1、工程概況、水質及問題分析
1.1 工程概況
山東省某縣經濟開發區污水處理廠總規模4.5×104m3/d，分兩期建設。一期工程于2009年開工建設，規模1.5×104m3/d，采用粗、細格柵-曝氣沉砂池-A2O生化池-氣浮池-纖維束濾池-二氧化氯消毒工藝；二期工程于2017年開工建設，擴建規模3.0×104m3/d，采用粗、細格柵-曝氣沉砂池-調節池-渦凹氣浮池-水解酸化池-A2O生化池-二沉池-高效沉淀池-臭氧接觸池-V型砂濾池-二氧化氯消毒工藝，出水水質均執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的一級A標準。現狀進水多為生物、化工及能源加工廢水，含油脂較多，根據當地環保要求，外排水需達到《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）的準Ⅳ類水質要求，再生水需達到特定企業回用要求，因此提標改造及再生水廠的建設需重視有機物的進一步減量及鹽分的削減。
一期工程現狀進水為市政污水，以生活污水居多，鹽分較少，水質較好，出水水質能穩定達到一級A標準，本次直接作為再生水工程的進水水源，不再另外進行提標改造。二期工程提標后取其中1.5×104m3/d與現狀一期1.5×104m3/d合并進入新建的再生水工程，作為再生水工程的水源水，剩余的1.5×104m3/d達到地表水準Ⅳ類標準后外排。
1.2 現狀水質分析
①一期工程水質
一期工程進水以生活污水為主，主要設計水質：COD≤500mg/L，BOD5≤280mg/L，SS≤300mg/L，NH3-N≤40mg/L，TN≤50mg/L，TP≤5.0mg/L，實際平均進水水質：COD≤200mg/L，BOD5≤150mg/L，SS≤200mg/L，NH3-N≤20mg/L，TN≤30mg/L，TP≤1.5mg/L；出水水質執行一級A標準。
②二期工程水質
二期工程進水混有幾種工業廢水且含油脂較多。二期工程采用不同的工藝先進行分質處理，再與一期工程出水混合后水質能穩定達到一級A標準。
二期工程的進、出水水質分析如表1所示。
③再生水水質
監測總出水口水質：TDS≤4000mg/L，電導率≤6240µS/cm，硬度≤3150mg/L，氯離子≤2000mg/L。再生水出水水質需要滿足《城市污水再生利用工業用水水質》（GB/T19923—2005）及《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2020）標準及企業回用標準：TDS≤1000mg/L，電導率≤1500µS/cm，硬度≤450mg/L，氯離子≤250mg/L，濁度≤5NTU，余氯≥0.05mg/L。
1.3 現狀問題及提標核心工藝
1.3.1 提標改造工程
二期工程目前運行效果較好，出水水質能夠穩定達到一級A標準。與地表水準Ⅳ類水質相比，COD及TN不能穩定達標，氨氮、TP偶爾超標。
①根據山東省內“兩清零一提標”要求，本次設計出水TN≤10mg/L。新標準下，要求脫氮率至少高于80%，TN的脫除全部由二級生化處理完成。此次將生化池由A2O改為Bardenpho（A2O+AO）工藝，同時增加碳源投加設施，以進一步提高二級生化系統的脫氮率。對TN的去除幾乎完全靠生物脫氮去除。Bardenpho（A2O+AO）工藝是目前比較流行的一種AAO污水處理工藝，其工藝模式為AAO+AO，形式上與多級AO類似，但實際設計和原理有較大不同。由于采用了兩級A/O工藝，脫氮除磷效果較好，脫氮效率可達90%～95%。
本次將現狀AAO生化池改造為五段Bardenpho生化池。由于采用了兩段缺氧、兩段好氧工藝，污染物在各段之間存在濃度差，形成較高的降解梯度，提高了污染物去除效率。與傳統的AAO相比，在第二級A/O工藝中，由第一好氧池而來的混合液進入第二缺氧池后，反硝化菌利用混合液中的內源代謝物質進一步反硝化，反硝化產生的N2在第二好氧池經曝氣吹脫釋放，改善了污泥的沉降性能，大大提高了反硝化脫氮效率。此次改造在總停留時間不變的情況下，重新調整優化各分區停留時間：厭氧池1.85h、一級缺氧池3.7h、一級好氧池11.68h、二級缺氧池2.66h、二級好氧池2.66h，結合碳源投加優化調整，確保出水TN穩定達標。
