河南某县产业集聚区污水处理工艺设计及效果

朱 勍 ，田敏敏 ，赵同谦 ，肖春艳 ，陈 睿

（1.同济大学，上海 200092；2.北京中外建建筑设计有限公司上海分公司，上海 200030；3.河南理工大学，河南焦作 454003）

河南某县产业集聚区主导产业为生物基材料、食品加工、纺织服装、机电装备制造，分为工业生产区、现代化仓储物流区、居住生活服务区三大功能区。近年来，随着县城产业集聚区的快速发展，原有污水处理厂（处理县区生活污水与产业集聚区产生的废水）已无法满足集聚区内废水处理任务，因此该县规划建设一座新的污水处理厂（近期规模2万m3/d，远期规模4万m3/d），对产业集聚区超负荷的废水进行处理。

产业集聚区产生的废水属于有机废水，常采用A2O、氧化沟、SBR、生物接触氧化法及MBR等工艺处理。MBR工艺采用膜分离技术代替传统二沉池实现泥水分离，具有出水水质好、有机剩余污泥排放量少与抗冲击负荷能力强等优势。改良A2O工艺进一步改善了A2O工艺中聚磷菌与反硝化菌的碳源竞争、硝化菌与反硝化菌及聚磷菌之间的污泥龄矛盾、回流硝酸盐抑制磷的释放等问题〔1〕，更适用于我国污水处理厂进水碳源普遍不足的现状。改良A2O+MBR工艺具有2种工艺的优势，在我国污水处理厂提标改造中发挥了积极作用〔2-4〕。本项目在分析了产业集聚区废水特点的基础上，经过工艺比选，决定采用改良A2O+MBR组合工艺并评价了其对产业集聚区废水的处理效果，以期为同行提供借鉴。

1 水质分析

产业集聚区内设置独立的污水收集管网，将废水单独输送至该污水处理厂。根据产业集聚区入驻企业类型及居民区人口调查，并结合废水取样结果，得出进水水质特征。

1.1 进水水质特点

1.1.1 工业废水占比大

2020年该县产业集聚区污水处理厂服务范围内常住人口3.9万，人口自然增长率和机械增长率之和为0.8%，预测2030年产业集聚区人口约8.42万。根据《室外给水设计标准》（GB 50013—2018），居民平均综合生活用水量指标为70～150 L/d，结合该县产业集聚区特点，并参考其他类似城区综合生活用水量指标，本项目单位人口综合生活用水量指标取130 L/d，计算近远期生活污水量。产业集聚区产业以食品加工为主，机电、服装为辅，2016年企业污水排放总量为11 660 m3/d，取年增长率为6%，计算近远期工业废水量。计算结果见表1。

表1 项目近远期水量Table 1 Project wastewater quantity of short and long term

由表1可知，产业集聚区近、远期工业废水量占总水量的比例分别为74.4%与70.7%，均高于70%，产业集聚区污水处理厂进水主要为工业废水。

1.1.2 水质、水量波动大

由于产业集聚区多以食品生产加工企业为主，产能和产量根据原料供应及产品销售淡旺季有所改变，导致污水处理厂进水水质、水量波动大，易对生化系统造成冲击。

1.1.3 进水浓度高、营养比例失衡

该县产业集聚区食品加工企业占大多数，覆盖豆乳、酿造、肉品、饮料、果蔬和生鲜等，这些产品在生产加工过程中洗涤、浸泡、烫煮和设备清洗等操作会产生大量高浓度有机废水〔5〕；生产原料各异导致废水成分复杂，主要含有蛋白质、脂肪、磷及大量悬浮物〔6-7〕。对集聚区产生的废水取样检测，发现废水中COD、TN、TP均较高，同时营养比例失衡；TN、TP相对偏高，可能存在生物脱氮除磷碳源不足的问题。

1.2 设计进出水水质

根据对该县产业集聚区内工业区废水量、生活区污水量、水质特征的调查及预测，设计产业集聚区污水处理厂近期规模为2万m3/d，出水指标需达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅳ类水质标准，其中出水TN参考《河南省辖海河流域水污染物排放标准》（DB 41/777—2013），TN≤15 mg/L。设计进出水水质见表2。

表2 设计进出水水质Table 2 Design influent and effluent quality

2 工艺设计

2.1 工艺设计方案

经过工艺比选，预处理采用粗格栅+提升泵房、细格栅+旋流沉砂池及调节池3个工艺组合池；生物及深度处理采用改良A2O+MBR组合工艺；出水采用次氯酸钠消毒；污泥脱水采用污泥压滤泵+污泥池+压滤机，用污泥泵将暂存在A2O+MBR组合池内的污泥抽至污泥池，经重力浓缩后进入压滤脱水设备中进行脱水，工艺流程见图1。

