设计案例 | PACT工艺实现工业废水污水处理厂的节能环保提标改造
福建长乐潭头污水处理厂存在二沉池沉降性能差、现有氧化沟工艺生物处理效果不佳等问题，从节能环保的角度出发，提出将原有的“水解酸化+改良型Carrousel 氧化沟+滤布滤池”工艺改造为可投加粉末活性炭的PACT工艺，并增加“高效沉淀池+V型滤池+滤布滤池”深度处理工艺。正式投入运行之后，出水各项指标均稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准。
生物活性炭法（powdered activated carbon treatment，PACT）是指曝气池前（或曝气池内）投加粉末活性炭与回流的污泥混合，一起完成对曝气池废水中有机污染物处理的过程，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下，对有机物进行去除。杨春维等对比了PACT和序列间歇式活性污泥法（SBR）处理糠醛废水的工艺参数和去除效果，结果表明，PACT工艺具有运行稳定、负荷适应性强、污泥沉降性能好等优点。同时，研究发现PACT工艺在对实际废水和模拟废水的降解试验中，与活性炭吸附法、活性污泥工艺相比具有较大的优势。处理实际废水时，PACT工艺对CODCr的去除率比活性污泥法高10%左右，比活性炭吸附法高18%左右；处理模拟废水时，PACT工艺对染料的去除率比活性污泥法平均高50%，比活性炭吸附工艺平均高5%。
1项目背景及提标改造前运行情况
福建省某污水处理厂工程规划总规模为17.0×104 m3/d，一期、二期已建规模为6.0×104 m3/d。主体工艺为“水解酸化+改良型Carrousel 氧化沟+滤布滤池”，尾水采用成品次氯酸钠消毒工艺，污泥采用板框压滤脱水机进行深度脱水至60%含水率后外运填埋处置。一期工程于2014年12月开工建设，2015年7月完成土建并进入通水调试阶段，2016年4月进入试运行阶段，2016年6月进入商业运营。二期工程于2015年9月开工建设，2015年12月完成土建并进入通水调试阶段，2017年3月进入试运行阶段，2017年10月进入商业运营，工程设计规模为6.0万m3/d，一次建成，要求提标改造后出水各项指标满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。
表1为该污水处理厂设计与实际进出水水质。如表1所示，污水处理厂实际平均出水水质浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中规定的一级B排放标准，并且实际平均进水水质满足设计要求。
表1 现状设计进、出水水质
2目前污水处理厂运行中存在的问题
该污水处理厂自投产以来，运行正常，各项出水水质指标基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B排放标准。但是，运行存在以下问题。
（1）目前接入管网的污水基本为印染企业污水站处理后间接排放的污水，生活污水量占比极少，虽然来水水质均在设计指标限值内，但由于进水绝大部分为印染厂排水，工业废水与生活污水的比例与原设计值相差甚远，实际进水的B/C为0.2左右。且印染企业采用原料助剂为活性染料，属于印染废水中难处理的物质，导致污水厂进水颜色多变、成分复杂，含有大量的表面活性剂，可生化性极差。如何提高进水B值、降低色度以及减少出水中不可生化的CODCr，是本次提标的难点及重点所在。
（2）由于进水中含有大量的工业废水，污泥絮凝性、沉降性能差，目前靠在生物池投加絮凝剂作为核体强化污泥凝聚效果，改善在二沉池的沉淀性能，但二沉池沉降分离效果仍不理想，导致后续滤布滤池工段的运行受到很大的影响（出水量小、堵塞、难以清洗等），现有滤布滤池已难以维持正常运行。
