乳品廢水處理工程設(shè)計(jì)、調(diào)試與運(yùn)行實(shí)例

孫 浩，李 虹，蔡靈銳，韓 旭，朱禹韜，趙瑪麗，樸 哲

（1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州市廣陵生態(tài)環(huán)境局，江蘇 揚(yáng)州 225001；3.揚(yáng)州綠源水處理工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，國(guó)民生活水平和健康意識(shí)不斷提高，對(duì)乳品的需求量逐年上升。乳制品生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，其主要來(lái)自生產(chǎn)加工過(guò)程中器皿、設(shè)備、管道的洗滌水，車(chē)間地面的沖刷水，蒸發(fā)器的冷凝水，超高溫滅菌的凝結(jié)水等〔1〕，不同時(shí)段水質(zhì)變化較大。此外，乳品廢水中富含油脂、蛋白質(zhì)〔2〕等細(xì)小懸浮物，在厭氧消化階段容易形成大量浮渣，嚴(yán)重影響污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

寧夏某乳業(yè)有限公司，每天產(chǎn)生10 000 m3的高濃度廢水。根據(jù)水質(zhì)、水量及排放要求，本項(xiàng)目主要采用細(xì)格柵、調(diào)節(jié)水質(zhì)的預(yù)處理單元、兩級(jí)厭氧+A/O 生化處理、混凝沉淀、V 型濾池等工藝的組合，對(duì)該企業(yè)乳品廢水進(jìn)行處理。為了快速啟動(dòng)厭氧反應(yīng)器及減輕浮渣對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響，采取對(duì)種子污泥進(jìn)行活化與厭氧馴化、厭氧反應(yīng)器前端增設(shè)氣浮等措施。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)出水水質(zhì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為10 000 m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Table 1 Design inlet and outlet water quality

2.2 工藝流程

廢水處理工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 廢水處理工藝流程Fig.1 Wastewater treatment process flow chart

如圖1 所示，乳品廢水由生產(chǎn)車(chē)間排放后先經(jīng)過(guò)細(xì)格柵間，去除較大的懸浮物后，進(jìn)入集水井。集水井后設(shè)可對(duì)水質(zhì)、水量進(jìn)行調(diào)節(jié)的預(yù)處理單元，包括調(diào)節(jié)池、氣浮間、事故池，根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)將集水井污水提升至不同預(yù)處理單元，如低濃度污水直接進(jìn)入調(diào)節(jié)池，中高濃度污水經(jīng)過(guò)氣浮處理后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，高濃度污水直接進(jìn)入事故池；pH 在5～11 之間的污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，pH≤5 或pH≥11 的污水進(jìn)入事故池。當(dāng)集水井液位較低且井內(nèi)廢水pH 處于6～10 時(shí)，事故池的廢水打回集水井中。經(jīng)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后，污水被提升至一級(jí)厭氧生物濾池，一級(jí)厭氧生物濾池的出水再次經(jīng)過(guò)氣浮后進(jìn)入中間水池，中間水池的污水被提升至二級(jí)UASB 厭氧反應(yīng)器后進(jìn)入A/O 處理系統(tǒng)，也可超越二級(jí)UASB 厭氧反應(yīng)器直接進(jìn)入A/O 處理系統(tǒng)。A/O 系統(tǒng)出水經(jīng)泥水分離后，采用混凝沉淀工藝進(jìn)行化學(xué)除磷，再經(jīng)V 型濾池過(guò)濾后排放。

處理過(guò)程中，由氣浮產(chǎn)生的浮渣進(jìn)行厭氧消化處理。部分二沉池的剩余污泥經(jīng)1#污泥濃縮池減容后進(jìn)入污泥厭氧馴化池儲(chǔ)存，作為厭氧反應(yīng)器跑泥時(shí)的備用污泥。剩余污泥經(jīng)脫水后外運(yùn)。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣，前期采用直接燃燒方式進(jìn)行處理，后期考慮回收利用。

2.3 主要構(gòu)筑物工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）細(xì)格柵井：2 組，每組設(shè)1 臺(tái)內(nèi)進(jìn)流式網(wǎng)板細(xì)格柵，柵隙2 mm，單臺(tái)設(shè)計(jì)流量210 m3/h，功率0.55 kW。

（2）集水井：2 組，單組尺寸14.9 m×16.0 m×6.0 m，有效容積715.2 m3，水力停留時(shí)間3.4 h。設(shè)3臺(tái)潛污泵，2 用1 備，單臺(tái)流量290 m3/h，功率22 kW，揚(yáng)程16 m。

