PACT工藝實現工業廢水污水處理廠的節能環保提標改造
福建長樂潭頭污水處理廠存在二沉池沉降性能差、現有氧化溝工藝生物處理效果不佳等問題，從節能環保的角度出發，提出將原有的“水解酸化+改良型Carrousel 氧化溝+濾布濾池”工藝改造為可投加粉末活性炭的PACT工藝，并增加“高效沉淀池+V型濾池+濾布濾池”深度處理工藝。正式投入運行之后，出水各項指標均穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準。 水凈化www.aa-cctv.com
生物活性炭法（powdered activated carbon treatment，PACT）是指曝氣池前（或曝氣池內）投加粉末活性炭與回流的污泥混合，一起完成對曝氣池廢水中有機污染物處理的過程，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下，對有機物進行去除。楊春維等對比了PACT和序列間歇式活性污泥法（SBR）處理糠醛廢水的工藝參數和去除效果，結果表明，PACT工藝具有運行穩定、負荷適應性強、污泥沉降性能好等優點。同時，研究發現PACT工藝在對實際廢水和模擬廢水的降解試驗中，與活性炭吸附法、活性污泥工藝相比具有較大的優勢。處理實際廢水時，PACT工藝對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；處理模擬廢水時，PACT工藝對染料的去除率比活性污泥法平均高50%，比活性炭吸附工藝平均高5%。 工業凈化www.aa-cctv.com
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1 項目背景及提標改造前運行情況
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福建省某污水處理廠工程規劃總規模為17.0×104 m3/d，一期、二期已建規模為6.0×104 m3/d。主體工藝為“水解酸化+改良型Carrousel 氧化溝+濾布濾池”，尾水采用成品次氯酸鈉消毒工藝，污泥采用板框壓濾脫水機進行深度脫水至60%含水率后外運填埋處置。一期工程于2014年12月開工建設，2015年7月完成土建并進入通水調試階段，2016年4月進入試運行階段，2016年6月進入商業運營。二期工程于2015年9月開工建設，2015年12月完成土建并進入通水調試階段，2017年3月進入試運行階段，2017年10月進入商業運營，工程設計規模為6.0萬m3/d，一次建成，要求提標改造后出水各項指標滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。
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表1為該污水處理廠設計與實際進出水水質。如表1所示，污水處理廠實際平均出水水質濃度符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中規定的一級B排放標準，并且實際平均進水水質滿足設計要求。 www.aa-cctv.com
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2 目前污水處理廠運行中存在的問題
該污水處理廠自投產以來，運行正常，各項出水水質指標基本達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B排放標準。但是，運行存在以下問題。
（1）目前接入管網的污水基本為印染企業污水站處理后間接排放的污水，生活污水量占比極少，雖然來水水質均在設計指標限值內，但由于進水絕大部分為印染廠排水，工業廢水與生活污水的比例與原設計值相差甚遠，實際進水的B/C為0.2左右。且印染企業采用原料助劑為活性染料，屬于印染廢水中難處理的物質，導致污水廠進水顏色多變、成分復雜，含有大量的表面活性劑，可生化性極差。如何提高進水B值、降低色度以及減少出水中不可生化的CODCr，是本次提標的難點及重點所在。
