生物膜法結(jié)合BAF組合工藝在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用

周會(huì)勇，孫振興，王毅強(qiáng)，王毅剛，王 斌

(1.湖北宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北宜昌 443000； 2.北京藍(lán)圖工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100070；3.新疆凱旋新世紀(jì)環(huán)?？萍加邢薰荆陆疄豸斈君R 830000)

氨氮為煤化工行業(yè)廢水中最主要的污染物之一，生化法是主要的氨氮處理方法，生化法處理氨氮分為活性污泥法和生物膜法兩大類[1]?；钚晕勰喾ㄊ且环N依靠曝氣池內(nèi)呈懸浮、流動(dòng)狀態(tài)的絮狀體微生物的氧化分解、吸附等作用來(lái)去除污水中污染物的方法；生物膜法則是一種使微生物群體附著于某些載體的表面上呈膜狀，通過(guò)與污水接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的污染物作為營(yíng)養(yǎng)并加以代謝，從而使污水得到凈化的方法[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)生化法處理氨氮主要采用A-SBR法、SBR法及A2/O法等，這些方法均屬于活性污泥法及其變種工藝，其運(yùn)行雖然穩(wěn)定，但存在占地面積大、容積負(fù)荷低、剩余污泥發(fā)生量大及抗沖擊性差等問(wèn)題，而采用生物膜法去除氨氮的例證很少見(jiàn)。

湖北某化工企業(yè)主要生產(chǎn)純堿和氯化銨等產(chǎn)品，所產(chǎn)生的廢水中污染物以氨氮為主，需建1座處理量為400 m3/h的生化處理站，但提供的建設(shè)用地僅有3 500 m2。經(jīng)反復(fù)論證，最終采用HWO生物膜法工藝+曝氣生物濾(BAF)池與高密度沉淀池組合工藝處理該股高氨氮廢水，收到很好的效果[5-10]。下面結(jié)合投運(yùn)后的處理效果，論證該工藝流程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

1 工藝設(shè)計(jì)

以湖北某化工企業(yè)氨氮廢水處理項(xiàng)目為實(shí)例，進(jìn)行具體設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果分析。整套裝置設(shè)計(jì)處理水量400 m3/h，處理后廢水中氨氮質(zhì)量濃度為150 mg/L。該項(xiàng)目總占地不到3 500 m2，設(shè)計(jì)生化停留時(shí)間總共23 h(包括高密度沉淀池)，只有活性污泥法的1/3，其占地面積也同樣減少了2/3，而整體的處理效果和處理成本要優(yōu)于活性污泥法。

1.1 導(dǎo)入HWO生化技術(shù)

HWO生化技術(shù)(高活性微生物和微生物活化技術(shù))是由王培武博士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)和日本海洋大學(xué)鈴木誠(chéng)治教授率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的技術(shù)[11-13]。2002年開(kāi)始在日本市場(chǎng)推廣應(yīng)用獲得良好評(píng)價(jià)后，于2006年開(kāi)始在我國(guó)推廣應(yīng)用至今，應(yīng)用企業(yè)超過(guò)數(shù)十家，涉及行業(yè)有城市污水、食品、釀造、化工、造紙、印染等。在化工行業(yè)PVC聚合母液、煤氣化廢水、乙二醇、1,4-丁二醇等廢水處理上也得到很好的應(yīng)用。

HWO技術(shù)是基于微生物遺傳物質(zhì)橫向傳遞學(xué)說(shuō)及微生物群體生存理論和抗氧化學(xué)說(shuō)，采用高活性微生物(商品名HPB)，在有微生物活化劑(商品名OSSC)存在的條件下，按比例與廢水處理池中的活性污泥混合，不斷地激活、優(yōu)選、馴養(yǎng)、增殖出能成為廢水處理中占主導(dǎo)地位的、高效的功能性微生物菌群。該技術(shù)的核心是HWO高效微生物菌種、微生物活化劑、微生物活化技術(shù)及活化裝置。將培養(yǎng)出的高活性微生物群體，連續(xù)、均勻地添加到污水生化處理池中，成為生化處理系統(tǒng)中能起頭領(lǐng)效應(yīng)的功能性菌群，可以穩(wěn)定地控制生化處理池中微生物的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，此微生態(tài)系統(tǒng)可大幅提高微生物對(duì)污染物的分解能力和適應(yīng)性，抗沖擊負(fù)荷能力提高，并能促使多種微生物菌群互生增殖，從而達(dá)到穩(wěn)定地、大幅度提高生化處理能力的目的。這種高活性微生態(tài)系統(tǒng)中的菌體，通過(guò)自身分泌出的黏性高分子物質(zhì)黏結(jié)成團(tuán)，成為有一定大小的活性污泥絮體，可改善原有活性污泥的性狀，使活性污泥菌膠團(tuán)具有更加優(yōu)良的沉降性、凝聚性，這些具有很高活性的微生物在載體上形成的生物膜也具有比一般生物膜要高的處理能力。HWO生化處理技術(shù)解決了一個(gè)世界性難題——生物膜法處理工藝中經(jīng)常發(fā)生的生物膜肥大化的問(wèn)題，不僅可脫除已經(jīng)肥大化并造成堵塞的生物膜，還可使其不再發(fā)生肥大化，促進(jìn)生物膜法處理系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保證廢水處理設(shè)施的處理能力，以達(dá)到更大幅度地降低COD、總氮含量的目的。

