曝氣生物濾池處理工業(yè)綜合廢水提標改造技術研究

林 齊，宋永會，李 冬，張 杰

（1.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012；2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；3.北京工業(yè)大學建筑工程學院北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京 100124）

1 前言

遼河流域的渾河中部城市群是遼寧乃至東北老工業(yè)區(qū)振興的核心區(qū)域，隨著工業(yè)化進程的高速發(fā)展，流域內(nèi)工業(yè)園區(qū)正在蓬勃興起，隨之產(chǎn)生了大量工業(yè)綜合廢水。該類廢水經(jīng)園區(qū)內(nèi)處理后，仍含有大量極難降解的有機污染物，水質(zhì)可生化性極差，給所匯入的城鎮(zhèn)污水處理廠帶來較大的處理難度并造成干擾，直接導致出水不達標的問題[1～3]。與此同時，流域水環(huán)境質(zhì)量改善的需求對污水處理廠出水提出了更加嚴格的要求，根據(jù)遼寧省環(huán)保局與遼寧省質(zhì)量技術監(jiān)督局聯(lián)合頒布的《遼寧省污水綜合排放標準》的要求，市級以上污水處理廠出水COD（chemical oxygen demand）、NH3-N（氨氮）和TN（總氮）的濃度要達到國家一級A排放標準，故污水廠目前亟需結(jié)合現(xiàn)有處理工藝進行升級改造研究，實現(xiàn)工業(yè)綜合廢水的達標排放[4～8]。

曝氣生物濾池工藝由于其占地面積小、處理效果好等特點，在遼河流域內(nèi)的污水處理廠尚占有一定的比例，出水基本達到二級排放標準，但隨著難降解工業(yè)綜合廢水的匯入，導致濾池板結(jié)堵塞、生物膜脫落等現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對工業(yè)綜合廢水存在的問題和曝氣生物濾池的特點，進行了水解酸化和氣浮除油的預處理研究，以及化學除磷和前置反硝化深度脫氮研究，使其出水達到一級A排放標準，為該類污水廠的升級改造提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[9～13]。

2 試驗裝置與試驗方法

2.1 試驗水質(zhì)

表1 污水處理廠進出水水質(zhì)指標Table 1 Inflow and outflow characteristics of wastewater treatment plant mg/L

2.2 試驗裝置

針對工業(yè)綜合廢水的特性以及污水處理廠現(xiàn)有工藝特點，設計了深度處理的全流程工藝，中試裝置主要包括混凝池、氣浮池、水解沉淀池和前置反硝化曝氣生物濾池4個處理單元。

如圖1所示，其中絮凝池柱高1.6 m，直徑0.6 m，原水和混凝劑溶液均從距底部1.2 m處注入，內(nèi)設JJ-1大功率電動攪拌器，使原水和混凝劑充分混合，以去除原水中的SS和TP；溶藥池采用相同設計參數(shù)，同樣使用攪拌器使固體混凝劑充分溶解為液狀，并由蠕動泵注入絮凝池；氣浮池接觸室高2.2 m，直徑0.12 m，分離室高2.4 m，直徑0.32 m，加入混凝劑的原水使用DP-130高壓隔膜泵、與空氣充分混合的回流液使用尼克尼20FPD04Z氣液混合泵從接觸室底部共同注入，經(jīng)分離室將其中的泡沫殘渣去除，并從頂部平臺排出；水解沉淀池柱高4.5 m，直徑0.5 m，盛裝厭氧污泥，污水從底部注入，經(jīng)污泥層去除部分SS和COD；前置反硝化曝氣生物濾池使用柱高4.3 m，直徑0.5 m的有機玻璃濾柱填裝火山巖濾料，濾柱中的火山巖濾料粒徑分別為6～8 mm、4～6 mm和3～5 mm，其中承托層高0.3 m，濾料高4.0 m，水面超高1.0 m，設計三級生物濾柱分別為反硝化DN池、氧化硝化CN池和硝化N池，即分別進行反硝化、氧化和硝化反應，對污水中的TN、COD和NH3-N進行生化去除，CN池和N池使用空壓機進行曝氣，三級濾柱均采用向上流方式，使用高壓隔膜泵從底部注水。中試裝置日處理水量2 t。

