大型鋼鐵企業(yè)綜合廢水深度處理與回用研究

水處理網(wǎng)訊:摘要：針對(duì)大型鋼鐵企業(yè)以生物濾池為核心的綜合廢水深度處理技術(shù),結(jié)合進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化、曝氣生物濾池硝化和厭氧生物濾池二級(jí)反硝化形成的新工藝,設(shè)計(jì)了深度脫氮處理系統(tǒng)改造方案,進(jìn)行了中試研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,并最終應(yīng)用于工程實(shí)踐中,中試研究與工程實(shí)踐均取得了理想效果。

鋼鐵企業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中的用水大戶， 節(jié)約工業(yè)新水用量，加強(qiáng)回收利用，減少工業(yè)污水的排放量，是當(dāng)前鋼鐵企業(yè)共同追求的目標(biāo)。目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的噸鋼耗新水量雖然呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然較高。如在日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，鋼鐵企業(yè)的噸鋼耗水量基本達(dá)到2 m3 左右。而我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)的噸鋼耗水量仍在3 m3 左右。由此可見，在節(jié)水、廢水循環(huán)利用方面，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)仍蘊(yùn)含巨大潛力，水資源的節(jié)約方面仍有非常大的發(fā)展空間， 同時(shí)說(shuō)明國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)在節(jié)能減排及環(huán)保方面責(zé)任重大。

目前， 國(guó)內(nèi)大部分鋼鐵廢水均采用物化處理，如高密度沉淀池+V 型濾池等預(yù)處理工藝。處理后的水再部分進(jìn)行脫鹽回用，但脫鹽工藝采用的雙膜法對(duì)水質(zhì)要求較高， 污染物質(zhì)集中在濃水中，沒有從根本上去除。因此，需要研究一種工藝，既能夠從根本上降低污染物濃度，保證膜的進(jìn)水水質(zhì)，同時(shí)也能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，靈活調(diào)配水的去向，防止污染物在系統(tǒng)中富集。

本研究基于進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化、曝氣生物濾池硝化和反硝化生物濾池二級(jí)反硝化相結(jié)合的新工藝過(guò)程， 對(duì)綜合污水處理廠的廢水深度處理改造進(jìn)行了中試研究， 并根據(jù)研究結(jié)果實(shí)施整體改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)。

1 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)某大型鋼鐵企業(yè)綜合污水處理廠改造提標(biāo)的要求，即處理水達(dá)到《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13456-2012)和省級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)中的水質(zhì)要求和回用要求(具體要求換表1)，將“進(jìn)化生物法”、“曝氣生物濾池”、“反硝化生物濾池” 等技術(shù)組合，設(shè)計(jì)形成新的脫氮及深度處理系統(tǒng)，并針對(duì)新系統(tǒng)中采用的多項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行研究與分析，進(jìn)而獲取實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。

綜合污水處理廠原工藝及深度處理系統(tǒng)改造方案如圖1 所示。其中包含綜合污水處理廠物化處理工藝(一期工程)、原深度處理系統(tǒng)(二期工程)及最新脫氮深度處理系統(tǒng)(三期工程)。由于國(guó)家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，特別是對(duì)氨氮、總氮排放的要求更加嚴(yán)格， 建設(shè)處理尾水的脫氮系統(tǒng)是不可避免。因此，該企業(yè)聯(lián)合國(guó)內(nèi)知名大學(xué)和科研院所提出了脫氮深度處理系統(tǒng)改造方案， 并針對(duì)系統(tǒng)中采用的多項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行中試研究。

2 中試研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)脫氮深度處理系統(tǒng)中的進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化、曝氣生物濾池硝化和生物濾池二級(jí)反硝化三個(gè)工藝段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取實(shí)際物化處理工藝后廢水的脫氮效果進(jìn)行了分析。

2.1 進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化實(shí)驗(yàn)

采用進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化工藝對(duì)原有物化處理系統(tǒng)處理后的尾水進(jìn)行脫氮實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了49 天， 期間進(jìn)行了人為配水生物馴化、實(shí)際尾水實(shí)驗(yàn)、負(fù)荷提升(停留時(shí)間縮短)和極端條件等多個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2 可以看出， 原水中含有的硝酸鹽平均為14.8 mg/L， 經(jīng)過(guò)停留時(shí)間4 h (1~10 天)、2 h(11~24 天)、1 h(25~49 天)的負(fù)荷提升過(guò)程，尾水進(jìn)入一級(jí)反硝化系統(tǒng)進(jìn)行反硝化后出水的硝酸鹽平均為7 mg/L,，平均去除7.8 mg/L 硝酸鹽。

在極端實(shí)驗(yàn)中， 將停留時(shí)間設(shè)定為0.5 h，系統(tǒng)可去除硝酸鹽4~5 mg/L， 表現(xiàn)出了極強(qiáng)的反硝化能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將原水總氮通過(guò)配水提升至平均24.0 mg/L，在停留1 h 情況下，總氮最高去除20.1 mg/L，去除率最高達(dá)到91%。因此，無(wú)論是極端條件還是穩(wěn)定運(yùn)行條件下， 進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化對(duì)總氮的去除效果顯著高于其他反硝化工藝(市政污水總氮去除率50%~80%)。

2.2 曝氣生物濾池硝化實(shí)驗(yàn)