（2）由于進水中含有大量的工業廢水，污泥絮凝性、沉降性能差，目前靠在生物池投加絮凝劑作為核體強化污泥凝聚效果，改善在二沉池的沉淀性能，但二沉池沉降分離效果仍不理想，導致后續濾布濾池工段的運行受到很大的影響（出水量小、堵塞、難以清洗等），現有濾布濾池已難以維持正常運行。
（3）分別在一期、二期工程處設置尾水蓄水池，污水處理廠尾水為漲落潮間歇式外排。根據現有的廠區布置情況，提標改造對象為一期、二期尾水，需要尾水統一引至深度處理系統，再引回至尾水蓄水池。
3 設計方案
3.1 設計進出水水質
污水處理廠提標改造工程出水水質標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，在三門閘下游感潮河段設置尾水排放口，間歇式排放，待海水退潮時污水處理廠尾水乘潮排放（低潮位下），最終受納水體為海洋。表2為提標后污水處理廠的設計進、出水水質及其去除率。
3.2 設計方案
提標改造前污水處理廠原工藝流程為“粗格柵及進水泵房→細格柵及曝氣沉砂池→水解酸化池→改良型Carrousel-2000氧化溝→二沉池→濾布濾池→接觸消毒池→蓄水池→尾水泵房排海”，污泥處理采用“污泥濃縮+調理改性+板框壓濾”工藝。
對比《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A和一級B標準，可知一級A標準在CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS方面均有更嚴格的要求。根據工藝原理，氨氮、TN的強化去除只能采用生化方法，CODCr、BOD5的強化去除有生化方法和以物化為主的深度處理方法，SS的強化去除只能依靠深度處理，而TP的強化去除可采用生化方法和化學方法。
綜合考慮本工程的實際進水水質的特點，以及現有工藝的運行情況，本次提標改造工程在現有的“預處理+二級生化處理”基礎上增加“三級深度處理”工藝，最終形成“預處理+強化二級生化處理+三級深度處理”的工藝流程，確保出水水質中的主要污染物指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。
3.3 PACT工藝分析與方案鑒定
由于本項目印染廢水中的多環和雜環類化合物，普通的活性污泥生物法處理后，出水指標難以達標且污泥沉降性能較差，PACT對于此類污染物卻有較好的處理效果。
在生化進水中投加粉末活性炭與回流的污泥混合，一起完成對曝氣池廢水中有機污染物處理，在粉末活性炭的吸附作用以及生物再生作用下對有機物進行去除。這主要體現在兩個方面，一是粉末活性炭巨大的比表面積賦予其非常強的吸附性能；二是在活性污泥與粉末活性炭界面之間的溶解氧和降解基質濃度有了很大幅度的提高，從而也提高了CODCr的降解去除率。且PACT法對工業廢水中的一些大分子有機物也有良好的處理效果。目前本工程進水可生化性差，B/C低，即使氧化溝停留時間達17 h，但生物處理效果仍然不佳。因此，考慮將現有的氧化溝工藝改造為可投加粉末活性炭的PACT工藝，在氧化溝中投加粉末活性炭強化該工段的處理效果。現場試驗證明，通過投加粉末活性炭，可提高氧化溝對CODCr的去除率。
確定本項目的工藝方案為“粗格柵及進水泵房（現有）→細格柵及曝氣沉砂池（現有）→水解酸化池（現有）→PACT（改造）→二沉池（現有）→二級提升泵房（新建）→高效沉淀池（新建）→V型濾池（新建）→濾布濾池及接觸消毒池（現有）→巴氏計量渠道（新建）→三級提升泵房（現有）→蓄水池（現有）→尾水提升泵房（現有）→排海”。
