某开发区污水处理厂二期工程工艺设计

冯静娴， 曹倩倩， 刘晶晶

（中机国际工程设计研究院有限责任公司华东区域中心， 南京 210023）

光伏产业是半导体与新能源需求结合衍生的产业， 近年来在我国得到大力发展， 2021 年我国光伏市场累计并网装机容量达到308 GW［1］。 光伏废水水质单一、 水量大， 进水Ca2+浓度往往偏高，有机物含量偏低［2-3］。 光伏废水处理难点主要在于除氟， 排入污水处理厂的F-浓度需满足GB／T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》的要求。 含氟废水通常采用混凝沉淀法、 化学沉淀法、吸附法等处理方法除氟［4-5］。 任梦娇［6］设计采用三级混凝沉淀除氟装置处理光伏企业生产废水， 经处理后， 出水F-质量浓度可稳定达到6.7 mg／L。魏霞［7］设计采用混凝气浮处理单晶硅生产废水中的F-， 出水F-质量浓度可稳定在8 mg／L 以下。 某开发区污水处理厂来水为生产单晶硅太阳能电池片的光伏废水及周边企业生产废水， 本文针对该污水处理厂工艺流程设计， 介绍了其工艺方案、 主要构筑物设计参数和经济指标等， 以期为类似光伏废水处理项目提供工程经验。

1 工程概况

某开发区产业定位主要为机电产业， 现状已有1 座污水处理厂， 主要收集范围包括周边居民生活污水及经济开发区企业废水， 该污水厂一期已建规模为2 万m3／d。 为解决该地招商引资的光伏产业及周边企业废水处理问题， 需要在原厂预留地块内扩建处理规模。 根据收集资料及现场调查情况， 污水处理厂现状出水TN 存在超标情况， 且出水采用紫外消毒， 不满足现阶段当地回用水要求， 此外全厂未做除臭处理。 因此， 本次扩建工程， 除了二期新建规模为3 万m3／d 的废水处理设施外， 还需考虑全厂回用水和除臭工程。

2 设计规模及进出水水质

2.1 设计规模

该污水处理厂主要处理开发区工业废水， 包括光伏企业和其他企业的工业废水。 结合现状规划和光伏、 电子企业环评， 确定二期新建规模为3 万m3／d， 其中光伏废水量占二期处理量的91%。

2.2 现状进出水水质

污水处理厂2019 年2 ～11 月进出水水质如表1 所示（一期进水中已接入部分光伏废水）。 由表1可知， 现状污水厂一期进水有机物浓度偏低， 出水TN 浓度存在超标情况。

表1 2019 年2 ～11 月污水厂一期进出水水质Tab.1 Influent and effluent water quality of the first-stage project of sewage treatment plant in February to November of 2019

2.3 设计进出水水质

结合开发区部分光伏企业出厂废水实测水质（见表2）， 同时为适应开发区未来发展， 污水处理厂设计进水水质留有一定余量， 确定二期工程进水水质；出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A 标准（排放口ρ（F-）≤3 mg／L）。 污水处理厂设计进出水水质如表3 所示。结合光伏企业出水及设计进水水质分析可知， 二期工程进水B／C 值低于0.4， 可生化性一般， 进水有机物浓度偏低， 废水处理中需投加碳源。

表2 光伏企业出厂水质Tab.2 Quality of effluent water from photovoltaic enterprise

表3 污水厂二期工程设计进出水水质Tab.3 Design influent and effluent water quality of the second-stage project of the sewage treatment plant

3 废水处理工艺

3.1 工艺路线的确定

二期工程主要收集光伏废水及其他企业废水，为污水处理厂长远考虑， 本工程工艺的选择除了满足光伏废水的处理功能外， 还需要适应经济开发区未来入驻企业的废水处理。

综上所述， 厂内采用一级预处理-二级强化处理-三级深度处理对进厂废水进行处理。 其中， 一级预处理用于除Ca2+， 二级强化处理用于去除COD、TN、 NH3-N， 三级深度处理主要用于除氟并对SS、TP、 TN 进一步处理， 起到出水达标的把关作用。