（3）事故池：1 組，尺寸30.0 m×21.5 m×8.0 m，有效容積4 966.5 m3，水力停留時(shí)間12.0 h。設(shè)2 臺(tái)潛污泵，1 用1 備，單臺(tái)流量100 m3/h，功率7.5 kW，揚(yáng)程15 m。

（4）調(diào) 節(jié) 池：2 組，單 組 尺 寸30.0 m×17.5 m×8.0 m，有效容積3 675.0 m3，水力停留時(shí)間12.6 h。每組調(diào)節(jié)池設(shè)2 臺(tái)潛污泵，1 用1 備，單臺(tái)流量250 m3/h，功率22 kW，揚(yáng)程18 m。

（5）1#氣?。? 臺(tái)加壓溶氣氣浮，單臺(tái)設(shè)計(jì)處理量150 m3/h，功率21.15 kW。

（6）2#氣浮：3 臺(tái)加壓溶氣氣浮，單臺(tái)設(shè)計(jì)處理量150 m3/h，功率21.15 kW。

（7）厭氧生物濾池：3 組，單組尺寸20.0 m×18.5 m×8.5 m，有效容積2 775.0 m3，水力停留時(shí)間20.0 h，內(nèi)設(shè)彈性填料。每組設(shè)2 臺(tái)循環(huán)泵，1 用1 備，單臺(tái)流量130 m3/h，功率7.5 kW，揚(yáng)程12 m。

（8）中間水池：2組，單組尺寸30.0 m×9.0 m×4.0 m，有效容積675.0 m3，水力停留時(shí)間3.2 h。每組設(shè)2 臺(tái)潛污泵，單臺(tái)流量250 m3/h，功率22 kW，揚(yáng)程18 m。

（9）UASB反應(yīng)器：6組，并聯(lián)運(yùn)行。單組尺寸8.8 m×22.7 m×9.5 m，有效容積1 683.0 m3，水力停留時(shí)間24.2 h，含脈沖進(jìn)液系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)和沼氣收集系統(tǒng)。共設(shè)6臺(tái)循環(huán)泵，3用3備，單臺(tái)流量180 m3/h，功率5.5 kW，揚(yáng)程6 m。

（10）A/O 池：3 組，并聯(lián)運(yùn)行。單組尺寸21.5 m×18.5 m×8.0 m。A 段單組有效容積675.0 m3，水力停留時(shí)間4.9 h；O 段單組有效容積2 220.0 m3，水力停留時(shí)間16.0 h，內(nèi)設(shè)組合填料。A 段設(shè)液下攪拌機(jī)9 臺(tái)，單臺(tái)功率3.0 kW；A/O 池設(shè)硝化液回流泵6 臺(tái)，3 用3 備，單臺(tái)流量468.7 m3/h，功率7.5 kW，揚(yáng)程3.68 m；設(shè)旋混式曝氣器3 426 個(gè)。

（11）二沉池：3組，并聯(lián)運(yùn)行。單組尺寸D16.0 m×4.5 m，輻流式，沉淀負(fù)荷q=0.69 m3/（m2·h）。設(shè)刮泥機(jī)3 套，D=16.0 m。

（12）除磷沉淀池：3 組，并聯(lián)運(yùn)行。單組尺寸12.3 m×6.0 m×6.5 m，單組混凝反應(yīng)時(shí)間7.8 min，絮凝反應(yīng)時(shí)間37.0 min，表面水力負(fù)荷q=4.9 m3/（m2·h）。設(shè)除磷池回流泵3 臺(tái)，單臺(tái)流量25 m3/h，功率1.5 kW，揚(yáng)程10 m；設(shè)除磷池排泥泵3 臺(tái)，單臺(tái)流量25 m3/h，功率1.5 kW，揚(yáng)程10 m；設(shè)刮泥機(jī)3 臺(tái)，D=6.0 m，功率0.75 kW；設(shè)混合攪拌機(jī)3 臺(tái)，D=1.2 m，功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速50 r/min；設(shè)絮凝攪拌機(jī)3 臺(tái)，D=1.0 m，功率4 kW，轉(zhuǎn)速61 r/min；斜管填料填充體積72 m3。

（13）V 型濾池：3 組，并聯(lián)運(yùn)行。單組尺寸3.0 m×6.0 m×4.5 m，單組過(guò)濾面積18 m2，濾速7.72 m3/h。承托層、濾料層分別采用礫石和石英砂作為濾料。設(shè)反沖洗系統(tǒng)一套。

（14）污 泥 濃 縮 池：2 組，單 組 尺 寸D8.0 m×4.5 m，有效容積200.0 m3，濃縮時(shí)間＞12.0 h。

（15）浮渣消化池：2組，并聯(lián)運(yùn)行。尺寸9.8 m×21.9 m×9.5 m，單組有效容積3 825.0 m3，浮渣停留時(shí)間30 d。

