針對(duì)曝氣生物濾池工藝不具備脫氮除磷功能，特別是在處理工業(yè)綜合廢水時(shí)出水不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的問題，提出了“化學(xué)除磷+氣浮除油+水孫局解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池”的全流程處理工藝，并通過中試研究對(duì)處理流程以及各個(gè)處理單元運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在水解酸化2.0h，投加混凝劑硫化鐵量為40.0mg/L，氣浮溶氣壓力3.5kg/cm2，AO池125%回流比，水力停留時(shí)間為20.0min的條件下，其出水達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。并對(duì)升級(jí)改造的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了核算，為同類污水處理廠的升級(jí)改造工程提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1前言

遼河流域的渾河中部城市群是遼寧乃至東北老工業(yè)區(qū)振興的核心區(qū)域，隨著工業(yè)化并模進(jìn)程的高速發(fā)展，流域內(nèi)工業(yè)園區(qū)正在蓬勃興起，隨之產(chǎn)生了大量工業(yè)綜合廢水。該類廢水經(jīng)園區(qū)內(nèi)處理后，仍含有大量極難降解的有機(jī)污染物，水質(zhì)可生化性極差，給所匯入的城鎮(zhèn)污水處理廠帶來(lái)較大的處理難度并造成干擾，直接導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)的問題[1~3]。與此同時(shí)，流域水環(huán)境質(zhì)量改善的需求對(duì)污水處理廠出水提出了更加嚴(yán)格的要求，根據(jù)遼寧省環(huán)保局與遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局聯(lián)合頒布的《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，市級(jí)以上污水處理廠出水COD(chemicaloxygendemand)、NH3-N(氨氮)和TN(總氮)的濃度要達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，故污水廠目前亟需結(jié)合現(xiàn)有處理工藝進(jìn)行升級(jí)改造研究，實(shí)現(xiàn)工業(yè)綜合廢水的達(dá)標(biāo)排放[4~8]。

曝氣生物濾池工藝由于其占地面積小、處理效果好等特點(diǎn)，在遼河流域內(nèi)的污水處理廠尚占有一定的比例，出水基本達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但隨著難降解工業(yè)綜合廢水的匯入，導(dǎo)致濾池板結(jié)堵塞、生物膜脫落等現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對(duì)工業(yè)綜合廢水存在的問題和曝氣生物濾池的特點(diǎn)，進(jìn)行了水解酸化和氣浮除油的預(yù)處理研究，以及化學(xué)除磷和前置反硝化深度脫氮研究，使其出水達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，為該類污水廠的升級(jí)改造提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持[9～13]。

2試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)水質(zhì)

該研究選取沈陽(yáng)市鐵西區(qū)某污水處理廠，該污水廠日處理水量40萬(wàn)t，其中60%以上的進(jìn)水為工業(yè)綜合廢水。如表1所示，從污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)來(lái)看，其有機(jī)污染物和固體懸浮物(SS)濃度都比較高，經(jīng)過水廠現(xiàn)有的兩級(jí)曝氣生物濾池工藝處理，出水基本上能夠達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)比一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，一方面需要進(jìn)一步去除水中的COD、SS和NH3-N;另一方面還需要增加脫氮除磷的功能。

2.2試驗(yàn)裝置

針對(duì)工業(yè)綜合廢水的特性以及污水處理廠現(xiàn)有工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了深度處理的全流程工藝，中試裝置主要包括混凝池、氣浮池、水解沉淀池和前置反硝化曝氣生物濾池4個(gè)處理單元。

