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太陽能光伏廢水處理脫氮優化技術

       1、工程概況

       某集團公司是全球領先的太陽能光伏企業，其已建的廢水處理設施采用“調節+混凝沉淀+厭氧罐+厭氧沉淀池+缺氧池+好氧池+二沉池”工藝，處理能力為4000m3/d，主要處理有機廢水、濃酸廢水、廢氣塔廢氣排液，以及稀酸廢水。其中，濃酸廢水及廢氣塔廢氣排液經除氟后進入上述廢水處理設施，原有的混凝沉淀工藝用于去除由廢水中剩余的氟離子，以滿足氟離子排放標準要求。
       隨著企業生產工藝的更新和生產使用物料的變化，企業生產廢水的主要污染物質也發生了變化，生產工藝上硝酸的大量使用，使得廢水中的主要污染物由有機物轉變為硝態氮，綜合廢水的硝態氮濃度高達644mg/L。原有厭氧罐主要用于處理有機物，其采用底部布水，無三相分離器，上升流速較低，污泥容易堆積，且后續缺氧池停留時間只有7.5h，容積較小，整體廢水工藝中缺少去除硝態氮的功能，系統排水總氮濃度無法滿足排放標準。

       本次除總氮功能優化工程主要是將原有厭氧罐、厭氧沉淀池，分別改造為缺氧罐、缺氧池，同時增加碳源投加設備，提升系統脫氮功能，改造處理能力為4000m3/d。排水執行《電池工業污染物排放標準》（GB30484—2013）表2的間接標準，廢水水質、水量見表1。

       2、處理工藝

       2.1 廢水水質分析

       太陽能光伏生產廢水中的典型污染物包括：有機污染物、氟化物、硝態氮、懸浮物以及酸堿污染物等。此類廢水總氮含量高，有機污染物含量較低，營養比失調。其中，氟化物、懸浮物以及酸堿污染物可以通過物化處理方法得以去除，處理效果穩定、有效；有機污染物和硝態氮則采用通過生物處理技術，在缺氧條件下，生物反硝化技術能把硝態氮通過異養反硝化菌轉化為氮氣排放去除，在好氧條件下，好氧菌將有機污染物為無機物、CO2和H2O。
       在傳統的生物脫氮工藝中，氮的去除是通過硝化與反硝化兩個獨立的過程實現的，進行硝化與反硝化的細菌種類和所需環境條件都不同，硝化細菌主要以自養菌為主，需要環境中有較高的溶解氧；而反硝化細菌與之相反，以異養菌為主，適宜生長于缺氧環境。
       影響反硝化過程的因素很多，如微生物組成、碳源種類、碳源量、pH值、溫度、溶解氧和C/N等，其中，碳源是一個重要的控制因素。太陽能光伏廢水的C/N值較低，反硝化生物脫氮需外加碳源，實際工程應用采取投加常規的甲醇、乙醇、醋酸鈉、葡萄糖等液體碳。此外，天然纖維素物質及人工合成高聚物為主的固體碳源以及工業廢水、垃圾滲濾液、發酵液等新型碳源，也有一定的研究進展。

       隨著企業生產廢水水質的改變，原有設施存在兩個主要問題：
       （1）缺氧池停留時間短，反硝化菌數量少，脫氮效果差；
       （2）碳源量不足，原水中的有機碳源遠遠不能滿足反硝化過程中的碳源需求，運行過程中必須補加碳源。

       2.2 廢水處理工藝流程優化

       根據廢水水質特點和設計處理目標，結合太陽能光伏行業廢水處理取得的工程技術經驗，并因地制宜、充分利用原有設施，優化工藝采用“調節+混凝沉淀+缺氧罐（改造部分）+缺氧池（改造部分）+好氧池+二沉池”組合工藝，即將原有厭氧罐改造為缺氧罐，將原有厭氧沉淀池改造為缺氧池，并作為回流泵的吸水點，增加缺氧段的停留時間和缺氧塔的泥水混合效果。原有初沉調節池、混凝沉淀池、缺氧池、好氧池及二沉池不做改動，混凝沉淀池投加PAC和PAM，去除剩余氟離子，好氧池停留時間為15h，用于去除反硝化未耗盡的剩余COD，維持原有功能不變。廢水處理工藝流程見圖1。

       2.3 涉及改造的構筑物功能及參數

       （1）中間水池：
       增加碳源投加設備，保證運行中的C/N值達到4，為反硝化過程提供充足碳源，新增中間水池碳源加藥泵2臺，機械隔膜計量泵，Q=1500L/h，H=30m，N=0.75kW，1用1備；新增缺氧池碳源加藥泵1臺，機械隔膜計量泵，Q=300L/h，H=30m，N=0.55kW，1用；新增碳源卸料泵1臺，臥式化工離心泵，Q=50m3/h，H=8m，N=2.2kW。

