長江下游某工業園區含低濃度有機氮綜合工業廢水處理實踐

陳秋萍,張萬里,程明濤

(華昕設計集團有限公司,江蘇無錫 214072)

有機氮廢水主要來源于農藥、染料、醫藥、橡膠及石油化工等工業的生產過程,且大多具有可生化性差、有毒、高氮低碳、成分復雜等特點,其主要處理方法有物理法、化學法、生物法。物理法是基于吹脫、萃取、吸附等物理原理將有機氮從水中分離的過程,主要用于高濃度有機氮的回收或末端深度處理[1-2];生化法主要原理是采用好氧、厭氧微生物,對其進行生物降解[3-7];化學法主要是通過改變分子結構使其碎片化,進而分解成無害物質,主要方法有光催化氧化法、水解法及氧化法[8]。

羅昱東等[9]發現與常規有機氮氨化預處理技術相比,強化生物技術具有抗沖擊負荷能力強、處理效果穩定等優點,有望成為難降解有機氮氨化預處理的主流工藝。馬睿莉等[10]從優化原水碳源、合理分配碳源以及強化反硝化脫氮3方面綜述了高有機氮廢水改良AO工藝脫氮的研究進展,主要方式如下:①厭氧階段可通過調控水力停留時間(HRT)等運行參數來控制水解酸化、厭氧氨化過程,以優化原水碳源;②運行方式上,通過調控多段進水點位置、進水比例等合理分配原水碳源,通過調控硝化液回流方式、回流比等運行參數來提高碳源利用率;③好氧階段可通過調控DO濃度、投加填料等實現同步硝化反硝化反應,以強化反硝化脫氮。目前,主要研究均集中在高濃度有機氮的去除上。針對低濃度有機氮,其處理方法主要以化學法為主。本文污水處理設施承接高濃度有機氮廢水經處理后的排水,在大水量低濃度有機氮的去除上提出了新的思路,為后續相關研究及工程實踐提供了一定的啟示和借鑒。

1 工程背景

工業園區作為國民經濟發展的重要載體,為經濟的發展提供了強大的助力。作為我國的黃金水道,長江中下游分布著眾多工業園區,助力經濟發展的同時,環境保護問題也隨之產生。隨著長江大保護戰略的提出和《深入打好長江保護修復攻堅戰行動方案》的頒布實施,沿江工業園區的污染問題越來越受到重視。

長江下游某工業園區濱江而建,規劃主導產業為高端裝備制造、節能環保、新能源新材料、信息技術、現代物流等新興產業。工業園區配套集中污水處理廠,主要接納工業園區工業污水和生活污水。設計總規模為3萬m3/d,一期工程處理規模為1萬m3/d,于2012年9月建成投產。主體工藝為水解酸化+AAO+絮凝沉淀,出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。現狀設計進出水水質如表1所示,現狀工藝流程如圖1所示。

圖1 現狀污水處理工藝流程

表1 原設計進出水質

隨著入駐企業的增多,實際進水水質較原設計進水有一定差異,進水水質波動較大,且早期建設標準較低,設備老化、陳舊,實際出水難以穩定達標。現狀處理規模和處理工藝已不能滿足園區發展的需要。

針對上述狀況和長江大保護戰略的要求,結合城鎮污水專項規劃,擬在現狀污水處理廠毗鄰建設2萬m3/d工業污水處理廠,專門收集處理園區內工業廢水。現狀污水處理廠只接收園區生活污水,以保證現狀污水處理廠的正常運行。

2 新建工程工藝的分析與確定

2.1 現狀進出水水質及存在問題分析

分析了2019年—2020年兩年實際進出水水質(表2),并將現狀運營狀況及存在問題總結如下。

表2 2019年—2020年污水處理廠實際進出水水質

(1)作為工業園區綜合污水處理廠,缺少必要的水量、水質調節工段,實際來水水質水量波動大,生化段沖擊負荷較大,影響生化處理效果。上游企業排水通過市政管網接入廠內,缺乏必要的監管手段,無法準確掌握進水水量與水質情況。

