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太阳能光伏废水处理脱氮优化技术

       1、工程概况

       某集团公司是全球领先的太阳能光伏企业，其已建的废水处理设施采用“调节+混凝沉淀+厌氧罐+厌氧沉淀池+缺氧池+好氧池+二沉池”工艺，处理能力为4000m3/d，主要处理有机废水、浓酸废水、废气塔废气排液，以及稀酸废水。其中，浓酸废水及废气塔废气排液经除氟后进入上述废水处理设施，原有的混凝沉淀工艺用于去除由废水中剩余的氟离子，以满足氟离子排放标准要求。
       随着企业生产工艺的更新和生产使用物料的变化，企业生产废水的主要污染物质也发生了变化，生产工艺上硝酸的大量使用，使得废水中的主要污染物由有机物转变为硝态氮，综合废水的硝态氮浓度高达644mg/L。原有厌氧罐主要用于处理有机物，其采用底部布水，无三相分离器，上升流速较低，污泥容易堆积，且后续缺氧池停留时间只有7.5h，容积较小，整体废水工艺中缺少去除硝态氮的功能，系统排水总氮浓度无法满足排放标准。

       本次除总氮功能优化工程主要是将原有厌氧罐、厌氧沉淀池，分别改造为缺氧罐、缺氧池，同时增加碳源投加设备，提升系统脱氮功能，改造处理能力为4000m3/d。排水执行《电池工业污染物排放标准》（GB30484—2013）表2的间接标准，废水水质、水量见表1。

       2、处理工艺

       2.1 废水水质分析

       太阳能光伏生产废水中的典型污染物包括：有机污染物、氟化物、硝态氮、悬浮物以及酸碱污染物等。此类废水总氮含量高，有机污染物含量较低，营养比失调。其中，氟化物、悬浮物以及酸碱污染物可以通过物化处理方法得以去除，处理效果稳定、有效；有机污染物和硝态氮则采用通过生物处理技术，在缺氧条件下，生物反硝化技术能把硝态氮通过异养反硝化菌转化为氮气排放去除，在好氧条件下，好氧菌将有机污染物为无机物、CO2和H2O。
       在传统的生物脱氮工艺中，氮的去除是通过硝化与反硝化两个独立的过程实现的，进行硝化与反硝化的细菌种类和所需环境条件都不同，硝化细菌主要以自养菌为主，需要环境中有较高的溶解氧；而反硝化细菌与之相反，以异养菌为主，适宜生长于缺氧环境。
       影响反硝化过程的因素很多，如微生物组成、碳源种类、碳源量、pH值、温度、溶解氧和C/N等，其中，碳源是一个重要的控制因素。太阳能光伏废水的C/N值较低，反硝化生物脱氮需外加碳源，实际工程应用采取投加常规的甲醇、乙醇、醋酸钠、葡萄糖等液体碳。此外，天然纤维素物质及人工合成高聚物为主的固体碳源以及工业废水、垃圾渗滤液、发酵液等新型碳源，也有一定的研究进展。

       随着企业生产废水水质的改变，原有设施存在两个主要问题：
       （1）缺氧池停留时间短，反硝化菌数量少，脱氮效果差；
       （2）碳源量不足，原水中的有机碳源远远不能满足反硝化过程中的碳源需求，运行过程中必须补加碳源。

       2.2 废水处理工艺流程优化

       根据废水水质特点和设计处理目标，结合太阳能光伏行业废水处理取得的工程技术经验，并因地制宜、充分利用原有设施，优化工艺采用“调节+混凝沉淀+缺氧罐（改造部分）+缺氧池（改造部分）+好氧池+二沉池”组合工艺，即将原有厌氧罐改造为缺氧罐，将原有厌氧沉淀池改造为缺氧池，并作为回流泵的吸水点，增加缺氧段的停留时间和缺氧塔的泥水混合效果。原有初沉调节池、混凝沉淀池、缺氧池、好氧池及二沉池不做改动，混凝沉淀池投加PAC和PAM，去除剩余氟离子，好氧池停留时间为15h，用于去除反硝化未耗尽的剩余COD，维持原有功能不变。废水处理工艺流程见图1。

       2.3 涉及改造的构筑物功能及参数

       （1）中间水池：
       增加碳源投加设备，保证运行中的C/N值达到4，为反硝化过程提供充足碳源，新增中间水池碳源加药泵2台，机械隔膜计量泵，Q=1500L/h，H=30m，N=0.75kW，1用1备；新增缺氧池碳源加药泵1台，机械隔膜计量泵，Q=300L/h，H=30m，N=0.55kW，1用；新增碳源卸料泵1台，卧式化工离心泵，Q=50m3/h，H=8m，N=2.2kW。

