“生化+臭氧氧化+生化”工藝處理纖維素生產廢水的工程實踐
導讀:：是現有污水處理中應用最廣泛的工藝之一。當pH達到7.5(該值可在DCS系統中設置)時。生化處理工藝運行成本低。
關鍵詞：生化+臭氧氧化+生化，污水處理，DCS系統，甲基纖維素，乙基纖維素，污水處理調試，運行成本
1工程背景概述
生化處理工藝運行成本低，非常適合水量大、可生化性強的市政污水的處理，是現有污水處理中應用最廣泛的工藝之一，目前已在市政污水處理廠中得到廣泛的應用。但隨著工業的迅猛發展，工業廢水的排放已成為導致水環境污染與水資源惡化的罪魁禍首。由于工業廢水成分復雜、可生化性差，采用單純的生化處理工藝很難實現達標排放。物化工藝占地面積小，處理效率高，但其高昂的運行成本讓許多企業望而卻步，一些采用物化工藝的企業由于不能承受如此高的運行費用而棄之不用。為充分發揮生長工藝的成本優勢與物化工藝的處理效果，將物化工藝與生化工藝聯合使用，經過物化工藝對廢水進行預處理后以達到生化系統進水條件的要求，或先經生化工藝處理后在用物化工藝進行技術把關(如活性炭吸附工藝、Fenton法等)，可以在保證處理效果的前提下盡量降低運行成本。但如何將兩者有機地結合到一起以降低工程投資、節約運行成本，是目前工程實踐中的一大難題。
本工程就是在參考國內外大量技術文件、并經實驗室小試、現場中試直至現實工程的基礎上，摸索出了一套“生化+物化(臭氧氧化)+生化”的三級處理系統工藝，并將生化系統的主要控制參數與臭氧氧化系統的運行狀態進行聯鎖控制，即在最大程度上發揮生化處理系統能力的基礎上減少物化的處理程度，對難生化的工業廢水具有較高的去除效果和可接受的運行費用。
2原水水量及水質
本廢水處理工程主要處理某工廠軍品生產線及輔助生產系統(發射藥生產線、溶劑回收系統等)和甲基纖維素生產線、乙基纖維素生產線、羧甲基纖維素鈉生產線產生的工業廢水、清洗水以及廠區和社區的生活污水。
本工程廢水處理規模為 12000m3/d，工業生產廢水處理規模為 6000m3/d，工廠廠區和社區生活污水 6000m3/d。本工程廢水設計進水水質水量見表2-1。
表2-1 設計進水水質水量表
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廢水種類 |
排放 方式 |
排放量 |
水質mg/L（pH、色度除外） |
||||||
|
CODCr |
BOD5 |
Cl- |
pH |
SS |
氨氮 |
色度 |
|||
|
生產廢水 |
連續 |
6000m3/d |
≤3725 |
≤1860 |
≤7000 |
5-6 |
≤800 |
≤100 |
|
|
生活污水 |
連續 |
6000 m3/d |
≤170 |
≤85 |
6-9 |
≤26 |
≤50 |
||
|
備 注 |
生活污水僅用作調節生產廢水Cl-濃度，當生產廢水Cl-濃度≤5000mg/L時，不需處理生活污水；當生產廢水Cl-濃度＞5000mg/L時，只需調用適量的生活污水，調節生產廢水3000mg/L≤Cl-濃度≤5000mg/L。 |
||||||||
本工程出水執行國家《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中的一級排放標準(表2-2)。
表2-2 出水水質一覽表
|
指標名稱 |
標準值 |
|
CODCr |
≤100 |
|
BOD5 |
≤20 |
|
pH |
6-9 |
|
SS |
≤70 |
|
氨氮 |
≤15 |
|
色度 |
≤50 |
3工藝流程
3.1處理流程簡圖
本工程采用物化與生化相結合的工藝，工藝流程如圖3-1所示：
圖3?1 廢水處理工藝流程簡圖
3.2污水處理流程概述
生活污水經人工粗格柵和機械細格柵去除大塊懸浮物后，利用提升泵將其輸送至旋流沉砂器，除砂后進入混合池或調節池與生產廢水混合。
生產廢水調節池前設置一道人工粗格柵和一道機械細格柵。調節池共四格，分為互不連通的兩組，池底設置曝氣管，通過曝氣使生產廢水混合均勻。調節池中的生產廢水通過提升泵房內的三臺無堵塞式離心泵，將廢水提升至中和反應池模板。
