1前言
遼河流域渾河中遊城市群是振興遼寧乃至東北老工業區的核心區域。隨著工業化的快速發展，流域內工業園區蓬勃發展，產生了大量的工業綜合廢水。這類廢水經園區處理後，仍含有大量極難降解的有機汙染物，水質可生化性極差，給引進的城市汙水處理廠帶來極大的處理難度和幹擾，直接導致出水不達標的問題[1~3]。同時，改善流域水環境質量的需求對汙水處理廠的出水提出了更嚴格的要求。根據遼寧省環保局和遼寧省質量技術監督局聯合發布的《遼寧省汙水綜合排放標準》的要求，市級以上汙水處理廠的出水濃度應達到國家壹級A排放標準，因此汙水處理廠需要結合現有處理工藝進行升級改造。
曝氣生物濾池由於占地面積小，處理效果好，在遼河流域的汙水處理廠中仍占有壹定的比例，出水基本達到二級排放標準。但隨著難降解工業廢水的流入，過濾器堵塞，生物膜脫落。針對工業綜合廢水存在的問題和曝氣生物濾池的特點，開展了水解酸化和氣浮除油的預處理研究，以及化學除磷和深度脫氮的研究，使出水達到壹級A排放標準，為此類汙水廠的升級改造提供了理論依據和數據支持[9 ~ 13]。
2試驗裝置和試驗方法
2.1測試水質
本研究選取沈陽市鐵西區某汙水處理廠，日處理水量40萬噸，進水中60%以上為工業綜合廢水。如表1所示，從汙水處理廠的進水水質指標來看，有機汙染物和固體懸浮物(SS)的濃度相對較高。水廠現有兩級曝氣生物濾池工藝後，出水基本可以達到國家二級排放標準，但與壹級A標準相比，壹方面水中的COD、ss、NH3-N需要進壹步去除；另壹方面，需要增加脫氮除磷功能。
2.2測試設備
根據工業綜合廢水的特點和汙水處理廠現有的工藝特點，設計了深度處理的全流程。中試裝置主要包括混凝池、氣浮池、水解沈澱池和前置反硝化曝氣生物濾池四個處理單元。
如圖1所示，絮凝池的立柱高度為1.6m，直徑為0.6m。原水和混凝劑溶液均從距底部1.2m處註入，安裝JJ-1大功率電動攪拌器，使原水和混凝劑充分混合，去除原水中的SS和TP。溶藥罐采用相同的設計參數，攪拌器也用於將固體混凝劑充分溶解成液態，由蠕動泵註入絮凝罐；氣浮池接觸室高2.2m，直徑0.12m，分離室高2.4m，直徑0.32m，加有混凝劑的原水由DP-130高壓隔膜泵從接觸室底部註入，與空氣充分混合的回流液由Nikni 20FPD04Z氣液混合泵註入，接觸室內的泡沫渣通過分離室排出，從頂部平臺排出。水解沈澱池立柱高4.5m，直徑0.5m，內裝厭氧汙泥。汙水從底部註入，部分SS和COD通過汙泥層去除。前置反硝化曝氣生物濾池采用柱高4.3米、直徑0.5米的有機玻璃濾柱填充火山濾料，濾柱中火山濾料粒徑分別為6-8毫米、4-6毫米和3-5毫米，其中支撐層高0.3米，濾料高4.0米，水面高1.0米。設計的三級生物濾柱分別為反硝化DN池、氧化硝化CN池和硝化N池。也就是分別進行反硝化、氧化、硝化，生化去除汙水中的TN、COD、NH3-N。CN池和N池采用空壓機曝氣，三級濾柱均采用上向流方式，采用高壓隔膜泵從底部註水。中試裝置的日處理能力為2t。
2.3水質分析方法
TN測試采用過硫酸鉀氧化法，NH3-N測試采用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮測試采用百裏酚分光光度法，亞硝酸鹽氮測試采用N(-1-萘基)-乙二胺分光光度法，COD測試采用重鉻酸鉀法，DO測試采用快速溶解氧分析儀[14]。
3測試結果和分析
3.1運行參數優化
3.1.1水解酸化預處理
