两段生物接触氧化法处理炭黑废水

1 工程概况

河北某炭黑化工生产企业,年产10万t的炭黑。生产废水主要由炭黑生产废水及部分生活污水组成,废水中的主要污染物为油类﹑炭黑颗粒、CODCr和NH3-N等。 

综合考虑炭黑生产方式和炭黑生产企业废水特点,设计采用混凝-气浮-两段生物接触氧化法为主的废水处理工艺。 

本文介绍了处理工艺流程和工艺设计特点,给出了主要构筑物的 设计参数,分析了水温DO浓度等对运行效果的影响。 

2 设计规模及进出水水质 

2.1 设计规模

 污水处理站设计规模为2000m3∕d, 其中炭黑生产废水量为1500m3∕d,生活污水量为500m3∕d。 

2.2 设计进出水水质 

根据对各种污废水的随机采样检测结果,同时考虑厂区生活污水和生产废水的特点,进水水质按各项监测指标的最大值考虑, 并保留适当余量。

污水处理站出水水质按照GB 18918—2002《城镇污水 处理厂污染物排放标准》中一级A标准的要求执行。污水处理站进﹑ 出水水质见表 1。

3 处理工艺流程及说明

 炭黑生产废水中含有大量悬浮炭黑﹑油脂类﹑ 氰化物﹑硫化物﹑酚类等污染物。炭黑颗粒直径约为10~ 100nm,呈不规则三维扁平状结构,表面极为粗糙,布满空隙, 如同多孔的海绵体。 

这种结构使炭黑具有良好的吸水、吸油性能, 表现出既有亲水性, 又有亲油性。炭黑生产废水特点：固体SS多、油脂含量高﹑有机物含量高﹑可生化性 好。污水处理站进水中含有厂区生活污水, 生化性 能较好, 但水中油污和炭黑颗粒含量较高,须首先采用混凝-气浮去除悬浮油污。若污水处理站出水作为企业生产用水水源时, 需根据污染程度考虑采用生化处理方法,充分降低水中的 BOD5﹑CODCr及NH3-N 的浓度后方可使用。因此,污水处理站采用格栅-混凝-气浮-选择池-两段接触氧化沉淀工艺处理废水, 具体流程见图 1。、 

厂区所有排放的生活污水先通过各级化粪池处理,再和生产废水一起通过机械格栅截留大块杂质和漂浮物后进入调节池, 在此平衡水量,均调水质, 然后用泵提升进入混凝气浮澄清池,通过投加絮凝剂﹑混凝剂和破乳剂进行气浮处理, 浮渣排入 浮渣池, 出水自流至生化处理单元。 

气浮出水首先进入选择池, 为了防止沉淀物的积累及因缺氧产生异味, 在池内设水下搅拌器,同时进行脱氮处理； 

选择池出水自流入工艺核心处理 构筑物——两段生物接触氧化池, 该池底部均布设 专利高效微孔曝气管, 外设低噪音三叶罗茨风机供 气, 为池中微生物提供充足的氧气, 同时搅拌池 水, 防止沉淀。 

另外, 池内设有高密度﹑易挂膜生物填料, 提高池中微生物量, 扩大容积负荷, 减 小构筑物尺寸。

经充分生化分解的废水, 进入高效 斜管沉淀池进行泥水分离, 污泥下沉到集泥斗,通过排泥管排入集泥池, 部分活性污泥需回流至选择池, 多余污泥用泵抽至脱水间内的污泥浓缩池进行 重力浓缩, 上清液回流至调节池, 底部高浓度污泥 进行脱水处理, 干泥定期外运处理, 沉淀池出水进 入中水处理站。 

4 主要构筑物及设计参数 

(1) 格栅渠及格栅。 

格栅渠尺寸为 5.0 m × 2.0 m × 3.6 m, 有效水深为 0.9 m, 钢筋混凝土结构。栅渠安装机械格栅 1 台, 有效宽度为 1.28 m, 栅条间距为 0.8 m, 安装角度为 70°, 功率为 2.2 kW。 