圖1 中試裝置示意圖Fig.1 Schematic of pilot experiment

2.3 水質(zhì)分析方法

TN的測試采用過硫酸鉀氧化法，NH3-N的測試采用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮的測試采用麝香草酚分光光度法，亞硝酸鹽氮的測試采用N-（1-奈基）-乙二胺分光光度法，COD的測試采用重鉻酸鉀法，DO（溶解氧）的測試使用溶解氧快速測定儀[14]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 運行參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 水解酸化預處理

水解酸化單元的作用是在進一步去除水中COD和SS濃度的同時，提高水質(zhì)的可生化性[15～17]，其主要控制參數(shù)為HRT（水力停留時間）。現(xiàn)通過對進出水COD、SS濃度以及BOD/COD的檢測與分析優(yōu)化HRT。

如圖2所示，當HRT在2.0 h以下時，COD的去除率不足30.0%，由于時間較短，這部分去除的主要是水中懸浮狀COD。而隨著HRT的逐漸提高，水中難降解有機污染物在水解和發(fā)酵細菌的作用下，轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、脂肪酸等小分子、易降解的有機物[18～20]，COD的去除率也不斷升高，達到50%以上。隨著出水COD濃度的不斷下降，出水BOD的濃度也隨之下降，但由于工業(yè)廢水中的難降解有機物濃度所在比例較高，出水COD濃度下降的速率要高于出水BOD濃度下降的速率，出水BOD/COD的比值也隨之升高。如圖3所示，進水BOD/COD的值基本在0.3～0.4，當HRT大于2.0 h時，出水BOD/COD的值升至0.4以上。而當HRT大于4.0 h時，水中的難降解有機物已完成水解，出水COD的去除率變化不大，BOD/COD的值也開始回落。所以，當HRT介于2.0～4.0 h時，出水BOD/COD的值保持在0.4以上，屬于較易進行生化處理的范圍，有助于后續(xù)生物濾池的進一步處理?？紤]到在流量不變的條件下，構筑物的體積會隨著HRT的升高而增大，故確定水解酸化的HRT為2.0 h。

圖2 不同HRT進出水COD濃度及去除率Fig.2 Inflow and outflow concentration of COD and removal rate with different HRT

圖3 不同HRT進出水BOD/COD的變化趨勢Fig.3 Inflow and outflow BOD/COD with different HRT

此外，水解池對原水中的SS也有較強的去除能力。由于工業(yè)綜合廢水中含有較多的粘渣和懸浮物，雖然通過混凝氣浮工藝可以去除50.0%，但出水的SS濃度仍在60.0 mg/L，如果這些SS直接進入濾池，將會增加濾池的反沖洗次數(shù)。經(jīng)過水解池厭氧污泥層對水中顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)的截留和吸附作用，出水的SS得到進一步的去除，其濃度基本保持在40.0 mg/L以下，去除率在44.0%以上。由于水解池對SS的去除主要是通過截留和吸附作用，故過長的HRT對SS的去除并無明顯的效果，所以對于占地面積有限的污水處理廠，水解池在升級改造過程中完全可以取代初沉池，起到初級去除原水中的SS和COD的作用。

MRI檢查：以直腸壁各層受侵犯情況評價腫瘤侵犯度，在此期間應用tnm分類法進行評價：T1標準：腫瘤侵犯黏膜下組織，T2標準：腫瘤侵犯固有肌層，T3標準：腫瘤穿透漿膜下層和固有肌層；T4標準：腫瘤侵犯鄰近器官或累及腹膜。

3.1.2 強化化學除磷

試驗選用Al2（SO4）3、聚合氯化鋁（PAC）、FeCl3和聚合硫酸鐵（PFS）四種常用的混凝劑，通過對原水以及出水中TP濃度的考察，確定使用PFS為強化化學除磷試驗的混凝劑，并對其投藥量和攪拌時間兩個參數(shù)進行優(yōu)化[21～24]。

