預(yù)處理—AOAO—UF—Fenton—混凝沉淀處理餐廚廢水

曹 猛

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連 116011）

西南某縣擬建設(shè)1座50 t/d的餐廚垃圾處理廠，對(duì)縣域及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的餐館、機(jī)關(guān)學(xué)校食堂、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等區(qū)域餐廚垃圾進(jìn)行集中收運(yùn)處置。該廠擬采用國(guó)內(nèi)主流技術(shù)路線〔1〕——預(yù)處理+中溫厭氧消化+沼液處理+沼氣凈化及綜合利用的工藝。其中沼液廢水來(lái)自厭氧消化液脫水后的濾液及餐廚車(chē)洗車(chē)廢水，經(jīng)廠內(nèi)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排放至下游污水處理廠進(jìn)一步處理。餐廚垃圾沼液廢水污染物濃度高、成分復(fù)雜，含油量、有機(jī)物、氨氮均較高，采用常規(guī)處理工藝處理較難達(dá)標(biāo)〔2〕，因此應(yīng)選擇強(qiáng)化生化處理系統(tǒng)及深度處理工藝。

1 設(shè)計(jì)水質(zhì)及工藝流程

1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

該工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)參照臨近縣市同類(lèi)項(xiàng)目。出水水質(zhì)按《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（納管標(biāo)準(zhǔn)）及下游污水處理廠與建設(shè)單位達(dá)成協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。具體設(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 influent and effluent quality mg/L

1.2 水質(zhì)特點(diǎn)分析

（1）油脂含量高。從表1可以看出，進(jìn)水中油脂達(dá)1 500 mg/L左右，根據(jù)已實(shí)施項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔3〕，餐廚垃圾預(yù)處理中，除油效果較好的條件下，厭氧消化液脫水后沼液中的動(dòng)植物油脂一般不會(huì)超過(guò)1 000 mg/L。從該項(xiàng)目所處地域飲食習(xí)慣分析，其餐飲垃圾中油脂含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為5%～7%，高于其他城市（3%左右），因此入水油脂較高。為了降低后續(xù)生化處理負(fù)荷，擬在預(yù)處理工藝段中增加對(duì)應(yīng)的除油措施。

（2）懸浮物較高，有機(jī)物去除難度大。餐廚沼液中仍含有大量的懸浮物，采用常規(guī)預(yù)處理工藝難以去除，需結(jié)合生化系統(tǒng)進(jìn)行處置。此外，經(jīng)過(guò)厭氧系統(tǒng)后，餐廚沼液中已經(jīng)分解去除大部分易降解有機(jī)物，采用常規(guī)生物處理工藝難以去除難降解有機(jī)物，需要采用強(qiáng)化生物處理工藝保證SS、氨氮、CODCr等的去除〔2〕。

（3）總磷高。入水總磷達(dá)500 mg/L，出水要求≤4 mg/L，去除率高達(dá)99.2%，單靠生物除磷無(wú)法保證去除效果，因此需輔助化學(xué)除磷措施。

（4）含鹽量高。根據(jù)厭氧供貨商提供的厭氧消化液指標(biāo)，電導(dǎo)率高達(dá)20 000μS/cm，在構(gòu)筑物、工藝設(shè)備及管道設(shè)計(jì)中要考慮對(duì)應(yīng)的防腐措施。

（5）碳源不足，脫氮要求高。生物脫氮能力主要通過(guò)BOD5/TN進(jìn)行鑒別，反硝化細(xì)菌在分解有機(jī)物過(guò)程中同步進(jìn)行反硝化作用〔4〕。判別污水的生物脫氮性能需要足夠碳源（即BOD5）主要根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）中“污水中的五日生物需氧量與總凱氏氮之比宜大于4，即可認(rèn)為污水有足夠的碳源供反硝化細(xì)菌利用”〔5〕，但根據(jù)進(jìn)水m（BOD5）∶m（TN）=1.60，分析反硝化脫氮所需有機(jī)碳嚴(yán)重不足〔6〕，應(yīng)考慮外加有機(jī)碳源以保證脫氮效果。

