某循环经济示范园污水处理厂工程设计实例

任杰， 王先锋， 涂照妹， 唐云， 杜翠红

（东华工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

1 工程概况

某循环经济示范园主导产业为新材料产业、 智能产业、 高端装备制造业、 现代物流业， 积极发展机械加工产业、 静脉产业、 现代农业和智慧城市产业。 2021 年园区引进了一家能源股份企业， 主要生产太阳能光伏电池， 分两期建设， 两期建成后总污水量约2.6×104m3／d， 企业针对含氟污水采用两级除氟工艺处理后出水排入园区污水处理厂， 其中一级处理采用氯化钙除氟， F-质量浓度由900 mg／L 降至12 mg／L， 二级处理采用除氟剂除氟， F-质量浓度由12 mg／L 降至4 mg／L（远期8 mg／L）以下，导致园区污水处理厂来水Cl-以及TDS 含量较高。此外， 园区还引入了部分电子、 化工及生物医药企业。 园区企业对废水进行预处理后， 排放至园区污水处理厂进行集中处理。 根据现场对水质水量的调研， 主要排污企业共有5 家， 其中光伏企业污水2.6 × 104m3／d， 特征污染因子为F-、 Cl-和TDS；化工、 电子企业污水2 380 m3／d， 特征污染因子为TP； 医 药 企 业 污 水400 m3／d， 特 征 污 染 因 子 为COD。 该污水处理厂主要接收光伏企业的含氟污水， 以及少量重力流的其他企业生产和生活污水。根据来水水质分析结果及以往设计经验， 本项目采用预处理-芬顿-水解酸化-AO 生化-二沉池-高密度沉淀池-臭氧氧化-曝气生物滤池-滤布滤池-接触消毒工艺， 在分质预处理的基础上去除污水中的F-， 利用生化池去除有机物及氨氮， 利用臭氧及曝气生物滤池对难降解有机物进一步去除。

2 设计规模及进出水水质

2.1 设计规模

本项目设计规模为4.0×104m3／d， 其中含氟污水2.6 × 104m3／d， 由压力流专管输送至污水处理厂； 其他企业生产及生活污水合计1.4×104m3／d，由重力流污水管统一输送至污水处理厂。

2.2 废水水质

本项目进水主要为压力流的光伏企业含氟污水以及少量重力流的电子、 化工及生物医药企业与园区生活污水的混合污水。 出水要求达到DB34／2710—2016《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》中表2 城镇污水处理厂Ⅰ标准及GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准。 设计进出水水质如表1 所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Design influent and effluent water quality

表2 实际进出水水质Tab.2 Actual influent and effluent water quality

3 污水处理工艺

3.1 工艺选择

（1） 预处理。 上游光伏企业针对含氟污水采用氯化钙除氟处理工艺， 导致来水Cl-和TDS 含量较高［1-2］， 不仅对生化系统的运行影响较大， 对工艺设备、 管道腐蚀性也较高。 其他污水主要为园区的生活污水以及部分重力流工业污水。 由于这两类污水水质组分及性质相差较大， 本工程采用分质预处理。 含氟污水进入除氟沉淀池进行预处理， 其他污水经过粗细格栅后直接与预处理后的含氟污水一并进入匀质调节池。 由于混合后污水的B／C 值较低，水中含有较多的难生化降解或不可生化降解的物质，难以满足直接生化降解的要求， 因此， 采用芬顿工艺对混合污水进行预处理以提高其可生化性［3］。

（2） 生化处理。 为确保生化处理对COD、 TN的去除效果， 本工程采用成熟稳定的AO 生化工艺，该工艺不但工艺流程简单， 构筑物少， 同时污泥量相对较低， 能有效节约运行成本［4］。 此外该工艺对来水水质敏感性不高， 工艺耐冲击负荷能力较强。

（3） 深度处理。 由于末端有机物通常难以生化降解， 本工程采用具有强氧化性的臭氧， 利用·OH将难降解有机物降解成易生化的中间产物， 通过附着在曝气生物滤池填料中微生物的作用可有效将有机中间产物生化降解［5］。 考虑到曝气生物滤池出水SS 可能会超标， 通过滤布滤池对出水SS 进行把关， 确保出水达标排放。

