曝氣生物濾池處理工業綜合廢水提標改造技術研究？
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區振興的核心區域，隨著工業化進程的高速發展，流域內工業園區正在蓬勃興起，隨之產生了大量工業綜合廢水。該類廢水經園區內處理後，仍含有大量極難降解的有機汙染物，水質可生化性極差，給所匯入的城鎮汙水處理廠帶來較大的處理難度並造成幹擾，直接導致出水不達標的問題[1~3]。與此同時，流域水環境質量改善的需求對汙水處理廠出水提出了更加嚴格的要求，根據遼寧省環保局與遼寧省質量技術監督局聯合頒布的《遼寧省汙水綜合排放標準》的要求，市級以上汙水處理廠出水COD(chemicaloxygendemand)、NH3-N(氨氮)和TN(總氮)的濃度要達到國家壹級A排放標準，故汙水廠目前亟需結合現有處理工藝進行升級改造研究，實現工業綜合廢水的達標排放[4~8]。
曝氣生物濾池工藝由於其占地面積小、處理效果好等特點，在遼河流域內的汙水處理廠尚占有壹定的比例，出水基本達到二級排放標準，但隨著難降解工業綜合廢水的匯入，導致濾池板結堵塞、生物膜脫落等現象的產生。針對工業綜合廢水存在的問題和曝氣生物濾池的特點，進行了水解酸化和氣浮除油的預處理研究，以及化學除磷和前置反硝化深度脫氮研究，使其出水達到壹級A排放標準，為該類汙水廠的升級改造提供理論依據和數據支持[9～13]。
2試驗裝置與試驗方法
2.1試驗水質
該研究選取沈陽市鐵西區某汙水處理廠，該汙水廠日處理水量40萬t，其中60%以上的進水為工業綜合廢水。如表1所示，從汙水處理廠的進水水質指標來看，其有機汙染物和固體懸浮物(SS)濃度都比較高，經過水廠現有的兩級曝氣生物濾池工藝處理，出水基本上能夠達到國家二級排放標準，但對比壹級A標準，壹方面需要進壹步去除水中的COD、SS和NH3-N;另壹方面還需要增加脫氮除磷的功能。
2.2試驗裝置
針對工業綜合廢水的特性以及汙水處理廠現有工藝特點，設計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、水解沈澱池和前置反硝化曝氣生物濾池4個處理單元。
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處註入，內設JJ-1大功率電動攪拌器，使原水和混凝劑充分混合，以去除原水中的SS和TP;溶藥池采用相同設計參數，同樣使用攪拌器使固體混凝劑充分溶解為液狀，並由蠕動泵註入絮凝池;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***同註入，經分離室將其中的泡沫殘渣去除，並從頂部平臺排出;水解沈澱池柱高4.5m，直徑0.5m，盛裝厭氧汙泥，汙水從底部註入，經汙泥層去除部分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，設計三級生物濾柱分別為反硝化DN池、氧化硝化CN池和硝化N池，即分別進行反硝化、氧化和硝化反應，對汙水中的TN、COD和NH3-N進行生化去除，CN池和N池使用空壓機進行曝氣，三級濾柱均采用向上流方式，使用高壓隔膜泵從底部註水。中試裝置日處理水量2t。
2.3水質分析方法
TN的測試采用過硫酸鉀氧化法，NH3-N的測試采用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮的測試采用麝香草酚分光光度法，亞硝酸鹽氮的測試采用N(-1-奈基)-乙二胺分光光度法，COD的測試采用重鉻酸鉀法，DO(溶解氧)的測試使用溶解氧快速測定儀[14]。
3試驗結果與分析
3.1運行參數優化
3.1.1水解酸化預處理
水解酸化單元的作用是在進壹步去除水中COD和SS濃度的同時，提高水質的可生化性[15~17]，其主要控制參數為HRT(水力停留時間)。現通過對進出水COD、SS濃度以及BOD/COD的檢測與分析優化HRT。
如圖2所示，當HRT在2.0h以下時，COD的去除率不足30.0%，由於時間較短，這部分去除的主要是水中懸浮狀COD。而隨著HRT的逐漸提高，水中難降解有機汙染物在水解和發酵細菌的作用下，轉化為單糖、氨基酸、脂肪酸等小分子、易降解的有機物[18~20]，COD的去除率也不斷升高，達到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，但由於工業廢水中的難降解有機物濃度所在比例較高，出水COD濃度下降的速率要高於出水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，進水BOD/COD的值基本在0.3～0.4，當HRT大於2.0h時，出水BOD/COD的值升至0.4以上。而當HRT大於4.0h時，水中的難降解有機物已完成水解，出水COD的去除率變化不大，BOD/COD的值也開始回落。所以，當HRT介於2.0～4.0h時，出水BOD/COD的值保持在0.4以上，屬於較易進行生化處理的範圍，有助於後續生物濾池的進壹步處理。考慮到在流量不變的條件下，構築物的體積會隨著HRT的升高而增大，故確定水解酸化的HRT為2.0h。
