MBR-臭氧催化氧化用于工业污水厂提标改造案例

1.工程概况

1.1 设计进出水水质

该工业污水处理厂主要接纳并处理石化工业区的工业废水和镇区的生活污水，工业废水占比70%～80%，其余为生活污水。工业废水以化工企业废水为主，非化工企业废水以印染、电厂和烟草企业废水为主。进水具有高COD、高盐度、有微生物毒性，是典型的难降解废水，其水质成分复杂，副产物多，反应原料常为溶剂类物质或环状结构的化合物，增加了废水的处理难度。

本工业污水处理厂原设计出水标准执行《太湖地区城镇污水处理厂重点工业行业主要污染物排放限值》（DB32/T 1072-2007）表₃中化学工业行业标准和《化学工业主要水污染排放标准》（DB32/939-2006)一级标准，尾水排入长江。其具体设计进出水水质如表₁。

 

表1 设计进出水水质

 

 

1.2 实际运行进出水水质

该污水处理厂进出水水质比较稳定，2015年1月-2018年12月实际进出水水质见表2。二期工程未投产前，一期工程出水TN经常超标，NH3-N波动较大，其余指标也时有超标；2016年5月二期投产后，污水处理厂的出水水质得到了明显改善，但COD、NH3-N仍时有超标。

 

表2 一期工程出水水质

 

 

1.3 规模及工艺流程

江苏某工业污水处理厂一期工程于2011年4月建成并投入运行，建设规模2万m?/d，采用水解酸化-MSBR-混凝沉淀-转盘过滤-外排泵房-长江处理工艺；二期工程于2016年5月投入运行，规模2万m?/d，采用混凝沉淀-水解酸化-AAO-混凝沉淀-滤布滤池-臭氧接触氧化-外排泵房-长江工艺；二期投入运行后，一期处理水量由2万m?/d减少至1万 m?/d，现状工业污水处理厂总处理能力为3万m?/d。二期工程出水泵房与臭氧接触池合建，按3万m?/d规模建设。工艺流程见图1，其中灰色部分为实际处于闲置状态构筑物。

 

注:上排为一期构筑物,下排为二期构筑物

图1 实际运行工艺流程

 

1.4 部分构筑物效果欠佳

该厂一期工程MSBR池SRT较长、MLSS高，导致污泥老化严重、沉降困难、絮凝沉淀池SS负荷高、泥水分离效果不好，滤布滤池已废弃。

1.5 出水难以满足新排放标准的要求

《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072-2018）将太湖流域分为三档，分别为一级保护区、二级保护区和其他地区。本工业污水处理厂属于太湖地区其他地区，COD、TN、NH3-N、TP应执行其中的其他区域内城镇污水处理厂主要水污染物排放限值，BOD5、SS和石油类应执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A排放标准。对比现状排放标准，除TP外，COD、BOD5、SS、TN、NH3-N及石油类等6项出水指标均有所提高，其中COD和SS提高幅度较大。分析本污水处理厂现状出水水质，COD月均高值在83mg/L，BOD5月均高值在17mg/L，SS月均高值在29mg/L，TN月均高值在7.2mg/L，NH3-N月均高值在1.8mg/L，TP月均高值在0.05mg/L、石油类月均高值在0.28mg/L；由此可见，COD、BOD5和SS 3项指标难以稳定达到新的排放标准。新排放标准下出水水质见表3。

 

表3 新排放标准下出水水质

 

 

2、工艺优化及改造方案

2.1 MBR工艺—强化泥水分离效果

MBR工艺具有优势为：膜孔高效截留保证SS稳定达标；省去絮凝池，生化池内改造，与本项目改造用地紧张情况匹配；高MLSS长SRT，提高生化效果；SRT与HRT分离，硝化菌截留，脱氮效果增强；出水水质更优。