(2)水解酸化池HRT偏短(僅有5 h),難以達到水解的效果。進水中的大分子難降解有機物得不到開環斷鏈,進入AAO池后生物降解難度大,直接導致出水CODCr難以穩定達標。

(3)深度處理僅有絮凝沉淀,無法對難降解有機物和TN進一步處理,出水達標壓力大。

2.2 園區企業生產廢水水質特性分析

經過20多年的發展,園區內現已聚集了70多家企業,主要涉及機械加工制造、新材料生產、合成革、印染、化工等行業。對園區企業進一步統計發現,其中8家企業排水量為9 154 m3/d,約占本次設計規模的46%。各企業的主要產品、主要原輔料、環評水量、處理工藝、實際排水水質經調查統計如表3所示。8家企業排水經廠內預處理后,出水CODCr、TN濃度已較低,CODCr、氨氮、TN、TP加權平均質量濃度為259.09、10.07、16.71、0.83 mg/L,但由于部分企業原料中使用了二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有機氮污染物,進一步處理難度大。本項目廢水中有機氮(MDI、DMF)主要來自合成樹脂、聚氨酯(PU)合成革及織物涂層的生產過程,經企業內部預處理后,尾水中的有機氮濃度較低,可生化性差。根據DMF分子式(CH3)2NHCHO及MDI分子式C15H10N2O2可知,其既是有機物的來源也是有機氮的來源。因此,工藝須有針對性,保證出水CODCr和TN的達標。

表3 園區企業情況調查結果

2.3 新建工程重難點分析

根據上述分析,本工程需重點考慮有機物和有機氮的去除,同時需保證污水處理廠的穩定運行。新建工程工藝應達到以下要求:

1)工程上應有均化水質水量的措施,以應對進水水質水量的波動,并能對來水進行定時監測,以及時掌握水質水量的變化情況;

2)預處理和生化段應具有針對性,并能協同進行難降解有機物和有機氮的去除,以改善主體生化單元處理效果;

3)設置深度處理單元,增強整體工藝流程處理效果的穩定性,此外,在當下排放標準不斷嚴格的背景下,工藝的選擇應具有一定的前瞻性。

2.4 新建工程重點污染物去除工藝的選擇

由上述分析可知,本工程最大的達標壓力來自CODCr和TN,以脫氮和降解有機物為主的AO工藝對此契合度較高。根據微生物的特性,單一菌種的純種微生物對污染物的去除率相對較高[11]。常規AO工藝的好氧缺氧由于回流的存在無法完全分開,不利于不同微生物菌群的繁殖生長。因此,本工程設置2座生化池,將好氧段、缺氧段分別設置,并分別投加專性菌種,以增加微生物對有機氮毒性的耐受性。同時各自獨立回流,盡可能保證菌種的單一性,提高其對CODCr、TN的去除能力,并將缺氧段后置,充分利用好氧段經曝氣硝化后的硝酸鹽進行反硝化。根據前期接管企業的調查,各企業污水在企業內部大部分采用了延時生化處理工藝或高級氧化工藝,以針對性地去除有機物和有機氮,導致接入末端污水處理廠的廢水可生化性極差,BOD5/CODCr基本在0.2以下。因此,擬在生化池前段設置水解池,利用缺氧環境對有機氮進行氨化,將部分難降解的污染物水解,為后續主體生化工藝創造良好的進水條件。

經生化處理后污水中殘留有機物的去除方法主要有高級氧化和活性炭吸附等方法。高級氧化是利用具有強氧化能力的·OH將大分子難降解有機物氧化成小分子物質。根據·OH的產生方式,主要分為臭氧催化高級氧化和Fenton高級氧化。Fenton試劑氧化能力強且對有機物是無差別氧化,而臭氧催化氧化的出水效果主要受限制于催化劑種類和臭氧投加量,故高級氧化方案采用Fenton氧化[12-13]。在高級氧化之后,為保障出水CODCr的穩定達標,設置活性炭吸附裝置。通過物理吸附進一步去除殘留的CODCr。作為出水保障工藝,必要時可超越,以降低成本。