考慮到污水處理廠提標改造工程用地緊張，本工程在構筑物選擇方面盡可能選取占地面積小、操作維護簡便、處理效果能滿足使用要求的工藝，同時考慮機械混合、機械絮凝方式的選擇，本工程混合絮凝沉淀工藝選擇“高效沉淀池”。V型濾池是一種源于法國的新型濾池，其采用均質濾料，濾層厚，濾料可進行深層截污。具有濾速較高、濾料沖洗徹底、耗水量少、投資適中、濾后水質好且穩定的優點。本工程雖已有濾布濾池工段，但實際該污水處理廠85%的進水為印染廠尾水，與原設計文件確定的50%生活污水+50%的工業廢水比例偏差巨大，導致目前污水處理廠處于非正常運營狀態，只能依靠投入大量藥劑保證出水水質達標，同時也使現有濾布濾池難以正常運行（出水量小、堵塞、難以清洗、出水SS達不到設計要求等）。故本次提標兼顧經濟性和出水穩定達標要求，推薦采用較高流速的V型濾池作為深度處理的一級過濾工序，過濾后的出水再經過現有的濾布濾池進行二級過濾。采用兩級過濾方案，即利用了現有的濾布濾池系統，沒有造成現有設施的浪費，也使出水能穩定達標。綜上，最終決定采用“高效沉淀池+V型濾池+濾布濾池”的工藝為本次提標改造的深度處理工藝。本工程設計采用固態PAC為化學除磷藥劑,經現場制備為液劑后投加在深度處理的高效沉淀池。
印染廢水經生化處理后，難降解有機物的存在使出水的CODCr、色度等指標難以穩定達標。本次提標工程通過在現有氧化溝投加活性炭，在高效沉淀池投加印染廢水去除劑，在接觸消毒池投加次氯酸鈉，利用活性炭及印染廢水去除劑的吸附效果、次氯酸鈉的氧化脫色性能，進一步強化處理效果，以確保出水色度達標。本次提標工程沿用原有的次氯酸鈉消毒工藝。
該污水處理廠對污泥處置要求為含水率不大于60.0%，目前污水處理廠現有污泥采用“污泥濃縮+調理改性+板框壓濾”的工藝。本次提標改造產生的污泥仍通過現有污泥處置系統，處理達標后同現有污泥一起外運至垃圾填埋場進行填埋處置。污泥脫水機房現有3臺板框壓濾機，每日工作約12 h，處理約9.1 t絕干泥。提標后利用現有的脫水機房系統，通過增加板框運行批次的方式消化提標后新增的污泥量，板框每天的工作時間由12 h增加至20 h。
本次提標工段沒有產生臭氣，故除臭系統維持現狀，沿用原有的生物濾池工藝對產生臭氣的工段進行臭氣收集處理，在新增處理工段不考慮除臭設施。
4 要構筑物工藝設計
由于該污水處理廠排水的特殊性——每日尾水儲存于蓄水池，乘潮排放。本次提標工程需先將一期、二期二沉池的出水引至深度處理區新建的高效沉淀池，經處理后的尾水仍需要先儲存與蓄水池中，再在海水落潮時乘潮排放[10]。將高效沉淀池與V型濾池及反沖洗泵池布置在預留用地中（廠區西北側），新建巴氏計量渠道布置在一期蓄水池北側空地處（廠區東北側），新建的1#、2#二級提升泵房分別布置在一期、二期二沉池出水旁。輔助建筑中，3#變配電間及柴油發電機房、深度處理加藥間、反沖洗鼓風機房、活性炭投加車間布置在預留用地中（廠區西南側），碳源投加系統布置在現有氧化溝旁。新增建（構）筑物為1#二級提升泵房、2#二級提升泵房、高效沉淀池、V型濾池及反沖洗泵房、巴氏計量渠道、深度處理加藥間及反沖洗鼓風機房、碳源投加系統、3#變配電間及柴油發電機房。
4.1 中間提升泵站
廠區新建中間提升泵房兩座，將一期、二期的二沉池出水分別通過泵提升至新建高效沉淀池。中間提升泵站平面尺寸為L×B=6.0 m×10.0 m，為可提升式潛污泵，Q=850 m3/h，H=8 m，N=30 kW，2用1備，變頻調節。
4.2 高效沉淀池
高效沉淀池的表面負荷為6 m3/(m2·h) [11]。機械混合池分4格，單格尺寸為L×B=2.9 m×2.9 m，有效水深為5.8 m，混合時間為3.44 min。絮凝反應池分4格，單格尺寸為L×B=5.3 m×5.3 m，有效水深為5.8 m，絮凝時間為11.5 min。沉淀池分4格，單格尺寸為L×B=12.5 m×12.5 m，有效水深為6.2 m，單格設計流量為850 m3/h。
4.3 V型濾池
