超薄玻璃基板深加工項目生產廢水預處理工程設計

程 煒,章婷婷,慕昕志,朱倩倩

(1.同濟大學建筑設計研究院<集團>有限公司,上海 200092;2.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092;3.同濟大學蘇州研究院,江蘇蘇州 215101;4.香港科技大學<廣州>, 廣東廣州 511453)

超薄玻璃基板深加工項目產生廢水來自不同的生產工段,廢水種類多、水質區別大、水質特征明顯,不同來源的廢水需要去除的特征污染物各有不同。進水組成中,含磷廢水TP 的含量較高,含氟廢水中含有較高濃度的氟離子,廢水可生化性較差,處理難度較大。 高濃度含磷廢水的處理中,使用較多的是化學沉淀法[1-2]。 含氟廢水可使用沉淀法、吸附法、沉淀吸附聯合等方法進行處理,使用較多的是化學沉淀法和吸附法[3-4]。 對于含較高濃度有機物的工業廢水來說,一般主體生物處理可選擇的方案是先經過水解酸化預處理,提高廢水的可生化性,再進行生化處理。 就目前的污水處理工藝技術而言,污水中有機污染物的去除,仍以生物降解為主[5-6]。 雖然各類廢水處理的研究很多,但針對多類廢水組合處理的設計研究較少。 針對本工程的進水特點,廢水采用分質處理,不同特征污染物的廢水分開進行處理后再混合排放。 本文重點分析工藝流程、各主要構筑物的設計參數及工程技術經濟指標情況,為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

本工程服務對象是超薄玻璃基板深加工項目的各類生產廢水,屬于該項目配套的生產廢水預處理工程。 超薄玻璃基板深加工項目的生產廢水,經過廠內管道收集提升后,送至本工程污水處理廠集中處理。 本工程用地面積約為20 000 m2,建設污水處理廠規模為17 800 m3/d,其中一期廢水量為89 00 m3/d,二期廢水量為8 900 m3/d,總規模為17 800 m3/d。

廢水處理系統土建及設備按17 800 m3/d 一次建成,廢水站按所處理廢水的性質分開處理。

2 進出水水質

本工程擬建廢水處理系統設計進水水質如表1所示。

表1 設計進水水質水量指標Tab.1 Designed Indices of Influent Quality and Quantity

本工程各項廢水經過廢水處理站處理后,經由市政污水管網排往下游市政污水處理廠處理,出水指標要求如表2 所示。

表2 設計出水水質Tab.2 Designed Effluent Quality

3 工藝流程

3.1 項目水質處理重難點分析

根據設計進水水質資料,廢水處理站預計進水組成中,工業廢水占有相當的比例,主要以電子廢水為主。 廢水可生化性較差,污水處理難度較大,有機廢水中CODCr、TN 濃度較高。 尤其是TN,若要處理至達標排放,需要外加碳源促進微生物對TN 的反硝化。 此外,絕大部分進水都具有強酸性或者強堿性,且酸堿性波動范圍較大,容易對污水處理流程造成沖擊,對污水處理建構筑物造成較大腐蝕,考慮來水中和、均質處置的同時,需要兼顧設備以及土建設施的防腐處理。 本項目進水中含磷廢水含有較高的TP、含氟廢水中含有較高的氟離子,并且出水水質對這兩種物質均有著較高的去除要求,需要考慮經濟可靠的處理方法,同時減少污泥的排放。 針對本項目進水水質處理的難點,必須選擇一種先進、穩定、可靠、成熟、管理方便的污水處理工藝,以應對進水水質、水量等沖擊負荷的影響,能夠在進水可生化性較差的情況下,滿足出水水質的嚴格要求,使污水廠出水穩定達標排放。

3.2 污水處理工藝選擇論證

本工程廢水來自不同的生產工段,廢水種類多、水質區分大、水質特征明顯,不同來源的廢水需要去除的特征污染物各有不同。 因此,本工程廢水處理工藝路線,按照廢水情況采取分質處理的方式,不同特征污染物的廢水分開進行處理后再混合排放;對于特征污染物相同或相似的廢水,混合后進行處理,提高處理效率,降低建設及運行成本;充分利用廢水中含有的酸、堿成分,混合后達到調節pH 的目的,節約藥劑投加成本。

