玉米制燃料乙醇生產(chǎn)廢水處理工程實(shí)例

裘碧英

（麥王環(huán)境技術(shù)股份有限公司， 上海 200082）

以玉米為原料， 經(jīng)脫胚、 壓榨、 浸出、 粉碎、液化、 發(fā)酵、 蒸餾及脫水等工序后制得燃料乙醇，將其與汽油按一定比例混配制成汽油醇， 是非常理想的汽車燃料。 燃料乙醇屬可再生資源， 推廣使用對節(jié)省石油資源， 減輕環(huán)境污染和促進(jìn)糧食轉(zhuǎn)化具有十分重要的戰(zhàn)略意義［1］。 但在燃料乙醇生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的廢水， 廢水中含有大量的糖類、 有機(jī)酸類以及少量蛋白質(zhì)、 溶解性纖維素和木質(zhì)素等， 屬中高濃度有機(jī)廢水。 本文介紹了某玉米制燃料乙醇生產(chǎn)廢水的處理工藝流程， 主要構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)參數(shù)， 為同類企業(yè)廢水處理工程提供參考。

1 工程概況

位于安徽蚌埠的某生物化學(xué)公司采用玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇， 生產(chǎn)規(guī)模為32 萬t／a。 建有污水處理站用來接收生產(chǎn)裝置排出的高濃度廢水和二次冷凝水， 以及生活辦公區(qū)域排出的生活污水， 以上3 種廢水采取了分質(zhì)分類的方法進(jìn)行收集， 分別進(jìn)行預(yù)處理后混合進(jìn)入A2O 生化池處理， 再經(jīng)深度處理達(dá)標(biāo)后排入工業(yè)園區(qū)污水處理廠。

2 設(shè)計(jì)規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

高濃度廢水預(yù)處理能力為2 078 m3／d， 二次冷凝水預(yù)處理能力為5 000 m3／d， 生活污水設(shè)計(jì)處理能力為200 m3／d， 污水處理站設(shè)計(jì)總處理能力為7 278 m3／d， 出水水質(zhì)不超過GB 27631—2011《發(fā)酵酒精和白酒工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表2 規(guī)定的間接排放濃度限值。 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

3 廢水處理工藝

3.1 廢水處理工藝選擇

燃料乙醇生產(chǎn)廢水特點(diǎn)為有機(jī)物濃度高、 可生化性好、 廢水水溫高、 pH 值低， 目前該類廢水多采用厭氧生化＋活性污泥法處理， 在國內(nèi)有多項(xiàng)成功的案例［2］。 如河南某集團(tuán)的高濃度燃料乙醇生產(chǎn)廢水采用初沉池-UASB／IC 預(yù)處理后， 與低濃度廢水混合后采用SBR 池進(jìn)行好氧處理， 整體運(yùn)行效果良好， 出水ρ（COD） ≤60 mg／L， 完全滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)， 回收沼氣1.5 萬m3／d［3］。 又如河南某酒精廠采用玉米為原料生產(chǎn)酒精（乙醇）， 蒸餾后的醪糟廢液采用ICCASS 處理工藝， 出水達(dá)到了GB 8978—1996 酒精工業(yè)二級排放標(biāo)準(zhǔn)， 大大減輕了水體污染， 同時(shí)產(chǎn)出沼氣獲得的經(jīng)濟(jì)效益為105 萬元／a［4］。

安徽蚌埠某公司生產(chǎn)廢水主要由二次冷凝水、高濃度廢水（DDGS 濕式除塵器的沖洗水以及發(fā)酵罐清洗廢水）以及少量生活污水組成。 廢水中以糖類、 有機(jī)酸類等有機(jī)物為主， 以及少量的蛋白質(zhì)、溶解性纖維素和木質(zhì)素等， 屬中高濃度有機(jī)廢水；廢水的m（BOD5）／m（COD）為0.4 ～0.6， 屬易生化廢水； 廢水酸性較強(qiáng)， pH 值在4 左右， 該酸性主要由易生化有機(jī)酸（甲酸、 乙酸、 丙酸、 丁酸， 其中80% 以上為乙酸）引起。 根據(jù)以上廢水的特性，本工程采用高效厭氧反應(yīng)器去除廢水中大部分的有機(jī)污染物， 采用A2O 活性污泥工藝進(jìn)一步去除有機(jī)污染物、 氨氮、 總氮和總磷。