       （2）缺氧罐
       將原有的厭氧罐改造為缺氧罐，單個尺寸φ×H=9.5mx17.0h，共4個，有效容積約4000m3。由于原有厭氧罐無三相分離器，且上升流速較低，只有0.58m/h，污泥容易產生堆積，所以此次優化增加了回流泵，利用后續帶有泥斗的缺氧池（原厭氧沉淀池改）進行泥水混合回流，增加上升流速，罐內整體上升流速最高可達2.4mh，同時為了固定反硝化細菌，減少污泥流失，改造增加了聚氨酯材質的脫氮填料。另外，改造在罐內增加了內循環桶，內循環桶直徑6.5米，高10米，底部距離罐底1.2米，筒壁采用鍍鋅鋼板，底部和頂部采用玻璃鋼格柵板，填料全部置于內循環桶中，回流的布水管道全部位于內循環桶正下方，桶內上升流速會比筒外上升流速高，利用類似射流的原理，使得罐體內部形成水流的內循環，改良泥水混合效果。新增3臺回流泵，Q=260m3/h，H=30m，N=37kW，2用1備。

       （3）缺氧池
       將原厭氧沉淀池改造為缺氧池，單座尺寸LxBxH=6.0mx6.0mx6.5m，共2座，有效容積約400m3，該單元作為缺氧罐的回流起始點，可將缺氧罐內流失污泥回流至缺氧罐內。拆除原有的中心筒；新增2臺多曲面攪拌機，N=1.5kW，葉輪FRP材質。
       維持原有的缺氧池功能不變，單座尺寸LxBxH=16.0mx6.0mx7.3m，共2座，有效容積約1300m3。拆除原有的填料；新增4臺潛水推流器，N=1.5kW，葉輪聚氨酯材質，優化池內的推流攪拌效果。
       改造后，所有缺氧單元的總有效容積約5700m3，停留時間達到34h。

       3、處理效果分析

       3.1 運行效果分析

       運行過程中，根據進水水量，及時調節中間水池提升泵的流量，保持生化處理單元持續進水；中間水池投加碳源及少量磷源，根據進水水量、進水總氮濃度，及時調節碳源加藥泵的開度，維持C/N值在3至5之間（一般取4），定期清洗加藥泵出口的Y型過濾器，防止管道堵塞；保持缺氧池的潛水推流器、回流泵24h常開；定期開啟缺氧池的多曲面攪拌機，保證池底的污泥不會淤積；確保好氧池溶解氧濃度在2?4mg/L，防止曝氣過量或曝氣不足影響處理效果；控制缺氧池、好氧池內SV30值分別為30%和20%?40%，并根據實際處理效果進行調整；及時監控缺氧池、好氧池內pH值，控制pH在7.0?9.0，防止pH過低過高影響微生物性能；控制缺氧池、好氧池內的溫度在20-30℃，以防溫度過高過低影響微生物活性，由于項目地位于北方，冬季氣溫較低，可適當往缺氧池、好氧池中補充活性污泥，以提高COD、總氮的去除率。

       缺氧罐是作為核心單元，承擔了主要的反硝化任務，實際運行過程中，缺氧罐出水TN穩定小于30mg/L。原有的缺氧池作為保障單元，防止前端生化單元出水總氮出現異常，可以在該工段投加碳源進行應急處理，同時，原有缺氧池和好氧池的污泥回流系統，也可防止因單一碳源引起的好氧池污泥膨脹。
       經過優化改造后，工程已實現連續穩定運行，最終出水主要污染物都能達到排放標準，各單元出水水質見表2。

       3.2 技術經濟分析

       優化改造工程投資約為400萬元，包含了設計、設備和電氣儀表采購、安裝工程等。生物脫氮工藝相比物化脫氮工藝，具有投資少、運行費用低的特點。根據運行數據計算得出廢水的處理成本約為9.1元/m3，主要為藥劑消耗、水耗、電耗，不含污泥處置費用和人工費用，其中碳源的投加費用約為8元/m3，處理成本可被集團公司接受。

       4、結論與展望

       4.1 結論

       (1)A/O反硝化工藝能有效去除太陽能光伏廢水中的總氮和有機污染物，具有投資少、運行費用低的特點。廢水處理設施優化后，總氮去除率由75%提高至95%。
       (2)缺氧池中反硝化菌世代周期長，對水質敏感，建議生化處理單元前的中間水池設計停留時間6h~12h，避免生化處理單元受到前端來水水質水量頻繁變化帶來的沖擊，運行時嚴格控制碳源投加量、溶解氧濃度和堿度平衡。

       4.2 展望

       碳源在生物脫氮工藝中是一個重要的控制因素。傳統的甲醇、乙醇、葡萄糖等液體碳源的使用成本較高。研究者開始嘗試用固體碳源作為替代物，這種工藝稱“固相反硝化”，采用結構疏松的有機碳物質，將其作為碳源又作為生物膜的載體，相比液體碳源，既能降低運行成本，又能為微生物提供多元的營養物質、提高反硝化效率。未來生物反硝化外加碳源的研究，可實現低碳運行和資源化可持續發展，具有廣闊的應用前景。

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