1.2 工藝路線及流程

湖北某企業(yè)進(jìn)、出水的水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 湖北某企業(yè)進(jìn)、出水的水質(zhì)情況

由上表1可以看出：該項(xiàng)目所處理的污染物主要是氨氮，而且廢水中的COD及BOD均偏低。該項(xiàng)目采用后置反硝化工藝設(shè)計(jì)，在三級(jí)膜法硝化脫氮之后接兩級(jí)膜法反硝化工藝段去除總氮，然后進(jìn)入高密度沉淀池進(jìn)行澄清，隨后的BAF池作為二級(jí)生化處理裝置，兼?zhèn)涿撎己兔摰男Ч?。利用三?jí)好氧脫氨氮工藝脫氮徹底的特點(diǎn)、生物膜法能夠固定微生物的特性和HWO高活性微生物的性能優(yōu)勢(shì)，達(dá)到總池容最省、動(dòng)力消耗少以及氨氮去除徹底的效果，既可保證反硝化過(guò)程中加入的碳源在末端處理干凈，也可保證氨氮、總氮去除達(dá)標(biāo)。高氨氮廢水處理裝置流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 高氨氮廢水處理裝置流程示意

將O/A工藝流程中的好氧池和缺氧池設(shè)計(jì)為固定生物膜反應(yīng)器，即形成生物膜脫氮系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由相對(duì)獨(dú)立的2套填料床反應(yīng)器串聯(lián)組成，其中一組保持缺氧狀態(tài)，另一組保持好氧狀態(tài)。反應(yīng)器內(nèi)的填料為立體彈性填料，膜法O/A工藝能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，其主要原因是載體為生長(zhǎng)速度緩慢的硝化和反硝化菌提供適宜生存的場(chǎng)所；特別是在缺氧池中，填充的彈性填料是抗毒物能力強(qiáng)且適應(yīng)不良環(huán)境能力強(qiáng)的反硝化菌的良好棲息地，因此對(duì)反硝化效果非常有益。

BAF池屬淹沒(méi)式生物濾池工藝，在池內(nèi)濾料全部為廢水所浸沒(méi)。淹沒(méi)式生物濾池的容積負(fù)荷最高BOD達(dá)3～6 kg/(m3·d)，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，在去除BOD的效率大致相等的情況下，該法BOD的容積負(fù)荷可提高5倍，而所需處理時(shí)間只有活性污泥法的1/5。由于縮短了處理時(shí)間，同樣大小體積的設(shè)備，其處理能力提高了數(shù)倍。經(jīng)測(cè)定表明，同樣濕重的帶有絲狀菌的生物膜，其好氧速率比活性污泥法高1.8倍。一般活性污泥法的污泥質(zhì)量濃度為2～5 g/L，微生物在池中處于懸浮狀態(tài)，而淹沒(méi)式生物濾池中絕大多數(shù)微生物附著在填料上，單位體積內(nèi)水中和填料上的微生物質(zhì)量濃度高(達(dá)10～20 g/L)，有利于提高容積負(fù)荷。該工藝不需要污泥回流，易于管理，出水水質(zhì)好，動(dòng)力消耗低，再加上HWO微生物的優(yōu)勢(shì)性能，不存在生物膜肥大造成堵塞的問(wèn)題。