水解酸化單元的作用是進壹步去除水中COD和SS的濃度，提高水的可生化性[15~17]，其主要控制參數是HRT(水力停留時間)。現在HRT是通過對進出水COD、SS濃度、BOD/COD的檢測分析來優化的。
如圖2所示，當HRT低於2.0h時，COD的去除率小於30.0%。因為時間短，這部分主要是去除水中的懸浮COD。隨著HRT的逐步提高，水中的難降解有機汙染物在水解發酵菌的作用下轉化為單糖、氨基酸、脂肪酸等小分子和易降解有機物[18~20]，COD的去除率也在不斷提高，達到50%以上。隨著出水COD濃度的不斷下降，出水BOD濃度也隨之下降。但由於工業廢水中難降解有機物比例較高，出水COD濃度下降速度快於出水BOD濃度，出水BOD/COD比值也增大。如圖3所示，進水BOD/COD值基本在0.3 ~ 0.4，當HRT大於2.0h時，出水BOD/COD值上升到0.4以上。而當HRT大於4.0h時，水中的難降解有機物已經被水解，出水COD的去除率變化不大，BOD/COD值也開始下降。因此，當HRT在2.0-4.0小時之間時，出水的BOD/COD值保持在0.4以上，屬於易生化處理的範圍，有助於後續生物濾池的進壹步處理。考慮到在流量不變的情況下，構築物的體積會隨著HRT的增加而增加，水解酸化的HRT確定為2.0h
此外，水解池還具有很強的去除原水中SS的能力。由於工業綜合廢水中含有較多的粘渣和懸浮物，雖然混凝氣浮工藝可以去除50.0%，但出水ss濃度仍為60.0 mg/L，如果這些SS直接進入濾池，會增加濾池的反沖洗次數。通過水解池厭氧汙泥層對水中顆粒物和膠體物質的截留和吸附，進壹步去除出水SS，其濃度基本保持在40.0mg/L以下，去除率在44.0%以上。由於水解池主要通過截留和吸附作用去除SS，HRT長對SS去除效果不明顯。因此，對於占地面積有限的汙水處理廠，在升級改造過程中，水解池完全可以替代初沈池，起到原水中ss和COD的初級去除作用。
3.1.2強化化學除磷
實驗選用了四種常用的混凝劑:硫酸鋁、聚合氯化鋁、氯化鐵和聚合硫酸鐵。通過對原水和出水TP濃度的考察，確定PFS為強化化學除磷實驗的混凝劑，並對其投加量和攪拌時間進行了優化[21~24]。
如圖4所示，隨著混凝劑PFS投加量的增加，水中TP的濃度不斷降低。當投加量達到30.0mg/L時，水中總磷濃度低於0.5mg/L，去除率達到75.0%以上。根據鐵鹽除磷的化學方程式可知，每去除1mg的P，需要1.8mg的Fe。原水中TP的濃度範圍為1mg/L ~ 4mg/L，若出水TP濃度小於0.5mg/L，則最多需要12.0mg/L的硫酸鐵，按有效成分至少為40.0%計，需要30.0mg/L。考慮水解等因素，最終投加量為40.0mg/L，出水TP濃度為0.3 mg/L，能保證出水水質達到壹級A排放標準要求。
確定了聚合硫酸鐵的用量後，對攪拌時間進行了優化。當投加量為40.0mg/L時，通過改變攪拌時間來確定出水中TP的濃度。攪拌時間、進水和出水的TP濃度以及去除率如圖5所示。隨著攪拌時間的增加，水中TP濃度不斷降低。當時間從5.0min增加到15.0min時，水中TP的去除率提高了5.1%，而從15.0min增加到30.0min，去除率僅提高了2.0%。因此，攪拌時間過長對TP的去除沒有明顯的影響，反而會增加額外的能耗和構築物的建築體積。由於出水TP濃度小於國家壹級A標準要求的0.5mg/L，從運行成本角度確定最佳攪拌時間為15min。
3.1.3高效氣浮除油