如圖1所示，其中絮凝池柱高1.6m，直徑0.6m，原水和混凝劑溶液均從距底部1.2m處注入，內(nèi)設(shè)JJ-1大功率電動(dòng)攪拌器，使原水和混凝劑充分混合，以去除原水中的SS和TP;溶藥池采用相同設(shè)計(jì)參數(shù)，同樣使用攪拌器使固體混凝劑充分溶解為液狀，并由蠕動(dòng)泵注入絮凝池;氣浮池接觸室高2.2m，直徑0.12m，分離室高2.4m，直徑0.32m，加入混凝劑的原水使用DP-130高壓隔膜泵、與空氣充分混合的回流液使用尼克尼20FPD04Z氣液混合泵從接觸室底部共同注入，經(jīng)分離室將其中的泡沫殘?jiān)コ?，并從頂部平臺(tái)排出;水解沉淀池柱高4.5m，直徑0.5m，盛裝厭氧污泥，污水從底部注入，經(jīng)污泥層去除部分SS和COD;前置反硝化曝氣生物濾池使用柱高4.3m，直徑0.5m的有機(jī)玻璃濾柱填裝火山巖濾料，濾柱中的火山巖濾料粒徑分別為6～8mm、4～6mm和3～5mm，其中承托層高0.3m，濾料高4.0m，水面超高1.0m，設(shè)計(jì)三級(jí)生物濾柱分別為反硝化DN池、氧化硝化CN池和硝化N池，即分別進(jìn)行反硝化、氧化和硝化反應(yīng)，對(duì)污水中的TN、COD和NH3-N進(jìn)行生化去除，CN池和N池使用空壓機(jī)進(jìn)行曝氣，三級(jí)濾柱均采用向上流方式，使用高壓隔膜泵從底部注水。中試裝置日處理水量2t。

2.3水質(zhì)分析方法

TN的測(cè)試采用過硫酸鉀氧化法，NH3-N的測(cè)試采用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮的測(cè)試采用麝香草酚分光光度法，亞硝酸鹽氮的測(cè)試采用N(-1-奈基)-乙二胺分光光度法，COD的測(cè)試采用重鉻酸鉀法，DO(溶解氧)的測(cè)試使用溶解氧快速測(cè)定儀[14]。

3試驗(yàn)結(jié)則蔽讓果與分析

3.1運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

3.1.1水解酸化預(yù)處理

水解酸化單元的作用是在進(jìn)一步去除水中COD和SS濃度的同時(shí)，提高水質(zhì)的可生化性[15~17]，其主要控制參數(shù)為HRT(水力停留時(shí)間)。現(xiàn)通過對(duì)進(jìn)出水COD、SS濃度以及BOD/COD的檢測(cè)與分析優(yōu)化HRT。

如圖2所示，當(dāng)HRT在2.0h以下時(shí)，COD的去除率不足30.0%，由于時(shí)間較短，這部分去除的主要是水中懸浮狀COD。而隨著HRT的逐漸提高，水中難降解有機(jī)污染物在水解和發(fā)酵細(xì)菌的作用下，轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、脂肪酸等小分子、易降解的有機(jī)物[18~20]，COD的去除率也不斷升高，達(dá)到50%以上。隨著出水COD濃度的不斷下降，出水BOD的濃度也隨之下降，但由于工業(yè)廢水中的難降解有機(jī)物濃度所在比例較高，出水COD濃度下降的速率要高于出水BOD濃度下降的速率，出水BOD/COD的比值也隨之升高。如圖3所示，進(jìn)水BOD/COD的值基本在0.3～0.4，當(dāng)HRT大于2.0h時(shí)，出水BOD/COD的值升至0.4以上。而當(dāng)HRT大于4.0h時(shí)，水中的難降解有機(jī)物已完成水解，出水COD的去除率變化不大，BOD/COD的值也開始回落。所以，當(dāng)HRT介于2.0～4.0h時(shí)，出水BOD/COD的值保持在0.4以上，屬于較易進(jìn)行生化處理的范圍，有助于后續(xù)生物濾池的進(jìn)一步處理?？紤]到在流量不變的條件下，構(gòu)筑物的體積會(huì)隨著HRT的升高而增大，故確定水解酸化的HRT為2.0h。

此外，水解池對(duì)原水中的SS也有較強(qiáng)的去除能力。由于工業(yè)綜合廢水中含有較多的粘渣和懸浮物，雖然通過混凝氣浮工藝可以去除50.0%，但出水的SS濃度仍在60.0mg/L，如果這些SS直接進(jìn)入濾池，將會(huì)增加濾池的反沖洗次數(shù)。經(jīng)過水解池厭氧污泥層對(duì)水中顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)的截留和吸附作用，出水的SS得到進(jìn)一步的去除，其濃度基本保持在40.0mg/L以下，去除率在44.0%以上。由于水解池對(duì)SS的去除主要是通過截留和吸附作用，故過長(zhǎng)的HRT對(duì)SS的去除并無(wú)明顯的效果，所以對(duì)于占地面積有限的污水處理廠，水解池在升級(jí)改造過程中完全可以取代初沉池，起到初級(jí)去除原水中的SS和COD的作用。