3 調(diào)試與運(yùn)行

3.1 厭氧種子污泥活化及反應(yīng)器啟動(dòng)

3.1.1 厭氧種子污泥活化

污水厭氧處理工藝具有能耗低、負(fù)荷高、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但和好氧處理工藝相比，其啟動(dòng)速度較為緩慢。為了快速啟動(dòng)厭氧反應(yīng)器，本項(xiàng)目對(duì)種子污泥進(jìn)行了活化、厭氧馴化等處理。

（1）種子污泥及藥劑。種子污泥取自當(dāng)?shù)爻鞘形鬯幚韽S的壓縮污泥，其含水率在80%左右。將其分別投加到一級(jí)、二級(jí)厭氧反應(yīng)器中，以總懸浮固體（TSS）計(jì)，投加質(zhì)量濃度為15 kg/m3左右。厭氧反應(yīng)器開(kāi)始啟動(dòng)前，為活化種子污泥，投加自制復(fù)合藥劑〔3〕，該藥劑主要成分為草木灰、膨潤(rùn)土、氯化鈣、PAM 等物質(zhì)。

（2）自制菌劑及其發(fā)酵。通過(guò)投加自制工程菌劑〔4〕的方式，對(duì)厭氧種子污泥進(jìn)行活化。該菌劑由光合細(xì)菌、芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌、產(chǎn)甲烷菌等兼性或厭氧微生物復(fù)合而成。在將菌劑投加到厭氧反應(yīng)器之前，需對(duì)其進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，具體操作為：取粗米糠等農(nóng)副產(chǎn)品和粉狀菌劑充分混勻，用25 g/L 紅糖水將混合物含水率調(diào)整為55%左右，在25 ℃以上的室溫下堆置發(fā)酵，每天攪拌2～3 次，堆溫升至50 ℃以上并散發(fā)出酸甜味道時(shí)結(jié)束發(fā)酵，一般需要2～3 d。上述發(fā)酵菌劑接種量為種子污泥干重的2.0%左右。

（3）污泥厭氧馴化。厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)之前，對(duì)來(lái)自市政污水處理廠的壓縮污泥在厭氧條件下進(jìn)行馴化處理。由于新冠疫情的原因，2019 年底投加的種子污泥在厭氧反應(yīng)器內(nèi)閑置了半年以上，馴化時(shí)間比預(yù)期多2 倍，種子污泥得到充分厭氧馴化。

3.1.2 厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)

本項(xiàng)目設(shè)兩級(jí)厭氧反應(yīng)器，一級(jí)厭氧反應(yīng)器采用厭氧生物濾池工藝，二級(jí)厭氧反應(yīng)器采用UASB 工藝，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下水力停留時(shí)間分別為20.0 h 和24.2 h。厭氧反應(yīng)器開(kāi)始啟動(dòng)前1 周，投加3.1.1 節(jié)自制藥劑和發(fā)酵菌劑，在不進(jìn)水條件下每天開(kāi)啟4～5 次循環(huán)泵，將藥劑和菌劑與事先投加的種子污泥進(jìn)行充分混合。

一級(jí)厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)初始進(jìn)水流量為3 600 m3/d左右，此時(shí)污泥單位揮發(fā)性懸浮物（VSS）的COD負(fù)荷約為0.45 kg/（kg·d）。當(dāng)反應(yīng)器COD 去除率穩(wěn)定達(dá)到60%以上時(shí)，按30%左右幅度提升進(jìn)水流量，直至達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷。啟動(dòng)運(yùn)行前期負(fù)荷提升幅度適當(dāng)加大，到后期高負(fù)荷條件下適當(dāng)降低提升幅度，為25%左右。一級(jí)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行到第10天時(shí)，COD 去除率達(dá)到60%以上。到第35天時(shí)，進(jìn)水流量共提升4 次，達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷10 000 m3/d，再經(jīng)過(guò)10 d 左右的運(yùn)行，COD 去除率穩(wěn)定達(dá)到70%左右。通常厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)階段污泥單位VSS 的COD 負(fù)荷在0.2 kg/（kg·d）左右，而本項(xiàng)目在高負(fù)荷條件下啟動(dòng)了厭氧反應(yīng)器。

一級(jí)厭氧生物濾池和二級(jí)UASB 反應(yīng)器串聯(lián)，同步啟動(dòng)。厭氧生物濾池出水經(jīng)氣浮處理后，進(jìn)入U(xiǎn)ASB 反應(yīng)器。UASB 反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水45 d，出水COD 在200 mg/L 左右，被認(rèn)為完成厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)，厭氧段總COD 去除率穩(wěn)定在95%左右。厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)期間，進(jìn)水pH 為7.0 左右，水溫為25～30 ℃。厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)前期進(jìn)水量較低，上升流速較小，可通過(guò)間歇開(kāi)啟循環(huán)泵，提高傳質(zhì)效率。