此外，水解池對原水中的SS也有較強的去除能力。由於工業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直接進入濾池，將會增加濾池的反沖洗次數。經過水解池厭氧汙泥層對水中顆粒物質和膠體物質的截留和吸附作用，出水的SS得到進壹步的去除，其濃度基本保持在40.0mg/L以下，去除率在44.0%以上。由於水解池對SS的去除主要是通過截留和吸附作用，故過長的HRT對SS的去除並無明顯的效果，所以對於占地面積有限的汙水處理廠，水解池在升級改造過程中完全可以取代初沈池，起到初級去除原水中的SS和COD的作用。
3.1.2強化化學除磷
試驗選用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，通過對原水以及出水中TP濃度的考察，確定使用PFS為強化化學除磷試驗的混凝劑，並對其投藥量和攪拌時間兩個參數進行優化[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。當投藥量達到30.0mg/L時，水中TP的濃度已低於0.5mg/L，去除率達到75.0%以上。根據鐵鹽除磷的化學方程式可知，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濃度小於0.5mg/L，最多需要12.0mg/L的硫酸鐵，以至少40.0%有效成分計算，需要30.0mg/L。考慮水解等因素，最終選定投藥量為40.0mg/L，此時的出水TP濃度為0.3mg/L。可以保證出水水質符合壹級A排放標準的要求。
確定PFS的投藥量後，對攪拌時間進行了優化。在投藥量40.0mg/L條件下，改變攪拌時間，測定出水TP濃度。攪拌時間及進出水TP濃度和去除率如圖5所示，隨著攪拌時間的增長，水中TP的濃度不斷減少。時間從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%，故過長的攪拌時間對TP的去除並無顯著的效果，反而會增加額外的能源消耗和構築物的建築體積。由於出水TP濃度均小於國家壹級A標準要求的0.5mg/L，故從運行成本上考慮，確定最佳攪拌時間為15min。
3.1.3高效氣浮除油
原水與混凝劑PFS混合後進入氣浮池，目的是將水中造成濾池堵塞的油汙以及混凝產生的泡沫殘渣去除。氣浮池采用加壓溶氣氣浮方式，主要有溶氣壓力和回流比兩個控制參數，通過對進出水含油量的檢測分析，優化氣浮單元的運行參數[25，26]。溶氣壓力對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可分為三個階段。
當壓力小於2kg/cm2時，氣浮形成的氣泡粒徑還較大，對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。但此後即便形成氣泡的粒徑不斷減小，出水含油量卻不再降低，這說明並非氣泡粒徑越小氣浮效果越好，而是當氣泡粒徑和水中雜質粒徑越接近時效果越好。壹般的，氣浮工藝的微氣泡平均粒徑在40.0μm左右，從試驗中可以看出，當溶氣壓力為3.5kg/cm2時就可以取得較好的去除效果，此時出水含油量為2.73mg/L，去除率為84.6%，而過高的溶氣壓力只會增加動力的輸出和電能的消耗。
回流比對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。當回流比低於30%時，由於形成的氣泡較少，對水中油類的去除能力較差。當回流比增大到30.0%～50.0%時，氣浮的去除效果達到最佳。而當回流比增大到50.0%以上時，去除率卻出現下降，經分析認為這是由於水中空氣比例過高，微氣泡聚合成粒徑較大的氣泡，導致氣浮效果變差。故確定氣浮除油的回流比為50.0%，此時出水含油量為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。其控制參數主要有回流比、HRT和曝氣量，通過對出水COD、TN、NH3-N和DO的檢測，對各個參數進行優化。
回流比是前置反硝化脫氮工藝中最為重要的控制參數，它直接影響水中TN的去除效果。根據中試設計中的BOD負荷和硝化負荷計算以及COD負荷校核，在單池HRT為45.0min，氣水比為5∶1的條件下，出水可穩定實現壹級A達標排放，首先在50%～250%的範圍內對參數回流比進行考察。如圖8所示，當回流比從50%增加到150%時，出水TN的濃度在不斷下降，TN的去除率也不斷提高。這是由於在回流比較低時，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，並利用水中的有機物作為電子供體，在無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%繼續升高時，出水TN的濃度卻不再繼續降低，增加到200%時TN的去除率已呈下降趨勢。壹方面，隨著硝酸鹽濃度的不斷升高，造成水中的碳源不足進而影響反硝化的進行;另壹方面，隨著回流比的增加，進入DN池的溶解氧也在增加，而溶解氧可作為電子受體，競爭性的阻礙硝酸鹽的還原，同時還將抑制硝酸鹽還原酶的形成。由於回流比和HRT越高所需反應池構築物容積越大，從水廠實際升級改造工程考慮，對100%、125%、150%和175%四個回流比以及各個回流比下出水TN隨HRT的變化進行進壹步研究。