（3）分别在一期、二期工程处设置尾水蓄水池，污水处理厂尾水为涨落潮间歇式外排。根据现有的厂区布置情况，提标改造对象为一期、二期尾水，需要尾水统一引至深度处理系统，再引回至尾水蓄水池。
3 设计方案
3.1设计进出水水质
污水处理厂提标改造工程出水水质标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，在三门闸下游感潮河段设置尾水排放口，间歇式排放，待海水退潮时污水处理厂尾水乘潮排放（低潮位下），最终受纳水体为海洋。表2为提标后污水处理厂的设计进、出水水质及其去除率。
表2 提标后设计进、出水水质及去除率
3.2设计方案
提标改造前污水处理厂原工艺流程为“粗格栅及进水泵房→细格栅及曝气沉砂池→水解酸化池→改良型Carrousel-2000氧化沟→二沉池→滤布滤池→接触消毒池→蓄水池→尾水泵房排海”，污泥处理采用“污泥浓缩+调理改性+板框压滤”工艺。
对比《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A和一级B标准，可知一级A标准在CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS方面均有更严格的要求。根据工艺原理，氨氮、TN的强化去除只能采用生化方法，CODCr、BOD5的强化去除有生化方法和以物化为主的深度处理方法，SS的强化去除只能依靠深度处理，而TP的强化去除可采用生化方法和化学方法。
综合考虑本工程的实际进水水质的特点，以及现有工艺的运行情况，本次提标改造工程在现有的“预处理+二级生化处理”基础上增加“三级深度处理”工艺，最终形成“预处理+强化二级生化处理+三级深度处理”的工艺流程，确保出水水质中的主要污染物指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。
3.3PACT工艺分析与方案鉴定
由于本项目印染废水中的多环和杂环类化合物，普通的活性污泥生物法处理后，出水指标难以达标且污泥沉降性能较差，PACT对于此类污染物却有较好的处理效果。
在生化进水中投加粉末活性炭与回流的污泥混合，一起完成对曝气池废水中有机污染物处理，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下对有机物进行去除。这主要体现在两个方面，一是粉末活性炭巨大的比表面积赋予其非常强的吸附性能；二是在活性污泥与粉末活性炭界面之间的溶解氧和降解基质浓度有了很大幅度的提高，从而也提高了CODCr的降解去除率。且PACT法对工业废水中的一些大分子有机物也有良好的处理效果。目前本工程进水可生化性差，B/C低，即使氧化沟停留时间达17 h，但生物处理效果仍然不佳。因此，考虑将现有的氧化沟工艺改造为可投加粉末活性炭的PACT工艺，在氧化沟中投加粉末活性炭强化该工段的处理效果。现场试验证明，通过投加粉末活性炭，可提高氧化沟对CODCr的去除率。
确定本项目的工艺方案为“粗格栅及进水泵房（现有）→细格栅及曝气沉砂池（现有）→水解酸化池（现有）→PACT（改造）→二沉池（现有）→二级提升泵房（新建）→高效沉淀池（新建）→V型滤池（新建）→滤布滤池及接触消毒池（现有）→巴氏计量渠道（新建）→三级提升泵房（现有）→蓄水池（现有）→尾水提升泵房（现有）→排海”。
提标改造后工艺流程图