在中和混凝池內生產廢水與堿、絮凝劑和助凝劑混合。中和混凝池上安裝有兩臺pH在線監測儀，通過DCS實現加堿泵與pH在線監測儀的聯動，自動控制加堿泵的啟停，保證厭氧池進水的pH在6-9之間。中和混凝池出水自流進入沉淀池1，通過沉淀去除污水中的大部分懸浮物和不可溶性的有機污染物。
經混凝沉淀后的生產廢水自流進入混合池與生活污水混合。混合池上安裝一臺電導率監測儀，監測混合后的廢水的電導率。由于廢水中電導率的主要決定因素是氯離子濃度，因此電導率可間接反應廢水中氯離子濃度的高低。進入厭氧反應池的混合廢水的氯離子濃度控制在5000mg/L以下。
生活污水與經絮凝沉淀后和生產廢水的混合污水自流進入厭氧反應池，依次經過好氧反應池1、沉淀池2、臭氧氧化池和好氧反應池2。
厭氧池內安裝填料，為厭氧微生物提供附著載體，以增加厭氧微生物的量。池內安裝9臺潛水攪拌機，增加池內廢水的攪動，提高厭氧池的效率。
好氧池采用接觸氧化法，通過好氧微生物的新陳代謝，去除廢水中的大部分有機污染物。接觸氧化法具有由于填料比表面積大、充氧條件良好、單位容積的生物固體量較高、容積負荷高、對水質水量的驟變有較強的適應能力、剩余污泥量少、不存在污泥膨脹、運行管理簡便等優點。好氧池曝氣由四臺(三用一備)離心鼓風機提供。
經過好氧池1后，廢水中大部分的有機污染物已經得到去除。但是，由于原水中含有一定量的不可生化的物質，經厭氧-好氧1處理后，并不能被降解去除環境保護，出水COD仍不能達標。因此，本工程在一級好氧處理后增加了臭氧氧化處理。臭氧具有極強的氧化性，其氧化作用機理目前尚無肯定的研究結論，通常認為主要來自臭氧離解的·OH自由基，它是發生在水中的已知氧化劑中最活潑的氧化劑，它很容易通過基型反應將各種類型的有機物氧化。通過臭氧氧化后，將廢水中不可生化的物質進行氧化分解，把大分子物質氧化分解為小分子可生化的物質。臭氧池出水進入好氧池2進行二次好氧生化處理，好氧池2同樣采用接觸氧化法。
好氧2出水自流進入混凝池，在必要的情況下，通過投加混凝劑、絮凝劑，以提高污泥的沉降性能，降低出水中的懸浮物。混凝池出水經過沉淀池3沉淀后進入清水池，然后經過規范排放口達標排放。排放口采用巴歇爾槽計量流量，并裝有紫外光COD在線監測儀。
沉淀池2和沉淀池3的污泥可回流至厭氧池、好氧池1和好氧池2，剩余污泥排入污泥濃縮池，經濃縮后的污泥由污泥泵輸至脫水機房，由帶式壓濾機進行脫水。
4工程進度
本工程2009年10月中旬開始工藝管道、設備和電氣的安裝工作，2010年5月20日完成了工藝、電氣、自控三個專業全部安裝工作并順利完成各設備及單元的試車。
2010年6月1日，工程調試工作正式啟動。調試工作主要節點如下：
(1)2010年6月1日—2010年6月5日系統水路打通
(2)2010年6月6日—2010年6月20日厭氧處理系統啟動
(3)2010年6月21日—2010年7月5日好氧1啟動
(4)2010年7月6日—2010年7月15日好氧2啟動
(5)2010年7月16日—2010年8月18日微生物馴化及系統聯合調試，出水實現達標排放
(6)2010年8月19日—2010年9月24日系統穩定運行，對部分參數進行優化
(7)2010年9月25日本工程順利通過地方環保部門的驗收
5調試過程
5.1預處理
預處理系統主要包括生活污水旋流沉砂器、中和混凝池、沉淀池1和混合池。
5.1.1 pH調節
工廠車間排水均經過預處理，將pH調節至中性后排放。但遇意外情況時，會出現排水pH過低的情況。在中和混凝池裝有2部pH在線監測儀，監測數據實時傳輸至DCS。當進水pH低于6.5或高于8.5時，DCS會自動發出警報，提示操作人員采取措施調節進水pH。
由于來水不會出現pH過高的情況，因此，在加藥間只設有加堿泵。加堿泵采用柱塞式計量泵，通過DCS實現與pH在線監測儀的聯動。當進水pH低于6.3(該值可在DCS系統中設置)時，加堿泵自動啟動;當pH達到7.5(該值可在DCS系統中設置)時，加堿泵自動停泵。實現加堿泵的自動控制環境保護，簡化工人操作。
