馮素敏，曹樹余，秦曉玲

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018；3.河北省石油化工設(shè)計(jì)院有限公司，河北石家莊 050061)

中國(guó)傳統(tǒng)合成氨工業(yè)具有噸氨廢水排放量大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)前，應(yīng)首先對(duì)工藝生產(chǎn)裝置實(shí)施清潔生產(chǎn)和廢水的清污分流措施，盡量減少廢水的排放量[1]。目前中國(guó)對(duì)該廢水的生化處理法主要有A/O，CASS，A/MBR，BAF等工藝[2-4]，以上處理方法對(duì)有機(jī)物、氨氮和懸浮物均有較好的去除效果，基本能夠做到穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高水資源高效利用，實(shí)現(xiàn)廢水零排放，尚需對(duì)廢水增設(shè)深度處理措施。本文結(jié)合河北某合成氨企業(yè)廢水排放特點(diǎn)，采用以“CASS+BAF”組合處理工藝[5]，經(jīng)處理后的廢水全部回用不外排。工程投運(yùn)1年來，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，節(jié)水效果明顯。

1 廢水處理工程設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

該企業(yè)合成氨生產(chǎn)能力為100 kt/a，其中液氨為50 kt/a、甲醇為40 kt/a、碳酸氫銨為40 kt/a。廢水主要來自脫硫凈化、壓縮、變換、合成、甲醇等工段，廢水量為200 m3/d，主要污染物為COD、氨氮、懸浮物和硫化物等，經(jīng)處理后的出水水質(zhì)達(dá)到GB/T 18920—2002《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)要求，具體設(shè)計(jì)進(jìn)、出水指標(biāo)見表1。

表1 主要污染物及指標(biāo)

1.2 廢水處理工藝

廢水處理工藝流程見圖1。

圖1 廢水處理工藝流程Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

廠區(qū)廢水首先通過格柵去除較大懸浮物后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，經(jīng)廢水提升泵打入隔油沉淀池，出水自流到水解酸化池，再由廢水提升泵打入CASS反應(yīng)池進(jìn)行曝氣、沉淀潷水、上清液潷水到中間水池，后經(jīng)中間水泵打入曝氣生物濾池(BAF)，出水入回用水池，經(jīng)殺菌處理后由回用水泵打入廠區(qū)各回用水點(diǎn)。隔油沉淀池產(chǎn)生的沉渣和CASS反應(yīng)池產(chǎn)生的剩余活性污泥分別通過排泥泵定期打入污泥濃縮罐，濃縮后的污泥進(jìn)入污泥干化場(chǎng)。

2 主要設(shè)備及構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)池 調(diào)節(jié)池主要起均衡水質(zhì)和水量的作用。本工程采用預(yù)曝氣調(diào)節(jié)池，通過鼓入適量空氣防止比重較大的顆粒沉積，停留時(shí)間為12h，地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池內(nèi)設(shè)2臺(tái)廢水提升泵，開1備1。

隔油沉淀池 隔油沉淀池采用平流式，其作用是去除部分浮油和懸浮物，停留時(shí)間為1.5h，表面設(shè)計(jì)負(fù)荷q′=2.0m3/(m2·h)。

水解酸化池 主要是通過水解酸化菌的作用將廢水中難降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易降解的小分子有機(jī)物，從而提高后續(xù)處理的可生化性[6]。本工程水解酸化池內(nèi)置組合填料。COD容積負(fù)荷Nv=2kg/(m3·d)，水力停留時(shí)間為14.4h。

CASS反應(yīng)池 循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)(cyclicactivatedsludgesystem，CASS)是廢水處理系統(tǒng)核心構(gòu)筑物之一，CASS工藝是好氧/缺氧/厭氧交替運(yùn)行的過程，主要去除廢水中的COD、氨氮以及SS等污染物質(zhì)[1]。該反應(yīng)池設(shè)有生物選擇區(qū)、兼氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，同時(shí)設(shè)污泥回流。CASS池共設(shè)2座，并聯(lián)交替運(yùn)行。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)[7]：COD容積負(fù)荷為0.5kg/(m3·d)，BOD5污泥負(fù)荷為0.15kg/(kg·d)，混合液污泥質(zhì)量濃度為3.5～4.0g/L，兩格池子按程序交替運(yùn)行，每格工作周期為8h，其中進(jìn)水1h，曝氣5h，沉淀1h，潷水1h。池內(nèi)最大水深4.0m，換水深度約1/3，設(shè)污泥回流泵1臺(tái)(兼剩余污泥泵)。

