某食品有限公司生产废水主要产生于设备冲洗、产品制造、员工餐饮等。 每天设计水量为100m³/d。采用分流制排水体制,生活污水经隔油池处理后直接排放至市政管网,生产废水经水处理构筑物降解后排放至市政管网。废水的特点是有机物质和悬浮物含量高,易腐败,其他污染物浓度高,水量变化大,一般无大的毒性。应采取以生物处理为核心的处理工艺。

　　 废水的污染物以COD、SS、氨氮、TP为主,出水水质满足《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级标准。经过检测和类比同行业废水状况,发现原水BOD₅/COD≥0.45,可生化性很好,根据原水水质,具体工艺设计如图1所示。

　　 各构筑物的容积:隔油调节池100 m³,气浮池30m³,ABR池50 m³,UASB池150 m³,CASS池100m³,消毒池50m³,景观水池2m³。该系统设置ABR池的目的:废水流入气浮池后,会带有大量的溶解氧,通过ABR厌氧反应池后,溶解氧浓度大大降低,给UASB池提供严格的厌氧环境。

　　 由于蛋糕食品工业的特点,生产的产品会根据市场的需求发生变化。在满足正常食品消费外,还会在一些特殊的节日,生产一些具有节日特色的产品。在每年端午节前后,在5~6月,集中生产端午节特色食品,主要是粽子和皮蛋。中秋节前后,在8~9月,主要生产月饼。因此,废水量和污染物浓度及种类会发生变化。下面从正常工况和特殊工况来分析废水量和污染物浓度,以及在各个工况下的处理方法。

　　 正常工况指没有特殊节日的水质及水量情况。在该企业,正常工况的时间约为8个月,全年大部分时间属于这种工况。在隔油池表面有大量的白色悬浮物,奶油状,无气泡。停放大约20d后会形成密度更高的浮渣,可以用筛孔密度小的网子打捞,厚度为5~10cm。2014年10月至2015年9月,每月检测2~3次,经分析后,具体参数如下:废水量80~100m³,SS 200~300mg/L,电导率2 000~3 000μS/cm,氨氮15~30 mg/L,COD 2 000~3 000 mg/L,总磷3~5mg/L,总氮70~90mg/L,pH 5~6。

　　 通过实际运行和数据分析可知:该厂废水有机物浓度高,氨氮和磷的含量不是很高;总氮含量很高,必须经过厌氧处理后,使大分子的有机氮转化为小分子的氨氮;废水中悬浮物浓度高且密度小,隔油池上方的浮渣应每月定期人工打捞。

　　 对于南方地区,端午节是个十分隆重的节日,端午节有吃粽子和咸蛋的习俗。每年的5~6月,该厂会大量生产粽子和咸蛋,废水的水质和水量会发生很大变化。2015年5~6月,每周取样2~3次,经分析后,具体参数如下:废水量100~150 m³/d,SS180~250mg/L,色度100~150,COD 2 000~2 500mg/L,氨氮15~20mg/L,总磷2~5mg/L,pH 5~6。

　　 通过实际运行和分析数据可知:在端午节前后,废水总量、色度增加,废水呈黄色,由于粽叶及其他食材要淘洗,粽子要蒸煮,用水量增加,在加工过程中食材的颜色会进入到废水中;由于水量的增加,对废水有稀释作用,COD、氨氮、总磷等有所下降,但是废水中污染物浓度下降幅度不会很大,因为在加工过程中会产生新的污染物质。

　　 每年的8~9月,随着中秋节的临近,月饼等节日食品的生产,水质和水量会发生变化。2015 年8~9月,每周取样2~3 次,经分析后,具体参数如下:废水量100m³/d,SS 200~300mg/L,色度80~120,COD 3 000~4 000mg/L,氨氮20~30mg/L,总磷3~7mg/L,pH 5~6。

　　 通过实际运行和分析数据可知:在中秋节前后,用水总量有所增加,但是废水总量增加不大,这是因为制作月饼等节日食品,水大部分应用在食品中,排放的废水较少;废水略显黄色,由于食材要淘洗,加工过程中食材的颜色会进入到废水中;COD、氨氮和总磷等增加,制作月饼的原料及容器的清洗,排放的有机物及固体悬浮物浓度增大。

　　 混凝技术在水处理工程中有着广泛的应用。混凝过程的完善程度,直接影响后续处理如沉淀过滤的效果^[1]。絮凝法是最经济、最简便、最常用的水污染控制方法之一,絮凝剂是絮凝法的技术关键和核心基础^[2]。聚氯化铝(PAFC)对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原水都可达到好的混凝效果。适宜的pH范围较宽,为5~9,而且当过量投加时也不会像硫酸铝那样造成水浑浊的反效果。其碱化度比其他铝盐、铁盐为高,因此药液对设备的侵蚀作用小,且处理后水的pH和碱度下降较小。

　　 取1 000mL的食品废水水样,调节pH在7左右,分别加入100 mg、200 mg、300 mg、400 mg、500mg的PAFC,使其充分混合。沉淀效果如图2所示,取上清液,测定COD的去除效果如图3所示,SS的去除效果如图4所示,TP的去除效果如图5所示。

　　 由图2可知,PAFC投加量越多,沉淀物越多,清水的体积越少。这样不仅会增加污泥的量,还会使药剂成本增加。虽然上清液的水质较好,但是运行管理成本将会增加。

　　 由图3可知,COD的去除效果与PAFC的浓度有关,当PAFC浓度为400mg/L时,处理效果达到相对较稳定的状态,当PAFC浓度达到400 mg/L后再增加药剂量,对COD的去除效果变化不大。

