淺析混酸廢水生化深度處理設(shè)計(jì)

韓 鋒 孫小紅

(山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030009)

1 概述

我國(guó)是一個(gè)能源和水資源緊缺的國(guó)家。隨著生產(chǎn)技術(shù)和人民生活水平的不斷提高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了環(huán)境的污染，造成了環(huán)境質(zhì)量惡化。

鋼板酸洗生產(chǎn)工藝中，采用HNO3和HF混酸方法進(jìn)行鋼板表面清洗，產(chǎn)生的混酸酸洗廢水經(jīng)中和處理后，生產(chǎn)廢水中仍含大量的硝態(tài)氮。

為堅(jiān)持可持續(xù)性發(fā)展的理念，同時(shí)從公司長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，強(qiáng)化節(jié)能減排，增強(qiáng)廢水治理能力，需對(duì)經(jīng)中和處理后的混酸酸洗廢水進(jìn)行脫氮處理，進(jìn)一步完善環(huán)保設(shè)施和節(jié)水減污項(xiàng)目，保證企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 廢水處理工藝

2.1 工藝過程簡(jiǎn)介

現(xiàn)廢水處理廠主要處理來自HNO3和HF混酸對(duì)不銹鋼進(jìn)行表面清洗單元排出的含酸廢水，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為90 m3/h。經(jīng)一期中和、沉淀、澄清后的清水通過泵輸送至新建調(diào)節(jié)池，經(jīng)調(diào)節(jié)池均質(zhì)均量之后由泵加壓進(jìn)入中和池，在經(jīng)過兩次中和調(diào)節(jié)之后廢水的pH調(diào)節(jié)至6～8，然后進(jìn)入溫控池。經(jīng)冷卻塔降溫后的廢水進(jìn)二級(jí)AO系統(tǒng)，通過向二級(jí)AO系統(tǒng)內(nèi)投加磷酸和甲醇，以保持生化脫氮正常所需的碳磷。經(jīng)二級(jí)AO系統(tǒng)脫氮后的廢水進(jìn)入脫氣池，經(jīng)攪拌，脫除消化液中的溶解氧，并進(jìn)一步去除多余的COD后自流進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，上清液最終經(jīng)過清水池達(dá)標(biāo)排放，沉淀池剩余污泥采用剩余污泥泵排出體系。

1)調(diào)節(jié)池。

調(diào)節(jié)池位于整個(gè)水處理系統(tǒng)的地下1層，有效容積為1 316 m3，水力停留時(shí)間約為14 h，能對(duì)進(jìn)水有較好的均質(zhì)均量作用，對(duì)進(jìn)水有一定的抗沖擊性，由于進(jìn)水不是中性，故需要對(duì)調(diào)節(jié)池池壁做防腐處理。調(diào)節(jié)池頂部加有封蓋，作為第二層的樓板。為了達(dá)到均質(zhì)的作用，有效利用其容積，需要對(duì)調(diào)節(jié)池里的污水進(jìn)行攪拌，常用的攪拌方式有兩種，穿孔管曝氣攪拌，機(jī)械攪拌，由于進(jìn)水鈣硬度達(dá)到了4 980 mg/L，極易結(jié)垢堵塞穿孔管，且池頂密閉，不便維修，故采用機(jī)械攪拌方式。機(jī)械攪拌中槳式攪拌機(jī)成本高，且不易維修，故選擇了維修方便，成本較低的潛水?dāng)嚢铏C(jī)，同時(shí)在池頂樓板上開維修口，可解決調(diào)節(jié)池?cái)嚢鑶栴}，由于長(zhǎng)期在水中工作，潛水?dāng)嚢铏C(jī)采用了不銹鋼材質(zhì)。

2)中和池。

由于進(jìn)水并非呈中性，不利于微生物的生長(zhǎng)，且為了降低后續(xù)池體的防腐成本，采用兩級(jí)中和池對(duì)污水的pH值進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)以使污水呈中性。本設(shè)計(jì)采用鹽酸進(jìn)行調(diào)節(jié)是因?yàn)榭紤]到水中有大量的鈣硬度，用硫酸進(jìn)行pH調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的SS，使水質(zhì)更加惡化，不利于微生物的生長(zhǎng)。中和池的池壁亦要做防腐處理。中和池在中和過程中需要對(duì)污水進(jìn)行攪拌，強(qiáng)化pH值調(diào)節(jié)的效果，但由于污水中大量的鈣硬度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，普通金屬不耐磨損，在使用過程中很快就會(huì)損壞，故選擇了高硬度合金2205作為槳葉，后續(xù)溫控池，一級(jí)反硝化池，二級(jí)反硝化池中的攪拌器均選用這種合金作為槳葉。