工藝流程：廢水首先由管道輸送進(jìn)入調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行均質(zhì)、均量及pH調(diào)節(jié)。由于來(lái)水工序繁多，還含有檢修及事故廢水，水中還有大量油類和懸浮物，所以需要進(jìn)行預(yù)處理，該項(xiàng)目采用溶氣氣浮裝置進(jìn)行預(yù)處理。廢水由調(diào)節(jié)池提升泵直接打入氣浮裝置，在其前端加入聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)充分混凝沉淀后進(jìn)入后端處理裝置，除去大部分油污和部分懸浮物后進(jìn)入生化處理系統(tǒng)，在生化處理系統(tǒng)中加入HWO高活性微生物，并形成穩(wěn)定的生物膜。廢水首先進(jìn)入HWO好氧硝化池，采用三級(jí)連續(xù)硝化工藝，在該工序中將水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后進(jìn)入后置反硝化池，在反硝化池將廢水中的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑫r(shí)去除COD。反硝化池內(nèi)設(shè)置曝氣盤，加入二氧化碳?xì)怏w以補(bǔ)充無(wú)機(jī)碳源，同時(shí)加入甲醇等物質(zhì)以補(bǔ)充有機(jī)碳源，使反硝化充分進(jìn)行，接著進(jìn)入高密度沉淀池；高密度沉淀池同時(shí)作為O/A生化池的沉淀裝置和BAF池的預(yù)處理裝置，在進(jìn)水端加入PAC和PAM后充分沉淀濃縮，澄清后水質(zhì)達(dá)到BAF池的進(jìn)水要求，自流進(jìn)入中間水池，然后由泵打入BAF池進(jìn)行最后的生化處理，將多余的COD和氨氮去除后，產(chǎn)水自流進(jìn)入返洗水池，最后由泵打入纖維過(guò)濾器，過(guò)濾后達(dá)標(biāo)排放。

剩余污泥通過(guò)自流(氣浮、BAF池)或螺桿泵(高密度沉淀池)排入集泥池收集，再輸送至濃縮池濃縮，進(jìn)入疊螺脫水機(jī)進(jìn)行脫水處理后，濾餅外運(yùn)，濾液通過(guò)地下收集池收集后送回調(diào)節(jié)池。

2 運(yùn)行結(jié)果與分析

該項(xiàng)目于2017年3月底竣工，4月中旬開(kāi)始全面開(kāi)車調(diào)試，5月中旬即調(diào)試合格，運(yùn)行至今已近半年，系統(tǒng)一直運(yùn)行穩(wěn)定，偶爾受到來(lái)水沖擊，采取相應(yīng)措施后，在3 d左右就能恢復(fù)正常。

2.1 容積負(fù)荷及日常運(yùn)行分析

自2017年4月開(kāi)車調(diào)試以來(lái)，進(jìn)水調(diào)節(jié)池和出水氨氮去除率、總氮去除率及COD去除率分別如圖2～圖4所示。

圖2 氨氮去除率

由圖2可看出：2017年4月至9月，整體處理水量和進(jìn)水濃度呈逐步上升的趨勢(shì)，其氨氮去除率處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)；特別是9月，由于受到高鹽廢水(Cl-質(zhì)量濃度達(dá)8 000～10 000 mg/L)的沖擊，系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)而氨氮去除率稍微降低，但處理出水的氨氮含量仍然達(dá)標(biāo)。硝化容積負(fù)荷在2017年9月最高氨氮達(dá)0.23 kg/(m3·d)，已十分接近0.25 kg/(m3·d)的設(shè)計(jì)值，由此判定該裝置完全可以達(dá)到氨氮處理的容積負(fù)荷與處理效率的設(shè)計(jì)值。

圖3 總氮去除率

由圖3可看出：總氮去除率與氨氮去除率基本一致，隨著系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定后，總氮去除率逐步上升，到2017年7月后趨于穩(wěn)定，基本都接近于90%，反硝化池出水已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了總氮的去除目標(biāo)，后續(xù)的BAF池對(duì)總氮去除效果微弱。從整體來(lái)看，該裝置對(duì)總氮的處理效率很高，在水量和濃度增加的情況下，總氮均處理合格，其容積負(fù)荷 NO3-N 達(dá)0.41 kg/(m3·d)，與設(shè)計(jì)的0.50 kg/(m3·d)已很接近。該技術(shù)對(duì)出水總氮均能控制在15 mg/L以下，優(yōu)于國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 COD去除率

由圖4可看出：COD去除雖不是該項(xiàng)目的難點(diǎn)，但還是表現(xiàn)出該裝置優(yōu)秀的COD處理能力。在進(jìn)水水質(zhì)、水量變動(dòng)和投加少量甲醇補(bǔ)充有機(jī)碳源的時(shí)候，出水水質(zhì)基本沒(méi)有大的變動(dòng)，且出水COD均穩(wěn)定在42 mg/L以內(nèi)。

