某開發區污水處理廠二期工程工藝設計

馮靜嫻， 曹倩倩， 劉晶晶

（中機國際工程設計研究院有限責任公司華東區域中心， 南京 210023）

光伏產業是半導體與新能源需求結合衍生的產業， 近年來在我國得到大力發展， 2021 年我國光伏市場累計并網裝機容量達到308 GW［1］。 光伏廢水水質單一、 水量大， 進水Ca2+濃度往往偏高，有機物含量偏低［2-3］。 光伏廢水處理難點主要在于除氟， 排入污水處理廠的F-濃度需滿足GB／T 31962—2015《污水排入城鎮下水道水質標準》的要求。 含氟廢水通常采用混凝沉淀法、 化學沉淀法、吸附法等處理方法除氟［4-5］。 任夢嬌［6］設計采用三級混凝沉淀除氟裝置處理光伏企業生產廢水， 經處理后， 出水F-質量濃度可穩定達到6.7 mg／L。魏霞［7］設計采用混凝氣浮處理單晶硅生產廢水中的F-， 出水F-質量濃度可穩定在8 mg／L 以下。 某開發區污水處理廠來水為生產單晶硅太陽能電池片的光伏廢水及周邊企業生產廢水， 本文針對該污水處理廠工藝流程設計， 介紹了其工藝方案、 主要構筑物設計參數和經濟指標等， 以期為類似光伏廢水處理項目提供工程經驗。

1 工程概況

某開發區產業定位主要為機電產業， 現狀已有1 座污水處理廠， 主要收集范圍包括周邊居民生活污水及經濟開發區企業廢水， 該污水廠一期已建規模為2 萬m3／d。 為解決該地招商引資的光伏產業及周邊企業廢水處理問題， 需要在原廠預留地塊內擴建處理規模。 根據收集資料及現場調查情況， 污水處理廠現狀出水TN 存在超標情況， 且出水采用紫外消毒， 不滿足現階段當地回用水要求， 此外全廠未做除臭處理。 因此， 本次擴建工程， 除了二期新建規模為3 萬m3／d 的廢水處理設施外， 還需考慮全廠回用水和除臭工程。

2 設計規模及進出水水質

2.1 設計規模

該污水處理廠主要處理開發區工業廢水， 包括光伏企業和其他企業的工業廢水。 結合現狀規劃和光伏、 電子企業環評， 確定二期新建規模為3 萬m3／d， 其中光伏廢水量占二期處理量的91%。

2.2 現狀進出水水質

污水處理廠2019 年2 ～11 月進出水水質如表1 所示（一期進水中已接入部分光伏廢水）。 由表1可知， 現狀污水廠一期進水有機物濃度偏低， 出水TN 濃度存在超標情況。

表1 2019 年2 ～11 月污水廠一期進出水水質Tab.1 Influent and effluent water quality of the first-stage project of sewage treatment plant in February to November of 2019

2.3 設計進出水水質

結合開發區部分光伏企業出廠廢水實測水質（見表2）， 同時為適應開發區未來發展， 污水處理廠設計進水水質留有一定余量， 確定二期工程進水水質；出水水質執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 標準（排放口ρ（F-）≤3 mg／L）。 污水處理廠設計進出水水質如表3 所示。結合光伏企業出水及設計進水水質分析可知， 二期工程進水B／C 值低于0.4， 可生化性一般， 進水有機物濃度偏低， 廢水處理中需投加碳源。

表2 光伏企業出廠水質Tab.2 Quality of effluent water from photovoltaic enterprise

表3 污水廠二期工程設計進出水水質Tab.3 Design influent and effluent water quality of the second-stage project of the sewage treatment plant

3 廢水處理工藝

3.1 工藝路線的確定

二期工程主要收集光伏廢水及其他企業廢水，為污水處理廠長遠考慮， 本工程工藝的選擇除了滿足光伏廢水的處理功能外， 還需要適應經濟開發區未來入駐企業的廢水處理。

綜上所述， 廠內采用一級預處理-二級強化處理-三級深度處理對進廠廢水進行處理。 其中， 一級預處理用于除Ca2+， 二級強化處理用于去除COD、TN、 NH3-N， 三級深度處理主要用于除氟并對SS、TP、 TN 進一步處理， 起到出水達標的把關作用。