(2) 调节池。 

地下式钢筋混凝土结构, 尺寸为 10.0m ×5.0 m× 5.0m, 有效水深为 4.5m, HRT 为 2.7 h, 设潜污泵 3 台, 2 用 1 备, 有效功率为 5.5 kW。 

(3) 混凝气浮间。 

加药装置和气浮澄清设备均为框架式结构, 其混凝气浮设备处理能力按110m3∕h设计, 尺寸为 14.0 m × 6.5 m × 5.0 m, 组合气浮设备规格 GF-30, 溶气水量为6 ~ 10 m3∕h,电机功率为7.5 kW, 加气电机为 0.75 kW, 刮沫机功率 为 0.25 kW, 水力表面负荷为 3 ~ 6 m3 ∕ (m2?h), HRT 为 15 ~ 30 min。 

(4) 选择池。 

半地上钢筋混凝土结构, 尺寸为 5.0 m × 3.0 m × 5.0 m, 有效水深为 4.5 m, 池内设 1套水下搅拌器。 

(5) 生物接触氧化池。 

2 座, 半地上钢筋混凝 土结构, 

一段生物接触氧化池尺寸为 10.6 m × 5.0 m × 5.0 m, 有效水深为 4.3 m, 有效容积为 227.9 m3, 容积负荷为 1.2 × 10 3 kg[BOD5] ∕ (m3?d)、, HRT 为 2.7 h； 

二段接触氧化池尺寸为 10.6 m × 4.0 m × 5.0 m, 有效水深为 4.1 m, 有效容积为 173.8 m3, 容积负荷为 1.2 × 10 3 kg[BOD5] ∕ (m3?d), HRT 为 2.0 h； 

两池底安装穿孔曝气管, 曝气量为 500 m3 ∕ h, 氧利用率为 20% ~ 25% , 曝气设备采用 SLF-125 型的三叶变频罗茨风机 2 台(1 用 1 备), 气水体积比为(15 ~ 20) ：1。装机功率为 15 kW,

池内设置纤维软性球状填料载体, 直径为 200 mm, 填充体积为 156 m 3, 填充高度为 3 m, DO 的质量 浓度为 1 ~ 3 mg ∕ L。 

(6) 沉淀池。 

1 座, 半地上钢筋混凝土结构, 尺寸为 10.0 m × 6.5 m × 5.0 m, 有效水深为 4.0 m, 有 效容积为 260 m 3, 表面负荷为 1.1 m 3 ∕ (m 2?h), HRT 为 3.1 h。 

布水系统采用穿孔布水管, 出水经上部收 水管收集至汇水槽, 水槽上部溢流出水。污泥斗角度为 60°。 

沉淀池上部安装蜂窝斜管 65 m2, 材质为 PVC, 安装高度为 1 m, 斜管的安装倾角为 60°。 

5 设计特点 

(1) 本工程将炭黑工业废水处理后作为回用 水, 循环使用, 基本达到废水零排放, 不仅解决了 企业的废水排放污染问题, 而且节约了新鲜水量, 具有较好的社会效益﹑ 环境效益和经济效益。 

(2) 废水处理采用以生物接触氧化为主的生物 处理工艺,具有工艺成熟可靠﹑运行管理简单﹑出 水质稳定﹑运行成本低等特点。 

(3) 整个工艺遵循先易后难﹑梯级回用的原则, 具有处理负荷高﹑耐冲击负荷强﹑不产生污泥膨胀, 污泥产量少, 运行稳定可靠, 远程操控, 无需污泥回流。整体工程的投资少, 占地面积小, 工程采用变频控制电耗量大的设备(曝气鼓风机﹑水泵等), 节省电耗, 降低运行费。 