3.2.1 酸堿廢水工藝選擇

如表3 所示,酸堿廢水主要水質指標均遠低于出水要求,只需要進行調酸、調堿,使其pH 達到排放要求即可。 調節pH 主要通過投加藥劑中和反應來實現。

表3 酸堿廢水水質分析Tab.3 Analysis of Acid and Alkali Wastewater Quality

因此,針對酸堿廢水只需要調節pH 這一特性,酸堿廢水工藝技術選擇只需要對其進行加藥中和處理,根據進水水質不同,投加酸或堿調節pH,以達到出水要求。

3.2.2 含磷廢水及含氟廢水

由表4 可知,含磷廢水需要處理的主要對象為TP、pH 及CODCr,重難點在于TP 的去除。 根據含磷廢水的來源生產工段,廢水中的TP 主要是磷酸鹽帶來的,對于該類型高濃度含磷廢水中磷的去除,目前效果較好的常見處理工藝為化學加藥反應沉淀。 可以通過投加CaCl2或者石灰,將廢水中的磷酸鹽沉淀下來,同時,投加石灰可以對廢水偏酸性的pH 進行調節。

表4 含磷、含氟廢水水質分析Tab.4 Water Quality Analysis of Phosphorus and Fluorine Containing Wastewater

含氟廢水需要處理的主要對象為氟化物。其來源是生產工段中所使用的氫氟酸,對于該類型高濃度含氟離子廢水中氟的去除,目前效果較好的常見處理工藝為化學加藥反應沉淀。 可以通過投加CaCl2或者石灰,將氟離子生成氟化鈣沉淀下來,同時,投加石灰可以對廢水偏酸性的pH 進行調節。

含氟廢水可使用沉淀法、吸附法、沉淀吸附聯合 等方法進行處理。 使用較多的是化學沉淀法和吸附法。 吸附法主要是將工業含氟廢水通過裝有吸附劑的設備,使氟與吸附劑中的其他離子或基團交換而被吸附劑吸附除去,吸附劑再生后可回用。 吸附法一般適用于處理低濃度含氟廢水或經其他方法預處理后氟化物濃度較低的廢水。 對于高濃度含氟廢水的處理,一般需進行前期預處理,否則要頻繁再生吸附劑,增加了設備的運行成本。 考慮到本工程為生產廢水的第一道處理工藝,氟離子濃度較高,采用吸附法效果不理想,再生成本高,故不作考慮。 沉淀法分化學沉淀和混凝沉淀法2 種。 化學沉淀法在高濃度含氟廢水預處理應用中尤為普遍,目前,處理工業上高濃度廢水時,使用最多的是石灰沉淀法。 混凝沉淀一般只適用于處理氟含量較低的廢水,可采用鐵鹽和鋁鹽兩大類混凝劑除去廢水中的氟。 雖然采用化學沉淀法可以使廢水中的氟離子質量濃度降低至10 mg/L 以下,但隨氟離子濃度減少,反應速度將隨之遞減,沉淀時間也相應延長,進行規模處理顯然是不可行的。 將化學沉淀與混凝沉淀相結合可解決此問題。

經過綜合分析比選,含磷廢水處理擬采用化學沉淀法,含氟廢水處理擬采用化學沉淀與混凝沉淀相結合的方法。 兩種廢水水量及pH 相似,投加的化學藥劑較為接近,都是以石灰、CaCl2及鋁鹽為主,因此,本工程考慮將含磷廢水與含氟廢水混合后進行反應澄清,通過投加石灰、CaCl2、聚合氯化鋁(PAC)以及聚丙烯酰胺(PAM)等藥劑,將廢水中的磷酸鹽以及氟離子去除至排放標準,同時調節廢水的pH。

3.2.3 有機類廢水

廢水來源中染料廢水、TMAH 廢水、Stripper 廢水以及有機廢水4 種水水質特點較為接近,均為高CODCr有機廢水,主要污染物為CODCr、BOD5及TN。 污染物來源為彩膜工序中使用的各種醇類有機溶劑及顏料清洗廢液。 對這性質相似的4 種廢水進行分析,如表5 所示。