5.1.2絮凝沉淀
用聚合氯化鋁(PAC)對生產廢水進行絮凝實驗，PAC配制濃度為10%，實驗結果見表5-1。
表5-1 絮凝劑投加量實驗一覽表
|
原水體積 （ml） |
PAC溶液 （ml） |
PAC用量 （g/m3） |
結 果 |
|
500 |
1 |
200 |
污泥200ml，上清液混濁，沉降速度慢 |
|
500 |
2 |
400 |
污泥205ml，上清液混濁，沉降速度慢 |
|
500 |
3 |
600 |
污泥220ml，上清液混濁，沉降速度中 |
|
500 |
5 |
1000 |
污泥230ml，上清液混濁，沉降速度中 |
|
500 |
7 |
1400 |
污泥270ml，上清液混濁，沉降速度快 |
|
500 |
10 |
2000 |
污泥330ml，上清液清澈，沉降速度快 |
|
500 |
15 |
3000 |
污泥400ml，上清液清澈，沉降速度中 |
5.1.3氯離子濃度測定
Cl-濃度對生化系統的處理效果有較大影響。微生物只有在等滲透壓下才能生長良好，這就要求水中Cl-濃度不能變化太大。在低滲透壓下，溶液水分子大量滲入微生物體內，使微生物細胞發生膨脹，嚴重者會導致微生物細胞破裂，造成微生物死亡;在高滲透壓下，微生物體內的水分子大量滲透到體外，使細胞發生質壁分離。
為監測廢水中Cl-的濃度，在混合池裝有1部電導率在線監測儀，用于測定生產廢水與生活污水混合廢水的電導率。通過對比電導率在線監測儀的測定值與廢水Cl-濃度的實測值發現，混合廢水的電導率與廢水中Cl-濃度存在較好的線性關系，廢水的電導率可以反映廢水中Cl-的濃度，見圖5-1。
圖5-1氯離子濃度與電導率
5.2厭氧系統調試過程
由于工程所在地附近沒有大型污水處理廠，而化糞池的污泥又難于收集，因此，采用周圍養雞場的雞糞作為厭氧池啟動的菌種。
該養雞場采用水沖糞環境保護，收集的雞糞用內襯塑料袋的尼龍袋盛裝。雞糞裝好后，放置5～6天的時間，讓雞糞充分發酵。在條件具備時，將雞糞置于太陽下曝曬。本工程位于四川地區，厭氧調試正置當地氣溫較高時期，曝曬后雞糞里的厭氧菌非常活躍，有的袋子因產氣太多而脹破。
放置或曝曬后的雞糞直接投入厭氧池。厭氧池在橫向上分為互相獨立的3組，每組在縱向上又分為3格，每格設1臺潛水攪拌機，共9臺。廢水在池中折流前進。雞糞均勻投入厭氧池的每一格中，每格的投加量約為1.6t。厭氧池有效容積約9400m3，每格有效容積為1044m3。
經過兩個多月的培養，截至8月18日，厭氧池的COD去除率達到35%(圖5-2)。
圖5-2厭氧池進水出COD隨時間的變化
從上圖看出，厭氧池出水COD受進水COD的影響較大。為降低進水Cl-濃度，并提供部分氮、磷，在進水中加入部分生活污水。生活污水的添加量根據現場實際情況確定，生活污水添加量的變化導致厭氧池出水COD波動較大。厭氧池進、出水COD的變化趨勢相同，COD去除率在30%左右。
5.3好氧系統調試
好氧池污泥接種也以雞糞為主，為加快接種速度，投加部分化糞池污泥和污水處理廠的干化污泥，并投加大量面粉，為微生物生長提供足量的碳源。
雞糞投加后進行悶曝，兩天后開始少量進水，大約一周后填料開始掛膜。此時逐漸加大進水量，密切關注出水端溶解氧狀況，保持出水溶解氧>2mg/L。在培菌期間，所有污泥回流至好氧池1。
由于廢水中不含有氮、磷，因此需要添加。本工程中采用尿素作為氮源，磷酸二氫銨作為磷源，同時磷酸二氫銨可以提供部分氮。磷酸二氫銨中磷元素的含量為27%，高于酸二氫鉀中磷元素的含量(22.7%)。市場上磷酸二氫銨的價格為4000～6000元/噸環境保護，而磷酸二氫鉀的價格約為8000～10000元/噸，因此，使用磷酸二氫銨要比磷酸二氫鉀更為經濟。
圖5-3好氧池1進出水COD隨時間的變化
從圖5-3看出，雖然好氧池1進水COD變化幅度較大，但出水COD相對較為穩定。因此好氧池1具有一定的抗沖擊負荷。
圖5-4好氧池2進出水COD隨時間的變化