②二期工程由于預處理完善、生化系統停留時間較長、生化池負荷較低，在保證充足的曝氣和較長的污泥齡情況下，結合生化系統的優化改造（在現狀好氧區后端增加攪拌設備，將部分好氧區改造為二級缺氧區），出水氨氮基本能穩定達到地表水Ⅳ類標準。
③對于本次提標改造重點控制指標COD，可通過改造臭氧接觸方式提高臭氧氧化效率，進一步去除難降解COD。將二期普通臭氧氧化池改造為均相催化氧化工藝（由普通曝氣頭改為效率更高的射流曝氣），進一步降低出水COD。
二期工程的工業廢水中含有一定量的難降解物質，對難降解物質再進行深度生化處理意義不大，一般采用高級氧化法去除。目前常用的高級氧化技術主要為芬頓氧化和臭氧催化氧化。由于芬頓氧化需調酸調堿，大大增加成本，同時產生大量疑似危廢污泥，不適用本項目。本工程重點采用臭氧氧化進行處理。由于普通臭氧氧化能力有限，且臭氧投加量很大，效果不理想，因此采用臭氧催化氧化技術。
與單一臭氧氧化技術相比，臭氧催化氧化技術的特色主要體現在兩個方面：①高效臭氧溶氣系統，利用電磁作用改變污水中分子的微觀物質形態，提高臭氧氣體的溶解效率，并有效減少臭氧投加量。②高效催化系統，分為均相催化和非均相催化兩種。本次采用的均相催化反應機理是：a.金屬離子促進臭氧分解，然后生成·OH，利用高活性的·OH氧化有機物；b.金屬離子和有機物絡合，最終被臭氧氧化。
二期臭氧催化氧化小試結果見表2。現狀臭氧投加量為25mg/L。由表1可知，實際出水COD指標不能穩定達到30mg/L。而根據表2數據，小試投加10mg/L臭氧即可控制出水COD達到30mg/L以下。為穩定出水指標，設計投加值為20mg/L，即臭氧投加量由25mg/L降至20mg/L。由此可知，臭氧催化氧化在去除有機物方面確實優于普通臭氧氧化。
1.3.2 再生水工程
根據現狀出水水質檢測數據，含鹽量、硬度及部分指標無法達到企業回用要求。本次新增3×104m3/d超濾+2×104m3/d反滲透系統處理污水處理廠出水，降低出水鹽分、硬度等指標，達到企業回用要求。
2、再生水廠工藝設計
2.1 工藝方案
①改造二期生化池，將現狀A2O工藝改造為Bardenpho（A2O+AO）工藝，增加二級缺氧段，強化脫氮除磷能力。
②改造二期臭氧氧化系統，將現狀普通臭氧接觸池改造為臭氧催化氧化池，強化對COD的去除。
③新建膜車間，內設雙膜（UF+RO）膜組件；建設配套綜合水池，提供和貯存膜池進出水；新建再生水泵房，將制備好的再生水泵入城區回用企業。
2.2 主要構（建）筑物及實際運行參數
該工程已竣工通水且運行良好，所有參數均為現狀實際數據。
2.2.1 生化池改造
改造內容：在現狀好氧區后端增加攪拌設備，將部分好氧區改造為二級缺氧區，改造后形成厭氧區、一級缺氧區、一級好氧區、二級缺氧區、二級好氧區的分區布局。改造數量：2座。單座設計流量906m3/h，有效水深5.5m，有效容積15824m3，污泥濃度（MLSS）3500mg/L，污泥齡21d。改造后各分區停留時間：厭氧池1.85h、一級缺氧池3.7h、一級好氧池11.68h、二級缺氧池2.66h、二級好氧池2.66h。改造增加設備情況：低速潛水推進器5臺，單池2臺，1臺冷備。單臺參數：D=720mm，n=460r/min，N=5.5kW。
2.2.2 臭氧池改造
