某印染工業(yè)污水處理廠工藝路線及設計實例

戴棟超

(上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司,上海 200125)

近年來,隨著經(jīng)濟的快速增長,國家對城市環(huán)境保護工作提出了更高的要求,國家與地方環(huán)保相關部門也出臺了相關污水處理技術的規(guī)范和要求更高的排污標準。當前,嘉興市秀洲區(qū)工業(yè)廢水、生活污水全部納入嘉興污水處理廠集中處理達標排放,但是隨著排放標準的進一步提高以及原廠提標擴建難度的增加,亟需新建一座以工業(yè)廢水為主的污水處理廠。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)分布,該工業(yè)污水處理廠服務對象為印染企業(yè)聚集區(qū)的印染廢水及生活污水。印染廢水是一種難處理工業(yè)廢水,主要來源于預處理、染色、印花、整理等工序,是工業(yè)污染防治的重點行業(yè)之一[1]。由于紡織印染工藝的快速發(fā)展及后處理技術的進步,新型助劑等難生化降解的有機物被大量引入印染廢水。同時,管理部門又對印染行業(yè)節(jié)水有較高的要求,企業(yè)印染廢水經(jīng)過多次處理回用,使得企業(yè)排入到集中污水處理廠的難降解有機物濃度提高[2]。目前,采用傳統(tǒng)的二級生化處理工藝,再加上生活污水的稀釋作用,工業(yè)廢水處理后排放出水CODCr質量濃度在100mg/L左右,難以再滿足進一步提高出水標準的需求[3-4]。

本文介紹了嘉興某印染產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)污水處理廠工程方案前期研究及工程設計過程。根據(jù)浙江省相關政策指導,采用半地下建設型式,主要水處理構筑物組合式布置,節(jié)省用地及構筑物間水頭損失,上部操作層加蓋增加運行維護舒適性及周邊環(huán)境適應性;污水處理工藝采用二級生化處理,并通過中試研究確定針對難降解污染物的深度處理工藝,得出具體的工程設計參數(shù)、工程造價及運行成本。最終出水標準滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準,以期為集約化地下式環(huán)境友好型工業(yè)污水處理廠建設提供工藝選擇及工程設計經(jīng)驗。

1 設計進出水水質

該工程設計規(guī)模為5.0×104m3/d,包括服務范圍內工業(yè)廢水及居民生活污水,經(jīng)對管網(wǎng)輸送污水流量統(tǒng)計分析,進水以工業(yè)廢水為主,水量占比約為92%,工程服務范圍內共39家企業(yè),其中印染行業(yè)30家。

該工程設計工業(yè)廢水進水方式為印染廢水間接排放模式。印染企業(yè)廢水間接排放CODCr、BOD5結合實測數(shù)據(jù),按照《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》修改單中間接排放最大限值,即CODCr質量濃度按500mg/L,BOD5質量濃度按150mg/L,其余指標按照《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB 4287—2012)間接排放標準執(zhí)行。

該工程出水水質標準根據(jù)地區(qū)環(huán)境承載能力及項目環(huán)評要求確定,設計進出水水質指標如表1所示。

表1 設計進出水水質指標

2 污水處理工藝比選

對印染工業(yè)廢水而言,簡單的物化和生化工藝組合難以達到排放要求。這就要求針對印染廢水的特點選擇合理的組合工藝,并重視工藝的銜接,以及確定合理經(jīng)濟的技術參數(shù)[5-6]。