綜上，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)種子污泥進(jìn)行活化和厭氧馴化，在較高初始負(fù)荷下，快速啟動(dòng)了處理高濃度乳品廢水的二級(jí)厭氧反應(yīng)器。

3.2 A/O 系統(tǒng)啟動(dòng)及調(diào)試

A/O 系統(tǒng)的種子污泥同上述厭氧種子污泥，啟動(dòng)及運(yùn)行期間污泥質(zhì)量濃度控制在3 000 mg/L 左右。為了存留硝化細(xì)菌并加強(qiáng)其脫氮性能，在好氧硝化池中設(shè)置組合填料。好氧末端DO 控制在2～3 mg/L，根據(jù)出水-N 及TN 去除率合理調(diào)整內(nèi)回流比〔5〕。調(diào)試運(yùn)行20 d 時(shí)，填料表面黏附淺黃色生物膜。

3.3 后續(xù)深度處理

A/O 出水經(jīng)后續(xù)深度處理后排放。后續(xù)深度處理單元設(shè)混凝沉淀和V 型濾池，主要用于去除TP、SS 等。根據(jù)廢水水質(zhì)特點(diǎn)，混凝沉淀工藝段投加藥劑為160 mg/L 的PAC 和4 mg/L 的PAM，在此條件下出水TP≤0.5 mg/L，滿足排放要求。

3.4 氣浮及浮渣處置

本項(xiàng)目在每級(jí)厭氧反應(yīng)器前端各設(shè)一段氣浮，有效控制了厭氧消化過(guò)程中大量浮渣的產(chǎn)生。廢水進(jìn)行氣浮處理時(shí)，投加PAC 和PAM 等絮凝劑，SS 去除率可達(dá)到60%以上?？紤]到反硝化碳源不足問(wèn)題，為了減少氣浮對(duì)COD 去除的影響，二級(jí)厭氧反應(yīng)器前端氣浮采取減少或不加絮凝劑的措施。氣浮排出的浮渣經(jīng)過(guò)30 d 厭氧消化去除30%左右干重，剩余浮渣脫水外運(yùn)。

3.5 運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)45 d 調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，之后連續(xù)10 d 檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)出水COD、TP 及A/O 段進(jìn)出水-N、TN，考察污染物去除效果，結(jié)果見(jiàn)圖2。此外，對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行期間的主要構(gòu)筑物出水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 污染物去除效果Fig.2 Pollutant removal effect

表2 主體構(gòu)筑物出水水質(zhì)Table 2 Effluent quality of main structures

由圖2 及表2 可知，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，污染物去除效果較好。A/O 段出水-N、TN 與系統(tǒng)整體出水指標(biāo)基本一致，均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

4 投資與運(yùn)行費(fèi)用分析

項(xiàng)目總投資約為1.54 億元，其中土建費(fèi)1.1 億元，設(shè)備材料費(fèi)3 400 萬(wàn)元，設(shè)計(jì)安裝費(fèi)969.8 萬(wàn)元。運(yùn)行費(fèi)用為1.85元/m3，其中電費(fèi)1.0元/m3，藥劑（PAC、PAM）費(fèi)0.65 元/m3，人工費(fèi)0.2 元/m3。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了日處理量為10 000 m3的乳品廢水處理廠，采用預(yù)處理、二級(jí)厭氧+A/O 生化處理、混凝沉淀、V 型濾池等工藝對(duì)乳品廢水進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)45 d的調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過(guò)對(duì)種子污泥進(jìn)行活化和厭氧馴化，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷條件下厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)。歷經(jīng)40 多天調(diào)試，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，厭氧段COD 由進(jìn)水的4 500 mg/L 左右下降到200 mg/L 左右，去除率穩(wěn)定在90%以上。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)碳源不足導(dǎo)致出水TN超標(biāo)時(shí)，將一級(jí)厭氧出水超越二級(jí)厭氧反應(yīng)器直接打入缺氧反硝化池補(bǔ)充碳源，使NOx--N 與COD 質(zhì)量比達(dá)到1∶6，此時(shí)TN 可被有效去除，出水TN 達(dá)到排放要求。

（4）根據(jù)乳品廢水水質(zhì)特點(diǎn)，在每級(jí)厭氧反應(yīng)器前端設(shè)氣浮，可有效防止厭氧消化過(guò)程中形成大量浮渣，緩解其對(duì)污水處理系統(tǒng)的不利影響，同時(shí)去除部分污染物。產(chǎn)生的浮渣通過(guò)厭氧消化，可去除30%左右的干重。