光伏廢水處理反硝化厭氧顆粒污泥工藝

1、工程概況

光伏是基于半導(dǎo)體技術(shù)和新能源需求而興起的朝陽產(chǎn)業(yè)。針對光伏、風(fēng)電、水電、核電、生物質(zhì)等細(xì)分可再生能源領(lǐng)域，光伏行業(yè)在我國“十三五”期間發(fā)電量復(fù)合增速為55%，遠(yuǎn)高于其他種類可再生能源的增速（4%~22%）。截至2017年底，我國光伏裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到1.3×108kW，提前3年完成“十三五”規(guī)劃的1.05×108kW目標(biāo)?？紤]到光伏行業(yè)高效電池與單晶多晶大硅片生產(chǎn)對分布式太陽能發(fā)電、新能源汽車等行業(yè)的支撐作用，以及助力社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展及碳中和目標(biāo)，預(yù)期光伏產(chǎn)業(yè)在未來一段時間內(nèi)將繼續(xù)保持快速增長。

快速發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)面臨大量廢水產(chǎn)生及處理問題。在單晶硅片或者多晶硅片生產(chǎn)過程的制絨、磷擴(kuò)散、刻蝕、酸洗等環(huán)節(jié)，因大量使用氫氟酸、硝酸、三氯氧磷及異丙醇等化學(xué)物質(zhì)，從而使得光伏廢水往往具有高硝酸根、高含氟、pH波動大的特征，給光伏廢水的處理尤其是總氮達(dá)標(biāo)帶來了挑戰(zhàn)。

江蘇省某光伏廢水處理工程為改建項目，設(shè)計處理規(guī)模為6000m3/d，出水水質(zhì)要求達(dá)到《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484―2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。該項目原采用一級AO工藝，無法滿足排放要求，擬采用二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝進(jìn)行改建，對現(xiàn)有脫氮系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。在現(xiàn)有一級A/O系統(tǒng)前增設(shè)二級除氟系統(tǒng)和反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器，經(jīng)處理后廢水進(jìn)入A/O池進(jìn)一步對剩余氨氮、硝氮和COD進(jìn)行處理，最終實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

2、進(jìn)、出水水質(zhì)及工藝選擇

該項目設(shè)計處理規(guī)模為6000m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)?？蛇_(dá)到2×104m3/d。設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)見表1，出水水質(zhì)需滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484―2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。

廢水具有高NO3--N、高F的典型特征，其中碳氮比嚴(yán)重失調(diào)、pH偏酸性，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫氮工藝效果難以滿足需求。

由表1可以看出，該工程污染物去除重點是TN和F-。原處理工藝主要流程：廢水進(jìn)入調(diào)節(jié)池后經(jīng)泵提升至沉淀池，在沉淀池調(diào)理槽中加入消石灰進(jìn)行中和反應(yīng)，調(diào)節(jié)酸性廢水的pH，同時形成CaF2沉淀，去除廢水中的F-；含有沉淀物的混合液，進(jìn)入平流沉淀池進(jìn)行沉淀；沉淀池設(shè)置刮泥機(jī)，將底部沉淀刮至污泥斗后再排出沉淀池。經(jīng)一次沉淀后的廢水進(jìn)入混凝反應(yīng)段，在混凝反應(yīng)段先后加入PAC、PAM后進(jìn)入沉淀區(qū)，出水進(jìn)入生化池A段，底部沉淀被刮至污泥斗后再排出沉淀池。生化系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的二級A/O工藝，A段將廢水中的復(fù)雜有機(jī)物水解成簡單的有機(jī)小分子，O段活性污泥將廢水中的有機(jī)污染物降解，部分混合液回流至A段進(jìn)行脫氮，二級A/O系統(tǒng)的泥水混合物自流進(jìn)入二沉池。二沉池采用豎流式斜管沉淀池，底部設(shè)置污泥斗收集剩余污泥，并通過泵排出二沉池，進(jìn)入A池前段。二沉池出水自流進(jìn)入中間水池，然后提升至過濾系統(tǒng)進(jìn)行過濾，廢水中的懸浮物被截留在填料層，清水達(dá)標(biāo)排放。

沉淀池、混凝沉淀池和二沉池底部污泥收集至污泥池，經(jīng)泵輸送至壓濾機(jī)進(jìn)行污泥脫水，脫水后的泥餅外運。濾液收集后回到原系統(tǒng)重新處理，避免二次污染。