中間水池 中間水池起到CASS池間歇出水與BAF連續(xù)進(jìn)水的中間調(diào)節(jié)作用。水力停留時(shí)間為14.5h，內(nèi)設(shè)中間水泵2臺(tái)，開1備1。

BAF池 曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter，BAF)是廢水處理系統(tǒng)又一核心構(gòu)筑物，該工藝充分借鑒了廢水處理接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計(jì)思想，即需曝氣、過濾速度高、截留懸浮物、需定期反沖洗等特點(diǎn)，并對(duì)COD、氨氮以及SS都有較高的去除效果。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)[8]BOD5容積負(fù)荷為1kg/(m3·d)；布水區(qū)高度為1.2m；承托層采用鵝卵石，高度0.2m；濾料采用Φ3～8mm的球形陶粒，高度為2.5m。反洗采用氣-水聯(lián)合反沖洗，反沖洗時(shí)間為5min，空氣反沖洗強(qiáng)度為60m3/(m2·h)，水反沖洗強(qiáng)度為25m3/(m2·h)。

回用水池 回用水池是廢水處理系統(tǒng)的終端構(gòu)筑物，水力停留時(shí)間為14.5h，廢水經(jīng)加藥消毒后，由廢水回用水泵提升回用于廠區(qū)綠化、沖廁、鍋爐煙氣除塵及循環(huán)水裝置補(bǔ)水等。

主要設(shè)備及構(gòu)筑物分別見表2、表3。

表2 主要設(shè)備一覽表

表3 主要構(gòu)筑物一覽表

3 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本工程設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)如下。

采用“預(yù)曝氣調(diào)節(jié)池+隔油沉淀池+水解酸化池”作為預(yù)處理，即均衡了水質(zhì)水量，去除廢水中的油污和懸浮物，又提高了廢水的可生化性，減輕了后續(xù)處理設(shè)施的負(fù)荷，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

CASS工藝具有建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)行操作靈活、去除有機(jī)物及脫氮效果好等優(yōu)點(diǎn)。BAF工藝具有生物膜法的突出優(yōu)點(diǎn)：即處理效率高、出水水質(zhì)好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、尤其對(duì)低濃度有機(jī)廢水仍有較好的去除效果，且占地面積小、操作簡(jiǎn)單等。本工程設(shè)計(jì)采用“CASS+BAF” 組合工藝處理合成氨廢水，利用兩級(jí)生化處理、雙重脫氮功能保證了出水中有機(jī)物、氨氮及SS的有效去除，出水水質(zhì)滿足回用水水質(zhì)要求。

工程設(shè)計(jì)中將調(diào)節(jié)池、中間水池及回用水池設(shè)為地下式一體化構(gòu)筑物，隔油沉淀池、水解酸化池及CASS反應(yīng)池設(shè)為半地上一體化構(gòu)筑物，即節(jié)省了工程造價(jià)，又減少了占地面積，整體布置緊湊合理，操作方便。

4 結(jié)果與討論

4.1 調(diào)試結(jié)果

工程于2011年7月建成。為了縮短運(yùn)行調(diào)試時(shí)間，CASS池采用接種污泥培養(yǎng)法，菌種污泥來自附近某城市污水處理廠的脫水泥餅，含水率80%，污泥總量為15 t。首先調(diào)整CASS池進(jìn)水水質(zhì)pH值為6.8～8.0，COD質(zhì)量濃度為300～500 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為50～100 mg/L，其注水量為池容的2/3[9]。將菌種污泥投加到CASS池內(nèi)，并依次按著曝氣—沉淀—潷水—進(jìn)水4個(gè)程序不間斷運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行狀況逐步提高進(jìn)水COD和NH3-N的濃度。經(jīng)過近2個(gè)月的運(yùn)行調(diào)試，污泥沉降比逐漸達(dá)到了30%以上，COD和NH3-N去除率分別達(dá)到了85%和80%以上，基本進(jìn)入了穩(wěn)定運(yùn)行階段。

BAF池采用人工掛膜法，將適量菌種污泥投入到BAF池中，首先進(jìn)行悶曝，間斷進(jìn)水，之后連續(xù)曝氣、連續(xù)進(jìn)水[10]。經(jīng)過20多天的運(yùn)行調(diào)試，BAF出水COD 和NH3-N去除率分別達(dá)到了75%和80%以上，且出水水質(zhì)清澈、穩(wěn)定。曝氣生物濾池掛膜成功[11-12]。

工程調(diào)試過程中CASS池出水COD和NH3-N的濃度變化情況分別見圖2和圖3。BAF池出水COD和NH3-N的質(zhì)量濃度變化情況分別見圖4和圖5。

圖2 CASS池COD質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Change of COD concentration in CASS tank

