解 瑞，李 偉

（華能巢湖發(fā)電有限責任公司，安徽 巢湖 238015）

0 引言

隨著環(huán)評標準越來越高，很多電力生產企業(yè)的循環(huán)水排放都面臨不達標，無法繼續(xù)生產的嚴酷現(xiàn)實，因此對循環(huán)水排放系統(tǒng)進行改造，使其達標排放刻不容緩。

電廠循環(huán)水排放達標指標主要有兩項：COD 含量和總氮含量。COD 達標處理工藝主要有臭氧—生物活性炭工藝、臭氧催化氧化工藝、強化絮凝工藝3種。總氮含量達標處理工藝主要有物理脫氮工藝、化學脫氮工藝、生物脫氮工藝3 種。以上幾種工藝其處理效果、穩(wěn)定性、投資費用、運行費用各有優(yōu)劣?，F(xiàn)對比幾種改造方案得出建議方案，在滿足循環(huán)水達標排放的前提下，降低建設和維護成本，提高生產效率。

1 COD 達標改造技術方案比較

1.1 臭氧—生物活性炭工藝

1.1.1 工藝原理與特點

臭氧—生物活性炭工藝是將臭氧氧化及活性炭吸附作用結合于一體的水處理工藝。通常采用先對水進行臭氧化之后使用活性炭吸附，同時通過活性炭的生物降解作用，最終有效去除水中有機污染物的方案。此工藝既利用了臭氧氧化、殺菌消毒的作用，又利用了活性炭吸附及微生物降解的作用，充分發(fā)揮物化和生化作用，相互促進，更加有效地降解及除去水中的藻類、有機物、氨氮、氰化物、部分重金屬、放射性物質、色度、異味等，從而實現(xiàn)水質深度凈化［1］。

投加臭氧一方面可以將有機物中大分子降解為小分子，降低進入活性炭池中的有機負荷，加強活性炭吸附降解有機物；另一方面為活性炭池充氧，保證水中有足夠的溶氧，促進活性炭好氧微生物的生長。此外活性炭可以吸附臭氧副產物及化合物，其表面微生物的活動可以繼續(xù)降解有機物。

臭氧—生物活性炭工藝優(yōu)缺點：1）活性炭所用原材料廣泛，價格低廉；2）該工藝對有機污染物的去除率較高，在50%以上；3）該工藝可以同時實現(xiàn)對色度、嗅味、氨氮、磷以及鐵、錳的去除；4）該工藝還可以增加活性炭的運行壽命，減少運行維護費用。

但是，生產臭氧的電力耗能大，臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的設備比較復雜，需要大量貴金屬，因而造價較高；臭氧無法儲存和運輸，只能在運行現(xiàn)場生產。另外，活性炭設備需要定期更換新炭，活性炭的使用成本及再生炭的處理效率對臭氧—生物活性炭技術的費用影響很大。

1.1.2 處理工藝流程

臭氧—生物活性炭（O3-BAC）工藝流程如圖1所示。循環(huán)水排污水經排污水箱緩沖、靜置后由進水泵打入臭氧接觸氧化柱底部；臭氧接觸氧化柱采用氣、水同向上向流模式，臭氧發(fā)生器制備的臭氧也從底部支撐板的鈦板微孔布氣板對廢水進行曝氣，并從接觸柱頂部經臭氧催化破壞器處理后無害排放；經臭氧氧化處理后，出水自臭氧柱上部溢流至中間水箱，中間水箱底部設有圓盤曝氣頭，用來吹脫廢水中殘留的臭氧，同時也可以降低臭氧出水的溶氧；臭氧氧化出水再經中間水泵從底部泵入第一級生物活性炭柱并從上部清水區(qū)溢流至第二級生物活性炭柱底部并從上部出水。

1.1.3 工程應用案例

臭氧—生物活性炭工藝在各水廠的應用工程案例較多。廣州市南洲水廠設計供水規(guī)模100 萬m3／d，是我國最大的一家采用臭氧—生物活性炭工藝的水廠。該工藝運行后對COD 和氨氮的去除率平均分別為29%和7l%。杭州南星橋自來水廠采用此工藝對制水設備進行技改，改造后水處理規(guī)模為10 萬m3／d。設計水處理方案分為3 個流程：污水先進入預臭氧接觸池，流出混合段后再進入臭氧接觸池，最后進入生物活性炭濾池，此處理工藝對COD、氨氮及亞硝酸鹽氮的去除率分別為67.49%、75.31%及46.73%，工藝出水具有很好的化學、生物雙重穩(wěn)定性。