图1 改良A2O+MBR组合工艺流程Fig. 1 Flow chart of modified A2O+MBR process

2.2 工艺设计特点

（1）针对进水浓度高、成分复杂及水质水量波动大的问题，采用改良A2O+MBR工艺，利用膜的高效截留作用使生化段维持较高的污泥浓度，提高生化系统的抗冲击负荷能力和对污染物的去除能力。

（2）针对进水TN高的情况，首先采用MBR膜分离系统，维持好氧池内较长的污泥龄，富集硝化细菌，提高硝化效率。对于反硝化部分，设置双缺氧池（缺氧池1、缺氧池2），缺氧池1优先利用污水中的碳源进行反硝化，缺氧池2强化内源反硝化，可节约碳源投加量并强化缺氧池的生物脱氮功能。2个缺氧池均设置了备用碳源投加装置，缺氧池1的碳源投加点前置，缺氧池2的碳源投加点后置，必要时在缺氧池内投加碳源，保证TN达标排放。碳源投加量根据2个缺氧池各自的出水COD与NO3--N浓度调整，保证缺氧池2出水口NO3--N质量浓度低于1.5 mg/L〔8〕，且COD不高于缺氧池2进水口。

（3）针对进水TP高的情况，以强化生物除磷为主，化学除磷为辅。设置膜池到缺氧池1、缺氧池1到厌氧池的硝化液回流。相比从膜池或沉淀池直接回流至厌氧池的设计，经过缺氧池1的缓冲，一方面减少了溶解氧对厌氧环境的冲击，另一方面避免了过多硝酸盐进入厌氧池抑制聚磷菌释磷，可强化生物厌氧释磷。

3 主要构筑物及参数

（1）粗格栅池。粗格栅池土建按远期规模建设，池内设机械格栅机2套（近期1用1备，远期互为备用），格栅池整体尺寸为6.75 m×1.60 m×9.00 m，配人工运渣手推车。过栅流速0.6～0.8 m/s，栅条间隙10 mm，栅前水深1 m，安装倾角75°。

（2）提升池及提升泵房。提升池及提升泵房土建按远期规模建设，设备按近期规模安装，提升池尺寸 为12.30 m×5.00 m×11.00 m，提 升 泵 房 尺 寸 为12.82 m×6.77 m。采用3台提升泵（Q=630 m3/h，H=16.5 m，N=55 kW），1台电葫芦（2 t）。

（3）细格栅池。细格栅池土建按近期规模建设，每组1套设备，共2套，近期1用1备，整体尺寸为6.30 m×1.20 m×2.00 m。采用2台内进转鼓式细格栅机（格栅间距2 mm，N=1.5 kW），1台不锈钢高排水压榨机（D=300 mm，Q=2 m3/h，N=2.2 kW），1辆不锈钢尖斗手推车（900 mm×500 mm×350 mm），3台鼓风机（Q=5.56 m3/h，P=0.03 MPa，N=7.5 kW），1台不锈钢砂水分离器（Q=15～20 L/s，N=0.37 kW），1台高压泵（Q=16 m3/h，H=72 m，N=7.5 kW），1个PE材质储水罐（5 m3），1个钢制电磁阀（DN50），3台轴流式通风机（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW），1套H2S检测仪。

（4）旋流沉砂池。旋流沉砂池土建按近期规模设计，采用钢筋混凝土池体，1座2组，旋流沉砂池整体尺寸为D2.43 m×3.20 m。采用2套附壁式方闸门（B500 mm×H500 mm），2套不锈钢闸板（B600 mm×H2 000 mm），2套不锈钢闸板（B600 mm×H1 150 mm）。

（5）调节池。调节池土建按近期规模设计，采用钢筋混凝土池体，1座2格，调节池整体尺寸为43.90 m×10.00 m×4.00 m。水力停留时间约2.4 h，池底通过鼓风曝气搅动污水，均匀水质水量并防止污水中固体颗粒沉淀，出水由提升泵提升出水。采用2台罗茨风机（Q=27.48 m3/min，N=37 kW，P=510.2 Pa），6台提升泵（Q=230 m3/h，H=16 m，N=15 kW），2台轴流式通风机（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW）。