3.2 預處理工藝的選擇

污水處理廠進水由壓力提升接入， 廠內不需要設置格柵， 預處理工藝采用調節池及應急池-混凝沉淀池。

（1） 水質水量調節。 由于工業廢水的水質水量變化大， 一般在廢水進廠后設置調節池單元用于水質水量的調整。 為適應事故工況及檢修需要， 污水處理廠設置應急事故池。

（2） 除鈣工藝選擇。 光伏廢水的除氟預處理主要采用加鈣除氟工藝， 導致出水Ca2+偏高。 Ca2+過高會影響活性污泥生化效能， 堵塞生化處理的曝氣系統， 并加速設備腐蝕［8-9］。 為減少Ca2+對后續二級生化處理的影響， 需要在預處理階段對Ca2+進行去除。 廢水軟化處理常采用的工藝包括離子交換法、 化學沉淀法等， 其中化學沉淀法技術成熟、 應用廣泛、 處理效果好且投資低， 因此， 本工程除鈣工藝選用化學沉淀法［10］。

（3） 預留工藝選擇。 污水處理廠進水有機物含量較低， 為滿足生化處理的所需碳源， 本次擴建工程暫不設置水解酸化池。 考慮開發區遠期存在進水難降解有機物濃度高的情況， 預留水解酸化池用地用于后期改造。

3.3 生化處理工藝的選擇

傳統的A2O 工藝中硝化菌、 反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、 泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭， 很難在同一系統中同時獲得氮、 磷的高效去除。 Bardenpho 工藝是在A2O 工藝基礎上將生化處理單元分為6 段， 包括預缺氧、 厭氧、 缺氧、 好氧、 后缺氧及后好氧部分。 回流污泥回流至預缺氧段， 硝化液回流至缺氧段， 廢水經厭氧、 好氧處理， 同步實現脫氮除磷； 后缺氧段投加外加碳源，進一步降低廢水中氮的濃度， 同時在生物池中設置多個進水點及內回流點， 通過調整運行參數， 提高生化系統對COD、 TN、 TP 的處理效果［11］。 某位于海河流域的污水處理廠采用Bardenpho 工藝作為主體工藝， 處理后出水水質可以穩定達到地表水準Ⅳ類標準（TN 除外）［12］。 本工程采用Bardenpho 工藝，在未來進水水質變化及出水要求提高的情況下， 可以在好氧段投加懸浮填料以提高生化段處理能力，減少后續提標改造的相關投入。

3.4 深度處理工藝的選擇

深度處理采用高效沉淀池-反硝化深床濾池工藝。

（1） 除磷、 除氟工藝的選擇。 本工程進水F-質量濃度低于8 mg／L， 屬于低濃度含氟廢水。 投加PAC 和PAM 作為混凝劑， 其中PAC 在水中水解生成［Al13O4（OH）24］7+及Al（OH）3， 與水中顆粒物進行吸附-電性中和脫穩、 吸附架橋絮凝， PAM 與PAC聯用， 對生成的絮凝體進行吸附架橋加快混凝沉淀，實現對TP 和F-的去除［13］。 文獻［14-15］研究結果表明， 投加絮凝劑進行絮凝沉淀， 可以有效去除TP和F-。 因此， 選用高效沉淀池， 該池集混合、 絮凝、沉淀為一體， 用于氟化物和TP 的處理。

（2） 除氮工藝的選擇。 根據現狀進出水水質，推測出水TN 濃度有超標的風險。 本工程在生化處理段選用Bardenpho 工藝， 可以去除部分TN； 為了保障TN 穩定達標， 過濾單元選用反硝化深床濾池工藝， 并接入一期廢水， 設計規模為5 萬m3／d。