由于綜合污水處理廠接收的原水中氨氮濃度在10~30 mg/ L 范圍內(nèi)， 而處理水要求氨氮小于5 mg/L，出水要求總氮低于15 mg/L，所以氨氮的硝化過(guò)程將成為控制生化處理好氧單元設(shè)計(jì)的主要因素。本研究設(shè)置了目前較為常見的曝氣生物濾池， 通過(guò)濾池中的陶瓷填料上生長(zhǎng)的硝化類菌進(jìn)行氨氮的硝化脫除。中試系統(tǒng)每小時(shí)處理含氨氮廢水10 m3，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為后續(xù)的工程實(shí)際提供設(shè)計(jì)依據(jù)。2017 年曝氣生物濾池去除氨氮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3 可以看出系統(tǒng)運(yùn)行186 天的氨氮進(jìn)出水指標(biāo)情況，其中進(jìn)水氨氮平均11.15 mg/L，出水氨氮平均1.25 mg/L。試驗(yàn)期間有182 天達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率98%，氨氮的去除率達(dá)到89%。同時(shí)，盡管實(shí)驗(yàn)初期原水中氨氮濃度變化劇烈， 但本曝氣生物濾池系統(tǒng)處理后的水質(zhì)表現(xiàn)穩(wěn)定， 僅個(gè)別天數(shù)出現(xiàn)微幅超標(biāo)現(xiàn)象， 說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和應(yīng)對(duì)濃度變化沖擊的適應(yīng)性。

2.3 反硝化生物濾池硝化實(shí)驗(yàn)

總氮作為氮污染的另一個(gè)重要指標(biāo)， 排放標(biāo)準(zhǔn)為≤15 mg/L， 而該綜合污水處理廠接收到的污水總氮常在30 mg/L 以上， 為總氮達(dá)標(biāo)帶來(lái)壓力。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置了二級(jí)反硝化過(guò)程，應(yīng)用厭氧反硝化生物濾池工藝，在濾池中投加碳源，利用陶瓷填料上生長(zhǎng)的反硝化菌進(jìn)行異養(yǎng)反硝化。2017 年厭氧反硝化生物濾池進(jìn)出水總氮指標(biāo)見圖4。

由圖4 可以看出系統(tǒng)運(yùn)行212 天總氮進(jìn)出水的指標(biāo)情況，其中進(jìn)水總氮平均23.47 mg/L，出水平均13.67 mg/L，超標(biāo)13 天，達(dá)標(biāo)率93.9%，去除率41.7%。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示， 厭氧反硝化生物濾池的脫氮效率不是很理想，分析其原因?yàn)椋孩?由于前端的曝氣生物濾池為進(jìn)行氨氮氧化的脫氮而進(jìn)行的強(qiáng)曝氣，導(dǎo)致曝氣池出水溶解氧高(7~8 mg/L)，進(jìn)而導(dǎo)致其出水進(jìn)入?yún)捬醴聪趸餅V池的溶解氧較高，而所投加的碳源在充足的溶解氧條件下，更易發(fā)生碳化反應(yīng)而非反硝化反應(yīng)。按目前投加的碳源量應(yīng)該去除20 mg/L 總氮， 但實(shí)際只去除了約10 mg/L， 所投加的碳源僅50%用于反硝化反應(yīng)。② 由于來(lái)水中含有硝酸鹽大于10 mg/L， 這部分硝酸鹽與曝氣生物濾池硝化過(guò)程新產(chǎn)生的硝酸鹽，同時(shí)在厭氧反硝化生物濾池中去除，增加了二級(jí)反硝化的壓力。為此，在前端設(shè)置了進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化工藝，先行處理原水中存在的硝酸鹽，顯著減輕后續(xù)二級(jí)反硝化工藝的負(fù)荷， 進(jìn)而完成了系統(tǒng)的總氮去除目標(biāo)。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)中試試驗(yàn)研究結(jié)果， 實(shí)施整體改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)，通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證得出：針對(duì)含有硝酸鹽的原水， 在水力停留時(shí)間為1 h 的條件下，經(jīng)進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化系統(tǒng)處理后，總氮的平均去除率在50%以上; 在水力停留時(shí)間為2 h 條件下，曝氣生物濾池氨氮的去除率達(dá)到80%以上; 厭氧生物濾池二級(jí)反硝化脫氮效率達(dá)到41.9%。在加入一級(jí)反硝化系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)脫氮后，二級(jí)反硝化的脫氮壓力減輕， 最終在兩個(gè)反硝化系統(tǒng)的綜合作用下，系統(tǒng)總氮實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)綜合污水處理廠的尾水深度處理系統(tǒng)改造項(xiàng)目， 設(shè)計(jì)了脫氮深度處理系統(tǒng)改造方案， 對(duì)方案中包含的進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化、曝氣生物濾池硝化和厭氧生物濾池二級(jí)反硝化三個(gè)核心技術(shù)進(jìn)行了中試研究， 并對(duì)研究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析， 最終通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證得出：針對(duì)含有硝酸鹽的原水，水力停留時(shí)間為1 h 時(shí)，進(jìn)化生物法一級(jí)反硝化系統(tǒng)總氮平均去除率在50%以上;水力停留時(shí)間為2 h 時(shí)，曝氣生物濾池氨氮去除率達(dá)到80%以上; 厭氧生物濾池二級(jí)反硝化脫氮效率達(dá)到41.9%， 完成了系統(tǒng)的總氮去除達(dá)標(biāo)。