3.2 廢水處理工藝流程

該工程廢水處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 廢水處理工藝流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

二次冷凝水、 高濃度廢水分別進(jìn)入調(diào)節(jié)池A和B 進(jìn)行均質(zhì)均量， 可避免對后續(xù)處理工藝造成沖擊。 污水處理站另設(shè)事故池收集生產(chǎn)事故時(shí)產(chǎn)生的廢水， 再由提升泵分批少量送至調(diào)節(jié)池A 或B。廢水由調(diào)節(jié)池提升泵分別送入高效厭氧反應(yīng)器A、B。 在高效厭氧反應(yīng)器中， 廢水中絕大多數(shù)有機(jī)污染物通過微生物的厭氧代謝作用被轉(zhuǎn)化為CH4、 CO2和H2O。 產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過生物脫硫并去除冷凝水后， 送至雙膜沼氣柜儲存。 沼氣經(jīng)增壓后送至熱電廠回用， 異常工況或沼氣多余時(shí)可引至內(nèi)燃式沼氣火炬進(jìn)行燃燒排放。

高效厭氧反應(yīng)器出水由于水溫較高， 不利于好氧反應(yīng)的進(jìn)行， 引入循環(huán)冷卻水， 經(jīng)過換熱器冷卻后進(jìn)入A2O 生化池， 通過缺氧微生物、 好氧微生物的交替作用， 進(jìn)一步降解廢水中的有機(jī)污染物、氨氮、 硝酸鹽氮、 亞硝酸鹽和含磷化合物。

A2O 生化池出水自流進(jìn)入二沉池， 利用重力沉淀分離， 二沉池的上清液進(jìn)入后續(xù)深度處理工段。深度處理采用混凝沉淀法， 通過投加除磷劑聚合氯化鋁（PAC）形成磷化物沉淀， 并輔以聚丙烯酰胺（PAM）， 有利于分散的絮體混凝和沉淀。 經(jīng)過混凝、 絮凝反應(yīng)后的廢水進(jìn)入混凝沉淀池， 以去除廢水中生成的磷化物沉淀， 降低出水中的TP 濃度。

調(diào)節(jié)池A、 調(diào)節(jié)池B、 事故池、 A2O 生化池的厭氧區(qū)產(chǎn)生的廢氣， 采用生物濾池除臭。 首先通過預(yù)洗池預(yù)洗， 增加氣體濕度滿足微生物生長的需要， 并去除氣體中夾雜的氣溶膠、 灰塵， 防止濾床堵塞； 預(yù)洗后的氣體通入生物濾池， 與填料上的微生物進(jìn)行反應(yīng)， 降解氣體中的惡臭組分， 轉(zhuǎn)化為CO2、 H2O 和維持微生物新陳代謝所需的物質(zhì)。

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 調(diào)節(jié)池A。 1 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施， 尺寸為20.0 m×16.5 m×5.5 m， 有效水深為5.0 m， 有效容積為1 650 m3， 停留時(shí)間約為8.0 h。 設(shè)潛水?dāng)嚢杵? 臺， 功率為3.0 kW； 提升泵4 臺， 3 用1 備， 流量為70 m3／h， 揚(yáng)程為9 m， 功率為3.7 kW。

（2） 調(diào)節(jié)池B。 1 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施， 尺寸為25.0 m ×20.0 m×5.5 m， 有效水深為5.0 m， 有效容積為2 500 m3， 停留時(shí)間約為29.0 h。 設(shè)潛水?dāng)嚢杵? 臺， 功率為5.0 kW； 提升泵3 臺， 2 用1 備， 流量為50 m3／h， 揚(yáng)程為9 m， 功率為3.0 kW。

（3） 事故池。 1 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施， 尺寸為20.0 m×12.0 m×5.5 m， 有效水深為5.0 m， 有效容積為1 200 m3。設(shè)提升泵2 臺， 1 用1 備， 流量為50 m3／h， 揚(yáng)程為9 m， 功率為3.0 kW。

（4） 高效厭氧反應(yīng)器A。 1 座， 鋼結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施。 尺寸為φ10.6 m×23.5 m， 有效水深為23.0 m， 有效容積為2 020 m3， 停留時(shí)間約為9.8 h， COD 容積負(fù)荷為8.0 kg／（m3·d）。