考虑到污水处理厂提标改造工程用地紧张，本工程在构筑物选择方面尽可能选取占地面积小、操作维护简便、处理效果能满足使用要求的工艺，同时考虑机械混合、机械絮凝方式的选择，本工程混合絮凝沉淀工艺选择“高效沉淀池”。V型滤池是一种源于法国的新型滤池，其采用均质滤料，滤层厚，滤料可进行深层截污。具有滤速较高、滤料冲洗彻底、耗水量少、投资适中、滤后水质好且稳定的优点。本工程虽已有滤布滤池工段，但实际该污水处理厂85%的进水为印染厂尾水，与原设计文件确定的50%生活污水+50%的工业废水比例偏差巨大，导致目前污水处理厂处于非正常运营状态，只能依靠投入大量药剂保证出水水质达标，同时也使现有滤布滤池难以正常运行（出水量小、堵塞、难以清洗、出水SS达不到设计要求等）。故本次提标兼顾经济性和出水稳定达标要求，推荐采用较高流速的V型滤池作为深度处理的一级过滤工序，过滤后的出水再经过现有的滤布滤池进行二级过滤。采用两级过滤方案，即利用了现有的滤布滤池系统，没有造成现有设施的浪费，也使出水能稳定达标。综上，最终决定采用“高效沉淀池+V型滤池+滤布滤池”的工艺为本次提标改造的深度处理工艺。本工程设计采用固态PAC为化学除磷药剂,经现场制备为液剂后投加在深度处理的高效沉淀池。
印染废水经生化处理后，难降解有机物的存在使出水的CODCr、色度等指标难以稳定达标。本次提标工程通过在现有氧化沟投加活性炭，在高效沉淀池投加印染废水去除剂，在接触消毒池投加次氯酸钠，利用活性炭及印染废水去除剂的吸附效果、次氯酸钠的氧化脱色性能，进一步强化处理效果，以确保出水色度达标。本次提标工程沿用原有的次氯酸钠消毒工艺。
该污水处理厂对污泥处置要求为含水率不大于60.0%，目前污水处理厂现有污泥采用“污泥浓缩+调理改性+板框压滤”的工艺。本次提标改造产生的污泥仍通过现有污泥处置系统，处理达标后同现有污泥一起外运至垃圾填埋场进行填埋处置。污泥脱水机房现有3台板框压滤机，每日工作约12 h，处理约9.1 t绝干泥。提标后利用现有的脱水机房系统，通过增加板框运行批次的方式消化提标后新增的污泥量，板框每天的工作时间由12 h增加至20 h。
本次提标工段没有产生臭气，故除臭系统维持现状，沿用原有的生物滤池工艺对产生臭气的工段进行臭气收集处理，在新增处理工段不考虑除臭设施。
4要构筑物工艺设计
由于该污水处理厂排水的特殊性——每日尾水储存于蓄水池，乘潮排放。本次提标工程需先将一期、二期二沉池的出水引至深度处理区新建的高效沉淀池，经处理后的尾水仍需要先储存与蓄水池中，再在海水落潮时乘潮排放[10]。将高效沉淀池与V型滤池及反冲洗泵池布置在预留用地中（厂区西北侧），新建巴氏计量渠道布置在一期蓄水池北侧空地处（厂区东北侧），新建的1#、2#二级提升泵房分别布置在一期、二期二沉池出水旁。辅助建筑中，3#变配电间及柴油发电机房、深度处理加药间、反冲洗鼓风机房、活性炭投加车间布置在预留用地中（厂区西南侧），碳源投加系统布置在现有氧化沟旁。新增建（构）筑物为1#二级提升泵房、2#二级提升泵房、高效沉淀池、V型滤池及反冲洗泵房、巴氏计量渠道、深度处理加药间及反冲洗鼓风机房、碳源投加系统、3#变配电间及柴油发电机房。
污水处理厂提标改造总体布置图
4.1中间提升泵站
厂区新建中间提升泵房两座，将一期、二期的二沉池出水分别通过泵提升至新建高效沉淀池。中间提升泵站平面尺寸为L×B=6.0 m×10.0 m，为可提升式潜污泵，Q=850 m3/h，H=8 m，N=30 kW，2用1备，变频调节。
4.2高效沉淀池
高效沉淀池的表面负荷为6 m3/(m2·h) [11]。机械混合池分4格，单格尺寸为L×B=2.9 m×2.9 m，有效水深为5.8 m，混合时间为3.44 min。絮凝反应池分4格，单格尺寸为L×B=5.3 m×5.3 m，有效水深为5.8 m，絮凝时间为11.5 min。沉淀池分4格，单格尺寸为L×B=12.5 m×12.5 m，有效水深为6.2 m，单格设计流量为850 m3/h。
4.3V型滤池
每座滤池分为6格，单格尺寸为L×B=5.3 m×5.3 m，池深为4.25 m，单格过滤面积为60 m2，平均滤速为6.94 m/h。反冲洗泵房与高效沉淀池和V型滤池合建，为滤池提供反冲洗水源，为半地下式钢筋混凝土结构，1座，有效储存面积为200 m3，平面尺寸为L×B=14.4 m×5.6 m，有效水深为3.2 m，反冲洗强度为6 L/(s·m2)，气反冲洗强度为15 L/(s·m2)。
