:采用生物除臭工藝。

污水、污泥的工藝流程如圖1和圖2所示。

圖1 污水處理工藝流程

圖2 污泥處置工藝流程圖

根據該工程設計進出水水質,確定主要工藝構筑物的設計進出水水質及設計去除率如表4所示,另外,接觸消毒池起消毒作用,使糞大腸桿菌指標達標。

表4 主要工藝構筑物設計進出水水質及設計去除率

2.3 處理單元工藝設計

(1)企業廢水分類收集池

設置企業廢水分類收集池1座,對10家企業進來的廢水進行單獨采樣及監測。每家企業均為單管輸送至收集池,分格檢測后,判斷進廠廢水是否達到設計進水水質標準要求。若超標則切換廢水至事故應急池暫存,若合格則進入預處理構筑物。

(2)調節池

調節池及事故應急池合建,調節池可對進廠廢水進行水量和水質的調節,設計停留時間為12 h。

(3)事故應急池

事故應急池與調節池合建,對非正常工況的廢水進行臨時儲存,設計停留時間為12 h,具體作用為:

①該工程進水水質波動較大,當企業廢水分類收集池采集的進水數據顯示來水水質超過保證率時,關閉池內的進水堰門,并啟動位于進水管上的超越閥,將進水切換排入事故池;

②若來水出現重金屬等特殊污染物超標時,將來水溢流進入事故調節池;

③擬將二期事故池與一期現狀事故池聯通,增加全廠對于事故工況的應對能力。

(4)含油廢水調節池及氣浮設備

對某油墨企業的含油廢水的水質水量起到調節作用,并設置氣浮設備去除水中含油物質,減少后續處理構筑物的負荷。

(5)水解酸化池設置1座水解酸化池,分為2組,每組可單獨運行。水解酸化池池型選擇的成功與否直接影響其處理效果。上流式污泥床水解酸化池具有耐沖擊負荷高、適應水量水質變化大、處理效果穩定可靠、維護管理方便等優點,該工程水解酸化工藝推薦采用上流式水解酸化池的工藝,設計水力停留時間為24 h,有效水深為9 m,池內設置纖維填料。

(6)混凝沉淀池

設置混凝沉淀池1座。配合水解酸化池使用,同時該沉淀池可作為重金屬超標事故水的應急處理設施,可發揮重要作用,設置聚合氯化鋁投加點。

(7)厭氧+兩級AO生物反應池

設置1座生物反應池,分為2組,每組可單獨運行。通過厭氧/缺氧/好氧對污水中大部分有機物、氨氮和總磷進行去除。在生物反應池中營造厭氧、缺氧、好氧環境,利用生物反應池中大量繁殖的活性污泥,降解水中污染物,以達到凈化水質的目的。生物反應池的主要設計參數如表5所示。

表5 生物反應池主要設計參數

(8)芬頓塔及芬頓高級氧化池

該工程通過芬頓氧化去除部分難降解有機物,并分解污水中部分大分子有機物。芬頓塔及芬頓高級氧化池具體包含的設備有芬頓催化氧化反應器。設備尺寸D×H為φ3 200 mm×10 000 mm;材質為316 L不銹鋼,內襯防腐,設備成套提供。

(9)三沉池

設置2座三沉池,對芬頓塔及芬頓高級氧化池進行固液分離。采用圓形鋼混結構,中進周出式,直徑為28 m,池邊水深為4.05 m,高峰表面負荷為0.88 m3/(m2·h)。

(10)鼓風機房

鼓風機房可為生物反應池及芬頓高級氧化池提供氧氣,保證生物系統及高級氧化環節正常運行。采用磁懸浮鼓風機,曝氣鼓風機設置3臺,2用1備,流量為56 m3/min,揚程為8.3 m,功率為135 kW;芬頓用鼓風機設置2臺,1用1備,流量為30 m3/min,揚程為7.3 m,功率為55 kW。

(11)儲罐區

儲存芬頓用過氧化氫、液堿(NaOH)和濃硫酸等化學藥劑,采用地上式臥式儲罐,并配套設置相關藥劑的卸料泵及投加泵。

(12)綜合加藥間

投加FeSO4至芬頓塔及芬頓高級氧化池;投碳源至反硝化生物濾池進水端或生物反應池缺氧區;投加聚丙烯酰胺至芬頓塔及污泥調理池。

(13)廢水泵房

將廠區構筑物放空水等廠區污水提升后排入廠區調節池。配置2臺廢水泵房潛污泵,單臺流量為100 L/s,揚程為10 m,功率為15 kW。

(14)污泥處理單元

該工程污泥主要包括生物反應池污泥、芬頓產生的化學污泥、水解酸化池污泥以及初沉池產生的初沉污泥。根據計算,該工程產生的設計污泥量約13 t DS/d。污泥依次經污泥濃縮池、污泥調理池和板框脫水機處理,達到60%的含水率。污泥濃縮池采用2座20 m直徑的重力濃縮池。污泥濃縮池設置1座2組,投加鐵鹽及聚丙烯酰胺乳液。板框機房內設置3臺板框脫水機,2用1備,過濾面積≥800 m2,濾板尺寸為2 m×2 m。

2.4 工程投資及運行成本

該工程概算總投資為39 929.83萬元,工程費用為33 657.66萬元,其中污水廠部分工程費為27 906.73萬元,另包含廠外管網工程費用為5 750.92萬元。單位經營成本為6.75元。

3 設計要點探討

1)防止水解酸化池淤堵、板結,設置反沖洗等設計措施。

為防止水解酸化池發生可能存在的填料板結現象,該工程主要著重從以下幾個方面進行細化設計:(1)按規范要求控制水解酸化池的進水管、排泥管以及進水孔口流速,防止流速過低造成的板結;(2)對水解酸化池的進水管及排泥管設置沖洗系統,通過沖洗防止進水管及排泥管發生淤堵。