3.5 工藝流程

通過以上分析， 污水處理廠最終確定了以除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床濾池為核心的工藝路線， 工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

4 主要處理構筑物及設計參數

4.1 總圖及高程設計

廠區廢水進水管位于現狀廠區西側， 出水管位于廠區北側， 一期主要處理構建筑物位于廠區西側， 預留用地位于廠區西南側及東側， 本次擴建工程位于廠區預留用地。 廠區按功能區分為廢水預處理區、 廢水生化處理區、 廢水深度處理區、 污泥處理區、 輔助設施區等區塊。 二期工程在調節池和中間提升泵房出水設計采用泵提升； 為減少施工難度， 以二沉池埋深不大于2 m 進行高程控制， 液位比地面高出2.80 m， 經提升后至高效沉淀池及反硝化深床濾池， 末端消毒池液位比地面高出0.80 m，消毒池出水經提升后接至現狀尾水排水管。

4.2 主要構筑物設計參數

4.2.1 預處理單元

（1） 調節池及事故池。 尺寸為64.70 m×35.00 m×8.20 m， 共3 組， 其中調節池2 組， 事故池1組， 鋼筋混凝土結構， 總停留時間為12 h。 其中1組調節池設置閥門與事故池應急聯通， 在事故狀態下切換閥門兼作事故池， 此情況下事故池停留時間為8 h。

（2） 除硬混凝沉淀池。 尺寸為31.90 m×22.40 m×7.20 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結構。 反應池前端設置NaOH 反應區和Na2CO3反應區， 反應時間均為5 min； 混合區和絮凝區， 反應時間分別為2 min 和5 min； 后接輻流式斜管沉淀池， 表面負荷為11.28 m3／（m2·h）， 斜管區面積為113.76 m2， 斜管區高0.9 m。 經混凝沉淀后， 采用稀硫酸回調pH值， 反應時間為2 min。 NaOH 調節pH 值大于10，Na2CO3投加量為267 mg／L， PAM 投加量為2 mg／L，PAC 投加量為120 mg／L， 稀硫酸回調pH 值為7 左右， 物化污泥量為6 t［DS］／d。

4.2.2 生化處理單元

（1） Bardenpho 生化池。 尺寸為82.53 m×51.20 m×6.90 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結構， 總停留時間為18.79 h， 其中預缺氧區、 厭氧區、 缺氧區、好氧區、 后缺氧區和后好氧區有效容積分別為737.5、 1 337.5、 6 987.5、 9 775、 2 975 m3和1 675 m3。 設計污泥濃度為3.5 g／L， 污泥負荷為0.051 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）； 硝化液回流比為150% ～300%， 污泥回流比為50%～100%。 設計曝氣量為140 m3／min， 乙 酸 鈉 最 大 投 加 量 為111.94 mg／L，剩余污泥量為5 t［DS］／d。

（2） 二沉池。 單池內徑為28.00 m， 池邊水深4.00 m， 共2 座， 鋼筋混凝土結構， 表面負荷為1.02 m3／（m2·h）， 沉淀時間為3 h。

4.2.3 深度處理單元

（1） 中間提升泵房及高效沉淀池。 中間提升泵房1 座， 尺寸為10.10 m×5.50 m×4.30 m， 鋼筋混凝土結構， 內置軸流泵， 泵池有效池容為68.6 m3。高效沉淀池與中間提升泵房合建， 尺寸為24.35 m×22.00 m×7.20 m， 共2 組， 鋼筋混凝土結構， 采用輻流式斜管沉淀池， 表面負荷為7 m3／（m2·h）， 沉淀池前設混合區和絮凝區， 停留時間分別為1.8 min 和10 min， 污泥回流比為3%～6%。 PAM 投加量為2 mg／L， PAC 投加量為350 mg／L， 備用除氟劑， 除氟效果不理想時投加， 同時設置堿液用于出水pH 值回調至7 左右， 物化污泥量為5 t［DS］／d。