6 运行效果 

6.1 去除率分析 

调试期间两段生物接触氧化工艺中 CODCr﹑ NH3-N 的浓度和去除率的变化情况分别见图2、图 3。调试期间温度变化范围为 15 ~ 30 ℃, 平均温度 为 22 ℃, pH 值为 7.0 ~ 8.0, 流量为 10 ~ 15 m 3 ∕ h,DO 的质量浓度为 1.8 ~ 3.0 mg ∕ L, 调试期间污泥体 积指数(SVI)降低至 160 mL ∕ g, 污泥沉降性能得到 改善。

由图 2﹑ 图 3 可知, 两段生物接触氧化工艺进 水 CODCr﹑ NH3-N 的浓度变化较大, 在进水 CODCr﹑ NH3-N 的质量浓度分别为 300 ~ 400﹑ 40 ~ 80 mg ∕L 的条件下, 经系统处理调试后,出水CODCr﹑NH3-N 的质量浓度分别为36~ 48﹑3~6mg∕L。 

两段生物 接触氧化单元对 CODCr 的去除率可达到 93%, 对 NH3-N 的去除率达到 92%, 出水均满足设计要求, 且处理效果稳定。 

6.2 影响因素 

6.2.1 温度 

调试期间平均温度为 22 ℃, 在低温(﹤ 15 ℃) 和常温(22 ~ 25 ℃)下生物接触氧化工艺对炭黑废 水处理效果见表 2。

 

由表 2 可知, 低温条件下, 生物接触氧化工艺 对 CODCr﹑ NH3-N 的去除率较低。 

低温对硝化细菌 的增长速率和活性都有很强的抑制作用, 水温越 低, 硝化和反硝化反应越难进行。 

从工艺处理效率 角度分析, 常温下, 一段接触氧化工艺对 CODCr﹑ NH3-N 贡献率分别为 71%﹑ 68%；二段接触氧化工 艺的贡献率分别为 24%﹑ 30%。低温条件下一段接 触氧化工艺对各种污染物的去除效率较常温下低。 

6.2.2 DO 浓度 

不同 DO 浓度下两段生物接触氧化工艺对 CODCr﹑ NH3-N 的去除率分别见图 4﹑ 图 5。

由图 4 可知, 当 DO 的质量浓度为 2.5 mg ∕ L 时, 一段生物接触氧化池对 CODCr﹑ NH3-N 的去除率均达到最高, 分别为 89%﹑ 86%。因此, 一段生物接触氧化池的较优 DO 质量浓度为 2.5 mg ∕ L。 

由图 5 可知, 当 DO 的质量浓度为 2.0 mg ∕ L 时, 二段生物接触氧化池对 CODCr 的去除率为 89%, DO 浓度继续升高, CODCr 的去除率反而下 降。 

当 DO 的质量浓度为 2.0 ~ 2.5 mg ∕ L 时, NH3- N 均有较好的去除率, 可达到 80% 以上。因此, 二段生物接触氧化池的较优 DO 质量浓度为 2.0 mg ∕ L。

7 结论 

采用混凝-气浮-两段接触氧化-沉淀组合工艺 处理综合性炭黑废水, 出水水质稳定达到炭黑企业 生产工艺要求, 废水经处理后循环使用, 基本达到 废水零排放, 处理成本为 1.49 元 ∕ m3, 每年减少废 水排放约 90 万 m3, 产生经济效益 207.9 万元。 

(1) 两段接触氧化工艺对炭黑废水中 CODCr 和 NH3-N 的去除率分别为 93% 和 92%。其中一段工 艺单元的去除率优于二段工艺单元, 主要是微生物 吸附降解起着较大的作用。 

(2) 低温条件下一段接触氧化工艺对污染物的 去除效率较常温下低。一段接触氧化工艺对去除 CODCr﹑ NH3-N 的贡献率分别占 71%﹑ 68%；二段 接触氧化工艺分别占 24%﹑ 30%。通过不同 DO 浓 度对比试验, 一﹑ 二段生物接触氧化池的较优 DO 质量浓度分别是 2.5 和 2.0 mg ∕ L。