表5 有機類廢水水質分析Tab.5 Analysis of Organic Wastewater Quality

由表5 可知,有機類廢水的處理重點在于CODCr、BOD5及TN,難點在于CODCr與TN 的去除。本工程擬將這4 種有機廢水混合后進行生化處理,現對污水性質分析:本工程有機廢水綜合后B/C=0.20,可生化性較差,但是通過對幾種有機廢水來源生產工段的調查研究,廢水中含有的有機污染物主要為醇類及酯類(如乙二醇、丙二醇、乙酸丁酯、丙酸乙酯等),均屬于較易降解的簡單有機物種類,具備一定的可生化性,通過水解酸化對污水進行改性處理后可以使得B/C 有較大的提高,可以采用生化處理方法去除有機物。 本工程BOD5/TN= 1.78。污水中碳源短缺。 通過對幾種有機廢水來源生產工段的調查研究,廢水中的TN 大部分來自蝕刻液中的HNO3,通過投加碳源,可以保證反硝化脫氮過程在較高速率下順利進行。 本工程設計進水水質TP質量濃度為4.5 mg/L,BOD5為316 mg/L,BOD5/TP=70.2,可以采用生物除磷工藝。 出水TP 質量濃度要求低于5 mg/L,因此,在本工程生化處理段不考慮對TP 的去除,重點考慮CODCr及TN 的去除。

根據以上分析,本工程污水處理廠在正常設計工況時完全可以采用生物法對污水進行脫氮脫碳處理。 但是BOD5/CODCr、BOD5/TN 的比值可能會小于設定值,需額外投加碳源。

對于含較高濃度有機物的工業廢水來說,一般主體生物處理可選擇的方案是先經過水解酸化預處理,提高廢水的可生化性,再進行生化處理。 就目前的污水處理工藝技術而言,污水中有機污染物的去除仍以生物降解為主。 生物脫氮系統中硝化與反硝化反應需要具備如下條件。 硝化階段:足夠的溶解氧(DO),質量濃度>2 mg/L,合適的溫度條件(最好為20 ℃,不能低于10 ℃),足夠長的污泥泥齡,合適的pH。 反硝化階段:硝酸鹽的存在,缺氧條件DO質量濃度在0.2 mg/L 左右,充足的碳源(能源),合適的pH[7]。

根據進出水水質要求,可選擇懸浮性活性污泥法和生物膜法。 生物膜法比較常用的是曝氣生物濾池(BAF)工藝,該工藝最大優點是占地小、可模塊化設計,缺點是投資大、運行管理復雜,本工程不作推薦。 因此,本工程主要從懸浮性活性污泥法中選擇工藝。 本工程廠區用地限制,氧化溝工藝占地面積過大,難以布置,因此不推薦使用。 AAO 系列工藝在處理效果、構筑物占地、運行費用、設備投資、運營管理上皆具有一定優勢,因此,推薦AAO 系列工藝作為本工程的主體生物處理工藝。 由于本工程生化處理無需考慮除磷,生化處理主體采用AO 工藝,即缺氧/好氧處理工藝。

本工程出水TN 質量濃度≤45 mg/L,但進水TN 質量濃度接近180 mg/L,濃度較高,因此,本項目對于TN 的去除要求更高。 常規的AAO 脫氮工藝已無法完全滿足項目TN 出水的標準,需要進一步強化脫氮工藝。 在污水強化脫氮技術的研究、開發和應用中,有許多行之有效的處理工藝,這些強化脫氮工藝可區分為物化法和生物法兩大類。 但從整體上看,物化脫氮法不包括有機氮轉化為氨氮、氨氮氧化成硝酸鹽的過程,通常只能去除氨氮,所以實際運用中受到一定的局限,難以大規模推廣使用。 同時,由于物化強化脫氮法存在處理成本較高、對環境影響較大以及循環再生利用的方法還未完善等問題,不適用于市政污水處理廠項目。 而生物強化脫氮技術由于其具有成本低、操作運行簡單、環境影響小等特點,被廣泛應用于市政污水項目。 因此,本工程強化脫氮工藝采用生物脫氮技術,并結合目前全國各已建工程案例的實際情況,針對本項目進出水水質的要求,提出生物膜法強化脫氮和活性污泥法強化脫氮(AAO+后置AO)兩種生物強化脫氮的方案。