每座濾池分為6格，單格尺寸為L×B=5.3 m×5.3 m，池深為4.25 m，單格過濾面積為60 m2，平均濾速為6.94 m/h。反沖洗泵房與高效沉淀池和V型濾池合建，為濾池提供反沖洗水源，為半地下式鋼筋混凝土結構，1座，有效儲存面積為200 m3，平面尺寸為L×B=14.4 m×5.6 m，有效水深為3.2 m，反沖洗強度為6 L/(s·m2)，氣反沖洗強度為15 L/(s·m2)。
巴氏計量渠道按6.0×104 m3/d規模建設，計量6萬t規模污水廠的出水水量。
將現有氧化溝改造成PACT工藝，需新建深度處理加藥間和反沖洗鼓風機房1座。平面尺寸為L×B=20.0 m×12.0 m。
4.4 碳源投加系統
由于進水B/C較低，考慮投加碳源措施，投加質量濃度為35 mg/L的乙酸鈉。故在現有氧化溝附近，建設碳源投加系統。一期兩座氧化溝，分別配1套碳源投加系統；二期一座氧化溝，配套1套碳源投加系統。
4.5 現有一期和二期系統改造
將現有二期三級提升泵房及尾水泵房的軸流泵全部遷移至一期三級提升泵房及尾水泵房，使一期三級提升泵房及尾水泵房的提升能力達到6×104 m3/d。分別在一期、二期增加1套1.5萬t/d的濾布濾池設備。同時改造進、出水管道，進水管道分別接自V型濾池出水，出水管道分別接至新建巴氏計量渠道。
本次提標工程由于投加粉末活性炭及印染廢水去除劑，新增絕干泥量約5.2 t/d（根據水質情況，活性炭作為應急處置，一周投加1 d，投加量為100 mg/L，增加活性炭泥為1 t DS）。原設計泥量為9.1 t DS/d，污泥脫水機房現有3臺200 m2的板框壓濾機，單臺處理能力約1 t DS/批次，4 h/批次，按每天工作12 h設計，每天運行3個批次。提標后考慮延長脫水機房運行時間，增加板框壓濾機每天的運行批次，消化提標后新增的污泥量，預計需增加2個批次，板框每天工作時間由12 h增加至20 h。增加散裝粉末活性炭投加系統，采用射流投加法，投加點分別為一期、二期氧化溝的進水管道上。
4.6 預留臭氧系統設計
因本廠進水中印染廢水比例較高，設計上在生化前段預留臭氧催化氧化系統的接口和用地，為將來留有一定的防范措施。如果本工程投產后，進水中印染廢水比例超過60%，為確保出水穩定達標，將需要啟動臭氧系統建設工作。
5 工程運行效果及成本分析
本項目于2018年6月開始建設，2019年8月正式投入運營。從2019年9月—2020年12月對污水處理廠進行了連續16個月的水質檢測。如圖3、圖4所示，出水的CODCr不僅有較好的去除效果，且CODCr含量在30~45 mg/L的月數量占據了總月數量的75%。說明出水水質穩定地達到了提標改造的預期目標，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準要求。
污水廠提標改造前的單位運行成本和改造后的新增單位運行成本如表3所示，提標改造前運行成本為1.49元/m3，提標后新增成本為1.21元/m3。
6 結論
本文主要基于福建省某污水處理廠提標改造，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準要求，本次提標改造可為全國范圍內污水處理廠的提標改造提供一定的借鑒作用。
（1）實際情況中污水處理廠存在進水可生化性差，B/C低等情況，導致現有氧化溝工藝生物處理效果不佳。將現有氧化溝工藝改造為可投加粉末活性炭的PACT工藝，通過投加活性粉末碳增強該工段的處理效果，并在此基礎上增加“高效沉淀池+V型濾池+濾布濾池”的深度處理工藝，確保出水水質達標。
（2）通過對總體布置方案做出調整后，在有限的占地范圍內新建和改造了一批構筑物，既保障了項目的順利實施又實現了對現有資源的合理利用。
（3）提標后經過為期一年的運行證明，該工藝運行穩定，污水處理廠出水各項指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準要求。
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