高效生物脫氮-氣浮-BAF-反硝化深床濾池工藝處理低碳氮比廢水工程實(shí)例

廖燕，杜麟，黃超，胡賽

（1.浙江水美環(huán)保工程有限公司，杭州 310012；2.杭州金田工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,杭州 311202）

不銹鋼加工生產(chǎn)過程中需用硝酸和氫氟酸的混酸進(jìn)行酸洗，硝酸用量大，造成排水總氮濃度（硝酸根）高，超標(biāo)嚴(yán)重［1－2］。因此，如何實(shí)現(xiàn)廢水中硝酸根的去除是不銹鋼生產(chǎn)廢水處理的主要問題之一。目前，從水中去除硝酸鹽的方法有：化學(xué)脫氮［3－6］、 反 滲 透［7］、 電滲 析［8］、 離子交換［9］、 生 物 脫氮等［10］。生物脫氮具有運(yùn)行成本低，對環(huán)境無二次污染的優(yōu)點(diǎn)［10］，因此，本工程采用高效生物脫氮－氣浮－BAF－反硝化深床濾池組合工藝對低碳氮比不銹鋼生產(chǎn)廢水進(jìn)行深度處理，解決廢水總氮無法達(dá)標(biāo)排放的問題。

1 工程概況

某不銹鋼生產(chǎn)園區(qū)污水處理廠主要接納不銹鋼生產(chǎn)廢水，廢水經(jīng)酸洗廢水調(diào)節(jié)池-一級反應(yīng)沉淀池-氧化池-二級反應(yīng)沉淀池-pH回調(diào)池-砂濾池的工藝處理后，大部分重金屬離子及其他污染物已去除，均能滿足GB 13456—2012《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表2標(biāo)準(zhǔn)，但總氮（硝酸根）無法有效去除，因此需要新增深度處理系統(tǒng)，使其達(dá)標(biāo)排放。

2 設(shè)計(jì)規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

本工程設(shè)計(jì)規(guī)模為800 m3／d。不銹鋼生產(chǎn)園區(qū)廢水經(jīng)園區(qū)污水處理廠現(xiàn)有工藝處理后，除總氮指標(biāo)外，其余出水水質(zhì)指標(biāo)均能滿足GB 13456—2012中表2標(biāo)準(zhǔn)，因此，本深度處理工程重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)為總氮，設(shè)計(jì)進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度為1 200 mg／L，出水總氮質(zhì)量濃度要求為不超過15 mg／L。

3 廢水處理工藝

3.1 廢水處理工藝的選擇

目前，去除硝酸鹽的常用方法有化學(xué)脫氮、反滲透、電滲析、離子交換、生物脫氮等?；瘜W(xué)脫氮會形成大量污泥和氨氮，處理復(fù)雜且存在二次污染［3－6］。反滲透會產(chǎn)生大量高鹽水，導(dǎo)致二次處理費(fèi)用高、總能耗大，不適用于工業(yè)廢水處理［7］。電滲析在去除硝酸鹽過程中操作復(fù)雜［8］。離子交換法因離子樹脂交換容量一定，易發(fā)生硝酸根泄漏，故僅適用于處理硝酸鹽濃度較低的廢水，且須再生處理，增加運(yùn)行成本、造成二次污染［9］。生物脫氮利用反硝化微生物將廢水中硝酸根轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，具有運(yùn)行成本低，對環(huán)境無二次污染的優(yōu)點(diǎn)［10］。因此，針對該廢水特點(diǎn)，采用高效生物脫氮－氣?。瑽AF－反硝化深床濾池組合工藝進(jìn)行深度處理。

3.2 廢水處理工藝流程

本工程深度處理工藝流程如圖1所示。

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

園區(qū)污水處理廠出水自流進(jìn)入調(diào)節(jié)水池，調(diào)節(jié)水池設(shè)置加酸裝置及甲醇投加裝置，一方面調(diào)節(jié)pH值至6左右，解決反硝化產(chǎn)堿度引起出水pH偏高的問題［11］；另一方面補(bǔ)充碳源，為后續(xù)反硝化提供充足碳源。池內(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)混勻水質(zhì)。