在實際運行過程中，原處理系統(tǒng)出水水質(zhì)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，主要原因如下：

①廢水中NO3--N濃度太高，原缺氧池容積較小，造成反硝化氮負(fù)荷過高，常規(guī)反硝化池的氮負(fù)荷約0.5kg/（m3?d），而該項目若全部6000m3/d水進(jìn)入系統(tǒng)，則氮負(fù)荷將達(dá)到1.2kg/（m3?d）；

②傳統(tǒng)A/O池的污泥濃度受限，造成A池?zé)o法承擔(dān)更高的負(fù)荷；

③原系統(tǒng)碳源投加難于實現(xiàn)自動控制，經(jīng)常有投加量不足的情況出現(xiàn)。

可見，原系統(tǒng)不能滿足6000m3/d的廢水處理要求，需進(jìn)行擴(kuò)容或改造，但由于現(xiàn)場可利用空間有限，如果采用原工藝流程則需增加1.5倍的池容，現(xiàn)場不具備條件。為此，需選用高負(fù)荷脫氮技術(shù)，以節(jié)省占地。

提高系統(tǒng)脫氮負(fù)荷可通過提升反硝化微生物量來實現(xiàn)，具體包括直接投加反硝化菌或者顆粒污泥等。孫征超直接投加反硝化菌19.4g/（m3?d），以強化一級脫氮池反硝化效果，出水總氮從70mg/L降到10mg/L，然而長期投加外源菌種經(jīng)濟(jì)成本較高。反硝化顆粒污泥技術(shù)利用顆粒污泥優(yōu)良的沉降性能，可提升反應(yīng)器污泥濃度，同時啟動后無需外加菌劑。綜上考慮，該項目選擇高效脫氮反應(yīng)器（DNR），利用反硝化顆粒污泥技術(shù)，氮負(fù)荷可以達(dá)到6kg/（m3?d）以上，且脫氮效果好、運行穩(wěn)定、占地節(jié)約。

改造后的工藝流程見圖1。

3、主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

3.1 一級除氟反應(yīng)池

新建一級除氟反應(yīng)池及沉淀池。一級除氟反應(yīng)池分為兩格，第一格投加石灰乳，并設(shè)有pH計控制石灰投加系統(tǒng)的啟停。第二格投加PAM促進(jìn)沉淀。為了確保除氟反應(yīng)控制在合適pH范圍內(nèi)，第二格設(shè)有鹽酸投加管路。廢水中的氟與投加藥劑中的鈣發(fā)生反應(yīng)生成氟化鈣沉淀。兩格反應(yīng)器均設(shè)有攪拌機(jī)用以攪拌混合。一級除氟反應(yīng)池同時設(shè)有在線氟檢測儀，基于F濃度動態(tài)調(diào)整石灰投加量。反應(yīng)池出水自流進(jìn)入一級平流沉淀池，實現(xiàn)泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進(jìn)入二級除氟系統(tǒng)，污泥則排入現(xiàn)有含氟污泥池。設(shè)計參數(shù)：一級除氟反應(yīng)池1池2格，單格有效體積125m3。平流沉淀池1座，設(shè)計表面水力負(fù)荷為0.75m3（/m2?h）。

3.2 二級除氟反應(yīng)池

新建二級除氟反應(yīng)池及沉淀池。二級除氟反應(yīng)池分為兩格，第一格投加PAC形成絮體，第二格投加PAM促進(jìn)沉淀，兩格反應(yīng)器均設(shè)有攪拌機(jī)?？紤]到一級除氟過程中存在石灰過量投加的情況，在第一格反應(yīng)池通過投加碳酸鈉生成碳酸鈣沉淀的方式去除過量鈣離子。反應(yīng)池出水自流進(jìn)入平流二級沉淀池，實現(xiàn)泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進(jìn)入反硝化顆粒污泥高效脫氮系統(tǒng)，污泥則排入現(xiàn)有含氟污泥池。二級除氟沉淀池裝有在線pH計以連續(xù)監(jiān)測出水pH。設(shè)計參數(shù)：二級除氟反應(yīng)池1池2格，單格有效容積125m3。平流沉淀池1座，設(shè)計表面水力負(fù)荷為0.75m3（/m2?h）。

3.3 反硝化顆粒污泥高效脫氮系統(tǒng)