3.2 工艺流程及说明

污水处理工艺流程如图1 所示。

图1 污水处理工艺流程Fig.1 Process flow of sewage treatment

含氟污水首先进入除氟沉淀池， 加入除氟剂、混凝剂、 絮凝剂等化学药剂， 通过化学沉淀法去除污水中F-。 园区其他污水经重力管网收集后先后进入粗、 细格栅井内， 去除较大的漂浮物及细小悬浮物后， 经过沉砂池分离并去除污水中砂粒与浮渣。 两股污水经预处理后一同进入均质调节池， 在匀质调节池中进行水质水量调节后进入芬顿絮凝池， 利用芬顿反应生成的·OH 降解污水中的有机物， 改善污水可生化性。 芬顿絮凝池出水自流至水解酸化池， 在水解酸化池内通过微生物的水解酸化作用将污水中难降解的有机物转为易于生化降解的中间体， 进一步提高污水的可生化性。 水解酸化池出水进入AO 生化池的缺氧池， 在缺氧环境下将进水以及从好氧池回流的混合液中的硝态氮还原成氮气； 缺氧池出水进入好氧池， 好氧池内设鼓风曝气， 在好氧的环境下去除污水中残留的有机污染物， 并将进水中的NH3-N 转化成硝态氮。 AO 生化池出水进入二沉池进行固液分离， 部分污泥通过泵提升回流至前端缺氧池， 剩余污泥去污泥脱水间的储泥池。

二沉池出水经泵提升后进入高密度沉淀池， 通过投加PAC、 PAM， 确保出水TP 达标， 同时去除水中的胶体类物质和悬浮物。 高密度沉淀池出水进入臭氧氧化单元（含臭氧接触池、 臭氧缓冲池）， 在臭氧-双氧水系统中， 双氧水分解形成的HO2·是一种·OH 的引发剂［6］， 能够有效提高·OH 的反应生成速率［7］， 从而实现对污水中残留的有机物进行强氧化， 改善污水可生化性。 为避免水中残余臭氧破坏后段曝气生物滤池中微生物的生长， 在臭氧接触池后设置臭氧缓冲池。

臭氧缓冲池出水进入曝气生物滤池， 曝气生物滤池内装填高比表面积的颗粒填料， 作为微生物膜生长的载体。 污水自下向上流过滤料层， 在滤料层下部鼓风曝气， 污水中的有机污染物与填料表面生物膜通过生化反应得到降解， 填料同时起到物理过滤作用。

曝气生物滤池出水进入滤布滤池， 进一步保障出水SS 达标。 滤布滤池出水进入消毒池进行消毒处理， 达标后排放。

4 主要构筑物及设计、 运行参数

（1） 除氟沉淀池。 1 座， 分2 个系列， 总尺寸为24.60 m×20.70 m×6.40 m。 pH 调节池有效容积为162.5 m3， 除氟反应池有效容积为343 m3， pH回调池有效容积为108 m3， 混合池有效容积为27 m3， 絮凝池有效容积为361 m3， 沉淀池有效容积为1 527 m3。 pH 调节池停留时间为9 min， 除氟反应池停留时间为19 min， pH 回调池停留时间为6 min， 混合池停留时间为1.5 min， 絮凝池停留时间为20 min， 沉淀池表面水力负荷为8 m3／（m2·h）。配置中心传动刮泥机2 台， 刮泥机直径为9.6 m，功率为0.75 kW； 污泥螺杆泵6 台（4 用2 备）， 流量为25 m3／h， 扬程为20 m， 功率为7.5 kW； 移动式潜污泵2 台， 流量为50 m3／h， 扬程为20 m， 功率为8.5 kW。 控制除氟反应pH 值为6.66， 除氟剂投加量为750 mg／L， PAC 投加量为10 mg／L， PAM投加量为3 mg／L。

（2） 匀质调节池及事故池。 匀质池2 格， 单格尺寸为36.30 m×25.30 m×8.30 m， 总有效容积为13 500 m3， 停留时间为8 h。 配置双曲面搅拌机8台， 功率为7.5 kW。 调节池2 格， 单格尺寸为54.60 m× 25.30 m × 8.30 m， 总有效容积为20 250 m3， 停留时间为12 h。 配置双曲面搅拌机12 台，功率为7.5 kW， 提升泵4 台， 流量为170 m3／h，扬程为12 m， 功率为11 kW。 事故池2 格， 单格尺寸为36.30 m ×25.30 m × 8.30 m， 总有效容积为13 500 m3， 停留时间为8 h。 配置双曲面搅拌机8台， 功率为7.5 kW； 提升泵4 台， 流量为95 m3／h， 扬程为15 m， 功率为7.5 kW。