本工程必須采用具有生物脫氮功能的污水處理工藝,才能夠大幅度削減CODCr、BOD5、TN 等污染物濃度。 根據進出水水質要求,加上本工程廠區用地限制,因此,結合生化處理工藝主體采用AO 工藝,為提高土地利用率,將后置AO 反應段與主體AO 池合建,組成AO+后置AO 的兩級AO 工藝。

3.2.4 雜排廢水

由表6 可知,雜排廢水主要水質指標均滿足出水要求,雜排廢水水量遠期為1 100 m3/d,占比低,可以不經過處理與其他幾種廢水混合稀釋后直接排放。

表6 酸堿廢水水質分析Tab.6 Analysis of Acid and Alkali Wastewater Quality

3.2.5 污泥處理工藝

本廢水處理站遠期規模為17 800 m3/d,日產生污泥量如表7 所示。

表7 污泥量明細Tab.7 Sludge Quantity Details

根據本次工程含水率60%以下的處理目標,本次工程采用濃縮池刮泥機+板框壓濾機作為污泥的處理工藝。 污泥脫水至60%總體工藝:各階段排泥→污泥濃縮池→板框脫水機→干污泥外運。

3.2.6 臭氣處理工藝

本工程需對脫水機房、濃縮池進行除臭,根據上述各除臭工藝特點,結合本工程的地理位置、構筑物所產生的臭氣特點及處理量,擬選用生物法除臭工藝處理所收集的臭氣[8-9]。

3.3 污水處理工藝技術路線

針對本工程特點,廢水來自生產企業不同生產工段,不同工段的廢水獨立經由污水管道排放至本工程新建廢水處理站。 通過技術經濟比較論證,本次擴能工程擬采用不同類污水分質組合處理的工藝技術路線。 污泥經濃縮后通過高壓板框脫水機處理至含水率≤60%后外運處置。 工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理流程Fig.1 Process of Wastewater Treatment

4 主要構筑物設計

4.1 調節及事故池

新建調節及事故池1 座,調節池與事故池合建。其中,調節池主要用于進廠廢水的水量調節及水質均質,包括有機類廢水調節池、酸堿廢水調節池、含磷廢水調節池、含氟廢水調節池以及雜排廢水調節池;事故池用于事故廢水的儲存及轉運。 調節池采用羅茨風機經由穿孔管空氣攪拌。 調節及事故池規模均按17 800 m3/d 設計,調節池停留時間(HRT)為8 h,事故池HRT 為4 h。 調節池與事故池合建,平面尺寸為70 m×16 m,最大水深為8 m,池高為9 m,池內底為地下1 m。

4.2 含氟、含磷廢水反應澄清池

新建含氟、含磷廢水反應澄清池1 座,處理規模按遠期含氟、含磷廢水總水量為3 000 m3/d 設計。分兩組,每組設置兩級反應沉淀池,每一級包含反應區和澄清區,總平面尺寸為26 m×17 m,池高為6.6 m,池內底為地下3.0 m。 其中,每級反應區反應時間為110 min,沉淀區單格邊長為8 m,表面負荷為1.32 m3/(m2·h),池邊水深為5.7 m。

反應區內投加CaCl2、Ca(OH)2、PAC、PAM 等藥劑,去除氟離子、磷酸鹽以及部分懸浮物含量。

4.3 有機類廢水反應沉淀池

新建綜合有機廢水中和反應沉淀池1 座,分2組,處理規模按遠期綜合有機廢水總水量為9 000 m3/d 設計,單組處理水量為4 500 m3/d。 中和反應沉淀池包含反應區與沉淀區,總平面尺寸為21 m×14 m。 其中反應區反應時間為45 min,沉淀區單格邊長為10 m,表面負荷為2.50 m3/(m2·h),池邊水深為5.7 m,池內底為地下1.0 m。