原水與混凝劑PFS混合後進入氣浮池，以去除造成過濾器堵塞的油汙和混凝產生的泡沫殘渣。氣浮池采用加壓溶氣氣浮，主要有溶氣壓力和回流比兩個控制參數。通過檢測和分析進出水中的含油量，優化氣浮裝置的運行參數[25，26]。溶解氣體壓力對除油的影響如圖6所示。出水含油量隨溶氣壓力的變化趨勢可分為三個階段。
當壓力小於2kg/cm2時，氣浮形成的氣泡尺寸仍然較大，對水中絮狀顆粒的去除能力有限。當壓力增加到3.5kg/cm2時，隨著氣泡粒徑的減小，氣浮的去除能力也顯著提高。然而，即使在此之後，即使形成的氣泡的粒徑不斷減小，出水中的含油量也不再降低，這說明氣泡的粒徑越大效果越好，而氣泡的粒徑越接近水中雜質的粒徑效果越好。氣浮工藝中微氣泡的平均粒徑壹般在40.0 μ m左右，從實驗中可以看出，當溶氣壓力為3.5kg/cm2時，可以達到很好的去除效果，出水含油量為2.73mg/L，去除率為84.6%。然而，過高的溶解空氣壓力只會增加功率輸出和功率消耗。
回流比對油含量去除的影響如圖7所示，氣浮的去除效果受回流比影響較大。當回流比低於30%時，水中的除油能力差，因為形成的氣泡較少。當回流比增加到30.0% ~ 50.0%時，氣浮去除效果最好。但當回流比增加到50.0%以上時，去除率下降，認為是由於水中空氣比例過高，微氣泡聚合成粒徑較大的氣泡，導致氣浮效果不佳。因此確定氣浮除油回流比為50.0%，出水含油量為3.12mg/L，去除率為82.9%。
3.1.4A/O深度脫氮
脫氮單元采用前置反硝化曝氣生物濾池。主要控制參數是回流比、水力停留時間和曝氣量。通過對出水的COD、TN、NH3-N和DO的檢測，優化了各項參數。
回流比是前置反硝化工藝中最重要的控制參數，直接影響水中TN的去除效果。根據中試裝置設計中BOD負荷、硝化負荷和COD負荷的計算，在HRT為45.0min、氣水比為5∶1.5的條件下，出水可以穩定達到壹級A排放標準。首先，在50% ~ 250%範圍內考察了參數回流比。如圖8所示，當回流比從50%增加到150%時，出水中TN的濃度在下降，TN的去除率在上升。這是因為當回流比較低時，水中沒有足夠的硝酸鹽作為電子受體，影響了反硝化速率。隨著回流比的增加，有足夠的硝酸鹽作為電子受體，利用水中的有機物作為電子供體，在不需要外加碳源的情況下完成反硝化和深度反硝化。但當回流比從150%繼續增大時，出水中TN的濃度並沒有繼續降低，當增大到200%時，TN的去除率已呈下降趨勢。壹方面，隨著硝酸鹽濃度的不斷升高，水中碳源不足，影響反硝化作用；另壹方面，隨著回流比的增加，進入DN池的溶解氧也在增加，溶解氧可以作為電子受體，競爭性地阻礙了硝酸鹽的還原，也抑制了硝酸還原酶的形成。因為回流比和HRT越高，反應罐結構的體積越大。結合水廠實際改造工程，進壹步研究了100%、125%、150%和175%四種回流比以及各回流比下出水TN隨HRT的變化規律。
隨著增加，出水TN濃度也降低，微生物對底物的去除率也更高。但總的來說，當HRT增加到20.0min以上時，出水中TN濃度的下降趨勢和去除率的增加趨勢變得平緩，所需的構築物體積也在增加。為保證出水TN濃度低於壹級A排放標準要求的15.0mg/L，回流比為125%，HRT為20.0min，此時出水TN濃度為12.74mg/L/L，去除率為67.0%。