2.2 耐沖擊性能分析

2017年9月7- 8日，受到高鹽廢水沖擊，采取應(yīng)急措施前、后進(jìn)出水氨氮對(duì)比如圖5所示。

圖5 采取應(yīng)急措施前、后進(jìn)出水氨氮對(duì)比

由圖5可以看出：在整個(gè)系統(tǒng)受到高鹽廢水沖擊時(shí)，雖然采取了補(bǔ)救措施，但各列進(jìn)水氨氮含量還是有所上升，各列處理出水的氨氮含量雖也有上升但均在允許范圍內(nèi)，沒(méi)有產(chǎn)生系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象；特別是BAF池看不出什么變化，處理出水氨氮質(zhì)量濃度仍然維持在最高12.7 mg/L以內(nèi)達(dá)標(biāo)。系統(tǒng)只用36 h就全面恢復(fù)正常，BAF池處理出水氨氮質(zhì)量濃度恢復(fù)到3.07 mg/L，充分說(shuō)明了本套系統(tǒng)的抗沖擊能力和在異常情況下的迅速恢復(fù)能力。

2.3 高密度沉淀池運(yùn)行作用及效果

高密度沉淀池去除濁度效果對(duì)比如圖6所示。

圖6 高密度沉淀池去除濁度效果對(duì)比

HWO生物膜法工藝在生物膜穩(wěn)定成形后，處理出水水質(zhì)好，系統(tǒng)出水浮泥極少，且沉降性好，高密度沉淀池對(duì)濁度的去除效率很高。由圖6可知：濁度去除效率均在85%以上，出水濁度均在7 mg/L 以下，進(jìn)水濁度越高，濁度去除效率也越高，說(shuō)明該高密度沉淀池去除濁度還有很大的余地，這也充分證明在HWO生物膜法工藝條件下高密度沉淀池可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二沉池和終沉池。

2.4 BAF池運(yùn)行效果

BAF池去除效率如圖7所示。

圖7 BAF池去除效率

由圖7可以看出：BAF池對(duì)氨氮的去除效率在2017年7月達(dá)到最高值81.4%，8月和9月直到受到?jīng)_擊期間也一直維持在55%～74%的高處理效率。系統(tǒng)中的BAF池主要是起到了穩(wěn)定系統(tǒng)出水水質(zhì)的作用，尤其在進(jìn)水氨氮含量高時(shí)，充分保證了出水的指標(biāo)合格，作為生化系統(tǒng)的補(bǔ)充和保險(xiǎn)，能完全保證整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊能力和處理量的彈性空間，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

2.5 污泥的產(chǎn)生量

項(xiàng)目開(kāi)車至今，每月壓濾的干污泥不超過(guò)0.5 t，與活性污泥法工藝處理同樣污水量時(shí)平均每月發(fā)生10 t以上干污泥相比，可以說(shuō)少之又少，極大地減少了污泥處理成本，也減輕了操作負(fù)擔(dān)。而剩余污泥發(fā)生量少是HWO生化技術(shù)的主要技術(shù)特征之一。

2.6 整體組合工藝的運(yùn)行及費(fèi)用

綜上所述，項(xiàng)目整體工藝運(yùn)行狀況良好，抗沖擊能力強(qiáng)，污泥產(chǎn)生量少，且只用了1個(gè)月就調(diào)試合格，完全達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。2017年4月至9月處理水量和實(shí)際運(yùn)行成本情況如圖8所示。

圖8 2017年4月至9月處理水量和實(shí)際運(yùn)行成本情況

由圖8可以看出：初期調(diào)試時(shí)，平均處理水量偏小，投加的碳源等輔料較多，故運(yùn)行成本高；但隨著系統(tǒng)調(diào)試合格接近并達(dá)到設(shè)計(jì)處理水量后，運(yùn)行成本穩(wěn)步下降。另外，在經(jīng)受高鹽廢水沖擊時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)需要投加的輔料增多，成本會(huì)偏高一點(diǎn)。整體來(lái)說(shuō)，由于項(xiàng)目的處理量已達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的90%，其實(shí)際運(yùn)行成本與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，相對(duì)于活性污泥法及SBR等工藝，處理成本低的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，HWO生物膜法工藝處理高氨氮廢水具有以下優(yōu)勢(shì)：①容積負(fù)荷大，處理效率高，發(fā)生的剩余污泥量極少；②運(yùn)行穩(wěn)定，耐沖擊性強(qiáng)，且受沖擊后恢復(fù)極快；③投資省，占地少；④運(yùn)行費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單。

(2) 高密度沉淀池其特殊的構(gòu)造和優(yōu)異的沉降性能可同時(shí)作為HWO生物膜法工藝中的沉淀池與BAF池的預(yù)處理裝置使用，且效率高、處理成本低、出水效果良好。

(3) 曝氣生物濾池作為另一種形式的生物膜工藝與HWO生物膜工藝組合，不僅保證了出水水質(zhì)，也充分滿足了廢水處理的彈性需要，大大提高了本套組合工藝技術(shù)的穩(wěn)定性和高效性。

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