10月21日起，逐步減少進入系統的生活污水量，以降低運行成本格式模板。從圖5-4看出，生活污水減少后，好氧2出水COD不斷升高，最終超過排放標準的限值。為使出水能達標排放，自12月27日起開啟臭氧設備，在臭氧的作用下，進入好氧2的廢水的B/C由原來的0.14提高至0.51，好氧2去除率大幅提高，出水COD達到排放標準。
5.4污泥系統調試過程
沉淀池1、沉淀池2和沉淀池3的污泥由污泥泵輸送至污泥濃縮池濃縮。濃縮后的污泥用帶式壓濾機進行壓濾脫水。
為改善污泥的脫水性能、減少進入濾布的污泥的數量和體積，采用絮凝劑對污泥進行預處理。分別對陰離子型PAM、陽離子型PAM和非離子型PAM(分子量均大于1000萬，其中陽離子型PAM離子度為10%～20%)進行試驗。結果表明，陰離子型和非離子型PAM絮凝效果差，不能形成大的絮體，污泥脫水效果不好。陽離子型PAM絮凝效果好，形成的絮體大，能結成塊狀，通過離心滾筒可分離出大部分水。
陽離子型PAM的配比濃度為1‰～2‰，濃度過高，藥劑粘稠度增大，用泵輸送時阻力變大。經過實驗，PAM的最佳用量為100mg/L。
6運行成本核算
6.1水、電費
本工程常開設備的總功率為309.4kw，日耗電量約為8953.4kwh。電費按0.7元/kwh計算，日電費為6267.4元，月電費為188022元。主要設備耗電情況見表6-1
表6?1工程日耗電情況表
|
設備名稱 |
功率（kw） |
開啟數量 |
日運轉時間(h) |
耗電量(kwh) |
費用(元) |
|
生活污水泵 |
37.0 |
1 |
12 |
444.0 |
310.8 |
|
生產廢水提升泵 |
11.0 |
1 |
24 |
264.0 |
184.8 |
|
羅茨鼓風機 |
25.0 |
1 |
24 |
600.0 |
420.0 |
|
離心鼓風機 |
80.0 |
3 |
24 |
5760.0 |
4032.0 |
|
潛水攪拌機 |
4.0 |
9 |
24 |
864.0 |
604.8 |
|
刮泥機 |
1.0 |
3 |
24 |
72.0 |
50.4 |
|
加藥泵 |
1.1 |
2 |
2 |
4.4 |
3.1 |
|
臭氧發生器 |
150.0 |
1 |
6 |
900.0 |
630.0 |
|
照明、通風、空調等 |
0.3 |
15 |
10 |
45.0 |
31.5 |
|
合計 |
- |
- |
- |
8953.4 |
6267.4 |
本工程主要用水處包括：臭氧系統冷卻水、實驗室、加藥間和衛生間。日用水量約5m3。自來水按1.8元/m3算，日水費為9.0元，月水費為270元。
6.2人工費
本工程目前有管理人員和操作人員共18名環境保護，平均月工資按2000元/人·月，月人工費為36000元。
6.3藥劑費
本工程主要采用生化處理，為保證微生物的生長，厭氧池中COD:N:P應保持在300:5:1，好氧池中COD:N:P應保持在100:5:1。根據測定數據，厭氧池COD去除率約為40%，剩余COD由好氧池去除。因此，綜合考慮好氧池與厭氧池COD:N:P比例的差異，本工程中COD:N:P維持在180:5:1即可滿足微生物生長需求。由于工業廢水中不含N、P，因此本工程采用尿素和磷酸二氫銨來補充微生物生長所需的營養元素。
本工程COD月處理量為108t，按上述比例，每月需要添加N 3000kg，P600kg。為降低進水Cl-濃度，同時增加進水中的N、P含量，本工程引入部分生活污水。生活污水中N含量以15mg/L計，總P以8mg/L計，每月可由生活污水提供719kg N和389kg P。因此，每月需要由尿素和磷酸二氫銨來提供2281kg N和211kg P。尿素中N含量為46%，磷酸二氫銨中N含量為12%，P含量為27%。每月需要添加的磷酸二氫銨的量為781kg，尿素為4755kg。
按當前市場價，尿素為2100元/噸，磷酸二氫銨為6000元/噸計算，每月所需藥劑費用為尿素9985.5元，磷酸二氫銨4686元。月藥劑費合計14671.5元。