調(diào)節(jié)水池出水泵提至高效生物脫氮反應(yīng)器，利用高效脫氮顆粒污泥的反硝化作用去除NO3-－N［12］。反應(yīng)器采用兩級串聯(lián)，外設(shè)保溫層，同時(shí)對進(jìn)水pH值、ORP、溫度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)控制進(jìn)水流量和循環(huán)流量，保證脫氮效果。針對傳統(tǒng)反硝化工藝的不足，通過培育脫氮顆粒污泥和研制高效生物脫氮反硝化罐，開發(fā)了高效脫氮工藝。該工藝具有以下特點(diǎn)：①容積負(fù)荷高，最高容積負(fù)荷達(dá)到10 kg［NO3－－N］／（m3·d），是傳統(tǒng)反硝化工藝（0.5 kg［NO3－－N］／（m3·d）的幾十倍，總氮去除率高達(dá)98%；②耐濃度沖擊負(fù)荷高，最高進(jìn)水NO3--N質(zhì)量濃度可達(dá)2 000 mg／L，約為傳統(tǒng)反硝化工藝（不超過300 mg／L）的好幾倍；③反應(yīng)器體積小，占地面積少，工程投資??；④運(yùn)行費(fèi)用低，利用自身產(chǎn)氣進(jìn)行自攪拌；⑤經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良，菌體以顆粒污泥形態(tài)存在，可大大強(qiáng)化泥水分離效果，減少工程設(shè)備。

經(jīng)過兩級高效生物脫氮反應(yīng)器處理后，出水自流到中間水池，起到調(diào)節(jié)水量和均勻水質(zhì)的作用。池內(nèi)設(shè)置不銹鋼潛水?dāng)嚢杵鞣乐刮勰喑两?。池?nèi)設(shè)置2臺潛水提升泵，把水提升到氣浮裝置。

氣浮裝置中通過投加PAC、PAM形成絮體，利用溶氣產(chǎn)生的微氣泡吸附絮體，使絮體浮出水面，采用刮渣機(jī)把浮渣刮出水面，浮渣自流到污泥池，清澈的水流到緩沖池。

緩沖池內(nèi)設(shè)置2臺提升泵，將廢水提升到BAF，在BAF池內(nèi)進(jìn)一步降解氨氮和有機(jī)物，氨氮變成硝態(tài)氮，有機(jī)物變成水和二氧化碳［13］。

由于水中還殘留一定量的硝酸鹽，為保證總氮達(dá)標(biāo)排放，設(shè)置一套反硝化深床濾池，該濾池既有反硝化脫氮功能，又有過濾除磷功能［14］，可保證出水SS、總氮和總磷達(dá)標(biāo)。

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）調(diào)節(jié)水池。1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為23.90 m×8.50 m×5.50 m，有效容積為1 016 m3，HRT為30 h。設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)2臺，單臺功率為2.5 k W；潛水排污泵2臺，1用1備，單臺流量為25 m3／h，揚(yáng)程為30 m，功率為4 k W。

（2）高效生物脫氮反應(yīng)器。設(shè)置2級，每級2個(gè)。采用鋼制防腐，玻璃棉保溫，外包鍍鋅彩鋼板。第一級單個(gè)設(shè)計(jì)尺寸為φ2.80 m×15.00 m，有效容積為89 m3，總HRT為5.2 h；第二級設(shè)計(jì)尺寸為φ2.80 m×12.00 m，有效容積為71 m3，總HRT為4.2 h。運(yùn)行溫度均為15～35℃，DO質(zhì)量濃度均控制在0.5 mg／L以下，容積負(fù)荷為3 kg［NO3－－N］／（m3·d）。設(shè)循環(huán)水泵4臺，單臺流量為110 m3／h，揚(yáng)程為10 m，功率為5.5 k W；氣水分離器4臺，單臺尺寸為φ1.20 m×1.00 m。

（3）氣浮裝置。1套，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)尺寸為6.50 m×2.50 m×2.50 m，處理水量為50 m3／h，溶氣壓力為0.5 MPa，回流比為70%，混合絮凝時(shí)間為30 min，接觸室停留時(shí)間為2.0 min，分離室表面負(fù)荷為5.4 m3／（m2·h）。設(shè)桁車式刮渣機(jī)4臺，單臺寬度為2.48 m，功率為1.1 k W；溶氣水泵2臺，1用1備，單臺流量為25 m3／h，揚(yáng)程為50 m，功率為7.5 k W；溶氣罐1套，鋼制防腐，溶氣能力為30 m3／h，壓力為0.5 MPa；PAC、PAM加藥裝置各1套，加藥量分別為250 mg／L和5 mg／L，單套含2.0 m3不銹鋼溶解池，3.0 m3不銹鋼溶液池，機(jī)械攪拌機(jī)2臺，單臺功率為0.75 k W，計(jì)量泵2臺，1用1備，單臺流量為120 L／h，揚(yáng)程為50 m，功率為0.25 k W。