1.3 工藝流程的選擇

該工程廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，厭氧消化沼液含油量較高，水質(zhì)波動(dòng)較大，因此應(yīng)綜合考慮采用除油效果好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對(duì)有機(jī)物去除率高的處理工藝〔7〕。因此預(yù)處理段設(shè)置兩級(jí)隔油池+凹渦氣浮機(jī)，以保證動(dòng)植物油脂的去除?？紤]到污水處理量較小、水量水質(zhì)波動(dòng)較大，在隔油池及氣浮池后設(shè)置調(diào)節(jié)池以調(diào)節(jié)水量及水質(zhì)。對(duì)于總磷的去除，除了依托生物除磷外，在預(yù)處理段設(shè)置氣浮措施能夠進(jìn)行化學(xué)除磷，在工藝段末端增設(shè)混凝沉淀處理構(gòu)筑物，通過(guò)添加PAC+PAM化學(xué)除磷藥劑，確保總磷的去除。

在選擇生化處理段時(shí)，著重考慮脫氮效果好，對(duì)氨氮、COD等去除率高的處理工藝。根據(jù)國(guó)內(nèi)沼液處理工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，生化段普遍采用兩級(jí)AOAO+UF處理工藝，COD去除率可達(dá)92%以上，氨氮去除率可達(dá)98%〔8〕，但考慮到厭氧消化后沼液中仍可能存在大量難降解有機(jī)物，為保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)在超濾系統(tǒng)后設(shè)置Fenton高級(jí)氧化工藝，確保難降解COD的去除。

AOAO—UF工藝段的超濾膜分為內(nèi)置膜及外置膜。外置式超濾膜過(guò)濾精度高、通量大，能承受非常高的污泥濃度，采用錯(cuò)流過(guò)濾方式，膜管中不易堵塞，能夠連續(xù)出水〔9〕。外置膜在線清洗容易，且清洗頻率低，能夠節(jié)省運(yùn)行過(guò)程中的費(fèi)用、降低人工操作難度等〔10〕，因此，設(shè)計(jì)采用外置超濾膜系統(tǒng)作為膜生物反應(yīng)器的膜系統(tǒng)。

綜上分析，項(xiàng)目最終選定預(yù)處理—AOAO—UF—Fenton—混凝沉淀工藝，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Technological process of wastewater treatment

2 主要處理單元工藝設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)包括隔油池、氣浮池、轉(zhuǎn)鼓膜格柵、調(diào)節(jié)池及水解酸化池。

（1）隔油池。隔油池設(shè)置兩級(jí)除油，池體尺寸為6.5 m×2.5 m×4.0 m，有效水深3 m，水平流速為2～4 mm/s。

（2）氣浮池。氣浮系統(tǒng)采用氣浮一體化設(shè)備，處理量為5 m3/h，設(shè)備前端的曝氣段設(shè)有1個(gè)曝氣室、1個(gè)進(jìn)水口、2個(gè)絮凝劑加藥口（調(diào)試后選擇其中一個(gè)加藥口加藥）。設(shè)備后端設(shè)有1個(gè)出水口，側(cè)面設(shè)有1個(gè)排渣口，1個(gè)底部泥斗排泥放空口。設(shè)備沿水流方向的水面出口一側(cè)設(shè)有刮渣“斜岸”，具有濃縮、富集和撇渣的作用。刮渣板將浮渣刮至螺旋出渣槽而排出。設(shè)備出水區(qū)設(shè)有可調(diào)節(jié)高度的溢流堰板，便于調(diào)節(jié)控制水位和停機(jī)前升高水位刮除浮渣。設(shè)備出水自流排放。氣浮出水后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)鼓膜格柵進(jìn)一步去除懸浮雜質(zhì)，膜格柵孔徑1 mm，轉(zhuǎn)鼓膜格柵位于調(diào)試池上方安裝。