（2） 反硝化深床濾池。 下向流單層濾料濾池，尺寸為30.70 m×26.10 m×7.80 m（含管廊間）， 鋼筋混凝土結構； 采用陶制生物濾料， 粒徑為2.5 mm， 厚1.5 m， 礫石承托層厚0.3 m， 分6 組， 單組過濾面積為48.97 m2， 正常濾速為7.10 m／h， 強制濾速為8.50 m／h， 處理總規模為5 萬m3／d。 采用長柄濾頭進行配水配氣， 并采用氣水聯合沖洗進行反洗， 氣洗強度為90 m3／（m2·h）， 水沖強度為20 m3／（m2·h）。

（3） 消 毒 池 及 回 用 水 池。 尺 寸 為42.60 m ×10.90 m×4.40 m， 與反硝化深床濾池合建， 消毒池消毒時間不小于30 min， 回用水量占比為25%。

4.2.4 輔助設施處理單元

（1） 加藥間。 混凝沉淀池東側新建加藥間， 框架結構， 尺寸為26.0 m×8.00 m×6.70 m， 內設稀硫酸、 NaOH、 PAC 儲罐及Na2CO3存儲區、 PAM制藥機。

（2） 除臭系統。 采用生物濾池除臭， 鋼筋混凝土基礎， 長25 m， 寬13 m， 除臭風量為48 000 m3／h， 包括一期、 二期處理構筑物臭氣。

（3） 其他輔助設施。 鼓風機房、 污泥脫水機房及部分藥劑投加設備利用現狀輔助設施空間。

5 工程設計特點

（1） 為保障出水F-質量濃度低于3 mg／L， 本工程設計采用一級混凝沉淀法除氟。 混合池、 絮凝池同步投加PAC、 PAM 和除氟劑形成絮凝體， 并在高效沉淀池內完成沉淀去除， 表面負荷取7 m3／（m2·h）， 低于一般高效沉淀池。

（2） 廠區總體設計結合預留用地及處理工藝，二期預處理單元除硬混凝沉淀池布置在東側， 后期運維可以與一期協調管理。 二級處理及三級處理自南向北布置， 出水池緊靠現狀出水管。 整個工藝流程布置緊湊， 并滿足消防、 運輸等要求。

（3） 預處理采用混凝沉淀池用于除硬， 二級處理工藝采用Bardenpho 工藝， 強化廢水脫氮除磷，三級處理采用高效沉淀池和反硝化深床濾池， 進一步保證出水TN 和TP 達標， 并用于除氟。

（4） 結合當地經濟開發區相關規劃， 為適應遠期來水水質， 預處理預留水解酸化池用地用于后期改造， 并在高程上預留相關水損。

6 工程運行效果

二期工程于2021 年開工建設， 2022 年通水試運行， 二期實際進水量約為1.7 萬m3／d（廠內二期接收一期部分廢水）， 污水處理廠2022 年10 ～12月進出水水質如表4 所示。

表4 運行期進出水水質Tab.4 Influent and effluent water quality during operation

該污水處理廠出水水質穩定， 各項指標均滿足GB 18918—2002 一級A 標準， 且ρ（F-）＜3 mg／L。

7 投資及運行成本

二期工程規模為3 萬m3／d， 總投資11 934.76萬元， 其中工程費為9 942.20 萬元， 工程其他費為1 081.64 萬元， 工程預備費為881.91 萬元。

經成本分析， 正常年總成本為3 252 萬元， 年經營成本為2 748.45 萬元， 總成本為2.97 元／m3，經營成本為2.51 元／m3， 其中工資福利為64 萬元／a（以額外增加8 人算）， 藥劑費約為55 000 元／d，電費約為11 600 元／d。

8 結語

本項目污水處理廠主要接納該開發區內光伏企業及其他園區企業生產廢水， 根據進水水質和排水標準， 采用除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床濾池為核心工藝進行處理， 出水COD、 TN、 NH3-N、 TP 可穩定達到GB 18918—2002 一級A 標準， 且ρ（F-）＜3 mg／L。 成本分析表明， 本工程總成本為2.97 元／m3， 經營成本為2.51 元／m3。