生物脫氮系統(tǒng)由脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池、反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器和顆粒污泥儲存池三部分組成。

①脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池

利用原二級缺氧池改建。脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池的主要功能是調(diào)節(jié)廢水的pH、營養(yǎng)鹽和碳氮比，以適合高效生物脫氮反應(yīng)器微生物的需求。進(jìn)水調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)有4臺加熱能力為970kg/h的蒸汽噴射器，在冬天水溫較低時將水溫控制在25℃。設(shè)計參數(shù)：1座，有效容積為534m3，HRT為2.1h。

②反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應(yīng)器

新建反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應(yīng)器，采用一體化升流式污泥床反應(yīng)器構(gòu)型，可以有效實現(xiàn)顆粒污泥的形成和持留。三相分離器采用PP材質(zhì)，耐腐蝕性強，壽命長。采用特殊設(shè)計的小阻力高效配水系統(tǒng)，具有自動反沖洗功能，可以避免布水系統(tǒng)的堵塞與結(jié)垢。布水系統(tǒng)采用HDPE材質(zhì)，耐腐蝕性強，壽命長。反應(yīng)器內(nèi)防腐采用搪瓷板。反應(yīng)器出水自流進(jìn)入A/O系統(tǒng)。設(shè)計參數(shù)：2座，有效容積為1374m3/座，設(shè)計氮負(fù)荷為3.9kg/（m3?d）。

③反硝化顆粒污泥儲存池

污泥儲存池中存有備用的顆粒污泥。顆粒污泥具有反應(yīng)活性，當(dāng)某臺反應(yīng)器出現(xiàn)異常時，可以立刻利用污泥儲池中的菌種進(jìn)行重新啟動。系統(tǒng)重啟時間可以控制在48h內(nèi)。設(shè)計參數(shù)：利用原有池體改建，有效容積為203m3。

3.4 A/O生物處理系統(tǒng)

A/O生物處理系統(tǒng)由缺氧池、好氧池、二沉池三部分構(gòu)成。A/O系統(tǒng)的氮容積負(fù)荷約0.1kg/（m3?d），貢獻(xiàn)總氮去除量占比約5%。

①缺氧池

高效脫氮池出水和好氧池回流液在缺氧池利用廢水中可降解有機(jī)物進(jìn)行脫氮反應(yīng)。設(shè)計參數(shù)：利用原有反應(yīng)池（L×W×H=30m×16m×5.5m），水力停留時間為9.6h。投加1500kg/d葡萄糖作為碳源。

②好氧池

好氧池溶解氧控制在2mg/L，污泥濃度（MLSS）維持在5g/L。為避免堵塞及曝氣不均，將曝氣系統(tǒng)改為可提升式曝氣器，曝氣管采用耐腐蝕SS316材質(zhì)。設(shè)計參數(shù)：利用原有好氧池（L×W×H=32m×30m×5.5m），水力停留時間為19.2h。

③沉淀池

曝氣池出水自流進(jìn)入沉淀池，通過重力沉降實現(xiàn)泥水分離。一部分污泥通過回流泵回流至缺氧池，另一部分作為剩余污泥，排出系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。原沉淀池表面水力負(fù)荷>0.5m3（/m2?h），在進(jìn)水水量沖擊時易出現(xiàn)跑泥風(fēng)險，需在原有系統(tǒng)上進(jìn)行改建。設(shè)計參數(shù)：將現(xiàn)有二級好氧池改建為2座平流沉淀池，單座L×W×H=36m×9m×5.5m，改造后表面水力負(fù)荷為0.42m3（/m2?h）。

3.5 污泥處理單元

污泥分為化學(xué)污泥和生物污泥兩部分。化學(xué)污泥主要為含氟污泥。通過板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理（過濾面積為200m2），脫水后經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送至污泥堆場。生物污泥來自A/O生物處理系統(tǒng)的剩余污泥，通過疊螺供料泵送至疊螺機(jī)脫水后外運。設(shè)計參數(shù)：化學(xué)污泥池1座，半地下式，有效容積為600m3。板框壓濾機(jī)及疊螺脫水機(jī)利舊。