（5） 高效厭氧反應(yīng)器B。 1 座， 鋼結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施。 尺寸為φ12.3 m×23.5 m， 有效水深為23.0 m， 有效容積為2 730 m3， 停留時(shí)間約為31.5 h， COD 容積負(fù)荷為8.5 kg／（m3·d）。

（6） 沼氣處理系統(tǒng)。 日產(chǎn)氣量約為15 000 m3，設(shè)冷凝水罐2 臺， 尺寸為φ133 mm×750 mm； 生物脫硫塔1 臺， 尺寸為φ2.6 m×10.0 m； 雙膜氣柜1臺， 有效容積為1 000 m3， 直徑為13.0 m。

（7） A2O 生化池。 2 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施， 尺寸為47.0 m×25.0 m×5.7 m， 有效水深為5.0 m， 有效容積為11 310 m3， 總停留時(shí)間約為40.0 h。 生化池內(nèi)混合液懸浮固體平均質(zhì)量濃度為3 500 mg／L， BOD5污泥負(fù)荷為0.1 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 總氮負(fù)荷為0.047 kg［TN］／（kg［MLSS］·d）， 厭氧區(qū)有效容積為660 m3， 缺氧區(qū)有效容積為2 010 m3， 好氧區(qū)有效容積為8 640 m3。 厭氧區(qū)設(shè)攪拌器2 臺， 功率為2.5 kW； 缺氧區(qū)設(shè)攪拌器4 臺， 功率為4.0 kW；好氧區(qū)池底設(shè)微孔曝氣器4 800 只， 配套離心風(fēng)機(jī)3 臺， 2 用1 備， 風(fēng)量為75 m3／min， 風(fēng)壓為6.5 m H2O， 功率為132 kW， 好氧區(qū)末端設(shè)回流泵4 臺，2 用2 備， 流量為340 m3／h， 揚(yáng)程為0.8 m， 功率為2.5 kW， 混合液回流比為2.2 ∶1； 池內(nèi)設(shè)在線pH 監(jiān)測儀和在線DO 監(jiān)測儀。

（8） 二沉池。 2 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池內(nèi)壁采用防腐及防滲措施。 尺寸為φ20.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， 設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為0.5 m3／（m2·h）， 每池各設(shè)刮泥機(jī)1 臺， 電機(jī)功率為1.5 kW； 污泥回流泵4 臺， 2 用2 備， 流量為167 m3／h， 揚(yáng)程為13 m， 功率為11.0 kW。

（9） 混凝反應(yīng)池。 2 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用防腐及防滲措施， 尺寸為9.0 m×3.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， 有效容積為216 m3， 停留時(shí)間約為42 min。 設(shè)立式槳葉攪拌器6臺， 功率為1.5 kW。

（10） 混凝沉淀池。 2 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用防腐及防滲措施， 尺寸為φ16.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， 設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為0.75 m3／（m2·h）。 每池各設(shè)刮泥機(jī)1 臺， 功率為0.75 kW； 排泥泵4 臺， 2 用2 備， 流量為50 m3／h， 揚(yáng)程為12.5m， 功率為3.0 kW。

（11） 儲泥池。 1 座， 半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)壁采用強(qiáng)防腐及防滲措施， 尺寸為12.0 m×6.0 m×5.0 m， 有效水深為4.5 m， 有效容積為324 m3。 設(shè)污泥攪拌器1 臺， 功率為3.0 kW； 污泥輸送泵2 臺， 1 用1 備， 流量為30 m3／h， 揚(yáng)程為30 m， 功率為11 kW； 混凝反應(yīng)槽和帶式污泥濃縮脫水一體機(jī)1 臺， 功率為2.25 kW。

5 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1） 該工程厭氧處理工藝采用高效的兩級內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器， 主要特點(diǎn)是顆粒污泥濃度高， 有機(jī)容積負(fù)荷大， 抗沖擊能力強(qiáng)， 運(yùn)行穩(wěn)定性好［5］， 依靠沼氣的提升作用， 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)［6］， 運(yùn)行費(fèi)用低， 適合于有機(jī)物濃度高、 生化性好的廢水。