3.1.2強(qiáng)化化學(xué)除磷

試驗(yàn)選用Al(2SO4)3、聚合氯化鋁(PAC)、FeCl3和聚合硫酸鐵(PFS)四種常用的混凝劑，通過對(duì)原水以及出水中TP濃度的考察，確定使用PFS為強(qiáng)化化學(xué)除磷試驗(yàn)的混凝劑，并對(duì)其投藥量和攪拌時(shí)間兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[21~24]。

如圖4所示，隨著混凝劑PFS投加量的增加，水中TP的濃度不斷減少。當(dāng)投藥量達(dá)到30.0mg/L時(shí)，水中TP的濃度已低于0.5mg/L，去除率達(dá)到75.0%以上。根據(jù)鐵鹽除磷的化學(xué)方程式可知，每去除1mg的P，需要1.8mg的Fe。原水中TP的濃度在1mg/L至4mg/L，若使出水TP濃度小于0.5mg/L，最多需要12.0mg/L的硫酸鐵，以至少40.0%有效成分計(jì)算，需要30.0mg/L。考慮水解等因素，最終選定投藥量為40.0mg/L，此時(shí)的出水TP濃度為0.3mg/L?？梢员ＷC出水水質(zhì)符合一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

確定PFS的投藥量后，對(duì)攪拌時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。在投藥量40.0mg/L條件下，改變攪拌時(shí)間，測(cè)定出水TP濃度。攪拌時(shí)間及進(jìn)出水TP濃度和去除率如圖5所示，隨著攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，水中TP的濃度不斷減少。時(shí)間從5.0min增加到15.0min，水中TP的去除率提高了5.1%，而從15.0min增加到30.0min，去除率僅提高了2.0%，故過長(zhǎng)的攪拌時(shí)間對(duì)TP的去除并無(wú)顯著的效果，反而會(huì)增加額外的能源消耗和構(gòu)筑物的建筑體積。由于出水TP濃度均小于國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求的0.5mg/L，故從運(yùn)行成本上考慮，確定最佳攪拌時(shí)間為15min。

3.1.3高效氣浮除油

原水與混凝劑PFS混合后進(jìn)入氣浮池，目的是將水中造成濾池堵塞的油污以及混凝產(chǎn)生的泡沫殘?jiān)コ飧〕夭捎眉訅喝軞鈿飧》绞?，主要有溶氣壓力和回流比兩個(gè)控制參數(shù)，通過對(duì)進(jìn)出水含油量的檢測(cè)分析，優(yōu)化氣浮單元的運(yùn)行參數(shù)[25，26]。溶氣壓力對(duì)油類去除的影響如圖6所示，出水含油量隨溶氣壓力的變化趨勢(shì)可分為三個(gè)階段。

當(dāng)壓力小于2kg/cm2時(shí)，氣浮形成的氣泡粒徑還較大，對(duì)水中絮狀顆粒的去除能力有限。在壓力增加到3.5kg/cm2的過程中，隨著氣泡粒徑的減小，氣浮的去除能力也有了顯著的提高。但此后即便形成氣泡的粒徑不斷減小，出水含油量卻不再降低，這說明并非氣泡粒徑越小氣浮效果越好，而是當(dāng)氣泡粒徑和水中雜質(zhì)粒徑越接近時(shí)效果越好。一般的，氣浮工藝的微氣泡平均粒徑在40.0μm左右，從試驗(yàn)中可以看出，當(dāng)溶氣壓力為3.5kg/cm2時(shí)就可以取得較好的去除效果，此時(shí)出水含油量為2.73mg/L，去除率為84.6%，而過高的溶氣壓力只會(huì)增加動(dòng)力的輸出和電能的消耗。