（4）BAF。3座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單座尺寸為5.80 m×3.00 m×7.00 m，有效容積為113 m3，總HRT為10.2 h。有機(jī)負(fù)荷為1 kg［COD］／（m3·d），硝化負(fù)荷為0.3 kg［NH3－N］／（m3·d），氣洗強(qiáng)度為20 L／（m2·s），水洗強(qiáng)度為5 L／（m2·s）。設(shè)濾板54塊，單塊尺寸為960 mm×960 mm×102 mm；專用長柄濾頭1 890只；濾料105 m3，采用4～6 mm球形多孔生物陶粒濾料，裝填高度為2.0 m；承托層26 m3，采用4～32 mm卵石，裝填高度為0.50 m；曝氣器1 305只，采用1 mm單孔膜曝氣器；曝氣羅茨鼓風(fēng)機(jī)3臺，2用1備，單臺流量為4.65 m3／min，壓力為68.6 kPa，功率為11 k W；反洗羅茨鼓風(fēng)機(jī)3臺（與反硝化深床濾池共用），2用1備，單臺流量為13 m3／min，壓力為68.6 kPa，功率為30 k W；反洗泵2臺（與反硝化深床濾池共用），1用1備，單臺流量為250 m3／h，揚(yáng)程為11 m，功率為15 k W。

（5）反硝化深床濾池。3座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單座設(shè)計(jì)尺寸為5.80 m×2.90 m×6.00 m，有效容積為92 m3，總HRT為8.3 h?？偟?fù)荷為0.15 kg［NO3－－N］／（m3·d），氣洗強(qiáng)度為92 m3／（m2·h），水洗強(qiáng)度為15 m3／（m2·h）。設(shè)濾磚500塊，單塊尺寸為550 mm×190 mm×200 mm；濾料101 m3，采用2～4 mm石英砂，裝填高度為2.0 m；承托層26 m3，采用4～32 mm卵石，裝填高度為0.50 m；反沖洗風(fēng)機(jī)和反沖洗水泵與BAF的共用。

5 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）深度處理工程前端設(shè)置調(diào)節(jié)水池，可通過調(diào)節(jié)pH值和投加碳源，優(yōu)化高效生物脫氮反應(yīng)器的運(yùn)行條件，提高生物反硝化效果。

（2）采用高效生物脫氮反應(yīng)器處理高氮廢水，具有容積負(fù)荷高，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，減少占地面積，節(jié)省工程投資，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

（3）BAF具有較高的生物濃度和有機(jī)負(fù)荷，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，氧的傳輸效率高，易掛膜，啟動(dòng)快，脫氮效果好，適合低碳氮比廢水的深度處理。

（4）反硝化深床濾池既有反硝化脫氮功能，又有過濾除磷功能，作為深度處理尾端處理單元，可確保出水指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

6 工程運(yùn)行效果

系統(tǒng)調(diào)試完成后投入運(yùn)行，對深度處理系統(tǒng)各單元進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行測定，結(jié)果表明，采用高效生物脫氮反應(yīng)器－氣浮－BAF－反硝化深床濾池工藝，能使原有系統(tǒng)出水總氮的質(zhì)量濃度降至15 mg／L以下，達(dá)到GB 13456—2012中表2標(biāo)準(zhǔn)。各單元處理情況如表1所示。

表1 各單元處理情況Tab.1 TN removal by different treatment units

由表1可知，高效生物脫氮反應(yīng)器和BAF＋反硝化深床濾池能大幅度去除廢水中的總氮，去除率分別可達(dá)95%和75%。高效生物脫氮反應(yīng)器采用串聯(lián)模式運(yùn)行，外部采取保溫措施，通過培育脫氮顆粒污泥強(qiáng)化反硝化細(xì)菌的反硝化作用，大大提高總氮去除率，反應(yīng)器容積負(fù)荷高，最高容積負(fù)荷達(dá)到10 kg［NO3－－N］／（m3·d），是傳統(tǒng)反硝化工藝（0.5 kg［NO3－－N］／（m3·d））的幾十倍，總氮去除率高達(dá)97%［15－16］。高效生物脫氮反應(yīng)器后殘余的總氮經(jīng)過BAF和反硝化深床濾池的綜合作用得以進(jìn)一步的去除，保證出水總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

7 投資及運(yùn)行成本

該工程總投資約980萬元。運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)和藥劑費(fèi)，其中電費(fèi)為2.62元／m3，藥劑費(fèi)（含PAC、PAM、次氯酸鈉和甲醇）為15元／m3，不計(jì)人工及其他成本的直接運(yùn)行費(fèi)用為17.62元／m3。

8 結(jié)語

采用高效生物脫氮反應(yīng)器－氣浮－BAF－反硝化深床濾池工藝對不銹鋼生產(chǎn)廢水進(jìn)行深度處理，可以將原水中的總氮質(zhì)量濃度由1 200 mg／L降低至15 mg／L，出水水質(zhì)滿足GB 13456—2012中表2標(biāo)準(zhǔn)，該組合工藝脫氮效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，解決了廢水總氮無法達(dá)標(biāo)排放的問題。

在運(yùn)行費(fèi)用方面，碳源（甲醇）占比很大，成本為14.4元／m3。碳源投加量大是低COD、高硝酸鹽氮廢水處理的最大瓶頸，有待后期進(jìn)一步研究。