1.2 臭氧催化氧化工藝

1.2.1 工藝原理與特點

臭氧具有強氧化性，工程經驗和試驗研究均發(fā)現(xiàn)反應速率快的污染物會先與臭氧發(fā)生反應，導致單獨采用臭氧氧化的工藝處理后的水中會殘留大量的反應速率較低的污染物。同時臭氧在水中會形成大自然中僅次于氟的強氧化劑—羥基自由基（·OH），其可以將各種有機物迅速降解為二氧化碳和水。因此采用此工藝時一定要搭配催化劑，催化劑可以促進臭氧分解為羥基自由基，以大幅提高有機污染物的降解率。

常規(guī)臭氧氧化效率較低的問題，主要是由于水中臭氧濃度低、臭氧分解為羥基自由基較少、臭氧與污染物接觸時間較短造成的。為得到更多的更強氧化能力的羥基自由基，可以通過使用催化劑來改善臭氧轉化效率，增強臭氧氧化工藝的處理效果，使得與污水中有機物反應速度更快，效果顯著，有機物降解更為充分徹底。

圖1 臭氧-生物活性炭工藝總體流程

試驗發(fā)現(xiàn)，在存在催化劑條件下臭氧對有機物的降解效率要比無催化劑條件下提高15%～20%，或者是在相同去除效果的情況下，臭氧催化氧化可以減少20%以上的臭氧使用量。而在無催化劑的情況下，即使增加臭氧使用量或是加長臭氧反應時間，單獨臭氧氧化也無法達到臭氧催化氧化的處理效果［2］。

1.2.2 處理工藝流程

循環(huán)水排污水采用臭氧催化氧化工藝去除COD時，向脫氮處理后的水中加入聚鋁（PAC）進行混凝澄清反應，去除廢水的絕大部分膠體顆粒、大顆粒懸浮物和部分有機物后，經過濾等進一步截留微小的固體顆粒，防止其堵塞后續(xù)的臭氧催化劑床層；臭氧催化氧化系統(tǒng)過濾器出水在臭氧／催化劑的聯(lián)合作用下，將水中有機物去除，降低水體的COD；經臭氧催化氧化處理的廢水進入達標排放水池予以外排或是處理回用。

1.2.3 工程應用案例

目前，臭氧催化氧化工藝在食品醫(yī)藥、化工、市政污水等領域應用較多，應用于循環(huán)水排污水的工程案例較少。河南新鄉(xiāng)某化肥廠采用臭氧催化氧化工藝處理鹽水車間反滲透（RO）濃水，處理水量為350 m3／h，臭氧投加量為120～130 mg／L，其出水COD可由處理前的80～120 mg／L 降至30 mg／L 以下。開封某公司采用臭氧催化氧化工藝處理生產廢水，代替原有投加氧化藥劑的方式，投資1 400 萬元，直接運行費用1.3～2.1 元／m3，處理水量208 m3／h，出水COD 可由90 mg／L 降至25 mg／L，設備運行穩(wěn)定，處理效果明顯。

1.3 強化絮凝工藝

1.3.1 工藝原理與特點

強化絮凝工藝分為初級混凝及絮凝反應兩過程：初級混凝過程是使水中的所有膠體顆粒在混凝劑的水解產物的作用下在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚的反應過程；絮凝反應過程則是使用高分子絮凝劑—聚丙烯酰胺（PAM）不斷吸附污水中的懸浮顆粒，使絮凝結構逐漸增大直至最終形成沉淀［3］。

該工藝可顯著去除水中的固體懸浮顆粒、磷、有機物以及重金屬等。其投資和運行費用較少、效果顯著、調節(jié)靈活、操作維護簡便，而且對磷有很明顯的去除作用。但其出水水質會因原水質及水量的變化波動較大，應根據(jù)變化調整絮凝劑的投加劑量以及根據(jù)不同廢水水質確定藥劑種類，同時，處理后會產生大量污泥，需要對污泥進一步脫水處理。

1.3.2 處理工藝流程

強化絮凝工藝的實際應用如圖2 所示，首先將凝聚劑與助凝劑一同加入混合池中與排污水進行混合，再將混合后的污水再通入反應池充分反應，之后再依次通過沉淀池及濾池將污泥過濾掉，生成可以回用的循環(huán)水。產生的含有污泥的廢水經過污泥脫水機進行脫水，得到的干污泥通過車輛運出。