（3）調(diào)節(jié)池及水解酸化池。調(diào)節(jié)池尺寸為6.5 m×5.3 m×6.0 m，有效水深5 m，停留時(shí)間為2.8 d；水解酸化池尺寸為8.5 m×3.5 m×6.0 m，有效水深5 m，停留時(shí)間為2.5 d。水解池內(nèi)部水流呈推流式，池內(nèi)設(shè)置彈性立體填料，其截面積為45 m2，L=2.5 m，D=150 mm。水解酸化池主要起到減小有機(jī)物分子質(zhì)量，將復(fù)雜有機(jī)物部分分解為丁酸、乙酸等小分子有機(jī)酸，有利于后續(xù)好氧段處理的作用。另外考慮到沼液中含鹽量較高，有一定腐蝕作用，工程所有污水處理構(gòu)筑物內(nèi)部均采用內(nèi)襯玻璃鋼防腐材料〔11〕。

2.2 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)（UF）工藝由一級(jí)AO硝化反硝化、二級(jí)AO強(qiáng)化硝化反硝化、外置式超濾膜裝置三部分組成。

（1）AOAO池。生化進(jìn)水池中廢水提升進(jìn)入二級(jí)A/O系統(tǒng)。首先進(jìn)入一級(jí)A池（缺氧池），在缺氧條件下反硝化菌利用污水中的有機(jī)碳將硝酸鹽還原為氮?dú)猓诿摰耐瑫r(shí)降低了有機(jī)負(fù)荷，并補(bǔ)充了后續(xù)硝化反應(yīng)的堿度，同時(shí)部分懸浮污染物被吸附并分解，提高了污水的可生化性，隨后污水通過(guò)推流進(jìn)入一級(jí)O池（好氧池），在好氧條件下殘余的有機(jī)物被進(jìn)一步降解，同時(shí)硝化菌將污水中的氨氮氧化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，通過(guò)回流泵將硝態(tài)氮回流至前段A池進(jìn)行脫氮。為了增強(qiáng)沼液處理系統(tǒng)的總氮去除效果，增加二級(jí)硝化反硝化系統(tǒng)，在二級(jí)反硝化池中投加碳源，以保證反硝化所需碳源，出水進(jìn)入二級(jí)硝化池中，將多余碳源去除。該工程碳源選擇葡萄糖（純度90%），投加量為450.60 kg/d。二級(jí)O池出水進(jìn)入外置超濾膜系統(tǒng)，系統(tǒng)污泥從超濾回流至一級(jí)A池和二級(jí)A池，污泥回流量為20 m3/h，內(nèi)回流分別從一級(jí)O池回流至一級(jí)A池，二級(jí)O池回流至二級(jí)A池，硝化液回流量分別為40、20 m3/h。

UF系統(tǒng)能將污泥質(zhì)量濃度提高到8 000～15 000 mg/L，強(qiáng)化了生物處理效果，提高對(duì)有機(jī)物、氨氮、總氮的去除效果。膜系統(tǒng)污泥回流至A池保證一定的污泥濃度。

兩級(jí)AO生化池與預(yù)處理構(gòu)筑物合建，生化處理部分為一組矩形鋼筋混凝土池，池體尺寸為22.1 m×8.5 m×6.0 m，有效水深5.0 m，其中一級(jí)A池有效池容300 m3，一級(jí)O池有效池容425 m3，二級(jí)A池有效池容80 m3，二級(jí)O池有效池容80 m3，總有效池容為885 m3，總停留時(shí)間為322 h。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)水溫25℃、單位污泥脫氮速率（以NO3--N計(jì)）0.07 kg/（kg·d）、單位污泥硝化負(fù)荷（以NH4+-N計(jì)）0.03 kg/（kg·d）、單位COD產(chǎn)泥系數(shù)（以SS計(jì)）0.16 kg/（kg·d）、污泥COD負(fù)荷（以COD計(jì)）0.18 kg/（kg·d）、總 氮 負(fù) 荷0.034 kg/（kg·d）、混合液回流比5～15倍、污泥回流比8～10倍、平均MLSS 12 000 mg/L、剩余污泥量（以絕干污泥計(jì)）118 kg/d、總停留時(shí)間322 h、氣水比313∶1。