2.2 臭氧催化氧化工艺—去除难降解COD

臭氧催化氧化工艺具有如下优势：可利旧现状臭氧发生器及臭氧制备间，可于一期工程絮凝沉淀池内改造，不新增占地；氧化能力强，可有效去除污水中难降解有机物；反应速率快，可大幅降低水力停留时间，减少占地；臭氧利用率高，可有效降低臭氧投加量，减少投资及运行成本。

2.3 臭氧催化氧化工艺参数优化

本工程采用自主研发的非均相碳基催化剂，考虑到化工废水的复杂性、难降解性及催化剂存在的选择性问题，为验证臭氧催化氧化工艺在本工程的可行性，同时优化工艺设计参数，于2018年8月在项目现场进行了臭氧催化氧化工艺的小试。

经过小试结果可以得到，床层水力停留时间10min，臭氧投加量20mg/L，采用两级串联、射流器布气方式可使出水COD从60mg/L左右稳定降至40mg/L以下，去除20mg/LCOD，能够满足新的出水标准对COD不大于50mg/L的要求。

2.4 改造方案

由于一期工程出水COD超标，SS可满足现状排放标准，不能满足新标准；二期工程出水水质相较一期好，可达标排放；总出水SS、COD不能满足新标准要求。通过对污水处理厂运行现状及问题的分析，本工程需在不新增用地的情况下，总体改造方案为将原一期的MSBR改造为改良AAO-MBR池，将原一期的混凝沉淀池改造为臭氧催化氧化池，处理一期和二期经生化处理后的出水。此方案满足提标改造的要求,其具体改造后工艺流程见图2。

 

 

图2 改造后工艺流程

3.改造设计

3.1 设计规模

本次提标改造工程设计规模3万m?/d，其中一期工程1万m?/d，二期工程2万m?/d。

3.2 改造设计进出水水质

根据实际运行过程中进水水质的数据，原工程设计进水水质基本与实际情况相符。因此，工程设计进水水质维持原设计值不变，工程原出水标准执行《太湖地区城镇污水处理厂重点工业行业主要污染物排放限值》（DB 32/T1072-2007）表3中化学工业行业标准和《化学工业主要水污染排放标准》（DB 32/939-2006)一级标准；现执行标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准及《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072-2018）中较严标准。设计进出水水质，见表4。

 

表4 改造设计进出水水质

 

 

3.3 改造设计主要工艺参数

3.3.1 膜格栅

为提高SS去除率，减轻膜组件的污堵，于一期水解酸化池与配水井中间空地处增加一套一体化膜格栅设备。

膜格栅设计参数：设计规模为1万m?/d，渠道2格，渠宽1 400mm，渠深2 000mm，平面尺寸8.0 m×4.2 m。

主要设备：插板闸4套（Ｂ×Ｈ=600mm×1 400mm）；中压反洗泵2台（Ｑ=16 m?/h，H=70m，N=5.5 kW）；内进流式网板精细格栅2台（配套高排水型栅渣压榨机，孔径1mm，栅前水深h=1 200mm，过栅水位差Δhmax=500mm）。

3.3.2 改良型AAO-MBR

AAO-MBR反应池主要由生物池、膜池和膜车间三大部分组成，由现状一期两座MSBR池改造而成。生物池风机利旧，膜池吹扫风机、膜加药系统及控制系统均放置于膜车间。膜池共4个系列，每系列可单独运行。该单元具体设计参数见表5。

表5 改良型AAO-MBR主要工艺参数

 

 

3.3.3 臭氧催化氧化池

臭氧催化氧化单元由臭氧催化氧化池及臭氧制备间（含液氧罐）两部分组成。臭氧催化氧化池由现状一期絮凝沉淀池改造而成，为满足臭氧催化氧化池的有效水头，现状絮凝沉淀池需部分加高；利旧现状臭氧制备间（含液氧罐），新增一套20kg/h臭氧发生器置于现状臭氧制备间。预混区总停留时间和催化剂总停留时间略比试验确定停留时间增加2min。臭氧催化氧化单元设计参数见表6。

表6 臭氧催化氧化池主要工艺参数

 

 