圖2 強化絮凝工藝流程

1.4 工藝方案對比

3 種氧化工藝的對比如表1 所示。

從表1 可以看出，臭氧—生物活性炭工藝與臭氧催化氧化工藝均具有制水效果穩(wěn)定、抗沖擊負荷能力強、對后續(xù)產水回收無影響等優(yōu)點，但是臭氧催化氧化工程造價較高，且后期需要定期更換催化劑，資金成本較高，因此推薦臭氧—生物活性炭處工藝。

1.5 臭氧氧源的選擇

臭氧作為一種強氧化劑，對有機物具有很強的去除作用，用其處理廢水具有高效、無二次污染、應用方便等特點。在臭氧的應用中，原料氣的選取對臭氧系統(tǒng)運行方式、處理效果以及其他技術經濟性能都有重要的影響。由于產生臭氧的原料是氧氣，因此一般臭氧發(fā)生器采用潔凈的空氣或者純氧氣為氣源，而氣體中氧的含量、氣體流量、氣體露點以及氣體中的雜質等因素都會直接影響設備的臭氧產量和運行的經濟性能。因此，對原料氣的性質進行分析，對合理、經濟地使用臭氧發(fā)生器是十分必要的。

氣源中氧氣含量越高，產生的臭氧濃度就會越高，相應的臭氧產量就越高?？諝庵醒鯕怏w積分數(shù)約占到21%，采用純氧氣為氣源所產生的臭氧產量理論上是空氣源產生臭氧產量的2.18 倍。而使用空氣為氣源的臭氧發(fā)生器系統(tǒng)，原料來源于大氣，沒有氣源成本費用，但需要準備一套供應干燥潔凈氣體的裝置，該套裝置主要包含空氣壓縮機、空氣冷凝器、變壓吸附干燥器、精密過濾器以及電子控制裝置等設備。因此，使用空氣為氣源需要較大的前期投入，一般情況下空氣處理系統(tǒng)的前期投入費用為臭氧發(fā)生器的60%～120%。在使用空氣氣源時，空氣處理系統(tǒng)的運行費用主要為電耗，每產生1 m3潔凈空氣電耗約為1～1.5 kWh，相同條件下其臭氧產量僅為以氧氣為氣源時臭氧產量的50%以下。另外純氧易燃特性決定在運輸儲存過程中安全風險加大。綜合購氣費用、前期投入費用、電耗費用及安全性，臭氧發(fā)生器使用空氣為氣源經濟性和安全性更高。

表1 氧化工藝方案對比

2 總氮達標處理技術方案比較

脫氮處理的重點在于去除硝態(tài)氮。目前，針對污水中的硝酸鹽氮的治理技術主要有物理脫氮、化學脫氮和生物脫氮等。

2.1 物理脫氮工藝方案

離子交換法是物理脫氮工藝中最常見的去除硝酸鹽氮的工藝。其原理是用強堿性樹脂床使污水中的硝酸根、氯離子或重碳酸根與樹脂中的氯離子發(fā)生交換。使用過的樹脂也不必浪費還可以使用重碳酸鈉或氯化鈉濃溶液再生。

離子交換法由于其簡單、高效、可再生及低成本等特點，廣泛應用于水處理行業(yè)。其缺陷在于樹脂再生時產生高濃度的硝酸鹽、硫酸鹽等廢水，后續(xù)處理困難。

2.2 化學脫氮工藝方案

金屬還原法先利用金屬物質將污水中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再使用酰胺類物質與亞硝酸鹽反應生成氨氣。目前研究較多的還原劑有金屬鐵、二價鐵及金屬鋁等。

以鐵為代表的活潑金屬還原法的特點是鐵的來源廣泛、價格低廉，反應速度較快，但此工藝也有一個不可避免的缺點是產生大量的鐵泥及氨氮化合物，必須通過后續(xù)處理降低二次污染。

采用價格稍高的金屬鋅將污水中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再使用氨基磺酸與其反應生成氮氣，可直接排放入大氣，對環(huán)境無二次污染，其優(yōu)點是反應速度快、操作簡便、運行維護成本低，氮的去除率達到96%以上，還原產物中僅有少量氨氮生成。