改造目的：利用羥基自由基的強氧化性去除有機物。池體數量：1座，2格。設計流量1813m3/h，設計臭氧投加量20mg/L，反應時間60min。臭氧催化氧化池的臭氧總投加量為20mg/L。臭氧接觸池改造：原外池壁不變，重做內部隔墻，改造后單格尺寸10.0m×3.6m。新增主要設備及材料：高效臭氧溶氣裝置，不銹鋼316L材質，N=0.4kW，4套；定制泵，Q=200m3/h，H=240kPa，N=22kW，不銹鋼316L材質，變頻，5臺，4用1冷備；二次混合設備，不銹鋼316L材質，4套；均相催化反應器，N=7.2kW，2臺。原有臭氧發生器設備間及液氧站滿足臭氧投加20mg/L使用要求，本次利舊使用，不再進行變動。
2.2.3 新建再生水系統
①膜車間
尺寸45.6m×41.6m×7.5m。設計8組UF系統，單組產水量144m3/h，設計6組RO系統，單組產水量150m3/h，COD去除率98.0%，脫鹽率97.0%。a.超濾膜系統：原水泵，臥式單級離心泵4臺（3用1備，交替運行），額定流量440m3/h，揚程300kPa，功率55kW；超濾膜512支，膜元件面積55.7m2，聚偏二氟乙烯材質，標稱孔徑0.02µm，中空纖維直徑為1.1mm外徑/0.66mm內徑，采用全流過濾（死端過濾）模式；b.RO系統：進水泵，臥式單級離心泵4臺（3用1備），額定流量420m3/h，揚程240kPa，功率45kW；濾芯骨架為聚丙烯PP，濾芯精度5µm；高壓泵立式多級離心高壓泵6臺，額定流量200m3/h，揚程1380kPa，額定功率110kW；反滲透膜元件1296支，卷式芳香聚酰胺復合膜（TFC）材質，平均膜通量28L/（m2·h），脫鹽率為99.0%~99.6%；壓力容器：8英寸（1英寸=2.54cm）側聯（六芯），FRT增強型玻璃鋼材質，工作壓力為2.1MPa，RO膜殼數量為216根。
②綜合池
尺寸43.8m×23.3m×6.5m（地下2.0m，地上4.5m）。原水池處理能力30000m3/d，有效池容953.5m3，停留時間0.76h；超濾產水池處理能力27000m3/d，有效池容806.93m3，停留時間0.72h；反滲透產水池處理能力20000m3/d，有效池容467.17m3，停留時間0.56h；清水池處理能力20000m3/d，有效池容3238m3，有效水深6.0m，全部用作超濾產水時停留時間2.87h，全部用作反滲透產水時停留時間3.88h。由原污水處理廠加氯間引入消毒管加氯消毒。
③再生水泵房
加壓送水至再生水管網，尺寸22.7m×7.4m×7.7m（地下2.0m，地上5.7m）；主要設備：單級雙吸臥式離心泵6臺，4用2備，2臺變頻，Q=209m3/h，H=450kPa，N=45kW。
2.3 工藝流程
改造后的整體工藝流程見圖1。
3、工程投資及運行情況
該工程于2021年10月底完成竣工驗收，總投資6483.12萬元，工程直接費5176.12萬元。2022年通水以來，實際供水量為1530m³/d，累計供水量為47400m³/月。超濾膜組運行3組，2用1備，循環使用；RO膜組運行2組；根據各池液位、ORP、pH等指標數據自動運行。改造后的實際出水水質、再生水水質分別見表3、4。
由表3、4可知，該項目竣工后，生產運行良好，二期工程出水水質穩定達到地表水準Ⅳ類標準，反滲透最終出水TDS≤57mg/L、電導率≤77µS/cm、總硬度未檢出、氯離子≤20mg/L、濁度≤1NTU，余氯≥0.05mg/L，各項指標均達到且遠優于企業回用水要求。提標改造工程運行單位費用（增量費用）為0.6元/m3，再生水費用為2.0元/m3。現狀縣城內非居民用水水價為5.3元/m3，再生水費用遠低于自來水費，可大大降低企業用水成本。
4、結論
山東省某縣城污水廠采用Bardenpho（A2O+AO）+臭氧催化氧化工藝對原一級A標準出水進行準Ⅳ類提標改造，并以此為原水采用雙膜法（UF+RO）進行再生水處理回用。二級生化Bardenpho（A2O+AO）工藝的應用強化了對有機物及總氮的去除，臭氧催化氧化池的改造減少了臭氧用量，保障了出水水質的穩定達標。該工程竣工至今，系統運行安全穩定，鹽分去除效果明顯，回用至企業后提高了水的重復利用率。（來源：山東省城建設計院，山東省建設建工集團消防工程有限公司，山東省工程咨詢院）