增加，出水TN的濃度也隨之降低，微生物對基質的去除率也越高。但壹般的，當HRT增加到20.0min以上時，出水TN濃度的下降趨勢以及去除率的增加都變得平緩，而且所需的構築物體積也在不斷增加。為了確保出水TN濃度達到壹級A排放標準要求15.0mg/L以下時，選擇回流比為125%，HRT為20.0min的參數條件，此時出水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代謝的重要因素，對於曝氣生物濾池來說，水中溶解氧的供給，即空壓機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;而過高的曝氣量壹方面會造成經濟的浪費，壹方面又會導致微生物的活性過度增強，在營養供給不足的情況下，導致生物膜發生自身的氧化分解。試驗通過對CN池進水COD濃度以及去除率的監測，對曝氣量進行參數優化。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，兩項指標的變化都不大，這說明過多的曝氣量和溶解氧對於COD的去除已無太大作用，只會增加動力費用。故確定CN池的曝氣量為0.8m3/h，此時出水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，在進入N池後，在較低曝氣量的條件下，對水中的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，為了達到壹級A排放標準，確定N池的曝氣量為0.6m3/h，此時出水DO濃度在3.0mg/L左右，氣水比為3∶1。
3.2技術經濟分析
該汙水處理廠目前擁有日處理水量4×105t的兩級曝氣生物濾池壹套，單池HRT為45.0min，兩級濾池氣水比分別為3∶1和4∶1。根據中試研究結果，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，但由於HRT減少至20.0min，根據計算同樣可以利用現有兩級濾池分別作為CN池和N池，並有少量的富余，只需增加壹套前置DN池，以及回流管道，同時還需對水泵和曝氣風機設備進行更換，如圖12所示。如采用後置反硝化曝氣生物濾池工藝，可將現有兩級濾池分別作為CN池和N池，另外還需修建壹套DN池，以及甲醇投加和儲備間，同時要對曝氣風機設備進行更換，如圖13所示，虛線部分為新建構築物。
根據中華人民***和國住房和城鄉建設部頒布的《全國市政工程投資估算指標》以及遼寧省建築、安裝、市政工程預算定額、費用定額和近年來的同類工程預、決算資料分別對兩種工藝流程升級改造的建設成本和運行費用進行估算，如表2所示。
經過經濟費用估算，前置反硝化工藝較後置反硝化工藝，在投資總費用方面，由於構築物建設和設備購置原因要高出1330.12萬元;而在年運行費用方面，由於無需外加碳源則要低1915.01萬元。即在升級改造完成後第2年，兩工藝的建設和運行總費用將會基本持平，此後前置反硝化工藝較之後置反硝化工藝每年將節省大量的運行成本，故從長遠考慮，推薦采用前置反硝化作為水廠的深度脫氮工藝。
通過工業綜合廢水深度處理全流程工藝的中試研究，結合該汙水處理廠現有工藝情況，制定了升級改造的工藝路線，如圖14所示。
4結語
1)由於工業綜合廢水具有高油高粘渣、可生化性差又極難降解的問題，在對其進行處理時需要增加必要的預處理工藝。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汙、粘渣等雜質;水解酸化工藝壹方面能夠有效提高水質的可生化性，同時還能有效去除水中的SS，具有良好的預處理效果。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%的有機汙染物，並將原水的BOD/COD提高至0.4以上。
2)通過對比試驗研究和技術經濟分析，前置反硝化深度脫氮工藝對於以曝氣生物濾池為主體的汙水廠升級改造具有更廣泛的應用前景，在節省大量運行成本的前提下，充分利用原水中的碳源，實現汙水的深度脫氮。在回流比為125%，HRT為20.0min的條件下，出水TN和NH3-N濃度均穩定達到壹級A排放標準。
3)通過中試研究，研發了針對工業綜合廢水的“化學除磷+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。長期運行數據表明，該工藝對於難降解、波動幅度大的工業廢水，具有較好的抗沖擊能力和處理效果，出水能夠穩定達到國家壹級A排放標準。
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