3 工程設計

3.1 設計規模及進出水水質

新建工業污水處理廠設計規模為2.0萬m3/d。出水執行《地表水環境質量》(GB 3838—2002)“準Ⅳ類”標準(TN≤12 mg/L)。設計進出水水質如表4所示。

表4 設計進出水水質

3.2 工藝流程

根據前述分析,形成工藝流程如下:調節池/事故池+水解池/好氧池及好氧沉淀池+缺氧池及沉淀池+Fenton氧化池+加載澄清系統+濾布濾池+活性炭吸附+紫外消毒工藝,污泥處理采用超聲波破壁+生物調質+壓濾脫水工藝。工藝流程如圖2所示。

注:PAC為聚合氯化鋁;PAM為聚丙烯酰胺。

3.3 總平面布置

根據上述工藝流程,結合工程實際用地條件,總平面布置如圖3所示。

圖3 污水處理廠總平面布置

1)調節池及事故池、固廢倉庫、脫水機房、壓濾液提升池、除臭系統分布于廠區北側,遠離現狀廠區辦公區,且布置集中,有利于進行除臭。

2)Fenton氧化池、加載澄清系統、濾布濾池、活性炭提升池、活性炭吸附脫附系統、反沖洗水池、加藥間布置于廠區西側、現狀廠區南側,有利于與現狀廠區銜接溝通,形成一個整體。

3)水解池/好氧池及好氧沉淀池、缺氧池及沉淀池位于廠區東部,藥劑儲罐區、鼓風機房位于廠區中部,靠近生化處理區,可有效減少全廠藥劑管線與風管及電纜的長度,降低運行成本。

4)管理用房位于廠區南側。各區域四周均設置環形道路溝通,交通便利,且滿足消防要求。

3.4 單體工藝設計

3.4.1 調節池及事故池

新建調節池及事故池1座(分2格),分別作為調節池及事故池使用,必要時可全部作為事故池使用。污水在調節池內均化水質水量,保證后續處理筑物的穩定運行。企業進水采用一企一管方式,每根管道上均安裝水質監測儀表。來水異常情況下,進入事故池暫存處理,保證污水處理廠的運行安全。總體尺寸為68.8 m×29.2 m,有效水深為3.8 m。調節池有效容積為4 349.6 m3,事故池有效容積為3 420 m3。調節池及事故池均采用空氣攪拌系統,攪拌強度為2.2 m3/(m2·h)。調節池提升泵共5臺(4用1備,變頻),單臺流量Q=200 m3/h,揚程H=20 m,功率N=18.5 kW。事故池提升泵共3臺(2用1備,變頻),單臺Q=100 m3/h,H=20 m,N=11 kW。

3.4.2 水解池/好氧池及好氧沉淀池

水解池利用缺氧微生物對廢水中的難降解污染物進行一定程度的水解,適當提高廢水的可生化性。同時利用進水中剩余的有機物進行反硝化,實現TN的去除。好氧池采用活性污泥工藝,并投加專性菌種以加強對廢水中難降解有機物的去除。生物處理后的混合液在沉淀池中進行固液分離,降低出水SS。為節約占地,將水解池/好氧池及好氧沉淀池合建。水解池共分8格,采用點對點配水方式,進水流量通過流量計及變頻泵控制,保證每格均勻配水及污泥層的穩定。水解池出水自流進入好氧池,在好氧池內部前端設置緩沖區,根據進水情況調整該區域為缺氧區或者好氧區。污泥回流比為60%～100%。總體尺寸為73.9 m×62.7 m,水解池HRT為7.08 h,好氧池HRT為12.56 h,其中選擇區HRT為2.51 h。沉淀池采用周進周出輻流式二沉池,直徑為24 m[平均時表面負荷為0.92 m3/(m2·h)]。主要設備配置如下:潛水攪拌器8臺(N=2.2 kW);污泥回流泵4臺(2用2備),單臺Q=270 m3/h,H=20 m,N=11 kW;旋流布水器8套。