6.4總運行成本
本工程每月運行費用為：
月運行費用=電費+水費+人工費+藥劑費=188022+270+36000+14671.5=238963.5元
單位污水處理費用=月運行費用÷月污水處理量 =238963.5÷95214.0 =2.51元/m3
7結論
隨著我國工業的飛速發展，各種高科技產品的不斷發明，其生產過程中產生的廢水成分也越來越復雜，有些工業廢水中的污染物甚至經過幾十年的自然降解，無法得到徹底凈化。尤其是一些化工廢水,如某些化工廠產生的含硝基化合物廢水(硝基化合物含量達到150-600mg/L)、精制棉黑液廢水(COD為10000-30000mg/L)等，此類廢水不僅污染物濃度高、色度高，而且難以生化，若直接排入水體中環境保護，將給生態環境帶來不可恢復的災難。
現有技術對此類廢水普遍采用物化法。如焚燒法(運行費用約為150元/m3)、活性炭吸附法(29-30元/m3)、內電解解法(10-20元/m3)、中和法(5-10元/m3)等，這些方法中，如焚燒法可徹底氧化廢水中的污染物質，但運行費用極高，一般企業難以接受。活性炭吸附法是目前大多數企業都普遍采用的凈化方法，但該法活性炭耗用量高，平均吸附每立方米廢水約需活性炭50-100Kg，活性炭耗量大格式模板。若采用活性炭再生技術，則又會產生新的二次污染，對于吸附飽和的活性炭，大多數企業采用直接焚燒的方法處置，這無形中又增加了運行成本并極易產生二次污染。內電解法及中和法雖然對污染物有一定的去除效果，但去除效率不高且這類方法占地面積大、勞動強度高。
隨著廢水處理技術的不斷提高，目前已有少數企業采取“物化+生化”的組合工藝來處理此類廢水。難生化工業廢水首先經過物化處理(預處理段)，可將水中大部分難生物降解的物質氧化為較易生化的物質，然后再經生化處理后排放。此種方法可在一定程度上控制物化工藝的處理程度，旨在將廢水中的難生化物質降解為小分子物質即可，但在實際操作中，該平衡點很難掌控，由于預處理階段廢水的成分比較復雜，各種難生化物質和可易生化物質混雜在一起，而預處理物化工藝對這些物質的氧化和吸附幾乎沒有選擇性，造成較易被生化的物質被大量氧化，大部分難生化物質被部分氧化。從表觀現象來看，經物化階段的處理后，廢水的COD會有明顯下降，但BOD值反而為不升反降。經此工藝處理后的廢水完全不具備生化系統的進水條件，造成生化系統經幾個月的培養仍不見成效，造成出水不達標。
有的工藝采用“生化+物化”的組合處理技術。工業廢水首先經過生化處理系統，在生化處理系統中，廢水中可易被生化降解的物質首先通過微生物的生理活動而得到凈化，剩余難生化物質再通過強化物化工藝(高級氧化法、膜法)得以去除。該組合工藝可以確保廢水的達標排放環境保護，但物化工藝根據生化系統出水性質的不同，處理費用相對較高。
因此，綜上所述現有技術方案用于處理難生物降解的工業廢水時，普遍存在運行費用高、處理不徹底或不能很好的組合物化與生化工藝相協調的缺點。
正如前文所述，對于難生物降解的工業廢水若單純采用物化工藝，則存在能耗高、運行費用高、操作工藝復雜等缺點，一般企業難以承受。
若采用“物化+生化”組合處理工藝，則存在能源浪費、不能很好控制物化反應程度，而造成生化系統不能最大程度的發揮處理能力，從而不能有效降低運行費用，且出水不能穩定達標。
若采用“生化+物化”組合處理工藝，則存在能耗高、運行費用高等缺點。同時，由于采用物化置后，原本經不完全氧化后即可被生化的物質也一并被徹底氧化，造成了能源的浪費。
本工程正是在考慮了以上現有工藝的技術缺陷后，采用“生化+物化(臭氧氧化)+生化”的三級處理系統工藝，充分發揮生化工藝運行成本低與物化工藝處理效率高的優勢。在工程設計上，根據二級生化出水的關鍵控制參數來反控制臭氧系統的臭氧產生量，以最大限度的降低臭氧發生量，從而降低運行成本。通過優化工藝參數，本系統可在Cl-濃度為5000mg/L的條件下穩定運行，運行成本為2.51元/m3。
參考文獻：
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