3.3.4 中间提升泵房

在二期滤布滤池后新增一座一体化泵站作为中间提升泵房以满足二期出水进入新建臭氧催化氧化池。一体化提升泵站包含成套井室和阀门井，井室为玻璃钢结构。

具体设计参数为：设计规模2万m?/d，井室直径3.5m，井深6.5m，有效水深5.1m，内含3台潜水提升泵（2用1备，单台流量Q=417m?/h，H=10m，N=18.5 kW）。

4.调试及运行效果

4.1 调试主要问题及解决措施

4.1.1 主要问题

该厂于2020年7月进入调试期，调试初期污水处理厂运行稳定，出水水质可稳定达标。2020年10月，催化氧化池出现溢流现象，污水处理厂出水COD也出现偶尔超标现象。通过对调试期间污水处理厂各处理单元进出水水质及实际运行工况的调研分析，发现主要存在以下问题：

（1）一期活性污泥活性低。对一期工程活性污泥进行耗氧速率试验（SOUR）和硝化速率试验（SNAR），试验结果见表7。

表7 活性污泥活性测试

 

 

与正常运行污水处理厂（MBR工艺）的活性污泥进行比较，发现一期工程活性污泥活性低，COD及氨氮去除能力差，一期工程MBR出水COD最高可达80mg/L。通过对水厂各单元物料平衡分析，确定污水处理厂污泥脱水设备老化，处理能力不足，二期工程高密池化学污泥经储泥池后大量回流至一期生化反应池，污泥龄大大延长，污泥老化活性降低。

（2）催化剂污染滤层堵塞。催化氧化池内碳基催化剂底层污染严重。经过高温灼烧及酸溶试验后确认造成碳基催化剂污染的污染物主要为Fe、Mn化合物。Fe、Mn可在臭氧氧化池内形成褐色、黑色氧化物附着于碳基催化剂表层，造成碳基催化剂氧化效率降低并堵塞催化剂床层，最终导致溢流。

4.1.2 解决措施

针对调试期间发现的问题，主要采取以下措施：

（1）维修更换污泥脱水设施，提高污水处理厂污泥处理能力，切断二期工程高密池化学污泥回流至一期工程路由，加强一期生化池排泥，改善一期AAO-MBR生化污泥的活性。

（2）增加臭氧催化氧化池的反洗中放空措施，同时将反洗频率从3~5 d/次提高至1~2d/次，增加反洗自动化程序。

（3）增加碳基催化剂酸洗装置。当气、水反洗不能有效缓解碳基催化剂污染时，启动酸洗装置强化清洗效果。

5.试运行效果及经济分析

 

5.1 试运行效果

该厂于2021年初进入试运行阶段。污水处理厂2021年3-8月的试运行期间，平均进出水水质见表8。

表8 试运行期间本工程进出水水质

 

 

由表8可知，污水处理厂试运行期间出水水质较为稳定，可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准及《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072-2018）中较严标准要求。试运行期间未出现出水COD超标及臭氧催化氧化池污堵甚至溢流情况，污水处理厂改造达到预期效果。

5.2 经济分析

本项目工程总投资为4 786.89万元，单位水处理新增总成本0.95元/m?H2O，单位水处理新增直接运营成本0.73元/m?H2O。投资及单位水处理增加成本相对较低，具有较好的经济效益。

 

6.结  语

（1）臭氧催化氧化工艺对含有难降解的COD的工业污水处理效果明显，可作为生化处理后续的深度处理工艺应用于工业污水的处理。

（2）MBR工艺适用于用地紧张的污水处理厂提标改造。

（3）在太湖流域污水排放标准提高的大背景下，江苏某工业污水处理厂实施提标改造工程，该工程在污水处理厂处理水量不变且无空地可用的情况下采用MBR-臭氧催化氧化工艺。工程完工后出水可达到预期效果。可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准及《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072-2018）中较严标准。该工程具有明显的经济、环境和社会效益，将为太湖流域的节能减排做出重要贡献，并为太湖流域类似工业污水处理厂提标改造工程的建设提供借鉴。