3.4.3 缺氧池及沉淀池

為進一步降低好氧池出水TN,設置后置缺氧池及沉淀池1座,利用化能異養微生物在外加碳源條件下進行反硝化。污泥回流比為60%～100%。總體尺寸為62.5 m×48.6 m,缺氧池HRT為7.2 h。沉淀池采用周進周出輻流式二沉池,直徑為24 m,平均時表面負荷0.92 m3/(m2·h)。主要設備配置如下:潛水攪拌器24臺,N=2.2 kW;污泥回流泵4臺,2用2備,單臺Q=270 m3/h,H=20 m,N=11 kW;中間提升泵共5臺,4用1備,變頻控制,單臺Q=200 m3/h,H=20 m,N=18.5 kW。

3.4.4 Fenton反應池

現如今大片區域的火災監控技術，依舊是世界各國火災科學家的研發的課題之一。尤其是在一片很寬闊的地方上出現許多障礙物的時候，火災在發生的時候產生的產物會因為空間的高度或者濕度而發生改變，而傳統的火災檢測器如感溫檢測器、感煙檢測器、感光火災探測器，它們只有當火災的險情達到某種界限時，才會對森林出現的火災災情做出及時有效的預警。在大片區域等復雜的環境情況下，傳統的火災檢測器很難在這種環境下做出及時有效的響應，所以現有的火災檢測系統存在著許多的不足與缺陷。而圖像監控技術能夠在人們疲勞的時候進行全天候的監控某一區域，通過視頻圖像可以及時并精確地向人們發出火災預警[1]。

對生化出水中殘留的難降解有機物,采用Fenton高級氧化工藝繼續進行處理。通過投加Fenton藥劑,經過調酸、投加催化劑及氧化劑后,在池內完成氧化反應,降低出水CODCr含量。氧化池末端進行pH回調至中性后出水,氧化池內輔以空氣攪拌。Fenton反應池總體尺寸為28.1 m×19.4 m,有效水深為5.5 m,HRT為3.6 h。主要設備配置如下:混合攪拌器4臺,N=5.5 kW;空氣攪拌系統1套,攪拌強度為2.2 m3/(m2·h)。

3.4.5 加載澄清系統

Fenton反應池出水進入加載澄清系統進行固液分離,為提高分離效率,節約用地,縮短工期,加載澄清系統采用成套設備,將化學混凝、機械攪拌、加載沉淀、斜管分離等有利于固液分離的技術進行高度集成。加載澄清系統共設置2套,單套處理能力為1.0萬m3/d。混合區、絮凝區HRT分別為1.6、3.1 min,沉淀區表面負荷為28 m3/(m2·h)。主要設備配置如下:單套設備中混凝反應攪拌器2臺,N=1.1 kW;絮凝反應攪拌器2臺,單臺N=2.2 kW;刮泥機2臺,單臺直徑為3.2 m,N=0.22 kW;污泥回流泵(轉子泵)4臺,2用2備,單臺Q=25 m3/h,H=15 m,N=5.5 kW。

3.4.6 濾布濾池

為保證出水SS及后續活性炭吸附進水條件,設置濾布濾池1座。采用定向有序排列的過濾纖維材料,實現反粒度過濾,保證出水水質;清洗過程采用移動現狀掃描式反沖洗,清洗過程和過濾過程同時進行,實現連續過濾。總體尺寸為12.3 m×5.7 m,過濾面積為100 m2,總裝機功率為22 kW。主要組成部分包括纖維濾片、集水干管、移動吸泥系統、排泥槽等。