回流比對(duì)含油量的去除影響如圖7所示，氣浮的去除效果受回流比的影響較大。當(dāng)回流比低于30%時(shí)，由于形成的氣泡較少，對(duì)水中油類的去除能力較差。當(dāng)回流比增大到30.0%～50.0%時(shí)，氣浮的去除效果達(dá)到最佳。而當(dāng)回流比增大到50.0%以上時(shí)，去除率卻出現(xiàn)下降，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于水中空氣比例過高，微氣泡聚合成粒徑較大的氣泡，導(dǎo)致氣浮效果變差。故確定氣浮除油的回流比為50.0%，此時(shí)出水含油量為3.12mg/L，去除率為82.9%。

3.1.4A/O深度脫氮

脫氮單元采用前置反硝化曝氣生物濾池。其控制參數(shù)主要有回流比、HRT和曝氣量，通過對(duì)出水COD、TN、NH3-N和DO的檢測(cè)，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

回流比是前置反硝化脫氮工藝中最為重要的控制參數(shù)，它直接影響水中TN的去除效果。根據(jù)中試設(shè)計(jì)中的BOD負(fù)荷和硝化負(fù)荷計(jì)算以及COD負(fù)荷校核，在單池HRT為45.0min，氣水比為5∶1的條件下，出水可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放，首先在50%～250%的范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)回流比進(jìn)行考察。如圖8所示，當(dāng)回流比從50%增加到150%時(shí)，出水TN的濃度在不斷下降，TN的去除率也不斷提高。這是由于在回流比較低時(shí)，水中作為電子受體的硝酸鹽不足，影響了反硝化的速率，而隨著回流比的升高，有足夠的硝酸鹽作為電子受體，并利用水中的有機(jī)物作為電子供體，在無(wú)需外加碳源的條件下，完成反硝化和深度脫氮的目的。但回流比從150%繼續(xù)升高時(shí)，出水TN的濃度卻不再繼續(xù)降低，增加到200%時(shí)TN的去除率已呈下降趨勢(shì)。一方面，隨著硝酸鹽濃度的不斷升高，造成水中的碳源不足進(jìn)而影響反硝化的進(jìn)行;另一方面，隨著回流比的增加，進(jìn)入DN池的溶解氧也在增加，而溶解氧可作為電子受體，競(jìng)爭(zhēng)性的阻礙硝酸鹽的還原，同時(shí)還將抑制硝酸鹽還原酶的形成。由于回流比和HRT越高所需反應(yīng)池構(gòu)筑物容積越大，從水廠實(shí)際升級(jí)改造工程考慮，對(duì)100%、125%、150%和175%四個(gè)回流比以及各個(gè)回流比下出水TN隨HRT的變化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

增加，出水TN的濃度也隨之降低，微生物對(duì)基質(zhì)的去除率也越高。但一般的，當(dāng)HRT增加到20.0min以上時(shí)，出水TN濃度的下降趨勢(shì)以及去除率的增加都變得平緩，而且所需的構(gòu)筑物體積也在不斷增加。為了確保出水TN濃度達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求15.0mg/L以下時(shí)，選擇回流比為125%，HRT為20.0min的參數(shù)條件，此時(shí)出水TN濃度為12.74mg/L，去除率為67.0%。

溶解氧是維持好氧微生物生長(zhǎng)代謝的重要因素，對(duì)于曝氣生物濾池來(lái)說，水中溶解氧的供給，即空壓機(jī)的曝氣量也是主要的能源消耗所在，過低的曝氣量將降低微生物的新陳代謝能力;而過高的曝氣量一方面會(huì)造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，一方面又會(huì)導(dǎo)致微生物的活性過度增強(qiáng)，在營(yíng)養(yǎng)供給不足的情況下，導(dǎo)致生物膜發(fā)生自身的氧化分解。試驗(yàn)通過對(duì)CN池進(jìn)水COD濃度以及去除率的監(jiān)測(cè)，對(duì)曝氣量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。如圖10所示，隨著曝氣量的增加，出水COD的濃度隨之不斷下降，去除率也在不斷提高。但在曝氣量增加到0.8m3/h時(shí)，兩項(xiàng)指標(biāo)的變化都不大，這說明過多的曝氣量和溶解氧對(duì)于COD的去除已無(wú)太大作用，只會(huì)增加動(dòng)力費(fèi)用。故確定CN池的曝氣量為0.8m3/h，此時(shí)出水DO濃度在2.5mg/L左右，氣水比為4∶1。CN池的出水已有較高的DO濃度，如圖11所示，在進(jìn)入N池后，在較低曝氣量的條件下，對(duì)水中的NH3-N便有較高的去除率。同出水COD濃度的變化率相似，出水NH3-N濃度也隨著曝氣量提高而不斷降低，為了達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，確定N池的曝氣量為0.6m3/h，此時(shí)出水DO濃度在3.0mg/L左右，氣水比為3∶1。