（2）外置超濾膜裝置。超濾膜為外置錯(cuò)流管式超濾膜，孔徑為30 nm，膜管內(nèi)濾速為3～4 m/s，設(shè)計(jì)膜通量為60 L/（m2·h），設(shè)計(jì)膜面積為46 m2。超濾膜設(shè)置在膜處理車(chē)間內(nèi)，車(chē)間占地面積為12.7 m×8.6 m，主要分為膜設(shè)備區(qū)、泵組區(qū)域、在線清洗區(qū)域。

2.3 Fenton高級(jí)氧化

Fenton高級(jí)氧化作為項(xiàng)目的深度處理安保措施，主要對(duì)難降解有機(jī)物繼續(xù)深化處理，確保水質(zhì)能夠達(dá)標(biāo)排放。在酸性環(huán)境中，H2O2在Fe2+存在下生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），并引發(fā)產(chǎn)生更多的活性氧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的降解。Fenton高級(jí)氧化系統(tǒng)主要裝置由Fenton反應(yīng)塔、酸堿加藥裝置、過(guò)氧化氫加藥裝置、硫酸亞鐵加藥裝置組成。酸堿加藥分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）為50%的硫酸和10%氫氧化鈉。

設(shè)備主要參數(shù)：Fenton反應(yīng)塔1座，尺寸為D2.5 m×3.5 m，塔體采用碳鋼襯塑材質(zhì)，攪拌槳葉采用鋼襯塑材質(zhì)；酸堿加藥裝置各1套，包含1 m3加藥箱，上側(cè)帶攪拌電機(jī)，加藥泵采用隔膜計(jì)量泵，Q=20 L/h，H=10 m；過(guò)氧化氫加藥裝置包含3 m3加藥箱，上側(cè)帶攪拌電機(jī)，加藥泵采用隔膜計(jì)量泵，Q=2 000 L/h，H=10 m；硫酸亞鐵加藥裝置包含1 m3加藥箱，上側(cè)帶攪拌電機(jī)，加藥泵采用隔膜計(jì)量泵，Q=200 L/h，H=50 m。

2.4 混凝沉淀池

混凝沉淀池是水處理工藝去除SS和化學(xué)除磷的主要處理工藝，也是Fenton高級(jí)氧化的組合部分。混凝過(guò)程通過(guò)向水中投加藥劑（通常為混凝劑PAC及助凝劑PAM），使水中難以沉淀的顆粒互相聚合而形成膠體，并與水體中的雜質(zhì)結(jié)合形成更大的絮凝體。絮凝體不僅能吸附懸浮物，還能吸附部分細(xì)菌和溶解性物質(zhì)。絮凝體通過(guò)吸附，體積增大而下沉。

該工程混凝池采用混合池和絮凝池組合，組合尺寸為1.8 m×4.1 m×4 m，其中混合池和絮凝池分別設(shè)置機(jī)械攪拌機(jī)，投加藥劑為PAC+PAM，投藥裝置平均速度梯度為300 s-1，混合時(shí)間為110 s，絮凝池絮凝時(shí)間為20 min。沉淀池采用斜管沉淀池，尺寸為1.80 m×1.85 m×6 m，上升流速控制在6～10 mm/s。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)及關(guān)鍵問(wèn)題分析

（1）兩級(jí)隔油+氣浮池組合工藝對(duì)于油脂的去除十分關(guān)鍵，在預(yù)處理過(guò)程中應(yīng)盡可能提高油脂去除率，降低后續(xù)污水處理中油脂去除負(fù)荷。

（2）超濾系統(tǒng)中外置膜的膜通量大、污泥濃度高、易清洗且不易堵塞，處理效果較好，在沼液廢水處理中應(yīng)用廣泛，但外置膜更換成本較內(nèi)置膜略高，因此在要求運(yùn)行成本較低的工程中應(yīng)斟酌選用。