巴氏计量渠道按6.0×104 m3/d规模建设，计量6万t规模污水厂的出水水量。
将现有氧化沟改造成PACT工艺，需新建深度处理加药间和反冲洗鼓风机房1座。平面尺寸为L×B=20.0 m×12.0 m。
4.4碳源投加系统
由于进水B/C较低，考虑投加碳源措施，投加质量浓度为35 mg/L的乙酸钠。故在现有氧化沟附近，建设碳源投加系统。一期两座氧化沟，分别配1套碳源投加系统；二期一座氧化沟，配套1套碳源投加系统。
4.5现有一期和二期系统改造
将现有二期三级提升泵房及尾水泵房的轴流泵全部迁移至一期三级提升泵房及尾水泵房，使一期三级提升泵房及尾水泵房的提升能力达到6×104 m3/d。分别在一期、二期增加1套1.5万t/d的滤布滤池设备。同时改造进、出水管道，进水管道分别接自V型滤池出水，出水管道分别接至新建巴氏计量渠道。
本次提标工程由于投加粉末活性炭及印染废水去除剂，新增绝干泥量约5.2 t/d（根据水质情况，活性炭作为应急处置，一周投加1 d，投加量为100 mg/L，增加活性炭泥为1 t DS）。原设计泥量为9.1 t DS/d，污泥脱水机房现有3台200 m2的板框压滤机，单台处理能力约1 t DS/批次，4 h/批次，按每天工作12 h设计，每天运行3个批次。提标后考虑延长脱水机房运行时间，增加板框压滤机每天的运行批次，消化提标后新增的污泥量，预计需增加2个批次，板框每天工作时间由12 h增加至20 h。增加散装粉末活性炭投加系统，采用射流投加法，投加点分别为一期、二期氧化沟的进水管道上。
4.6预留臭氧系统设计
因本厂进水中印染废水比例较高，设计上在生化前段预留臭氧催化氧化系统的接口和用地，为将来留有一定的防范措施。如果本工程投产后，进水中印染废水比例超过60%，为确保出水稳定达标，将需要启动臭氧系统建设工作。
污水厂大门图
良好的厂区环境
核心价值观及企业文化
粗格栅及进水泵房
细格栅
曝气沉砂池加除臭盖板
水解酸化池
改良型卡鲁塞尔氧化沟
清澈的二沉池出水
纤维转盘滤池
接触消毒池
蓄水池
污泥脱水机房
除臭设施
化验室
5工程运行效果及成本分析
本项目于2018年6月开始建设，2019年8月正式投入运营。从2019年9月—2020年12月对污水处理厂进行了连续16个月的水质检测。如图3、图4所示，出水的CODCr不仅有较好的去除效果，且CODCr含量在30~45 mg/L的月数量占据了总月数量的75%。说明出水水质稳定地达到了提标改造的预期目标，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准要求。
污水厂提标改造前的单位运行成本和改造后的新增单位运行成本如表3所示，提标改造前运行成本为1.49元/m3，提标后新增成本为1.21元/m3。
提标后CODCr的月出水浓度
提标后CODCr的出水浓度月占比
表3 污水处理厂运行成本
6结论
本文主要基于福建省某污水处理厂提标改造，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准要求，本次提标改造可为全国范围内污水处理厂的提标改造提供一定的借鉴作用。
（1）实际情况中污水处理厂存在进水可生化性差，B/C低等情况，导致现有氧化沟工艺生物处理效果不佳。将现有氧化沟工艺改造为可投加粉末活性炭的PACT工艺，通过投加活性粉末碳增强该工段的处理效果，并在此基础上增加“高效沉淀池+V型滤池+滤布滤池”的深度处理工艺，确保出水水质达标。
（2）通过对总体布置方案做出调整后，在有限的占地范围内新建和改造了一批构筑物，既保障了项目的顺利实施又实现了对现有资源的合理利用。
（3）提标后经过为期一年的运行证明，该工艺运行稳定，污水处理厂出水各项指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准要求。