3.2 预处理工艺的选择

污水处理厂进水由压力提升接入， 厂内不需要设置格栅， 预处理工艺采用调节池及应急池-混凝沉淀池。

（1） 水质水量调节。 由于工业废水的水质水量变化大， 一般在废水进厂后设置调节池单元用于水质水量的调整。 为适应事故工况及检修需要， 污水处理厂设置应急事故池。

（2） 除钙工艺选择。 光伏废水的除氟预处理主要采用加钙除氟工艺， 导致出水Ca2+偏高。 Ca2+过高会影响活性污泥生化效能， 堵塞生化处理的曝气系统， 并加速设备腐蚀［8-9］。 为减少Ca2+对后续二级生化处理的影响， 需要在预处理阶段对Ca2+进行去除。 废水软化处理常采用的工艺包括离子交换法、 化学沉淀法等， 其中化学沉淀法技术成熟、 应用广泛、 处理效果好且投资低， 因此， 本工程除钙工艺选用化学沉淀法［10］。

（3） 预留工艺选择。 污水处理厂进水有机物含量较低， 为满足生化处理的所需碳源， 本次扩建工程暂不设置水解酸化池。 考虑开发区远期存在进水难降解有机物浓度高的情况， 预留水解酸化池用地用于后期改造。

3.3 生化处理工艺的选择

传统的A2O 工艺中硝化菌、 反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、 泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争， 很难在同一系统中同时获得氮、 磷的高效去除。 Bardenpho 工艺是在A2O 工艺基础上将生化处理单元分为6 段， 包括预缺氧、 厌氧、 缺氧、 好氧、 后缺氧及后好氧部分。 回流污泥回流至预缺氧段， 硝化液回流至缺氧段， 废水经厌氧、 好氧处理， 同步实现脱氮除磷； 后缺氧段投加外加碳源，进一步降低废水中氮的浓度， 同时在生物池中设置多个进水点及内回流点， 通过调整运行参数， 提高生化系统对COD、 TN、 TP 的处理效果［11］。 某位于海河流域的污水处理厂采用Bardenpho 工艺作为主体工艺， 处理后出水水质可以稳定达到地表水准Ⅳ类标准（TN 除外）［12］。 本工程采用Bardenpho 工艺，在未来进水水质变化及出水要求提高的情况下， 可以在好氧段投加悬浮填料以提高生化段处理能力，减少后续提标改造的相关投入。

3.4 深度处理工艺的选择

深度处理采用高效沉淀池-反硝化深床滤池工艺。

（1） 除磷、 除氟工艺的选择。 本工程进水F-质量浓度低于8 mg／L， 属于低浓度含氟废水。 投加PAC 和PAM 作为混凝剂， 其中PAC 在水中水解生成［Al13O4（OH）24］7+及Al（OH）3， 与水中颗粒物进行吸附-电性中和脱稳、 吸附架桥絮凝， PAM 与PAC联用， 对生成的絮凝体进行吸附架桥加快混凝沉淀，实现对TP 和F-的去除［13］。 文献［14-15］研究结果表明， 投加絮凝剂进行絮凝沉淀， 可以有效去除TP和F-。 因此， 选用高效沉淀池， 该池集混合、 絮凝、沉淀为一体， 用于氟化物和TP 的处理。

（2） 除氮工艺的选择。 根据现状进出水水质，推测出水TN 浓度有超标的风险。 本工程在生化处理段选用Bardenpho 工艺， 可以去除部分TN； 为了保障TN 稳定达标， 过滤单元选用反硝化深床滤池工艺， 并接入一期废水， 设计规模为5 万m3／d。

3.5 工艺流程

通过以上分析， 污水处理厂最终确定了以除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床滤池为核心的工艺路线， 工艺流程见图1。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow

4 主要处理构筑物及设计参数

4.1 总图及高程设计

厂区废水进水管位于现状厂区西侧， 出水管位于厂区北侧， 一期主要处理构建筑物位于厂区西侧， 预留用地位于厂区西南侧及东侧， 本次扩建工程位于厂区预留用地。 厂区按功能区分为废水预处理区、 废水生化处理区、 废水深度处理区、 污泥处理区、 辅助设施区等区块。 二期工程在调节池和中间提升泵房出水设计采用泵提升； 为减少施工难度， 以二沉池埋深不大于2 m 进行高程控制， 液位比地面高出2.80 m， 经提升后至高效沉淀池及反硝化深床滤池， 末端消毒池液位比地面高出0.80 m，消毒池出水经提升后接至现状尾水排水管。

4.2 主要构筑物设计参数

4.2.1 预处理单元

（1） 调节池及事故池。 尺寸为64.70 m×35.00 m×8.20 m， 共3 组， 其中调节池2 组， 事故池1组， 钢筋混凝土结构， 总停留时间为12 h。 其中1组调节池设置阀门与事故池应急联通， 在事故状态下切换阀门兼作事故池， 此情况下事故池停留时间为8 h。

（2） 除硬混凝沉淀池。 尺寸为31.90 m×22.40 m×7.20 m， 共2 组， 钢筋混凝土结构。 反应池前端设置NaOH 反应区和Na2CO3反应区， 反应时间均为5 min； 混合区和絮凝区， 反应时间分别为2 min 和5 min； 后接辐流式斜管沉淀池， 表面负荷为11.28 m3／（m2·h）， 斜管区面积为113.76 m2， 斜管区高0.9 m。 经混凝沉淀后， 采用稀硫酸回调pH值， 反应时间为2 min。 NaOH 调节pH 值大于10，Na2CO3投加量为267 mg／L， PAM 投加量为2 mg／L，PAC 投加量为120 mg／L， 稀硫酸回调pH 值为7 左右， 物化污泥量为6 t［DS］／d。

4.2.2 生化处理单元

（1） Bardenpho 生化池。 尺寸为82.53 m×51.20 m×6.90 m， 共2 组， 钢筋混凝土结构， 总停留时间为18.79 h， 其中预缺氧区、 厌氧区、 缺氧区、好氧区、 后缺氧区和后好氧区有效容积分别为737.5、 1 337.5、 6 987.5、 9 775、 2 975 m3和1 675 m3。 设计污泥浓度为3.5 g／L， 污泥负荷为0.051 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）； 硝化液回流比为150% ～300%， 污泥回流比为50%～100%。 设计曝气量为140 m3／min， 乙 酸 钠 最 大 投 加 量 为111.94 mg／L，剩余污泥量为5 t［DS］／d。

（2） 二沉池。 单池内径为28.00 m， 池边水深4.00 m， 共2 座， 钢筋混凝土结构， 表面负荷为1.02 m3／（m2·h）， 沉淀时间为3 h。

4.2.3 深度处理单元

（1） 中间提升泵房及高效沉淀池。 中间提升泵房1 座， 尺寸为10.10 m×5.50 m×4.30 m， 钢筋混凝土结构， 内置轴流泵， 泵池有效池容为68.6 m3。高效沉淀池与中间提升泵房合建， 尺寸为24.35 m×22.00 m×7.20 m， 共2 组， 钢筋混凝土结构， 采用辐流式斜管沉淀池， 表面负荷为7 m3／（m2·h）， 沉淀池前设混合区和絮凝区， 停留时间分别为1.8 min 和10 min， 污泥回流比为3%～6%。 PAM 投加量为2 mg／L， PAC 投加量为350 mg／L， 备用除氟剂， 除氟效果不理想时投加， 同时设置碱液用于出水pH 值回调至7 左右， 物化污泥量为5 t［DS］／d。