3)溫控池。

夏季進(jìn)水的溫度在40 ℃左右，如此高溫會(huì)抑制微生物的活性，使整個(gè)硝化反硝化系統(tǒng)的能力下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)的處理能力，所以增加溫控池，通過冷卻塔來降低污水溫度以滿足微生物的生存需求最適溫度。

冬季時(shí)，天津最冷月一月平均溫度為-2 ℃，此時(shí)微生物的生長(zhǎng)極其緩慢，在對(duì)三層水池增加頂蓋的基礎(chǔ)上，必要時(shí)還需要在溫控池中通入蒸汽，以保證污水溫度，維持生化處理系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4)生化系統(tǒng)A/O/AO池。

此污水系統(tǒng)中主要污染物為硝態(tài)氮，約為200 mg/L～425 mg/L，脫硝的處理方式為利用微生物的硝化反硝化作用，將硝態(tài)氮反硝化為N2除去，微生物在硝化反硝化過程中需要消耗能量，而此污水中BOD5在27左右，遠(yuǎn)不滿足微生物的脫氮需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)微生物脫除1 mg/L的硝態(tài)氮，需要3 mg/L的BOD5，由此此污水系統(tǒng)中必須添加大量碳源。在碳源的選擇上，我們建議選擇甲醇作為碳源。

主要對(duì)比葡萄糖和甲醇在硝化反硝化過程中的作用。在兩種碳源均充分的情況下，都可以較完全的去除硝酸鹽，但是以葡萄糖為碳源的最佳碳氮比為6∶1～7∶1(葡萄糖∶硝氮)，而甲醇的最佳碳氮比為3∶1(甲醇∶硝氮)，運(yùn)行成本高于甲醇。當(dāng)碳源不足時(shí)，反硝化過程中存在亞硝酸鹽積累現(xiàn)象，且葡萄糖為碳源時(shí)積累更嚴(yán)重，使處理不完全，出水惡化，增加了系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試的難度。另外，以甲醇為碳源進(jìn)行的反硝化速率較以葡萄糖為碳源的快得多，在相同條件下快3倍，相當(dāng)于以葡萄糖為碳源的硝化反硝化系統(tǒng)的水池要比以甲醇為碳源的水池大3倍，成本遠(yuǎn)高于以甲醇作為碳源的硝化反硝化系統(tǒng)。此水處理項(xiàng)目出水水質(zhì)要求CODCr在50 mg/L以下，總氮在15 mg/L以下，對(duì)總氮及CODCr均有要求，所以在葡萄糖加藥量的控制上十分有難度，因此我們建議選擇用量省，反應(yīng)速度快，控制方便的甲醇作為碳源，配合我們豐富的經(jīng)驗(yàn)及高效的管理水平，能夠合理的控制運(yùn)行成本，使出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

在微生物生長(zhǎng)過程中，是同時(shí)需要碳源，氮源，磷源，故在此生化系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要添加一定量的磷酸作為磷源補(bǔ)充進(jìn)系統(tǒng)，滿足微生物的營(yíng)養(yǎng)需求，使系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

在兩級(jí)硝化池中，需要對(duì)水池進(jìn)行曝氣，考慮到污水中較高的鈣硬度產(chǎn)生的結(jié)垢堵塞問題，穿孔管曝氣和微孔曝氣在此系統(tǒng)中均不能使用。我們選擇高效的射流曝氣系統(tǒng)對(duì)兩級(jí)硝化池進(jìn)行曝氣。射流曝氣采用的是立體曝氣，確保池內(nèi)無(wú)死角，池底不沉積，氧利用率高，在25%以上，寬流道、高流速，不易結(jié)垢、堵塞，適用于高鈣廢水的曝氣，使用壽命長(zhǎng)。

5)脫氣池。

污水經(jīng)過A/O/AO硝化反硝化處理之后，需要將硝化液回流至一級(jí)反硝化池，此液體中含有大量的溶解氧，需要在脫氣池除去一部分溶解氧，才能回流至一級(jí)反硝化池，否則，硝化液回流帶來的大量溶解氧會(huì)大大增加甲醇的消耗。為了脫除污水中的溶解氧，需要對(duì)脫氣池中的污水進(jìn)行推流攪拌，我們采用了潛水推流器，其操作方便，易于管理。

6)沉淀池。

污水經(jīng)過生化段處理之后，總氮和CODCr已經(jīng)基本去除，在沉淀池中將污水中的SS以排泥的形式去除。沉淀池的污泥需要以100%的回流比回流至前端的一級(jí)反硝化池，以補(bǔ)充系統(tǒng)中的污泥濃度。沉淀池按二沉池的規(guī)范設(shè)計(jì)，表面負(fù)荷率約為0.59 m3/(m2·h)，采用中心進(jìn)水，周邊溢流堰出水的方式，能對(duì)SS有較好的去除能力。由于場(chǎng)地的限制，我們采用的是外方內(nèi)圓的沉淀池形式，能夠與周邊的水池共壁，減少了土建面積，節(jié)約了成本。

