某印染工業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,隨著經濟的快速增長,國家對城市環境保護工作提出了更高的要求,國家與地方環保相關部門也出臺了相關污水處理技術的規范和要求更高的排污標準。當前,嘉興市秀洲區工業廢水、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廢水為主的污水處理廠。

根據產業分布,該工業污水處理廠服務對象為印染企業聚集區的印染廢水及生活污水。印染廢水是一種難處理工業廢水,主要來源于預處理、染色、印花、整理等工序,是工業污染防治的重點行業之一[1]。由于紡織印染工藝的快速發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節水有較高的要求,企業印染廢水經過多次處理回用,使得企業排入到集中污水處理廠的難降解有機物濃度提高[2]。目前,采用傳統的二級生化處理工藝,再加上生活污水的稀釋作用,工業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業聚集區污水處理廠工程方案前期研究及工程設計過程。根據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、工程造價及運行成本。最終出水標準滿足《城鎮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境友好型工業污水處理廠建設提供工藝選擇及工程設計經驗。

1 設計進出水水質

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

該工程設計工業廢水進水方式為印染廢水間接排放模式。印染企業廢水間接排放CODCr、BOD5結合實測數據,按照《紡織染整工業水污染物排放標準》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《紡織染整工業水污染物排放標準》(GB 4287—2012)間接排放標準執行。

該工程出水水質標準根據地區環境承載能力及項目環評要求確定,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,以及確定合理經濟的技術參數[5-6]。

2.1 生物處理工藝分析

根據工程進出水水質,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,并優化確定相關設計參數,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污水可生化性的常規措施,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,這對于后續生物處理非常有利。

考慮到該工程進水以印染工業廢水為主,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具有穩定進入生物處理段的水質效果。水解酸化段進水CODCr統計標準偏差為170.7mg/L,水解酸化出水CODCr統計標準偏差為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。考慮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。

(2)出水穩定性: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,中試期間無超標現象,方案二出水穩定性更好。

(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

(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)調節池

矩形鋼筋砼構筑物,采用在線調節,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

膜系統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

該系統由芬頓反應區及穩定中和池組成。

芬頓反應區主要放置芬頓催化氧化反應罐,罐體為不銹鋼材質,接MBR產水總管,在反應罐內先投加98%濃硫酸,調節廢水pH值至3.5～4.5,創造反應條件,然后投加硫酸亞鐵、H2O2(27.5%)實現有機物的氧化去除。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。

穩定中和池功能為進一步調節水量和完善反應,穩定池末端投加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

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。污泥經濃縮脫水至含水率為80%外運至電廠摻燒。污泥處理系統有2座污泥濃縮池及污泥脫水車間。主要設計參數如下。

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,廠區預留再生水回用用地面積約為3 500 m2,相比傳統地上式污水廠大大節省了用地;同時,各構筑物間采用渠道或孔洞連接,節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,經對中試試驗的結果比選分析,工程設計采用 “預處理+調節池+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,為集約化地下式環境友好型工業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。