（2） 反硝化深床滤池。 下向流单层滤料滤池，尺寸为30.70 m×26.10 m×7.80 m（含管廊间）， 钢筋混凝土结构； 采用陶制生物滤料， 粒径为2.5 mm， 厚1.5 m， 砾石承托层厚0.3 m， 分6 组， 单组过滤面积为48.97 m2， 正常滤速为7.10 m／h， 强制滤速为8.50 m／h， 处理总规模为5 万m3／d。 采用长柄滤头进行配水配气， 并采用气水联合冲洗进行反洗， 气洗强度为90 m3／（m2·h）， 水冲强度为20 m3／（m2·h）。

（3） 消 毒 池 及 回 用 水 池。 尺 寸 为42.60 m ×10.90 m×4.40 m， 与反硝化深床滤池合建， 消毒池消毒时间不小于30 min， 回用水量占比为25%。

4.2.4 辅助设施处理单元

（1） 加药间。 混凝沉淀池东侧新建加药间， 框架结构， 尺寸为26.0 m×8.00 m×6.70 m， 内设稀硫酸、 NaOH、 PAC 储罐及Na2CO3存储区、 PAM制药机。

（2） 除臭系统。 采用生物滤池除臭， 钢筋混凝土基础， 长25 m， 宽13 m， 除臭风量为48 000 m3／h， 包括一期、 二期处理构筑物臭气。

（3） 其他辅助设施。 鼓风机房、 污泥脱水机房及部分药剂投加设备利用现状辅助设施空间。

5 工程设计特点

（1） 为保障出水F-质量浓度低于3 mg／L， 本工程设计采用一级混凝沉淀法除氟。 混合池、 絮凝池同步投加PAC、 PAM 和除氟剂形成絮凝体， 并在高效沉淀池内完成沉淀去除， 表面负荷取7 m3／（m2·h）， 低于一般高效沉淀池。

（2） 厂区总体设计结合预留用地及处理工艺，二期预处理单元除硬混凝沉淀池布置在东侧， 后期运维可以与一期协调管理。 二级处理及三级处理自南向北布置， 出水池紧靠现状出水管。 整个工艺流程布置紧凑， 并满足消防、 运输等要求。

（3） 预处理采用混凝沉淀池用于除硬， 二级处理工艺采用Bardenpho 工艺， 强化废水脱氮除磷，三级处理采用高效沉淀池和反硝化深床滤池， 进一步保证出水TN 和TP 达标， 并用于除氟。

（4） 结合当地经济开发区相关规划， 为适应远期来水水质， 预处理预留水解酸化池用地用于后期改造， 并在高程上预留相关水损。

6 工程运行效果

二期工程于2021 年开工建设， 2022 年通水试运行， 二期实际进水量约为1.7 万m3／d（厂内二期接收一期部分废水）， 污水处理厂2022 年10 ～12月进出水水质如表4 所示。

表4 运行期进出水水质Tab.4 Influent and effluent water quality during operation

该污水处理厂出水水质稳定， 各项指标均满足GB 18918—2002 一级A 标准， 且ρ（F-）＜3 mg／L。

7 投资及运行成本

二期工程规模为3 万m3／d， 总投资11 934.76万元， 其中工程费为9 942.20 万元， 工程其他费为1 081.64 万元， 工程预备费为881.91 万元。

经成本分析， 正常年总成本为3 252 万元， 年经营成本为2 748.45 万元， 总成本为2.97 元／m3，经营成本为2.51 元／m3， 其中工资福利为64 万元／a（以额外增加8 人算）， 药剂费约为55 000 元／d，电费约为11 600 元／d。

8 结语

本项目污水处理厂主要接纳该开发区内光伏企业及其他园区企业生产废水， 根据进水水质和排水标准， 采用除硬混凝沉淀池-Bardenpho 生化池-二沉池-高效沉淀池-反硝化深床滤池为核心工艺进行处理， 出水COD、 TN、 NH3-N、 TP 可稳定达到GB 18918—2002 一级A 标准， 且ρ（F-）＜3 mg／L。 成本分析表明， 本工程总成本为2.97 元／m3， 经营成本为2.51 元／m3。