前置生物脱氮法处理有机废水的工程设计

甘树应，杨青，陈季华，刘振鸿
（东华大学环境科学与工程学院，上海200051）

　　摘要：针对锦纶—6含氮有机废水的脱氮工艺进行了研究，提出了前置反硝化脱氮工艺中各处理设施的设计参数，介绍了A/B/C新工艺在碳化、硝化过程中不仅效率高，而且基本无剩余污泥的优点。整个工艺对COD_Cr去除率为96%，BOD₅去除率为99%，TN去除率为75%。?
　　关键词：有机废水处理；前置反硝化；A/B/C工艺?
　　中图分类号：X783
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)08-0025-03

　　浙江慈溪金轮集团是我国最大的锦纶生产基地，产量占全国锦纶市场的40%以上。其生产工艺过程就是将己内酰胺单体产品作为原料单体聚合成高聚物(P_A—6)，然后对高聚物进行纺丝加工成纤维产品。该集团废水主要来源于生产聚合切片的萃洗废水，废水中主要污染物是己内酰胺。
　　该厂原采用氧化沟工艺，随着集团工业的发展，各企业厂家排放的废水量大大增加，原有废水处理设施已处于超负荷运行，出水COD_Cr经常不能达标排放，同时出水NH₃-N严重超标，对当地的河流造成了一定的污染。所以必须进行工艺改造以适应集团发展，使出水的各项指标都能达标。?

　　1 废水处理工艺

　　1.1工艺流程
　　改造的废水处理工艺流程如图1：

　　1.2工艺说明
　　由于废水中的氨氮和己内酰胺的含量都很高，己内酰胺在处理的过程中也要转化为氨氮，所以曝气池出水中氨氮的含量非常大。为使出水的氨氮能够达标(GB8978—1996，NH₃-N＜15mg/L)，工艺必须考虑对氨氮的去除，即脱氮。常用的生物脱氮方法有前置生物脱氮法和后置生物脱氮法，其中后置生物脱氮法需要外加碳源，这样将增加废水的处理成本且外加碳源的量不易控制，易造成出水COD_Cr上升；另外后置生物脱氮法的占地也比前置生物脱氮法的大，增加工程基建投资。前置生物脱氮法因不需要外加碳源、占地少等优点而得到广泛的运用，本项目的工艺采用前置反硝化的生物脱氮法。?

　　2 主要构筑物的工程设计

　　甲方提供的水质和水量为：Q＝6000m³/d，COD_Cr＝2000mg/L。由于处理的水量较大，考虑到构筑物的可靠性和降低对构筑物结构的要求，在设计中尽量把单位池子的面积减少，并将水解酸化池、反硝化池、曝气池和沉淀池分为平行的两组，每组设计水量为3000m³/d。
　　2.1水解酸化反应池
　　由于进水COD_Cr有时高达3000～4000mg/L，若采用好氧处理极不经济。因此利用兼氧技术，即在缺氧(或无氧)条件下，利用兼性厌氧菌—产酸细菌作用，将废水中主要污染物己内酰胺分解成低分子的中间产物——主要是有机酸类(如乙酸、丙酸)及醇类(如乙醇)；在有机物分解过程中，常有大量氢游离出来，pH值随之下降，在工程运行中掌握pH值在5.8～6.2。根据对同类型污水处理厂设计的经验，废水在此装置中停留时间冬天需要24h，夏天需要12h。?
设计停留时间取最不利条件下(冬天)的停留时间24h。水解酸化池的有效容积为3000m³，把池子平分为四格。在水解酸化池每格池底设置空气搅拌曝气管，48h为一周期，曝气搅拌2h。主要目的有二：其一，通过空气搅拌增加水解酸化池的匀质功能；其二，通过空气搅拌，将沉积于池底的SS搅拌翻起，使之随池子的出水一起流向下一级处理设施，防止沉积物在池底沉积过多，影响水解酸化效率。
　　2.2反硝化池
　　反硝化池是通过栖息在软性填料上的世代时间较长的反硝化菌的作用使废水中的NO^-₂、NO^-₃转化为对环境无污染的N₂O和N₂，从而达到生物脱氮的要求。由于采用了前置反硝化脱氮工艺，利用进水中的有机物作为碳源，所以反硝化池无需再外加碳源。NO^-₂、NO^-₃则通过沉淀排放水的回流来实现。?
　　在反硝化池内的填料采用比表面积大的纤维填料(涤纶丝与半软性填料的复合)，反硝化菌浓度＝2000mg/L。填料的体积负荷为0.03kgNO^-₃-N/(kgVSS·d)。?
　　进入反硝化池NO^-₃-N浓度可通过理论计算为41mg/L，为保证出水中NO₃^--N的浓度能达标，设计时取出水NO^-₃-N的浓度为0mg/L。
　　反硝化池中填料容积为4100m³，考虑到系统内pH、t、DO对脱氮效率的影响，设计反硝化池的实际水力停留时间为25.2h。
　　反硝化池的有效容积为6000m³，分为5格。
　　2.3 A/B/C工艺曝气池
　　A/B/C工艺是将污泥负荷分为高负荷、一般负荷和低负荷三个区间运行，不仅提高了系统的净化效率，还防止了污泥的膨胀并减少剩余污泥量。设计参数的确定根据污泥负荷FW与污泥容积指标SVI的关系图以及W.Wesley Eekenfeledes两阶段处理公式计算。污泥负荷FW与污泥容积指标SVI的关系见图2。