如圖4所示，隨著混凝劑PFS投加量的增加，水中TP的濃度不斷減少。當投藥量達到30.0 mg/L時，水中TP的濃度已低于0.5 mg/L，去除率達到75.0%以上。根據(jù)鐵鹽除磷的化學方程式可知，每去除1 mg的P，需要1.8 mg的Fe。原水中TP的濃度在1 mg/L至4 mg/L，若使出水TP濃度小于0.5 mg/L，最多需要12.0 mg/L的硫酸鐵，以至少40.0%有效成分計算，需要30.0 mg/L?？紤]水解等因素，最終選定投藥量為40.0 mg/L，此時的出水TP濃度為0.3 mg/L?？梢员ＷC出水水質(zhì)符合一級A排放標準的要求。

圖4 不同投藥量進出水TP濃度及去除率Fig.4 Concentration and removel rate of TP with different dosage inflow and outflow water

確定PFS的投藥量后，對攪拌時間進行了優(yōu)化。在投藥量40.0 mg/L條件下，改變攪拌時間，測定出水TP濃度。攪拌時間及進出水TP濃度和去除率如圖5所示，隨著攪拌時間的增長，水中TP的濃度不斷減少。時間從5.0 min增加到15.0 min，水中TP的去除率提高了5.1%，而從15.0 min增加到30.0 min，去除率僅提高了2.0%，故過長的攪拌時間對TP的去除并無顯著的效果，反而會增加額外的能源消耗和構筑物的建筑體積。由于出水TP濃度均小于國家一級A標準要求的0.5 mg/L，故從運行成本上考慮，確定最佳攪拌時間為15 min。

圖5 不同攪拌時間進出水TP濃度及去除率Fig.5 Concentration and removel rate of TP with different stirring time inflow and outflow water

3.1.3 高效氣浮除油

原水與混凝劑PFS混合后進入氣浮池，目的是將水中造成濾池堵塞的油污以及混凝產(chǎn)生的泡沫殘渣去除。氣浮池采用加壓溶氣氣浮方式，主要有溶氣壓力和回流比兩個控制參數(shù)，通過對進出水含油量的檢測分析，優(yōu)化氣浮單元的運行參數(shù)[25，26]。

溶氣壓力對油類去除的影響如圖6所示，出水含油量隨溶氣壓力的變化趨勢可分為三個階段。當壓力小于2 kg/cm2時，氣浮形成的氣泡粒徑還較大，對水中絮狀顆粒的去除能力有限。在壓力增加到3.5 kg/cm2的過程中，隨著氣泡粒徑的減小，氣浮的去除能力也有了顯著的提高。但此后即便形成氣泡的粒徑不斷減小，出水含油量卻不再降低，這說明并非氣泡粒徑越小氣浮效果越好，而是當氣泡粒徑和水中雜質(zhì)粒徑越接近時效果越好。一般的，氣浮工藝的微氣泡平均粒徑在40.0 μm左右，從試驗中可以看出，當溶氣壓力為3.5 kg/cm2時就可以取得較好的去除效果，此時出水含油量為2.73 mg/L，去除率為84.6%，而過高的溶氣壓力只會增加動力的輸出和電能的消耗。

圖6 不同溶氣壓力進出水含油量濃度及去除率Fig.6 Concentration and removel rate of oil with different pressure inflow and outflow water

回流比對含油量的去除影響如圖7所示，氣浮的去除效果受回流比的影響較大。當回流比低于30%時，由于形成的氣泡較少，對水中油類的去除能力較差。當回流比增大到30.0%～50.0%時，氣浮的去除效果達到最佳。而當回流比增大到50.0%以上時，去除率卻出現(xiàn)下降，經(jīng)分析認為這是由于水中空氣比例過高，微氣泡聚合成粒徑較大的氣泡，導致氣浮效果變差。故確定氣浮除油的回流比為50.0%，此時出水含油量為3.12 mg/L，去除率為82.9%。

圖7 不同回流比進出水含油量濃度及去除率Fig.7 Concentration and removel rate of oil with different reflux ratio inflow and outflow water