圖3 CASS池NH3-N質(zhì)量濃度的變化Fig.3 Concentration variation of NH3-N in CASS tank

由圖2和圖3可知，在CASS池調(diào)試過程中，CASS池進(jìn)水COD質(zhì)量濃度由300 mg/L 逐步增高到1 000 mg/L左右，一個(gè)多月后，隨著進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，出水COD質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在120 mg/L以下。去除率由50%提高到了85%以上。進(jìn)水中NH3-N質(zhì)量濃度由48 mg/L 逐步增高到250 mg/L左右，出水降到60 mg/L以下，去除率由30%逐步提高到75%。

圖4 BAF池COD質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Change of COD concentration in BAF tank

圖5 BAF池NH3-N質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Concentration variation of NH3-N in BAF tank

由圖4和圖5可知，在BAF池的調(diào)試過程中，CASS池的出水作為BAF池的進(jìn)水，20 d后，BAF池出水COD質(zhì)量濃度穩(wěn)定維持在50 mg/L以下，去除率由37%提高到60%以上。出水中NH3-N質(zhì)量濃度穩(wěn)定維持在10 mg/L以下，去除率由30%逐步提高到80%。

4.2 運(yùn)行結(jié)果

工程投運(yùn)1年以來，設(shè)備運(yùn)行正常，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定。廢水處理站進(jìn)、出水水質(zhì)的日常監(jiān)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 各污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4中數(shù)據(jù)可以看出， “CASS+BAF”組合工藝處理合成氨廢水具有較好的工作穩(wěn)定性，出水中COD，NH3-N及SS去除率分別達(dá)到的95%，97%，98%。

4.3 問題討論

4.3.1 泡沫問題

泡沫問題是活性污泥法運(yùn)行調(diào)試中的常見問題之一。CASS池調(diào)試初期產(chǎn)生大量泡沫，泡沫黏度大、穩(wěn)定性強(qiáng)，最大高度可達(dá)50cm，其產(chǎn)生的主要原因是由于投加的菌種污泥中含有大量的絮凝藥劑而引起的。針對(duì)此問題，采用噴水、降低曝氣量、降低負(fù)荷等措施對(duì)泡沫進(jìn)行有效控制[13]。同時(shí)，隨著污泥濃度的增加使泡沫逐漸消失。

4.3.2 水溫影響

該工程位于河北沿海地區(qū)，冬季室外最低溫度降到-10 ℃以下，廢水溫度降至8 ℃左右，影響了微生物的正常生長(zhǎng)，污泥生長(zhǎng)緩慢，出水水質(zhì)變差[14-15]。為解決該問題，引入了部分鍋爐排污水來提高廢水溫度，使其維持正常運(yùn)行。

5 效益分析

該工程總投資91.26萬元，其中直接費(fèi)用77.16萬元，間接費(fèi)用14.10萬元。處理成本1.50元/t，投資費(fèi)用4 563元/(t·d)。該項(xiàng)目實(shí)施后，每年削減COD，NH3-N污染物外排量分別為80.3t和17.5t，每年節(jié)約一次水約6萬t，1t水按3元計(jì)算，節(jié)水費(fèi)用共計(jì)18萬元，體現(xiàn)良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié) 語

合成氨工業(yè)廢水具有排放點(diǎn)多，成分復(fù)雜等特點(diǎn)，將“CASS+BAF”組合工藝應(yīng)用于合成氨廢水的末端治理，具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理效果好、操作運(yùn)行簡(jiǎn)便、投資省、能耗少等優(yōu)點(diǎn)。工程實(shí)踐表明：該組合工藝COD去除率達(dá)到95%，NH3-N的去除率達(dá)到97%，SS的去除率達(dá)到98%，具有較高的去除污染物質(zhì)的能力，處理后的廢水全部回用于廠區(qū)不外排，實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，體現(xiàn)了良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 馮素敏，邵立榮，楊景亮．CASS工藝在合成氨廢水處理工程中的應(yīng)用[J]．水處理技術(shù)，2008，34(5)：76-80.

FENG Sumin,SHAO Lirong, YANG Jingliang. The application of CASS process in synthetic ammonia wastewater treatment engineering[J]. Technology of Water Treatment, 2008,34(5):76-80.

[2] 郝祥超，王 良，張俊華,等．A/O工藝在高氨氮廢水中的應(yīng)用[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2010，35(7)：82-84.

HAO Xiangchao, WANG Liang, ZHANG Junhua,et al. Application of A/O process to the wastewater treatment of high NH3-N wastewater[J]. Environmental Science and Management, 2010,35(7):82-84.