2.1 生物處理工藝分析

根據(jù)工程進出水水質,該工程生物處理工藝需具備脫氮除磷功能的二級生物處理,本文對常用的幾種脫氮除磷工藝進行對比分析,結果如表2所示。

表2 幾種脫氮除磷生物處理工藝對比

經(jīng)綜合比選,厭氧-缺氧-好氧-缺氧-膜生物反應器(AAOA-MBR)工藝具有以下特點。

(1)縮短處理工藝流程,節(jié)省占地面積,能夠更好地適用于半地下的建設型式。

(2)延長污泥停留時間可以降低污泥有機負荷,有利于難降解有機物的去除,出水水質好,耐沖擊性能好。

(3)膜投資及運行成本已逐步降低。本項目膜的折舊成本約為0.2元/m3,運行成本降低到0.2～0.3元/m3。

因此,二級生化處理工藝推薦采用AAOA-MBR工藝。

2.2 中試工藝比選分析

為進一步探究和驗證工藝的合理性,并優(yōu)化確定相關設計參數(shù),該工程于2020年8月啟動中試試驗。如圖1所示,中試裝置放置于工程服務范圍某污水泵站內,裝置進水接自泵站進水總管,二級生物處理段采用AO-MBR工藝,處理水量為25 m3/d。

圖1 中試現(xiàn)場

中試裝置共運行約3個月,主要分4個階段,包括AO-MBR反應器啟動階段,運行約2周;AO-MBR+臭氧+懸浮填料生物膜法(CBR)工藝及水解酸化+AO-MBR+臭氧+CBR工藝運行期,約1個月;AO-MBR+臭氧+CBR工藝運行期,期間同步進行普通芬頓試驗,約1個月;AO-MBR工藝單獨運行及AO-MBR+改良芬頓催化氧化工藝運行期,約2周。

反應器成功啟動后,經(jīng)過二級生化工藝段處理出水平均CODCr質量濃度為88～102mg/L,不能滿足出水標準要求,該部分CODCr為難降解有機物,采用長時間的好氧曝氣已無法進一步提高去除率,需采用高級氧化深度處理技術。首先進行臭氧深度處理工藝試驗,臭氧+CBR工藝出水平均CODCr質量濃度約為44mg/L,但出水穩(wěn)定性較差,故考慮在反應器前端增加水解酸化段,進一步探究水解酸化池的適用性。

(1)水解酸化池的適用性分析

一般來說,設置水解酸化池是提高工業(yè)污水可生化性的常規(guī)措施,通過水解酸化可使污水中的非溶解有機物被水解為溶解性有機物,大分子物質被降解為小分子物質,污水的可生化性大大提高,這對于后續(xù)生物處理非常有利。

考慮到該工程進水以印染工業(yè)廢水為主,難降解有機物占比高,對水解酸化工藝段在該工程的適用性進行試驗分析,對比試驗處理效果如表3和圖2所示。

圖2 水解酸化工藝段處理效果

表3 水解酸化工藝段試驗結果

通過分析可得,水解酸化工藝段對于該工程有以下適用特點。

①對CODCr具有一定的去除能力,對減小生物處理段的負荷有利。試驗期間,水解酸化段進水平均CODCr質量濃度為432.9mg/L,經(jīng)水解酸化段后,出水平均CODCr質量濃度為308.4mg/L,CODCr去除效率約為28.76%。

②具有穩(wěn)定進入生物處理段的水質效果。水解酸化段進水CODCr統(tǒng)計標準偏差為170.7mg/L,水解酸化出水CODCr統(tǒng)計標準偏差為81.4mg/L,進入二級生物處理段CODCr波動明顯變小。

③對提升二級生物處理段去除能力不高。無論試驗中是否采用水解酸化段,二級生物段出水CODCr質量濃度均在100mg/L左右,對難降解有機物的可生化性提高作用不明顯。

綜上,對于該工程來水,水解酸化工藝段僅能夠發(fā)揮進水均質的功能,但對于二級生物處理段去除CODCr提升效果并未達到預期效果?？紤]到水解酸化要求水力停留時間(HRT)較長(10 h),構筑物占地較大、投資高、效果不明顯,該工程不設置水解酸化工藝段。