3.4.7 活性炭吸附及再生系統

濾布濾池出水進入活性炭吸附進水池,通過提升泵進入活性炭吸附塔,利用顆粒活性炭的吸附作用進一步去除污水中的有機物,保證出水穩定達標。當Fenton系統出水水質較好時,可超越活性炭吸附系統。活性炭吸附塔空塔接觸時間為60 min,采用12個吸附塔并聯使用,吸附容量為0.2 kg CODCr/(kg活性炭),設計吸附周期為30 d。活性炭再生系統采用高溫蒸汽熱再生,再生能力為20 t/d(含水率為50%),再生段設計溫度為1 000 ℃,采用天然氣為能源。主要設備包括活性炭吸附塔12臺,單塔規格為φ3.5 m×12 m,有效容積為100 m3,活性炭裝填量為50 t;廢炭儲槽2臺,單臺尺寸為φ2.8 m×12.9 m;新炭儲槽2臺,單臺尺寸為φ2.8 m×12.9 m;廢炭吹送槽2臺,單臺尺寸為φ2.0 m×3.5 m;新炭吹送槽2臺,單臺尺寸為φ2.0 m×3.5 m。活性炭再生成套裝置1套(含再生尾氣凈化裝置、余熱利用系統),再生能力為20 t/d。活性炭進水池平面尺寸為19 m×9.4 m,有效水深為4.5 m,進水提升泵5臺,4用1備,變頻,單臺Q=200 m3/h,H=50 m,N=55 kW。

3.4.8 紫外消毒系統

為保證出水衛生學指標,設置紫外消毒渠1座,平面尺寸為10.5 m×1.7 m,渠內安裝紫外線消毒模塊,共6組,單組功率為320 W。

3.4.9 加藥系統

為滿足Fenton系統藥劑及后置缺氧池碳源需求,設置藥劑罐區,布置4臺藥劑儲罐,分別儲存98% H2SO4、27.5% H2O2、30% NaOH、20%醋酸鈉。每臺儲罐分別設置圍堰,圍堰內容積滿足藥劑泄漏時臨時儲存的需要,保證廠區安全生產。FeSO4及PAM藥劑投加裝置另設加藥間1座。主要設備包括:4套藥劑儲罐,單罐容積為100 m3;藥劑卸藥泵4臺(每種藥劑1臺),單臺Q=40 m3/h,H=10 m,N=5.5 kW;藥劑加藥泵8臺,每種藥劑1用1備,單臺Q=6.3 m3/h,H=20 m,N=2.2 kW;FeSO4儲罐1臺,容積為4 m3,FeSO4投加泵3臺,2用1備,單臺Q=100 L/h,H=30 m,N=0.37 kW;PAM自動加藥裝置1套。

3.4.10 污泥處理系統

生化污泥采用超聲氧化破壁處理,利用28 kHz以上的超聲波在污泥中振蕩分散,將污泥菌膠團解體和菌體細胞破壁,使得菌體中的氨基酸、蛋白質等有機物溶出。破壁后的混合液進入調質池,以提高污泥的脫水性能。污泥調質池平面尺寸為29.4 m×14.4 m,有效水深為4 m。脫水機房平面尺寸為35.5 m×14.4 m,單層框架結構。主要設備包括:2臺板框壓濾機,過濾面積為200 m2,N=15 kW;超聲波破壁系統2套,N=15 kW;污泥進料泵3臺(2用1備),單臺Q=40 m3/h,H=120 m,N=37 kW;隔膜壓榨泵2臺(1用1備),單臺Q=15 m3/h,H=150 m,N=11 kW;清洗水泵2臺(1用1備),單臺Q=250 L/min,H=60 m,N=30 kW。

3.4.11 鼓風機房及變配電間

設置鼓風機房及變配電間1座,平面尺寸為46.4 m×9 m,共安裝3臺空氣懸浮鼓風機(2用1備),提供好氧池曝氣用及空氣攪拌用空氣,單臺風機Q=201 m3/min,P=58.8 kPa,N=225 kW。