2)與一期事故池互聯互通,實現事故工況進一步保障。

二期工程新建事故池1座,設計停留時間為12 h。根據園區相關要求,為進一步增加事故工況的環境保障,將一期已建事故池與二期事故池聯通,實現了事故工況的“雙保險”,進一步增加了污水廠應對事故工況的可靠性。

3)采用厭氧+兩級AO污水處理工藝,增強生反池防沖擊及穩定運行能力。

該項目為工業污水,水質水量波動均較常規市政污水廠更大。因此,在生物處理段,采用耐沖擊效果較好的厭氧+兩級AO污水處理工藝。根據工業園區水質水量的變化特點,簡便靈活調整運行模式。在提高處理效果的基礎上,保證工藝可靠性,特別是解決水質處于低碳、高氮、高磷時的出水水質達標。

4)采用芬頓高級氧化作為深度處理工藝,兼顧高級氧化的處理穩定性及經濟性。

該污水處理廠一期工程將芬頓氧化工藝作為預處理工序,設置于生物反應池前端,實際運行過程存在一定問題。一方面,藥劑消耗量過大,尤其是濃硫酸本身屬于危險品,管制嚴格,因消耗量大,進貨及儲存等環節給現場運行帶來了較大麻煩。另一方面,芬頓氧化作為預處理產生的化學污泥較多。因此,該工程將芬頓高級氧化工藝設置于深度處理段,可在深度去除污染物的同時,減少藥耗及污泥量的產生。

5)優化豎向高程設計,降低工程投資及施工風險。

該項目廢水由各企業壓力提升輸送,區別于城鎮市政污水廠,如果設置進水泵房會導致水力高程上的浪費。因此,該工程充分利用各企業來水的水力高程,經過工業企業分類收集池、細格柵及旋流沉砂池以及調節池后,再從調節池提升至下游處理構筑物。高程設計上,通過整體統籌優化設計,盡量將構筑物的埋深控制在5 m以內,減少基坑工程投資并降低施工風險[6-7]。

4 化工園區污水處理廠的特點及設計對策

1)進水水質組分較復雜,進水分企業單獨測定,實現第一時間溯源排查。

化工園區進水水質組分較為復雜,不同企業的出水水質也存在差異。排入園區公共污水處理廠后,需要單獨測定,以明確來水是否滿足企業的排放標準。因此,建議在污水廠內的第一個構筑物設置工業廢水企業收集池。該收集池按“一企一管”的原則設置,企業各自對應進水分類池,并在每一格進水收集池內設置自動采樣器。如發現進水水質超標,可第一時間溯源對應企業。一方面,將相關企業的進水單獨接至事故池;另一方面,可追蹤相關企業排查問題,暫時停止進水,以防對污水廠生物處理系統發生沖擊。

2)設置事故池,保障化工園區污水廠安全。

化工園區污水處理廠的進水水質波動較大,當來水水質超過設計處理能力,或出現重金屬等特殊污染物進入污水廠時,需將進水切換排入事故池。因此,與常規市政污水處理廠相比,化工園區污水處理廠必須設置事故池。此外,可將污水廠內的不同事故池聯通,以增加全廠對于事故工況的應對能力。

3)防火及防爆設計,保障工業污水廠安全。

工業污水廠與城鎮市政污水廠相比,使用的部分化學藥劑需考慮防火、防爆。例如過氧化氫需要考慮防火、防爆設計,其與周邊道路間的距離以及卸料泵等設施的距離,均須滿足《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)(2018年版)中的相關要求。

4)污泥成分較復雜,經鑒定后確定污泥出路。

化工污水廠的污泥因涉及化工廢水,需通過污泥鑒定,若屬于一般性固廢,則可以按照一般性固廢進行處置,若屬于危險廢物,則應嚴格按照危險廢物處置要求進行安全處置。一期工程的污泥處置方式為建筑材料回收利用。二期工程的污泥需進行鑒定,根據鑒定結果:如果是危險廢物,按照相關規定的處置方式處置;如果是普通廢物,建議同一期工程保持一致,作為建筑材料回收利用。

5 結論

本文針對園區化工工業廢水的水質特點,經充分研究并結合相關試驗結果,采用“企業分類收集池+細格柵及曝氣沉砂池+調節池(合建事故池)+水解酸化池+初沉池+生物反應池+二沉池+芬頓高級氧化+三沉池+反硝化深床濾池+加氯消毒”作為主體工藝,可以保持出水有效且穩定達標。

根據工程特點,本文分析探討了以下設計要點:1)防止水解酸化池淤堵、板結,設置反沖洗等設計措施;2)將事故池與一期已建工程互聯互通,增加事故工況的安全性;3)采用厭氧+兩級AO污水處理工藝,增強生物反應池防沖擊及穩定運行能力;4)將芬頓高級氧化作為深度處理工藝,實現難降解有機物的進一步去除,并盡量減少了藥耗及污泥量;5)巧妙利用各家企業排水的水力高程,現狀地形需求進行豎向設計,節約了埋設和工程投資。

本文總結了化工園區污水處理廠的以下特點及設計對策:1)進水水質組分較復雜,進水分企業單獨測定,實現第一時間溯源排查;2)設置事故池,保障化工園區污水廠安全;3)防火及防爆設計,保障工業污水廠安全;4)污泥成分較復雜,經鑒定后確定污泥出路。

該項目以福建某化工廢水污水處理廠為例,結合先進工藝和精細化設計,探討了工業園區混合污水處理廠的部分設計要點,為國內類似工業污水廠提供一定思路和案例參考。