（3） 芬顿絮凝池。 1 座， 分2 个系列， 总尺寸为47.60 m×36.30 m×6.65 m。 调酸池有效容积为333 m3， 混合池有效容积为167 m3， 氧化池有效容积为3 333 m3， 调碱池有效容积为333 m3， 混合池有效容积为55.5 m3， 絮凝池有效容积为333 m3，沉淀池有效容积为4 030 m3。 调酸池停留时间为12 min， 混合池停留时间为6 min， 氧化池停留时间为2 h， 调碱池停留时间为12 min， 混合池停留时间为2 min， 絮凝池停留时间为12 min， 单系列沉淀池池体尺寸为21.0 m×16.5 m×6.65 m， 表面水力负荷为3.8 m3／（m2·h）， 配置虹吸式吸泥机2 台， 轨距为16.5 m， 池边水深5.85 m， 功率为3.75×2 kW；排泥泵4 台（2 用2 备）， 流量为12 m3／h， 扬程为18 m， 功率为2.2 kW。 27.5% H2O2投加量为45 mg／L， 25%FeSO4溶液投加量为45 mg／L， PAC 投加量为150 mg／L， PAM 投加量为4 mg／L。

（4） 水解酸化池。 1 座， 分2 个系列， 单系列尺寸为47.55 m×20.30 m×7.80 m， 总有效容积为20 000 m3。 每个系列内分15 格， 内部装填组合填料， 总停留时间为12 h。 组合填料规格φ200 mm × 80 mm（直径×片距）， 有效长度为3 m， 安装间距为200 mm。

（5） AO 生化池。 1 座， 分2 个系列， 单系列缺氧池尺寸为31.00 m×26.60×7.80 m， 总有效容积为11 230 m3， 停留时间为6.74 h； 单系列好氧池尺寸为62.20 m×56.70 m×7.80 m， 总有效容积为24 800 m3， 停留时间为14.88 h。 污泥浓度为3.5 g／L， 污泥负荷为0.05 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 污泥回流比为100%， 混合液回流比为185%。 配置缺氧池双曲面搅拌机8 台， 功率为7.5 kW； 混合液回流泵6 台（4 用2 备）， 流量为1 300 m3／h， 扬程为1 m， 功率为13 kW； 微孔曝气器4 160 根， 规格为φ65 mm×1 000 mm， 曝气量为5 ～7 m3／（h·m）。30% 乙酸钠投加量为15 mg／L， 32% 氢氧化钠（补充碱度）投加量为120 mg／L， 好氧池曝气量为218 m3／min。

（6） 二沉池。 1 座， 周进周出矩形结构， 分4个系列， 总尺寸为49.70 m×36.50 m×6.00 m， 单系列池宽8.50 m， 池长44.00 m， 有效水深5.05 m，表面水力负荷为1.1 m3／（m2·h）。 配置非金属链条式刮泥机成套设备4 套， 功率为0.55 kW。

（7） 高密度沉淀池。 1 座， 分2 个系列， 总尺寸为29.00 m×18.95 m×8.20 m。 快混池停留时间为2 min， 慢混池停留时间为17 min， 沉淀池表面水力负荷为6.89 m3／（m2·h）， 池边水深为6.24 m。配置中心传动刮泥机2 台， 刮泥机直径为11 m， 功率为0.75 kW； 剩余污泥泵2 台（2 用）， 流量为25 m3／h， 扬程为20 m， 功率为7.5 kW； 污泥回流泵4台（2 用2 备）， 流量为25 m3／h， 扬程为20 m， 功率为7.5 kW。 PAC 投加量为30 mg／L， PAM 投加量为3 mg／L。

（8） 臭氧氧化单元。 1 座， 尺寸为25.50 m ×23.00 m × 7.05 m。 臭氧接触池停留时间为0.5 h，缓冲池停留时间为1.5 h。 臭氧投加量为40 mg／L，H2O2投加量为10 mg／L。

（9） 曝气生物滤池。 1 座， 分6 格， 单格尺寸为9.00 m × 6.00 m × 7.00 m， 有效水深为6.50 m，填料高度为3.5 m， 空床停留时间为40 min。 配置曝气风机8 台（6 用2 冷备）， 风量为18.52 m3／min，风压为58.8 kPa， 功率为25 kW； 反洗风机8 台（6 用2 冷备）， 风量为22.8 m3／min， 风压为78.4 kPa， 功率为37 kW； 反洗水泵3 台（2 用1 备），流量为490 m3／h， 扬程为13.5 m， 功率为37 kW；污水提升泵2 台（1 用1 备）， 流量为70 m3／h， 扬程为14.5 m， 功率为6 kW； 放空泵1 台， 流量为100 m3／h， 扬程为5.5 m， 功率为5.5 kW。

（10） 滤布滤池。 1 座， 2 个系列， 总尺寸为10.45 m×6.35 m×8.50 m（带遮阳棚）。 滤盘直径为3 m， 每套10 个盘， 单盘过滤面积为12.8 m2， 滤速为6.5 m／s， 配置中心传动系统驱动电机， 功率为0.75 kW； 冲洗水泵4 台， 流量为70 m3／h， 扬程为13 m， 功率为5.5 kW。