3.4.12 除臭系統

設置除臭系統1套,平面尺寸為30 m×10 m,主要收集調節池及事故池、水解池、反硝化池、污泥調質池、脫水機房、固廢倉庫產生的臭氣。采用化學洗滌+生物濾池組合式除臭工藝,除臭風量為55 000 m3/h。主要設備包括:化學洗滌塔2座,分別采用堿洗和水洗,直徑為3 m,高度為8.5 m;洗滌塔循環泵4臺,2用2備,單臺Q=120 m3/h,H=25 m,N=15 kW;生物濾池1座,采用陶粒濾料,主體尺寸為24.0 m×6.0 m×3.0 m;離心風機1臺,Q=55 000 m3/h,P=3 kPa,N=75 kW。

3.4.13 廠區污水提升系統

為收集廠區脫水機壓濾液及池體放空廢水,設置廠區污水提升井1座。平面尺寸為8.7 m×5.7 m,有效水深為3.3 m。主要設備包括:機械回轉細格柵1臺,柵條間隙e=10 mm,格柵寬度B=1.0 m;潛水排污泵2臺,1用1備,Q=100 m3/h,H=20 m,N=11 kW。

4 運行效果及成本分析

本工程總投資為15 819.18萬元,直接運行成本為3.863元/m3,于2022年9月建成投運。經過半年的試運行,2023年1月—6月進出水水質如表7所示。

表7 2023年1月—6月實際進出水水質

由表7可知,各項出水指標均達到《地表水環境質量》(GB 3838—2002)“準Ⅳ類”標準(TN≤12 mg/L)的要求。同時列出了有機氮的相關數據,結果表明經生化工藝后,有機氮得到較大程度的去除,再經Fenton氧化后,有機氮基本完全被去除。生化+高級氧化的組合工藝可以有效應對進水中的低濃度有機氮。

2022年6月5日,江蘇省政府辦公廳印發了《省政府辦公廳關于加快推進城市污水處理能力建設全面提升污水集中收集處理率的實施意見》,提出了相關污水收集和處理的工作要求,并提出了強化工業廢水與生活污水分類收集、分質處理的要求。2022年12月28日,江蘇省《城鎮污水處理廠污染物排放限值》(DB 32/4440—2022)正式發布,對污水處理廠排放標準進一步提出了要求。本工程是服務于工業園區的工業污水廠,現狀污水廠在本工程建成投運后只接納生活污水。同時從運行數據可知,出水水質亦滿足江蘇新地標表1中A標準的要求,整體工程設計在政策的符合性和工藝前瞻性方面均較突出,對后續類似污水處理廠的建設提供了積極的借鑒作用。

5 結論及建議

(1)本工程在吸取現狀工程經驗的基礎上,結合企業出水水質分析,采用改良型AO+Fenton氧化+加載澄清+活性炭吸附主體工藝,出水滿足“準Ⅳ類”水標準要求,亦能滿足江蘇省《城鎮污水處理廠污染物排放限值》(DB 32/4440—2022)表1中A標準的要求,表明主體工藝具有較強的適應性、穩定性及前瞻性。

(2)對進水含有低濃度有機氮的情況下,對AO工藝及前后銜接進行相應優化,采用水解池對來水進行預處理,對有機氮進行氨化;將缺氧段后置,增加對TN的去除能力;好氧池和缺氧池分別回流,保證微生物的單一性,同時在好氧池前端增加選擇區,進一步增強污染物的去除能力及生化系統的穩定性。

(3)新建廠區完全處理工業廢水,來水波動性大。廠區雖已建設調節池及事故池,但仍需加強監管。建議管理單位會同企業定期監測污水系統水質、水量,對排水水質、水量做到上下游聯動,盡量避免沖擊等不利現象的發生,保證廠區的正常運行。