　　根据图2，为控制污泥膨胀，将曝气池的运行设计为A/B/C处理系统，使运行时段分别落在曲线a～a′段、b～b′段、c～c′段，既能使有机物在反应系统中迅速彻底代谢，又能使污泥保持良好的沉降性能。?
　　a～a′曲线为高负荷区，污泥负荷为2.2kgBOD₅/(kgMLSS·d)。在此区有机物以最大速率转化，合成污泥量较多。
　　b～b′段为一般负荷区，处于减速增殖区，污泥负荷为0.2kgBOD₅/(kgMLSS·d)，为维持此值，应控制回流污泥量。
　　c～c′段处于内源呼吸期，污泥负荷在为0.1kgBOD₅/(kgMLSS·d)，利用污泥的自身内源呼吸进行污泥自身代谢，实现污泥的减容化，整个系统在运行过程中实现污泥的“近零排放”。?
　　综合脱碳和硝化的设计要求，确定A、B、C各格的停留时间分别为2.5、7.5、5h，废水在A/B/C曝气池中总的停留时间为15h，总有效体积为3750m³。
　　2.4 沉淀池
　　沉淀池设计为多斗竖流式沉淀池。废水进沉淀池的流量Q＝6000m³/d，回流污泥量QR＝3000m²/d，共计9000m³/d。这么大的水量若采用辐流式沉淀池，需要两用一备，刮泥机的维修保养及投资费用庞大，而采用竖流式多斗沉淀池可将沉淀池的污泥斗深度大大减小，减少基建投资费用，同时操作管理方便，运行稳定。
　　水力表面负荷q一般为0.72～1.8m³/(m²·h)，锦纶废水的沉降性能不好，本工程设计时取q＝0.65m³/(m²·h)，沉淀时间t=1.5h。
　　竖流式沉淀池采用正方形，整个沉淀池1分为4，每个小的竖流式沉淀池池底采用4个多斗式结构。污泥斗的倾角设计为52°，底边长为1m，污泥斗的高度为3.2m。设计废水在沉淀池中上升流速v＝0.3mm/s，沉淀池的有效高度为1.62m。
　　2.5 污泥回流池
　　曝气池的出水在沉淀池进行泥水分离，沉淀污泥排入污泥回流池经污泥回流泵提升至A、B、C三格，以保持A/B/C工艺在各格曝气池中的污泥浓度要求。污泥回流比r设计为50%，回流污泥量Q_R＝3000m³，在回流池中停留时间取60min，池子有效水深H取4.5m，保护高度取0.5m。
　　2.6 回流水池
　　沉淀池部分出水经回流水池通过提升泵至反硝化池，为反硝化菌脱氮提供NO₃^--N。回流比R为100%，回流水池容积为140m³，停留时间30min。
　　2.7污泥浓缩池
　　在A/B/C活性污泥处理系统中，剩余污泥的产生量在三格中各不相同。在A格，由于F/M＝2.2，因此有机物以最大的速率转化为污泥的合成。B、C两格，污泥合成率比A格低得多。假设A、B、C三格污泥合成指数平均值a为0.36，污泥自身氧化率b为0.08，则每天产生的剩余污泥量为180.5 kg/d，污泥经浓缩后，含水率由99.5%降至98%。?
　　部分浓缩污泥被送到水解酸化池，在兼氧条件下水解，从而使部分污泥消化，成为生物脱氮系统中的内源碳，从而整个系统实现基本无剩余污泥的“零排放”。

　　3 结论

　　目前该工程已经通过调试、验收。从调试和验收后运行的情况来看，该污水处理厂出水稳定在COD_Cr为40mg/L左右，其COD_Cr去除效率达96%；BOD₅为5～13 mg/L，去除效率达99%，均优于设计时的目标值。TN目前去除效率为75%，出水NH³-N由于填料上反硝化菌生长世代周期长的原因而暂时在20mg/L左右，它将随反硝化菌的浓度升高而降低。由于出水水质的COD_Cr、BOD以及其他一些指标均能达到或低于该集团生产用水的要求，故将进行“废水回用”工程。该项目正常运行后，每年排向环境的COD_Cr削减量为3510t/a，BOD₅削减量为1755t/a，NH³-N削减量为360t/a，污泥削减量为16 461.5t/a，节支排污费44万元/a，回用节省自来水费用701万元/a(扣除运行费后)。因此，本项目具有巨大的社会效益、环境效益与经济效益。

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收稿日期：2000-02-28
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