反應區內投加PAC、PAM 進行混凝反應,形成絮體經過后續沉淀池從水中分離,降低污水中的懸浮物含量。

4.4 有機類廢水水解酸化池

新建水解酸化池1 座,總處理規模按遠期綜合有機廢水總水量為9 000 m3/d 設計,HRT 為12 h。主要功能是對污水中有機物進行改性,提高污水的可生化性。 總平面尺寸為28 m×22 m,有效水深為7.5 m,池高為8.0 m,池內底為地下3.2 m。 設計MLSS 質量濃度為8 000 mg/L。

4.5 有機類廢水生化池

新建有機類廢水生化池1 座,分2 組,與二沉池合建。 總處理規模按遠期綜合有機廢水總水量為9 000 m3/d 設計,單組處理規模為4 500 m3/d。 主要功能是降解廢水中有機污染物,并實現脫氮,屬于生化處理的主體構筑物。 總平面尺寸為57 m×48 m,有效水深為7.0 m,池高為8.0 m,池內底為地下3.4 m。 設計水溫為12 ℃(冬季)、20 ℃(夏季);設計MLSS 為3.5 g/L;生物反應池BOD5污泥負荷為0.17 kg BOD5/(kg VSS·d);脫氮速率Kde(20)為0.031 kg NO-3-N/(kg MLSS·d);外回流按50% ～100%可調;內回流按100%～200%可調;外加碳源質量濃度為445 mg/L(乙酸鈉);缺氧區HRT 為16 h;好氧區HRT 為24 h;后置缺氧區HRT 為8 h;后置好氧區HRT 為2 h; 實際總需氣量為107 m3/min;氣水比為16.9 ∶1.0;剩余污泥絕干量為750 kg/d;剩余污泥量為107 m3/d (含水率按99.3%)。

4.6 有機類廢水二沉池

新建二沉池1 座,分2 組,總處理規模按遠期綜合有機廢水總水量為9 000 m3/d 設計,單組處理規模為4 500 m3/d,與兩級AO 池合建。 主要功能實現泥水分離,污泥回流至AO 生化池前端,剩余污泥至污泥濃縮池。 采用輻流中進周出式沉淀池,直徑為18 m,有效水深為4.0 m,池內底為地下2.1 m。設計表明水力負荷為0.74 m3/(m2·h)。

4.7 鼓風機房及配電間

新建1 座,鼓風機房與變配電間合建。 鼓風機房規模按遠期綜合有機廢水總水量為9 000 m3/d設計,變配電間規模按全廠遠期規模為17 800 m3/d設計。 設計供氣量為107 m3/min;設計風壓為8.0 m;結構形式為框架。 平面尺寸為27.0 m×14.0 m。層高為7.5 m。

4.8 污泥脫水機房

新建污泥脫水機房1 座,將廢水處理過程中產生的物化污泥與生化污泥分開進行脫水,加入石灰調理后,將污泥脫水至60%后外運。 設計處理污泥量:物化污泥為8.7 t/d(絕干量),生化污泥為0.75 t/d(絕干量)。 設計脫水后污泥含水率為60%。 平面尺寸為26.5 m×18.0 m,2 層框架結構。 建筑層高為14.8 m。

4.9 除臭系統

新建1 套生物除臭裝置,用于收集調節池、水解酸化池、AO 池缺氧區、濃縮池、脫水機房等區域產生的臭氣。 經計算,單套生物除臭裝置的處理能力為40 000 m3/h。 除臭設備為成套設備,基礎占地面積為20 m×13 m。

4.10 主要設備選型方案論證

4.10.1 鼓風設備選型方案論證

曝氣設備有機械曝氣和鼓風曝氣兩大類,機械曝氣設備不需設鼓風機房,一次性建設費用較少,設備維護保養方便,但動力效率低,通常小于2.2 kg O2/(kW·h);鼓風曝氣通常由鼓風機供氣,管道系統和曝氣設備組成,系統較復雜,基建投資也較機械曝氣高。 然而,其動力效率可高達6 ～7 kg O2/(kW·h),是機械曝氣系統的2～3 倍,日常運行費用較低。 選用高效率的設備是污水廠建設的重要原則,且原一期鼓風機房有空余的風機位置。 因此,本次設計選用鼓風曝氣系統。