(2)高級氧化深度處理工藝比選分析

因水解酸化對于二級生物處理段去除CODCr提升效果不明顯,且臭氧氧化工藝處理出水穩(wěn)定性差,進一步對臭氧氧化+CBR工藝與改良芬頓催化氧化工藝處理效果進行比選分析。對比方案如下。

方案一:臭氧氧化+CBR組合工藝。臭氧采用射流曝氣,臭氧投加量為90mg/L。

方案二:改良芬頓催化氧化工藝。濃硫酸投加量為400mg/L,硫酸亞鐵投加量為250mg/L,H2O2投加量為250mg/L,NaOH(液體)投加量為400mg/L。

兩種深度處理方案處理效果如表4所示。

表4 深度處理工藝處理效果對比

經(jīng)比選分析,結果如下。

(1)出水效果:兩方案平均出水均能夠達到一級A出水標準,方案一平均出水CODCr質量濃度為(44.5±7.3)mg/L,方案二平均出水CODCr質量濃度為(27.9±2.7)mg/L,方案二出水效果更優(yōu)。

(2)出水穩(wěn)定性:方案一出水CODCr樣本標準差為7.3mg/L,出水質量濃度為26～66mg/L,>50mg/L的天數(shù)為14 d,超標率為19%;方案二出水CODCr樣本標準差為2.7mg/L,出水質量濃度為24～33mg/L,中試期間無超標現(xiàn)象,方案二出水穩(wěn)定性更好。

(3)運行成本:方案一約為1.19元/m3,方案二約為1.17元/m3,兩方案運行成本基本相同。

故該工程高級氧化深度處理技術采用改良型芬頓催化氧化工藝。

3 工程設計

3.1 工藝設計流程

該工程采用一體化半地下建設型式,各工藝段采用方案如圖3所示:(1)預處理工藝,細格柵及曝氣沉砂池+調節(jié)池+初沉池+膜格柵;(2)二級處理工藝,AAOA-MBR工藝;(3)深度處理工藝,芬頓催化氧化工藝+高效沉淀池+濾布濾池;(4)污泥處理工藝,重力濃縮+離心脫水;(5)除臭工藝,生物除臭+化學除臭工藝。

圖3 工藝流程

3.2 主要構筑物設計參數(shù)

(1)細格柵與曝氣沉砂池

矩形鋼筋砼結構,1座3渠道,HRT為15 min,曝氣至污水中的風量為0.2 m3/m3(空氣/污水)。配置回轉式細格柵3套,柵條間隙為6 mm。

(2)調節(jié)池

矩形鋼筋砼構筑物,采用在線調節(jié),最大停留時間為8 h,內設推流攪拌器,采用潛水軸流泵(4套,2用2備)將污水提升至生物池。軸流泵流量Q=1 150 m3/h,揚程H=3.95～6.85 m,功率N=25 kW。

(3)AAOA生物池

矩形鋼筋砼結構,分為2組,單座尺寸為102.8 m×37.5 m,有效水深為6.8 m,生物池HRT為23 h,其中好氧池HRT為15.4 h,缺氧池HRT約為6 h。生物池混合液懸浮固體質量濃度為4 000～6 000mg/L,混合液回流比為200%～300%,污泥回流比為100%～200%,曝氣氣水比約為6∶1。

(4)MBR系統(tǒng)

膜系統(tǒng)安裝于矩形鋼筋砼池體內,分為2座,單座8格,單座尺寸為27.2 m×13.8 m,有效深度為4.8 m,停留時間為1.7 h,MBR池內混合液懸浮固體質量濃度為8 000mg/L。膜系統(tǒng)采用中空纖維膜,材質為聚偏二氟乙烯,采用不銹鋼304支架。膜表面積為1 760 m2/套,共設置80套,膜通量為14.80 L/(m2·h)。

(5)改良型芬頓催化氧化系統(tǒng)