溶解氧是維持好氧微生物生長和代謝的重要因素。對於曝氣生物濾池來說，水中溶解氧的供給，即空壓機的曝氣量，也是主要的能耗。過低的曝氣量會降低微生物的代謝能力。過度曝氣壹方面會造成經濟上的浪費，另壹方面會導致微生物活性的過度增強，在營養供給不足的情況下，會導致生物膜本身的氧化分解。通過監測CN池進水COD濃度和去除率，優化曝氣參數。如圖10所示，隨著曝氣量的增加，出水COD濃度降低，去除率增加。而當曝氣量增加到0.8m3/h時，兩項指標變化不大，說明曝氣量和溶解氧過大對COD去除影響不大，只是增加了動力成本。因此確定CN池曝氣量為0.8m3/h，出水DO濃度約為2.5mg/L，氣水比為4∶1。CN池的流出物具有高DO濃度，如圖11所示。進入N池後，在低曝氣條件下，水中的NH3-N可被高速去除。與出水COD濃度的變化率相似，出水NH3-N濃度隨著曝氣量的增加而降低。為達到壹級A排放標準，N池曝氣量確定為0.6m3/h，出水DO濃度約為3.0mg/L，氣水比為3∶1。
3.2技術和經濟分析
目前汙水處理廠有壹套兩級曝氣生物濾池，日處理能力為4×105t，單個HRT為45.0min，氣水比分別為3∶1和4∶1。根據中試研究結果，如果采用前置反硝化曝氣生物濾池工藝，需要增加回流液65438±0.25%，但由於HRT降低到20.0min，根據計算，現有的兩級濾池也可以分別作為CN池和N池使用，有少量富余，只需要增加壹套前置DN池和回流管道，同時需要更換水泵和曝氣風機設備，如圖66所示如果采用後置反硝化曝氣生物濾池工藝，現有的兩級濾池可分別作為CN池和N池使用，需建設壹套d N池、甲醇加藥及儲存間。同時要更換曝氣風機設備，如圖13，虛線部分為新結構。
根據中華人民共和國和住房和城鄉建設部頒布的《全國市政工程投資估算指標》，以及遼寧省建築安裝和市政工程預算定額、費用定額和近年類似工程的預決算，分別估算兩種工藝流程的工程造價和運行費用，見表2。
經經濟成本估算，由於構築物建設和設備購置，前置脫氮工藝總投資費用比後置脫氮工藝高13306438+02萬元。年運行成本方面，因為不需要添加碳源，低了195438+05438+00000元。即在升級後的第二年，兩種工藝的建設和運行總費用將基本持平，之後前置脫氮工藝每年將比後置脫氮工藝節省大量的運行費用。因此，從長遠來看，推薦采用預脫氮工藝作為水廠的高級脫氮工藝。
通過對工業綜合廢水深度處理全過程的中試研究，結合本汙水處理廠現有工藝情況，制定了升級改造的工藝路線，如圖14所示。
4結論
1)由於工業綜合廢水存在高油高粘、可生化性差、極難降解的問題，在處理時需要增加必要的預處理工藝。中試研究表明，高效氣浮除油工藝能有效去除廢水中的油汙、粘渣等雜質。水解酸化工藝不僅能有效提高水質的可生化性，還能有效去除水中的ss，具有良好的預處理效果。在氣浮溶氣壓力為3.5kg/cm2、回流比為50%、水解酸化HRT為2.0 h的條件下，可去除原水中40%的有機汙染物，原水的BOD/COD可提高到0.4以上。
2)通過對比實驗研究和技術經濟分析，先進脫氮工藝對於以曝氣生物濾池為主體的汙水廠升級改造具有更廣闊的應用前景。在節省大量運行費用的前提下，充分利用原水中的碳源，實現汙水的深度脫氮。在回流比為125%、水力停留時間為20.0min的條件下，出水TN和NH3-N濃度達到壹級A排放標準。
3)通過中試研究，開發出“化學除磷+氣浮除油+水解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池”的工業綜合廢水整體深度處理工藝。長期運行數據表明，該工藝對難降解、波動較大的工業廢水具有良好的耐沖擊性和處理效果，出水可穩定達到國家壹級A排放標準。
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