曝氣是污水好氧生物處理系統中一個重要的工藝過程,同時也是一個非常耗能的過程,一般情況下曝氣的能耗要占整個處理系統能耗的60%～80%。因此,工程設計選用高效節能的專用微孔曝氣器是非常重要的。

通過對橡膠膜盤式曝氣器、剛玉盤式曝氣器、橡膠膜管式曝氣器和管式微孔曝氣器的材料、結構形式、技術性能、布置方式和經濟效益等方面的綜合分析和比選,采用管式微孔曝氣器,污水處理能耗能降低20%～50%,本工程設計推薦采用管式微孔曝氣器。

4.10.2 污泥脫水機選型方案論證

污泥脫水機常用的有4 種,即帶式壓濾機、板框壓濾機、離心脫水機和疊螺脫水機。 為合理確定脫水機的機型,對4 種設備進行了詳細的技術經濟比較。

根據不同型式脫水機性能的比較分析可以看出,不同的污水處理廠在選擇脫水機型式時,應從處理工藝、污泥特性、對泥餅的要求、污泥處置方式、人員配置及資金成本等多個方面綜合考慮,才能做出相對合理的選擇。 鑒于本項目要求脫水后泥餅含水率為60%,而上述幾種脫水中,只有板框壓濾機能滿足這個性能要求,為此,本項目污泥處理系統考慮采用高壓隔膜板框壓濾機。

5 調試與運行數據

項目水質調試運行數據如表8 所示。

表8 項目水質調試運行數據Tab.8 Project Data of Water Quality Commissioning Operation

根據水質調試運行數據,各類廢水的出水水質:pH 值為6 ～8、CODCr質量濃度為76 ～105 mg/L、TP為1.4～2.3 mg/L、氨氮為6 ～9 mg/L、TN 為14 ～25 mg/L、氟化物為1.5 ～2.3 mg/L、懸浮物為20 ～30 mg/L,滿足pH 值為6 ～8、CODCr≤450 mg/L、TP≤5 mg/L、氨氮≤35 mg/L、TN≤45 mg/L、氟化物≤20 mg/L、懸浮物≤300 mg/L 的出水要求。 由此可以看出,項目工藝流程及參數設置能夠滿足各類廢水處理排放要求。

6 工程經濟技術指標

本工程概算投資為20 200 萬元,其中:建筑工程為7 000 萬元,安裝工程為2 400 萬元,設備購置為7 100 萬元,其他費用為3 700 萬元。

年總成本費用為3 378.4 萬元,單位處理成本為5.2 元/m3,單位處理經營成本為4.0 元/m3,單位處理可變成本為3.0 元/m3。

7 結論

(1)污水分質處理與分類組合相結合。 不同特征污染物的廢水分開進行處理后再混合排放;對于特征污染物相同或相似的廢水,混合后進行處理,提高處理效率,降低建設及運行成本。 充分利用廢水中含有的酸、堿成分,混合后達到調節pH 的目的,節約藥劑投加成本。

(2)采用先進的水解池池型。 根據進水水質的實際情況,CODCr、TN、TP、氟離子的去除是關鍵,本工程服務對象工業廢水占比較大,為改善廢水可生化性,水解是一個極其重要工藝環節。

充分發揮水解池降解高分子、難降解有機污染物的功能,提高污水B/C。 采用兩級AO 的生化主體處理工藝,提高難降解有機物去除率。 投加化學藥劑進行沉淀,在實際運行中設置連通管可以實現將含磷廢水與含氟廢水混合處理,利用磷酸鈣與氟化鈣協同沉淀為氟磷酸鈣的反應機理,可以一定程度上減少反應沉淀池中化學藥劑的投加量,同時獲得更好的沉淀效果與更高的去除率。

(3)加蓋除臭、景觀綠化。 為防止和避免污水處理廠臭味對周圍居民生活的影響,本工程設置除臭處理設施,主要收集和處理構筑物內的臭氣。 從單體結構穩定性、工程投資及整體美觀等綜合考慮,確定廠區水池構筑物采用混凝土加蓋,保證良好除臭效果。 對于污泥輸送機等設備密封采用有機玻璃鋼罩密封,對脫水機房等產生臭氣的車間采取全車間抽吸收集臭氣。