2.3 生物脫氮工藝方案

2.3.1 A-A-O 生物脫氮方案

A-A-O 生物脫氮工藝，是通過厭氧、缺氧、好氧3 種不同工藝段的處理，使其達到脫氮及除磷的目的。此工藝在首段設置用于釋放磷的厭氧池，將污水及回流的含磷污泥流入，利用微生物細胞對有機物的吸收作用降低污水中的生化需氧量（BOD5）濃度，但其脫氮效果受回流比影響。第2 段則設計為缺氧池，使反硝化菌將污水中的大量NO2-N 及NO3-N 還原為N2，去除氮氧化物。第3 段經過好氧池，利用微生物降解有機物，大幅降低NH3-N 濃度而升高了NO3-N 濃度，另外在聚磷菌的作用下，磷含量也迅速下降。

此工藝生產廢水的有機物含量低，可生化性較差，反硝化細菌無法培養(yǎng)，活性污泥生物絮體無法形成，因此采用該工藝時需及時補加碳源。同時，該工藝對運行管理要求較高、操作較為復雜，需要非常專業(yè)的運行人員操作，而且基建和運行費用均較高［4］。

2.3.2 曝氣生物濾池方案

針對硝酸鹽氮這類組分的去除，一般需由生物的反硝化和硝化機制去除。曝氣生物濾池工藝處理過程是先將流過池體底部配水區(qū)的污水向下通過礫石承托層，再流入含有有機或無機濾料的池底曝氣生物濾池，起主要作用的是濾料，一方面濾料能夠過濾污水中的懸浮顆粒，另一方面濾料生長的生物膜可以有效吸附、降解污水中的有機物。

2.3.3 曝氣生物流化床方案

曝氣生物流化床（ABFT）工藝是采用高分子填料作為微生物附著床，投加廣譜性優(yōu)勢菌種，鼓風曝氣提供載體流態(tài)化動力，大量微生物附著在生物載體上。而載體內外均附著大量生物膜及活性污泥菌膠團在水中呈懸浮狀態(tài)，保證曝氣生物流化床能夠高效穩(wěn)定地去除污染物，并且反應過程中無數(shù)個微生物載體形成無數(shù)個微型的氨氧化、硝化、反硝化聯(lián)合過程，既保證了氨氮和有機物的高效去除，又確保了總氮的有效脫除［5］。

采用曝氣生物流化床工藝既可維持生物的多樣性，填充的生物載體又可實現(xiàn)微生物的固定，使其去除污染物的效果更好、降解廢水基質的速度更快、生化池內污水的停留時間更短，不僅有效降低污水中有機物等污染指標，還強化了生化系統(tǒng)的脫氮功能。其運行機理雖復雜，但運行操作簡便，同時，污泥產量極少，對環(huán)境不會帶來二次污染。

2.4 脫氮工藝方案對比

對幾種脫氮工藝對比如表2 所示。從表2 可以看出，與單純物化工藝相比，生化工藝存在著處理費用低、總氮去除效果更佳的突出優(yōu)點，同時生化反應還能夠協(xié)調去除部分COD，降低后續(xù)工藝的處理負荷。ABFT 處理工藝具有運行管理方便、適于可生化性較低、C／N 比較低的污水脫氮，且運行穩(wěn)定性好、幾乎沒有污泥產生等突出優(yōu)點。因此，推薦ABFT 處理工藝方案作為主要脫氮工藝。

3 結語

循環(huán)水排污水達標排放處理工藝最優(yōu)為：循環(huán)水排污水進入均質調節(jié)池調節(jié)廢水水質、水量，均質混合后進入ABFT 處理單元，脫除水體中總氮。該工藝在一定程度上能夠去除部分COD，初步降低廢水COD，減小后續(xù)臭氧—生物活性炭單元的處理負荷以及水質波動對后續(xù)處理單元的沖擊，降低后續(xù)處理成本。在混凝澄清池中加入FeCl3以去除ABFT 出水中的絕大部分膠體顆粒、大顆粒懸浮物和部分有機物，并通過砂濾進一步截留微小的固體顆粒，防止其堵塞后續(xù)的臭氧—生物活性炭床層，保證臭氧—生物活性炭工藝單元的良好運行。過濾器出水在臭氧—生物活性炭的聯(lián)合作用下，將水中有機物去除，降低水體的COD，使其達到排放要求。經臭氧—生物活性炭處理的廢水達標排放或處理回用，產生的污泥送至系統(tǒng)的污泥池統(tǒng)一處理。

表2 幾種脫氮工藝方案對比