（3）多級(jí)AO脫氮過(guò)程中，碳源投加量較大，造成整體運(yùn)行成本增加，考慮到餐廚垃圾預(yù)處理后且進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)前的漿液能分流一部分作為補(bǔ)充碳源，會(huì)大大降低運(yùn)行成本。此項(xiàng)措施已在國(guó)內(nèi)個(gè)別餐廚垃圾處理工程中應(yīng)用，效果待進(jìn)一步考證，以確定是否值得推廣應(yīng)用。

（4）沼液廢水的含鹽量較高，對(duì)于有明確地標(biāo)要求的地區(qū)，應(yīng)提前做好調(diào)研，是否對(duì)出水含鹽量有處理要求。同時(shí)在水處理構(gòu)筑物、工藝設(shè)備和管道的設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮防腐材質(zhì)的選用。

（5）Fenton高級(jí)氧化系統(tǒng)主要為超濾后續(xù)的安保處理措施，當(dāng)厭氧處理后的沼液水質(zhì)較好時(shí)，多級(jí)AO—超濾處理系統(tǒng)一般能夠滿(mǎn)足出水要求，此時(shí)Fenton高級(jí)氧化系統(tǒng)可進(jìn)行超越，節(jié)省運(yùn)行成本。

（6）整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一定的余量，以保證非洲豬瘟發(fā)生或者進(jìn)料超負(fù)荷時(shí)，沼液處理系統(tǒng)的處理能力仍能滿(mǎn)足要求。

4 運(yùn)行效果與成本分析

4.1 實(shí)際運(yùn)行效果

該工程經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的調(diào)試，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，運(yùn)行期間進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)出水水質(zhì)Table 2 Influent and effluent quality mg/L

4.2 工程成本分析

該工程沼液處理部分總投資470萬(wàn)元，其中工藝設(shè)備投資為350萬(wàn)元。經(jīng)測(cè)算年處理污水量2.19萬(wàn)t，年直接經(jīng)營(yíng)費(fèi)用為91.33萬(wàn)元，藥劑成本分析見(jiàn)表3。

表3 藥劑成本分析Table 3 Cost analysis

另有膜更換維修費(fèi)，每5 a更換1次，每次費(fèi)用160 000元，折合水處理費(fèi)用為1.46元/t；自來(lái)水按2.9元/t計(jì)，用量為0.15萬(wàn)t/a，折合水處理費(fèi)用為0.20元/t；電費(fèi)按0.57元/（kW·h）計(jì)，使用量68.33萬(wàn)kW·h/a，折合水處理費(fèi)用為17.79元/t；人員共3人，每人工資按7萬(wàn)元/a計(jì)，折合水處理費(fèi)用為9.59元/t。合計(jì)單位水處理費(fèi)用為41.70元。

以上經(jīng)營(yíng)成本較其他餐廚廠沼液處理經(jīng)營(yíng)成本偏高，原因分析如下：

（1）進(jìn)水水質(zhì)較差，進(jìn)水TN高達(dá)5 000 mg/L，TP為500 mg/L，BOD5為8 000 mg/L，油脂高達(dá)1 500 mg/L，反硝化碳源嚴(yán)重不足，需要外加大量碳源，除磷除油時(shí)PAC投加量較常規(guī)水廠投加量多，導(dǎo)致成本偏高；

（2）外置超濾膜存在保養(yǎng)更換費(fèi)用，折單價(jià)為1.46元/t，成本高于其他采用內(nèi)置膜系統(tǒng)處理工藝的噸水成本；

（3）由于該工程處理規(guī)模較小，不能形成規(guī)模效益，導(dǎo)致噸水電耗偏大。

5 結(jié)論

采用預(yù)處理—AOAO—外置UF—Fenton高級(jí)氧化—混凝沉淀工藝處理餐廚沼液廢水，出水穩(wěn)定達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于西南區(qū)域同類(lèi)水質(zhì)特性的餐廚沼液處理具有一定參考價(jià)值。