該系統(tǒng)由芬頓反應區(qū)及穩(wěn)定中和池組成。

芬頓反應區(qū)主要放置芬頓催化氧化反應罐,罐體為不銹鋼材質,接MBR產(chǎn)水總管,在反應罐內先投加98%濃硫酸,調節(jié)廢水pH值至3.5～4.5,創(chuàng)造反應條件,然后投加硫酸亞鐵、H2O2(27.5%)實現(xiàn)有機物的氧化去除。催化反應罐共4套,單罐尺寸為φ3.5 m×10 m,內置多金屬復合催化填料質量約為3.5 t,HRT約為9 min;氧化反應罐共2套,單罐尺寸為φ3.5 m×9 m,HRT約為4 min。

穩(wěn)定中和池功能為進一步調節(jié)水量和完善反應,穩(wěn)定池末端投加NaOH(32%),中和回調廢水pH值至6.8～7.2。池體為矩形鋼筋砼結構,玻璃鋼防腐九油七布,1座2格,尺寸為40 m×27.8 m,有效水深為6.3 m,HRT約為3 h,曝氣強度為1.35 L/(m2·s)。配套曝氣攪拌鼓風機2臺(1用1備),單臺風機Q=70 m3/min,H=7.8 m,N=106 kW。

(6)污泥處理系統(tǒng)

該工程污泥分為初沉池污泥、剩余污泥、化學污泥,泥量分別約為3.5、4.0、7.5 t DS/d,總污泥量約為15 t DS/d。污泥經(jīng)濃縮脫水至含水率為80%外運至電廠摻燒。污泥處理系統(tǒng)有2座污泥濃縮池及污泥脫水車間。主要設計參數(shù)如下。

污泥濃縮池:2座φ16 m濃縮池,出泥含水率為97%,固體通量為 37.3 kg/(m2·d),設置中心傳動刮泥機2套。

污泥脫水機房:半地下車間,設臥式離心脫水機2臺(1用1備),出泥含水率為80%,脫水機參數(shù)為Q=62.5 m3/h,N=75 kW。

該工程采用半地下一體化建設型式,除芬頓催化氧化工藝單獨布置外,其余水處理構筑物采用組合式布置,工程總占地面積為54 450 m2,廠區(qū)預留再生水回用用地面積約為3 500 m2。

4 工程投資及運行成本分析

4.1 投資概算

該工程投資概算約為7.11 億元,其中工程費用為5.20億元。工程費用中土建工程費用約為2.97億元,投資占比為57.1%,設備采購及安裝費用為2.23億元,投資占比為42.9%。

4.2 運行成本分析

該工程生產(chǎn)運行成本主要為動力費、水費、污泥外運處理費,以及芬頓、膜清洗、污泥處理等藥劑費。

經(jīng)核算,工程單位處理成本為2.45元/m3,其中動力費成本約為1.00元/m3,藥劑費成本為0.82元/m3,污泥處理費成本為0.20元/m3。

5 結論

(1)該工程采用半地下一體化建設型式,除芬頓催化氧化工藝單獨布置外,其余水處理構筑物采用組合式布置,工程總占地面積為54 450 m2,廠區(qū)預留再生水回用用地面積約為3 500 m2,相比傳統(tǒng)地上式污水廠大大節(jié)省了用地;同時,各構筑物間采用渠道或孔洞連接,節(jié)約了工藝流程間水頭損失。

(2)針對印染廢水特點和進出水水質情況,經(jīng)對中試試驗的結果比選分析,工程設計采用 “預處理+調節(jié)池+初沉池+AAOA-MBR生化池+改良型芬頓+高效沉淀池+濾布濾池” 的污水處理工藝路線。

(3)詳細介紹了預處理、生物池、MBR、高級氧化處理及污泥處理工藝段主要構筑物設計參數(shù),為集約化地下式環(huán)境友好型工業(yè)污水處理廠工程設計提供了參考。

(4)該工程投資概算約為7.11億元,單位處理成本約為2.45元/m3,投資額度和運行成本在可接受范圍之內。