（2） 活性污泥法采用A2O 工藝， 強(qiáng)化生物處理過程對總磷和總氮的去除能力。 通過厭氧釋磷和好氧聚磷的作用， 實(shí)現(xiàn)整個(gè)生物處理階段將磷元素?cái)z取到微生物細(xì)胞內(nèi)， 通過污泥排放實(shí)現(xiàn)生物除磷。 在缺氧區(qū)的進(jìn)水端， 由于硝化混合液的回流，帶入了NO3－和NO2－， 利用缺氧微生物的生物反應(yīng)，以原水中的BOD5為電子供體， 將NO3－和NO2－轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴膹U水中溢出， 實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

（3） 生物除臭是利用有孔的、 潮濕的介質(zhì)聚集的活性微生物的生命活動(dòng)， 將臭氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚臒o機(jī)物或自身細(xì)胞［7］。 生物除臭的特點(diǎn)是管理維護(hù)簡單、 運(yùn)行費(fèi)用低、 脫臭效果好， 對臭氣濃度變化幅度大， 具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

6 工程運(yùn)行效果

該工程自2018 年4 月建成投運(yùn)以來， 經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 2019 年2 月運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2 所示， 處理站出水水質(zhì)均低于設(shè)計(jì)值。 運(yùn)行期間，由于進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度有較大波動(dòng)， 經(jīng)常超過設(shè)計(jì)值70 mg／L， 有時(shí)甚至達(dá)到560 mg／L， 通過不斷地調(diào)整混合液回流量、 曝氣量和生化污泥排放量， 使出水氨氮質(zhì)量濃度能穩(wěn)定在20 mg／L 以下。

表2 實(shí)測進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 2 Measured influent and effluent water quality

7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本工程占地面積約為19 500 m2， 工程投資約為4 500 萬元。 運(yùn)行費(fèi)用主要包含人工費(fèi)、 電費(fèi)、藥劑費(fèi)和其他費(fèi)用， 其中人工費(fèi)0.51 元／t， 電費(fèi)0.9 元／t， 藥劑費(fèi)0.45 元／t（PAC 0.07 元／t， 陰離子PAM 0.10 元／t， 氫氧化鈉0.16 元／t， 陽離子PAM 0.12 元／t）， 其他費(fèi)用0.42 元／t（蒸汽費(fèi)用0.22 元／t， 清水0.01 元／t， 污泥外運(yùn)處置費(fèi)用0.19 元／t）。直接運(yùn)行費(fèi)用為2.28 元／t。

厭氧產(chǎn)生沼氣脫硫回收后送至附近發(fā)電廠， 產(chǎn)生的收益約為0.747 元／t。

8 結(jié)語

（1） 該工程實(shí)踐表明， 采用高效厭氧反應(yīng)器－A2O 生化池－二沉池－混凝沉淀池工藝處理玉米制乙醇生產(chǎn)廢水， COD、 氨氮的平均去除率可達(dá)到98% 以上， 出水COD、 固體懸浮物、 氨氮、 總氮、總磷均優(yōu)于GB 27631—2011 表2 的間接排放濃度限值的要求。 污水先后經(jīng)過堿中和、 厭氧反應(yīng)、 生物除磷、 硝化及反硝化處理， 深度處理采用混凝沉淀， 可確保懸浮物及總磷的達(dá)標(biāo)排放。

（2） 由于高濃度生產(chǎn)廢水偏酸性， pH 值約為3， 運(yùn)行中需要投加液堿進(jìn)行中和， 并需投加石灰以維持厭氧污泥的顆?；?/p>

（3） 高濃度生產(chǎn)廢水懸浮物和總磷濃度高， 該工程前端實(shí)行了清潔化生產(chǎn)， 排放到處理站的廢水已經(jīng)過重力沉降及資源回收利用， 進(jìn)水中顆粒雜質(zhì)和固體懸浮物濃度已經(jīng)降到較低水平， 進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度小于6 mg／L。 總磷經(jīng)過生物除磷及混凝沉淀的化學(xué)除磷， 出水總磷質(zhì)量濃度小于0.5 mg／L。

（4） 采用兩級內(nèi)循環(huán)厭氧工藝處理高濃度生產(chǎn)廢水， 運(yùn)行費(fèi)用低， 去除效果好， 去除率達(dá)90%以上， 確保后續(xù)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行， 保障出水水質(zhì)。