3.1.4 A/O深度脫氮

脫氮單元采用前置反硝化曝氣生物濾池。其控制參數(shù)主要有回流比、HRT和曝氣量，通過對出水COD、TN、NH3-N和DO的檢測，對各個參數(shù)進行優(yōu)化。

回流比是前置反硝化脫氮工藝中最為重要的控制參數(shù)，它直接影響水中TN的去除效果。根據(jù)中試設計中的BOD負荷和硝化負荷計算以及COD負荷校核，在單池HRT為45.0 min，氣水比為5∶1的條件下，出水可穩(wěn)定實現(xiàn)一級A達標排放，首先在50%～250%的范圍內(nèi)對參數(shù)回流比進行考察。如圖8所示，當回流比從50%增加到150%時，出水TN的濃度在不斷下降，TN的去除率也不斷提高。這是由于在回流比較低時，水中作為電子受體的硝酸鹽不足，影響了反硝化的速率，而隨著回流比的升高，有足夠的硝酸鹽作為電子受體，并利用水中的有機物作為電子供體，在無需外加碳源的條件下，完成反硝化和深度脫氮的目的。但回流比從150%繼續(xù)升高時，出水TN的濃度卻不再繼續(xù)降低，增加到200%時TN的去除率已呈下降趨勢。一方面，隨著硝酸鹽濃度的不斷升高，造成水中的碳源不足進而影響反硝化的進行；另一方面，隨著回流比的增加，進入DN池的溶解氧也在增加，而溶解氧可作為電子受體，競爭性的阻礙硝酸鹽的還原，同時還將抑制硝酸鹽還原酶的形成。由于回流比和HRT越高所需反應池構筑物容積越大，從水廠實際升級改造工程考慮，對100%、125%、150%和175%四個回流比以及各個回流比下出水TN隨HRT的變化進行進一步研究。

圖8 不同回流比進出水TN濃度及去除率Fig.8 Inflow and outflow concentration of TN and removal rate with different reflux ratio

如圖9所示，在相同回流比條件下，隨著HRT的增加，出水TN的濃度也隨之降低，微生物對基質(zhì)的去除率也越高。但一般的，當HRT增加到20.0 min以上時，出水TN濃度的下降趨勢以及去除率的增加都變得平緩，而且所需的構筑物體積也在不斷增加。為了確保出水TN濃度達到一級A排放標準要求15.0 mg/L以下時，選擇回流比為125%，HRT為20.0min的參數(shù)條件，此時出水TN濃度為12.74mg/L，去除率為67.0%。

圖9 不同回流比和HRT進出水TN濃度及去除率Fig.9 Inflow and outflow concentration of TN and removal rate with different reflux ratio and HRT

溶解氧是維持好氧微生物生長代謝的重要因素，對于曝氣生物濾池來說，水中溶解氧的供給，即空壓機的曝氣量也是主要的能源消耗所在，過低的曝氣量將降低微生物的新陳代謝能力；而過高的曝氣量一方面會造成經(jīng)濟的浪費，一方面又會導致微生物的活性過度增強，在營養(yǎng)供給不足的情況下，導致生物膜發(fā)生自身的氧化分解。試驗通過對CN池進水COD濃度以及去除率的監(jiān)測，對曝氣量進行參數(shù)優(yōu)化。如圖10所示，隨著曝氣量的增加，出水COD的濃度隨之不斷下降，去除率也在不斷提高。但在曝氣量增加到0.8 m3/h時，兩項指標的變化都不大，這說明過多的曝氣量和溶解氧對于COD的去除已無太大作用，只會增加動力費用。故確定CN池的曝氣量為0.8 m3/h，此時出水DO濃度在2.5 mg/L左右，氣水比為4∶1。CN池的出水已有較高的DO濃度，如圖11所示，在進入N池后，在較低曝氣量的條件下，對水中的NH3-N便有較高的去除率。同出水COD濃度的變化率相似，出水NH3-N濃度也隨著曝氣量提高而不斷降低，為了達到一級A排放標準，確定N池的曝氣量為0.6 m3/h，此時出水DO濃度在3.0 mg/L左右，氣水比為3∶1。