（11） 加药罐区。 2 座， 综合加药罐区平面尺寸为39.00 m×13.00 m， 双氧水加药罐区平面尺寸为13.00 m×6.00 m。 设氢氧化钠、 硫酸亚铁、 乙酸钠、 除氟剂、 双氧水投加装置各1 套。

（12） 污泥脱水间／加药间。 1 座， 平面尺寸为39.30 m×34.30 m。 设叠螺式污泥浓缩机3 套， 单套处理能力为600 ～1 000 kg［DS］／h； 高压板框压滤机3 套， 单套过滤面积为300 m2， 脱水后泥饼含水率不高于60%， 泥饼外运处置， 配套污泥泵、污泥切割机、 冲洗水泵、 加药装置等。

（13） 生物除臭装置。 2 套， 其中1 套处理能力为40 000 m3／h， 收集范围包括粗格栅及提升泵站、 细格栅及沉砂池、 除氟沉淀池、 事故池、 匀质调节池、 芬顿絮凝池； 另1 套处理能力为50 000 m3／h， 收集范围包括水解酸化池、 AO 生化池、 污泥脱水间（含污泥脱水间调理池、 污泥池及板框设备臭气）。

5 工程设计特点

（1） 本工程污水主要为光伏企业的含氟污水，针对来水F-浓度较高的特点， 预处理阶段设置除氟沉淀池， 在酸性条件下， 除氟剂对F-表现出明显的吸附和络合作用， 使出水F-浓度达标的同时，降低其对AO 生化池内微生物的毒性， 确保生化处理效果。

（2） 由于光伏企业污水中有机物含量相对较低， 污水在AO 生化池中可能会出现碳源不足的情况， 因此在前期设计阶段， 本工程污水处理厂考虑接入园区的生活污水， 既解决了小流量生活污水的处理问题， 又解决了AO 生化池碳源不足的问题，降低了污水处理厂的运行成本。

（3） 本工程要求出水COD 质量浓度不高于40 mg／L， 为确保达标， 深度处理采用臭氧催化氧化+曝气生物滤池组合工艺， 臭氧可与水中OH-发生化学反应， 生成HO2·， 同时双氧水也会生成HO2·， 大量的HO2·使得·OH 生成速率大大提高，利用·OH 的强氧化性在降解有机物的同时也能有效提高难降解有机物可生化性， 配合曝气生物滤池中生物膜的作用可进一步去除COD。

6 工程运行效果

根据小试试验结果可知， 在进水氟化物质量浓度为3.53 mg／L， pH 值为6.66 条件下， 出水氟化物含量随除氟剂投加量的增加而降低， 在确保出水氟化物质量浓度小于1 mg／L 的排放要求下， 除氟剂经济投加量为750 mg／L。

目前， 本项目进水量约为20 000 m3／d， 进水全部来自某光伏企业的含氟废水， 该企业尚未达到最大产能， 因此排水量未达到26 000 m3／d 的设计值。 考虑到本工程污水处理厂尚处于起步运营阶段， 经与某光伏企业协商， 企业内部污水处理厂加大了除氟剂投加量， 使得出水氟化物含量相对较低， 待污水处理厂稳定运行后含氟污水的氟化物含量会逐步达到设计指标。 根据现有进水情况， 近30 d 的实际进出水水质监测结果如表2 所示， 该污水处理厂能够稳定达标排放。

7 工程投资及运行成本

本工程总投资为51 518.9 万元， 其中厂外管线投资10 467.8 万元。 单位经营成本为12.14 元／m3，单位总成本为14.66 元／m3， 其中人工费为0.38 元／m3， 药剂费为9.63 元／m3， 水电费为0.41 元／m3。

8 结语

（1） 目前该污水处理厂进水均来自某光伏企业的含氟废水， 实际进水有机物及氟化物含量相对较低， 废水经除氟系统、 生化系统及臭氧加曝气生物滤池的深度处理后能够稳定达标排放。

（2） 本工程实践表明， 采用除氟沉淀池工艺对光伏企业的含氟污水进行除氟预处理是可行的， 出水F-浓度能够稳定达标排放， 同时也降低了F-对后续生化系统的影响。

（3） 采用臭氧催化氧化+曝气生物滤池组合工艺对污水处理厂尾水进行深度处理是可行的， 在臭氧和双氧水的协同作用下能够有效降解有机物并提高污水可生化性， 在曝气生物滤池中微生物的作用下出水COD 能够稳定达标。