本水處理系統(tǒng)主要廢棄物排放為沉淀池剩余污泥，排放量為7 m3/h，通過現(xiàn)有壓濾機(jī)壓成泥餅，外運(yùn)綜合處置。

2.2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

廢水進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 廢水進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)一覽表

2.3 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

廢水出水主要水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 廢水出水主要水質(zhì)指標(biāo)一覽表

2.4 廢水處理主要構(gòu)筑物

廢水處理主要構(gòu)筑物見表3。

表3 廢水處理主要構(gòu)筑物一覽表

3 碳源選擇

我公司設(shè)計(jì)的脫硝態(tài)氮系統(tǒng)是利用微生物的硝化反硝化作用，微生物在反硝化階段會(huì)消耗BOD，同時(shí)將硝酸根還原為氮?dú)狻Ｓ捎谀壳拔鬯蠦OD含量較低，故需要添加一定量的碳源。

在以甲醇作為碳源進(jìn)行的反硝化速率較以葡萄糖為碳源的反硝化速率快得多，在相同條件下快3倍。在目前的情況下，若采用葡萄糖作為碳源，所有的水池有效容積至少要增大3倍，使目前緊張的可利用土地更加縮減，隨之的土建成本也大量上漲。故采用甲醇作為碳源進(jìn)行硝化反硝化作用在此水處理系統(tǒng)中是最為合適的。

此水處理系統(tǒng)要求出水水質(zhì)CODCr在50 mg/L以下，總氮在15 mg/L以下，對(duì)總氮和CODCr均有較高的要求，所以對(duì)碳源投加量的控制要求十分精確，我公司采用用量省，反應(yīng)速度快，控制方便的甲醇作為碳源，配合我公司豐富的經(jīng)驗(yàn)及高效的管理水平，能夠合理的控制運(yùn)行成本，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

4 主要設(shè)備設(shè)施的選擇

4.1 攪拌器的選擇

在此廢水處理系統(tǒng)中，需要對(duì)中和池，溫控池，一級(jí)反硝化池，二級(jí)反硝化池中的池水進(jìn)行攪拌。

攪拌器的形式為槳葉式攪拌器，槳葉式攪拌器能對(duì)水池中的水進(jìn)行充分的混合，其雷諾系數(shù)高脫氮率快，有利于氮?dú)獾纳伞嚢杵鞯臉~材質(zhì)選用了耐磨損的高硬度合金2205。

4.2 脫氣池

在此水處理系統(tǒng)中，在生化反應(yīng)池A/O/AO后，建造一座脫氣池，其主要目的是脫除廢水中的溶解氧。在硝化反硝化中，硝化液回流量約為200%，回流至一級(jí)反硝化池，若不經(jīng)過脫氣池，直接回流二級(jí)硝化池中的硝化液，會(huì)給一級(jí)反硝化池引入大量的溶解氧，增加甲醇的消耗量，增加了運(yùn)行的成本。硝化液在經(jīng)過脫氣池后，水中溶解氧降低，可以減少回流硝化液中的溶解氧含量，減少甲醇加藥量。

4.3 射流曝氣

在此水處理系統(tǒng)中，一級(jí)硝化池和二級(jí)硝化池需要曝氣，此水處理系統(tǒng)的廢水水質(zhì)中含有大量的鈣硬度，大約為4 980 mg/L，設(shè)計(jì)選擇了高效射流曝氣對(duì)一級(jí)硝化池及二級(jí)硝化池進(jìn)行供氧，同時(shí)起到攪拌作用，增強(qiáng)水池中液體的傳質(zhì)效果，提高了反應(yīng)速率。

5 項(xiàng)目實(shí)施后預(yù)期效果分析

本項(xiàng)目生化系統(tǒng)設(shè)計(jì)各水池，因場(chǎng)地局限性大，需要布置3層結(jié)構(gòu)，1層為半地下式調(diào)節(jié)池，2層為設(shè)備間，3層為生化池，立體式的池體設(shè)計(jì)，增大了生化池的防水設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步提高空間利用率。通過采取射流曝氣設(shè)計(jì)，減少設(shè)備占地面積。本次創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在“寸土寸金”的開發(fā)區(qū)，有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和推廣應(yīng)用價(jià)值。

本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)“硝化—反硝化”生產(chǎn)工藝，優(yōu)化生物營(yíng)養(yǎng)元素的選擇和最佳配比，培養(yǎng)出適合軋鋼酸洗廢水的噬菌體菌膠團(tuán)和優(yōu)勢(shì)菌種，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軋鋼產(chǎn)生的混酸廢水進(jìn)行深度脫氮處理，為軋鋼酸洗廢水深度生化脫氮處理提供了一種新途徑。