圖10 不同曝氣量進出水COD濃度及去除率Fig.10 Inflow and outflow concentration of COD and removal rate with different aeration rate

圖11 不同曝氣量進出水NH3-N濃度及去除率Fig.11 Inflow and outflow concentration of NH3-N and removal rate with different aeration rate

3.2 技術經(jīng)濟分析

該污水處理廠目前擁有日處理水量4×105t的兩級曝氣生物濾池一套，單池HRT為45.0 min，兩級濾池氣水比分別為3∶1和4∶1。根據(jù)中試研究結(jié)果，如采用前置反硝化曝氣生物濾池工藝，需要增加125%的回流液，但由于HRT減少至20.0 min，根據(jù)計算同樣可以利用現(xiàn)有兩級濾池分別作為CN池和N池，并有少量的富余，只需增加一套前置DN池，以及回流管道，同時還需對水泵和曝氣風機設備進行更換，如圖12所示。如采用后置反硝化曝氣生物濾池工藝，可將現(xiàn)有兩級濾池分別作為CN池和N池，另外還需修建一套DN池，以及甲醇投加和儲備間，同時要對曝氣風機設備進行更換，如圖13所示，虛線部分為新建構筑物。

根據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部頒布的《全國市政工程投資估算指標》以及遼寧省建筑、安裝、市政工程預算定額、費用定額和近年來的同類工程預、決算資料分別對兩種工藝流程升級改造的建設成本和運行費用進行估算，如表2所示。

圖12 前置反硝化曝氣生物濾池工藝流程圖Fig.12 Process of pre-denitrification BAF

圖13 后置反硝化曝氣生物濾池工藝流程圖Fig.13 Process of post-denitrification BAF

表2 升級改造建設與運行費用對比Table 2 Economic calculation of upgradingreconstruction program

經(jīng)過經(jīng)濟費用估算，前置反硝化工藝較后置反硝化工藝，在投資總費用方面，由于構筑物建設和設備購置原因要高出1330.12萬元；而在年運行費用方面，由于無需外加碳源則要低1915.01萬元。即在升級改造完成后第2年，兩工藝的建設和運行總費用將會基本持平，此后前置反硝化工藝較之后置反硝化工藝每年將節(jié)省大量的運行成本，故從長遠考慮，推薦采用前置反硝化作為水廠的深度脫氮工藝。

通過工業(yè)綜合廢水深度處理全流程工藝的中試研究，結(jié)合該污水處理廠現(xiàn)有工藝情況，制定了升級改造的工藝路線，如圖14所示。

4 結(jié)語

圖14 污水處理廠升級改造工藝流程Fig.14 Process of wastewater treatment plant upgrading process

1）由于工業(yè)綜合廢水具有高油高粘渣、可生化性差又極難降解的問題，在對其進行處理時需要增加必要的預處理工藝。通過中試研究表明，高效氣浮除油工藝可以有效去除廢水中的油污、粘渣等雜質(zhì)；水解酸化工藝一方面能夠有效提高水質(zhì)的可生化性，同時還能有效去除水中的SS，具有良好的預處理效果。在氣浮溶氣壓力3.5 kg/cm2、回流比50%、水解酸化HRT2.0 h條件下，能夠去除原水中40%的有機污染物，并將原水的BOD/COD提高至0.4以上。

2）通過對比試驗研究和技術經(jīng)濟分析，前置反硝化深度脫氮工藝對于以曝氣生物濾池為主體的污水廠升級改造具有更廣泛的應用前景，在節(jié)省大量運行成本的前提下，充分利用原水中的碳源，實現(xiàn)污水的深度脫氮。在回流比為125%，HRT為20.0 min的條件下，出水TN和NH3-N濃度均穩(wěn)定達到一級A排放標準。

3）通過中試研究，研發(fā)了針對工業(yè)綜合廢水的“化學除磷+氣浮除油+水解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池”的深度處理全流程工藝。長期運行數(shù)據(jù)表明，該工藝對于難降解、波動幅度大的工業(yè)廢水，具有較好的抗沖擊能力和處理效果，出水能夠穩(wěn)定達到國家一級A排放標準。

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