       （2）缺氧罐
       将原有的厌氧罐改造为缺氧罐，单个尺寸φ×H=9.5mx17.0h，共4个，有效容积约4000m3。由于原有厌氧罐无三相分离器，且上升流速较低，只有0.58m/h，污泥容易产生堆积，所以此次优化增加了回流泵，利用后续带有泥斗的缺氧池（原厌氧沉淀池改）进行泥水混合回流，增加上升流速，罐内整体上升流速最高可达2.4mh，同时为了固定反硝化细菌，减少污泥流失，改造增加了聚氨酯材质的脱氮填料。另外，改造在罐内增加了内循环桶，内循环桶直径6.5米，高10米，底部距离罐底1.2米，筒壁采用镀锌钢板，底部和顶部采用玻璃钢格栅板，填料全部置于内循环桶中，回流的布水管道全部位于内循环桶正下方，桶内上升流速会比筒外上升流速高，利用类似射流的原理，使得罐体内部形成水流的内循环，改良泥水混合效果。新增3台回流泵，Q=260m3/h，H=30m，N=37kW，2用1备。

       （3）缺氧池
       将原厌氧沉淀池改造为缺氧池，单座尺寸LxBxH=6.0mx6.0mx6.5m，共2座，有效容积约400m3，该单元作为缺氧罐的回流起始点，可将缺氧罐内流失污泥回流至缺氧罐内。拆除原有的中心筒；新增2台多曲面搅拌机，N=1.5kW，叶轮FRP材质。
       维持原有的缺氧池功能不变，单座尺寸LxBxH=16.0mx6.0mx7.3m，共2座，有效容积约1300m3。拆除原有的填料；新增4台潜水推流器，N=1.5kW，叶轮聚氨酯材质，优化池内的推流搅拌效果。
       改造后，所有缺氧单元的总有效容积约5700m3，停留时间达到34h。

       3、处理效果分析

       3.1 运行效果分析

       运行过程中，根据进水水量，及时调节中间水池提升泵的流量，保持生化处理单元持续进水；中间水池投加碳源及少量磷源，根据进水水量、进水总氮浓度，及时调节碳源加药泵的开度，维持C/N值在3至5之间（一般取4），定期清洗加药泵出口的Y型过滤器，防止管道堵塞；保持缺氧池的潜水推流器、回流泵24h常开；定期开启缺氧池的多曲面搅拌机，保证池底的污泥不会淤积；确保好氧池溶解氧浓度在2〜4mg/L，防止曝气过量或曝气不足影响处理效果；控制缺氧池、好氧池内SV30值分别为30%和20%〜40%，并根据实际处理效果进行调整；及时监控缺氧池、好氧池内pH值，控制pH在7.0〜9.0，防止pH过低过高影响微生物性能；控制缺氧池、好氧池内的温度在20-30℃，以防温度过高过低影响微生物活性，由于项目地位于北方，冬季气温较低，可适当往缺氧池、好氧池中补充活性污泥，以提高COD、总氮的去除率。

       缺氧罐是作为核心单元，承担了主要的反硝化任务，实际运行过程中，缺氧罐出水TN稳定小于30mg/L。原有的缺氧池作为保障单元，防止前端生化单元出水总氮出现异常，可以在该工段投加碳源进行应急处理，同时，原有缺氧池和好氧池的污泥回流系统，也可防止因单一碳源引起的好氧池污泥膨胀。
       经过优化改造后，工程已实现连续稳定运行，最终出水主要污染物都能达到排放标准，各单元出水水质见表2。

       3.2 技术经济分析

       优化改造工程投资约为400万元，包含了设计、设备和电气仪表采购、安装工程等。生物脱氮工艺相比物化脱氮工艺，具有投资少、运行费用低的特点。根据运行数据计算得出废水的处理成本约为9.1元/m3，主要为药剂消耗、水耗、电耗，不含污泥处置费用和人工费用，其中碳源的投加费用约为8元/m3，处理成本可被集团公司接受。

       4、结论与展望

       4.1 结论

       (1)A/O反硝化工艺能有效去除太阳能光伏废水中的总氮和有机污染物，具有投资少、运行费用低的特点。废水处理设施优化后，总氮去除率由75%提高至95%。
       (2)缺氧池中反硝化菌世代周期长，对水质敏感，建议生化处理单元前的中间水池设计停留时间6h~12h，避免生化处理单元受到前端来水水质水量频繁变化带来的冲击，运行时严格控制碳源投加量、溶解氧浓度和碱度平衡。

       4.2 展望

       碳源在生物脱氮工艺中是一个重要的控制因素。传统的甲醇、乙醇、葡萄糖等液体碳源的使用成本较高。研究者开始尝试用固体碳源作为替代物，这种工艺称“固相反硝化”，采用结构疏松的有机碳物质，将其作为碳源又作为生物膜的载体，相比液体碳源，既能降低运行成本，又能为微生物提供多元的营养物质、提高反硝化效率。未来生物反硝化外加碳源的研究，可实现低碳运行和资源化可持续发展，具有广阔的应用前景。

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