3.6 主要處理單元的設(shè)計去除效果

主要處理單元的污染物設(shè)計去除效果見表2。

4、運行效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 運行效果

高效生物脫氮反應(yīng)器啟動前需進(jìn)行污泥接種。接種顆粒污泥來自同類廢水的反硝化顆粒污泥，接種比例為60%。接種完成后緩慢進(jìn)水、逐步提升負(fù)荷，直至滿負(fù)荷運行。整個調(diào)試期大致可以分為3個階段：第一階段進(jìn)水負(fù)荷為30%，此時可以觀察到進(jìn)、出水pH上升，這是反硝化過程產(chǎn)生堿度所致，說明反硝化過程逐步成為主要生化反應(yīng)，同時伴隨進(jìn)、出水硝態(tài)氮和COD去除，最終歷時約1周，待穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段；第二階段進(jìn)水負(fù)荷為60%，歷時約2周，待穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段；第三階段進(jìn)水負(fù)荷為100%，歷時約2周。系統(tǒng)啟動后，污泥顏色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?/span>

該工程改造后已經(jīng)穩(wěn)定運行超過一年，二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝出水水質(zhì)滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484―2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。其中，反硝化顆粒污泥反應(yīng)器作為最主要的脫氮環(huán)節(jié)，其進(jìn)、出水水質(zhì)見表3。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

該項目總投資為2150萬元，其中設(shè)備投資1900萬元，土建工程大部分為利舊改造，投資較少（250萬元）。

運行費用主要包括藥劑（脫氮、除氟）、電、污泥處理費用等。除氟藥劑包括石灰、PAC、PAM等。脫氮藥劑包括碳源（甲醇、葡萄糖）、微量元素等?？傔\行費用為25.2元/m3，比改造前降低20%。

5、技術(shù)特色

①反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器可有效實現(xiàn)顆粒污泥的培育和持留。內(nèi)置三相分離器模塊在有效分離產(chǎn)生的氮氣的同時可將顆粒污泥保留在反應(yīng)器中，具有良好的氣液分離效果，可有效促進(jìn)反硝化顆粒污泥的形成，進(jìn)而大大提高反應(yīng)器的污泥濃度。外循環(huán)系統(tǒng)提高了傳質(zhì)效果，特別是在啟動初期進(jìn)水量不足的情況下，可以通過外循環(huán)提供需要的傳質(zhì)動能。

②反硝化顆粒污泥技術(shù)脫氮負(fù)荷高、占地少，適合于建設(shè)用地不足的項目改造。反硝化負(fù)荷取決于反硝化細(xì)菌脫氮活性和微生物量。顆粒污泥脫氮比活性高達(dá)1.6gNO3--N/（gVSS?d），同時反應(yīng)器內(nèi)污泥含量高，污泥濃度可達(dá)17g/L，是傳統(tǒng)反硝化工藝的5~10倍，從而大大提高了系統(tǒng)脫氮負(fù)荷，減少了反應(yīng)器容積。反應(yīng)器采用較大的高徑比，進(jìn)一步節(jié)約了占地面積。

③反硝化顆粒污泥技術(shù)碳源利用率高、外加碳源消耗量低、無需外源菌劑投加、剩余污泥產(chǎn)量低，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。高效脫氮反應(yīng)器利用顆粒污泥完成反硝化反應(yīng)，碳源利用率高，消耗碳氮比可達(dá)到3∶1，非常接近于反硝化理論用量（2.86∶1），低于傳統(tǒng)A/O工藝的碳源消耗（約5∶1），同時考慮到光伏廢水中有機(jī)物含量低的特性，節(jié)省了碳源外部投加的成本，同時也相應(yīng)避免了產(chǎn)生大量剩余污泥。此外，反應(yīng)器啟動后無需外源菌劑的持續(xù)投加，節(jié)省了菌劑費用。

6、結(jié)論

①江蘇某光伏廢水處理工程設(shè)計規(guī)模為6000m3/d，原有工藝無法滿足排放要求，通過反硝化顆粒污泥技術(shù)改造，提升了系統(tǒng)整體脫氮能力。采用二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝可以實現(xiàn)高硝氮、高氟光伏廢水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)處理。

②高效生物脫氮反應(yīng)器可以有效實現(xiàn)顆粒污泥的培育和持留，具有良好的脫氮負(fù)荷和穩(wěn)定性，脫氮比活性高達(dá)1.6gNO3--N/（gVSS?d），污泥濃度可達(dá)17g/L。

③該工程改造調(diào)試運行以來，處理效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484―2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)，總運行費用比原來降低20%。（來源：上海碧州環(huán)保能源科技有限公司，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）