3.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該污水處理廠目前擁有日處理水量4×105t的兩級(jí)曝氣生物濾池一套，單池HRT為45.0min，兩級(jí)濾池氣水比分別為3∶1和4∶1。根據(jù)中試研究結(jié)果，如采用前置反硝化曝氣生物濾池工藝，需要增加125%的回流液，但由于HRT減少至20.0min，根據(jù)計(jì)算同樣可以利用現(xiàn)有兩級(jí)濾池分別作為CN池和N池，并有少量的富余，只需增加一套前置DN池，以及回流管道，同時(shí)還需對(duì)水泵和曝氣風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行更換，如圖12所示。如采用后置反硝化曝氣生物濾池工藝，可將現(xiàn)有兩級(jí)濾池分別作為CN池和N池，另外還需修建一套DN池，以及甲醇投加和儲(chǔ)備間，同時(shí)要對(duì)曝氣風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行更換，如圖13所示，虛線部分為新建構(gòu)筑物。

根據(jù)中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《全國(guó)市政工程投資估算指標(biāo)》以及遼寧省建筑、安裝、市政工程預(yù)算定額、費(fèi)用定額和近年來(lái)的同類工程預(yù)、決算資料分別對(duì)兩種工藝流程升級(jí)改造的建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行估算，如表2所示。

經(jīng)過經(jīng)濟(jì)費(fèi)用估算，前置反硝化工藝較后置反硝化工藝，在投資總費(fèi)用方面，由于構(gòu)筑物建設(shè)和設(shè)備購(gòu)置原因要高出1330.12萬(wàn)元;而在年運(yùn)行費(fèi)用方面，由于無(wú)需外加碳源則要低1915.01萬(wàn)元。即在升級(jí)改造完成后第2年，兩工藝的建設(shè)和運(yùn)行總費(fèi)用將會(huì)基本持平，此后前置反硝化工藝較之后置反硝化工藝每年將節(jié)省大量的運(yùn)行成本，故從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，推薦采用前置反硝化作為水廠的深度脫氮工藝。

通過工業(yè)綜合廢水深度處理全流程工藝的中試研究，結(jié)合該污水處理廠現(xiàn)有工藝情況，制定了升級(jí)改造的工藝路線，如圖14所示。

4結(jié)語(yǔ)

1)由于工業(yè)綜合廢水具有高油高粘渣、可生化性差又極難降解的問題，在對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)需要增加必要的預(yù)處理工藝。通過中試研究表明，高效氣浮除油工藝可以有效去除廢水中的油污、粘渣等雜質(zhì);水解酸化工藝一方面能夠有效提高水質(zhì)的可生化性，同時(shí)還能有效去除水中的SS，具有良好的預(yù)處理效果。在氣浮溶氣壓力3.5kg/cm2、回流比50%、水解酸化HRT2.0h條件下，能夠去除原水中40%的有機(jī)污染物，并將原水的BOD/COD提高至0.4以上。

2)通過對(duì)比試驗(yàn)研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，前置反硝化深度脫氮工藝對(duì)于以曝氣生物濾池為主體的污水廠升級(jí)改造具有更廣泛的應(yīng)用前景，在節(jié)省大量運(yùn)行成本的前提下，充分利用原水中的碳源，實(shí)現(xiàn)污水的深度脫氮。在回流比為125%，HRT為20.0min的條件下，出水TN和NH3-N濃度均穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)通過中試研究，研發(fā)了針對(duì)工業(yè)綜合廢水的“化學(xué)除磷+氣浮除油+水解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池”的深度處理全流程工藝。長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該工藝對(duì)于難降解、波動(dòng)幅度大的工業(yè)廢水，具有較好的抗沖擊能力和處理效果，出水能夠穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

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