（6）改良A2O+MBR组合池。改良A2O+MBR组合池土建按近期规模建设，1座4组，采用钢筋混凝土池体。改良A2O+MBR组合池包含厌氧池、缺氧池1、缺氧池2、好氧池及膜池。单组尺寸为59.20 m×15.30 m×6.00 m，单 组 设 计 流 量5 000 m3/d，池 深6.0 m，有效水深5.0 m。污泥质量浓度12 g/L，单位MLSS的BOD5负荷0.04 kg/（kg·d），单位BOD5污泥产率系数0.5 kg/kg（以VSS计），污泥龄30 d。厌氧池停留时间2.5 h，缺氧池1停留时间2 h，缺氧池2停留时间4 h，好氧池停留时间10 h，膜池停留时间2 h，总水力停留时间20.5 h。一级回流比200%，二级回流比100%。好氧池溶解氧为2 mg/L，最低水温12 ℃，最高水温25 ℃。MBR膜组件为本系统的核心部件之一，共4组中空纤维膜膜组件，每格池体配置1组，单组产水量5 000 m3/d，膜通量0.4 m3/（m2·d）；每格膜池末端不放置膜组件，不设曝气装置，控制末端溶解氧小于0.5 mg/L，使得硝化液回流后基本不引起缺氧池溶解氧变化。另外，主要附属构筑物有泵房、风机房、办公室、中控室等。

（7）消毒系统。消毒系统采用次氯酸钠消毒法，通过加药泵将次氯酸钠溶液输送至产水泵出水渠内与出水混合消毒，MBR膜出水有效加氯量为8 mg/L。采用1台消毒加药泵（Q=50 m3/h，H=9 m，N=2.2 kW）。

（8）计量槽。计量槽土建按近期规模设计，采用钢筋混凝土结构，1座，计量槽整体尺寸为15.60 m×1.30 m×2.00 m。采 用1套 巴 氏 计 量 槽（Q=12.5～850 L/s，N=0.37 kW），1套在线监测设备（含COD、NH3-N、TN、TP、pH在线监测设备）。

（9）污泥池。污泥池土建按近期规模设计，采用钢筋混凝土结构，1座2格，污泥池整体尺寸为6.93 m×5.05 m×3.20 m。改良A2O+MBR组合池产泥量（含水率约99%）约为80 m3/d，脱水后污泥产量为4 t/d，含水率约80%。采用2台隔膜板框压滤机（过滤面积100 m2，滤室容积2 m3，N=5.5 kW），2台螺杆泵（Qmax=10 m3/h，P=0.6 MPa，N=15 kW），2台轴流式通风机（Q=8 470 m3/h，N=0.37 kW）。

4 工程运行效果

冬季低温条件下污泥活性较低，不利于污水处理厂的稳定运行。通过分析2021年11月至2022年1月共3个月的运行数据，探究该项目的实际运行效果。

4.1 进水情况

为明确进水水质超标及波动情况，计算产业集聚区污水处理厂运行3个月进水各水质指标的累计概率，结果如图2所示。

图2 进水COD、NH3-N、TN、TP的累积概率Fig. 2 Cumulative probability of influent COD，NH3-N，TN and TP

由图2可知，产业集聚区污水处理厂进水COD、NH3-N、TN、TP稳定达到进水水质（表1）要求的700、80、100、8 mg/L以内的概率分别为92%、98%、86%、97%，进水中NH3-N与TP基本稳定在进水要求范围内，但COD与TN超标情况相对较多，这是由于企业存在偷排现象。同时，进水COD、NH3-N、TN、TP的 平 均 质 量 浓 度 分 别 为（425.1±162.2）、（48.3±15.7）、（83.9±14.7）、（4.2±1.9） mg/L，水质波动较大。

4.2 污染物去除效果

污水处理厂稳定运行3个月期间的进出水水质及污染物去除率如图3所示。

由图3可知，进水COD、NH3-N、TN、TP波动较大，但各出水指标均稳定达到设计出水要求。COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别约为94.26%、98.77%、87.76%、95.19%。进水水质波动对该工艺去除污染物的效果影响不大，在进水超标且水质波动大的情况下，该工艺依然可稳定处理达标。

图3 进出水COD、NH3-N、TN、TP及去除率Fig. 3 COD，NH3-N，TN and TP and removal rates of influent and effluent

5 主要经济指标

产业集聚区污水处理厂近期工程项目总投资9 609.19万元，其中土建工程费用为3 254.68万元。运营成本为1.47元/m3，包括电耗0.63元/m3、药剂费0.21元/m3、人工费0.15元/m3、修理维护费0.32元/m3、其他费用0.16元/m3。药剂费包括外加碳源费用0.074元/m3、混凝药剂费用0.024元/m3、消毒药剂费用0.096元/m3、膜维护药剂费用0.016元/m3。厂区总用地面积约13 200 m2（近期用地），单位水量占地指标为0.66 m2/（m3·d）。

6 结论

针对河南某县产业集聚区污水处理厂进水中工业废水占比大、水质水量波动大、氮磷等污染物含量高的特点，采用常规污水处理工艺难以使出水稳定达标排放。本工程设计采用的改良A2O+MBR组合工艺具有耐水质负荷冲击及强化脱氮除磷等优势，出水可稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅳ类水质标准，污水处理成本合理。该工程的技术路线能较好地适用于产业集聚区污水处理，可为其他类似产业集聚区污水处理提供工程借鉴。