[3] 李士安，呂 峰，王知強(qiáng)．A/O-MBR復(fù)合生物脫氮工藝在合成氨廢水處理中的應(yīng)用[J]．工業(yè)水處理，2009，29(5)：79-81.

LI Shian,LYU Feng,WANG Zhiqiang. Application of A/O-MBR compound biological denitrification process to the wastewater treatment of Synthetic ammonia[J]. Industrial Water Ttreatment, 2009,29(5):79-81.

[4] 劉景艷，曹國(guó)憑．曝氣生物濾池的實(shí)踐與應(yīng)用[J]．河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，33(1)：165-168.

LIU Jingyan,CAO Guoping. Practice and application of BAF[J]. Journal of Hebei Politechnic University (Natural Science Edition), 2011,33(1):165-168.

[5] 張鐵剛，隋許英，蘇升堅(jiān),等．CASS+BAF工藝在煉油污水處理中的應(yīng)用[J]．水處理技術(shù)，2010，36(2):126-128.

ZHANG Tiegang,SUI Xuying,SU Shengjian,et al. Application of CASS and BAF for refinery wastewater treatment[J]. Technology of Water Treatment, 2010,36(2):126-128.

[6] 許新芳．水解酸化/接觸氧化/CASS工藝處理生物制藥廢水[J]．中國(guó)給水排水，2011，27(4)：65-68.

XU Xinfang. Hydrolytic acidification/contact oxidation/CASS process for treatment of pharmaceutical wastewater[J]. China Water & Wastewater, 2011,27(4):65-68.

[7] 翟計(jì)紅，程學(xué)營(yíng)，葉昆孝．CAST/曝氣生物濾池工藝處理含油廢水[J]．中國(guó)給水排水，2009，25(10)：63-65.

ZHAI Jihong, CHENG Xueying, YE Kunxiao. Oily wastewater treatment by CAST/biological aerated filter[J]. China Water & Wastewater, 2009,25(10):63-65.

[8] 董春艷，張尊舉，孫 蕾．氣浮-復(fù)合好氧反應(yīng)器-BAF處理屠宰廢水[J]．環(huán)境工程，2011，29(1)：29-31.

DONG Chunyan, ZHANG Zunju, SUN Lei. Treatment of slaughter wastewater by process of air floatation-compound aerobic reactor-BAF [J]. Environmental Engineering, 2011,29(1):29-31.

[9] 文 敏 ，劉苗苗．充水比對(duì)CASS工藝處理污染物效果影響的研究[J]．工業(yè)用水與廢水，2010，41(2)：46-48.

WEN Min,LIU Miaomiao. Influence of water filling ratio on CASS process removing contaminants[J]. Industrial Water & Wastewater, 2010,41(2)：46-48.

[10] 吳火焰，汪永輝．曝氣生物濾池處理印染廢水掛膜啟動(dòng)研究[J]．工業(yè)用水與廢水，2010，41(1)：50-53.

WU Huoyan,WANG Yonghui. Research on start-up of biological aerated filter in printing and dyeing wastewater treatment[J]. Industrial Water & Wastewater, 2010,41(1)：50-53.

[11] 王 偉，王明剛，邵純紅,等．二級(jí)曝氣生物濾池(BAF)工藝在屠宰廢水處理中的應(yīng)用[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2011，36(5)：67-70.

WANG Wei,WANG Minggang,SHAO Chunhong. Applying two stage biological aerated filter( BAF) process to treat meat packing wastewater[J].Environmental Science and Management, 2011,36(5):67-70.

[12] 吳 巍，張洪林．A/O-MBBR工藝處理制革廢水的研究[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(3)：274-277.

WU Wei,ZHANG Honglin. A/O-MBBR process for treatment of tannery wastewater[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2010,31(3):274-277.

[13] 楊會(huì)龍，張志軍，張雅楠．污水廠改良氧化溝處理工藝的優(yōu)化控制[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(3)：257-261.

YANG Huilong,ZHANG Zhijun,ZHANG Ya′nan. Optimized control of improved oxidation ditch craft for sewage treatment plant[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2009,30(3)：257-261.

[14] 樊紅輝，林華東，花勇剛．CASS工藝脫氮影響因素分析[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2009，34(8)：93-100.

FAN Honghui, LIN Huadong, HUA Yonggang. Analysis on the factors affecting the removal of nitrogen with CASS process[J]. Environmental Science and Management, 2009,34(8)：93-100.

[15] 張占鋒．CASS工藝在處理低溫生活污水中的應(yīng)用研究[J]．北方環(huán)境，2010，22(2)：97-99.

ZHANG Zhanfeng. CASS process in dealing with low temperatures in the application of domestic sewage[J]. North Environment, 2010,22(2)：97-99.