　　 由图4可知,当没有投加混凝剂时,SS较高,投加混凝剂后,SS迅速下降,随着混凝剂投加量的增大,SS去除效果变化不大。

　　 由图5可知,TP的去除效果与PAFC的量有关,PAFC投加量越多,沉淀物越多,TP的去除效率越高。随着PAFC投加量不断增多,TP的去除效果变化不大。

　　 综上所述,考虑到去除效果和经济成本,当PAFC浓度为400mg/L时,污泥量不是很多,减少污泥的清掏和处理污泥的费用,COD和SS去除效果较好,药剂混合较均匀,药剂处理成本不高。通过高温加热,检测沉淀物,有机物所占的比例约为60%,其他固体杂质为40%。

　　 正常工况时,药剂投加在气浮池中,PAFC浓度为400mg/L。通过混凝作用,使大量的SS和COD从水中析出,比重比水小的通过刮泥机排放,比重比水大的污染物,在ABR反应池和UASB反应池中沉淀。进入CASS反应池前,经检测,色度40~60,COD 500~700mg/L,氨氮30~50mg/L,pH 5~6。氨氮升高的原因是经过ABR反应池和UASB反应池的厌氧作用使得大分子的有机氮在好氧-厌氧的作用下,转化为小分子的氨氮。

　　 2015年5~6 月端午节期间,特征污染物除COD、氨氮和SS以外,还增加了色度,主要表现在废水呈黄色,悬浮物浓度增加。反应器在此工况下工作,出水变黄,悬浮颗粒物浓度不达标,污泥沉淀效果不好,出水口有大量的污泥被带出,污泥由褐色变为黄色,MLSS为5 000~6 000mg/L。

　　 通过试验,在气浮池加药,当PAFC浓度为2g/L时,可以达到很好的处理效果,但是由于药剂浓度过高,经反应后,清水的体积减少,颗粒物的体积增大,药剂费用也大大增加,这样在经济和运行管理上费用增大。

　　 根据现状,采用在气浮池加药的同时,在CASS池中加药。由于CASS反应池采用间歇进水的方式,在每次进水时进行加药,直接加在反应池中,在曝气的过程中可以使药剂充分混合。通过试验和现场调试,气浮池PAFC浓度为400 mg/L;CASS反应池PAFC浓度为400mg/L,且pH在7.5~8时,污泥沉淀效果和色度的去除效果最好。分析其原因,由于CASS池中加入药剂,增加了污泥的混凝程度,使污泥结合的更紧密,有色污染物和其他污染物被污泥和混凝剂牢牢地包裹在活性污泥系统中,通过排泥得以去除。

　　 2015年8~9月中秋节期间,水量变化不大,水质略黄,污染物浓度增加,8 月初期有大量泡沫产生。在气浮池正常加药的情况下,出水略黄且浑浊,污泥略黄,且在CASS池中有大量的气泡产生。不断增加气浮池的药剂量,一直到3g/L,出水水质变化不大。混凝剂投量过少时,其电中和、吸附架桥、网捕卷扫絮凝等作用减弱,形成的絮体细小,不宜沉降,效果差;而混凝剂投量过大,又会使胶体系统所带电荷变化,造成胶体再稳,处理效果变差^[3]。

　　 通过试验和现场调试,气浮池加药量不变,仍为400mg/L,CASS反应池PAFC浓度为200mg/L,pH为6.5~7 时,出水水质及沉淀效果最好,且无大量泡沫产生。当pH大于7.5时,会产生大量泡沫,随着pH的不断增大,泡沫也不断增大。分析其原因,废水在经过厌氧反应系统后,产生大量氨和表面活性剂等,增加pH的情况下,经过一系列的物理、化学、生物作用,形成泡沫。

　　 水处理构筑物的运行应该是连续、均匀的。调节池具有调节水质和水量的功能,但是它只能调节日与日、时与时之间的关系。如果长时间处于高浓度、高水量的状态下,出水水质会发生变化,出水污染物浓度超标。

　　 一般废水的生物化学处理工艺,很难满足总磷稳定达标排放的要求,必须辅助以化学除磷才能稳定达标。下面从正常工况和特殊工况来分析废水在各个工况下、各种处理方法下的COD、TP浓度的变化情况。

　　 正常工况的时间为每年的10 月至第二年的4月。根据设计要求,反应周期T=8h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=4h,沉淀时间T=3h,排水时间T=1h。COD变化及去除率见图6。

　　 由图6可知,CASS反应池进水平均COD浓度为735mg/L,出水的平均COD浓度为89mg/L,去除率达到85%以上,满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)排放一级标准。出水COD浓度最高值为219mg/L,该值的出现是因为厂区停电2d,系统停止运行,曝气系统没有启动,污染物在反应池中进行厌氧反应,大分子的有机物分解为小分子的有机物,出水水质超标。出水COD浓度最小值为39mg/L,过年前后,厂区放假休息,只有部分设备零星生产,废水量减少,为了适应废水量的变化,采用停止进水1d,正常曝气,出水的污染物浓度大大降低。

　　 TP浓度变化及去除率见图7。

　　 由图7可知,CASS反应池平均进水TP浓度为3.57mg/L,平均出水TP浓度为0.40mg/L,去除率在88%以上。

　　 分析原因:CASS反应池具有间歇曝气的运行方式,在该过程中存在好氧、厌氧、兼性等过程,在该过程中实现了生物除磷所必须的厌氧释磷和好氧吸磷的生物环境,系统除磷效果显著,满足《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级标准。

　　 该工况下,污泥沉淀效果好,SVI 200左右。污泥浓度为2 000~3 000mg/L,污泥回流频率为每周1~2次,回流时间为2h,每3个月排放一次污泥,为了减少造价及运行成本,污泥排放的方式为吸粪车定期排放。

　　 特殊工况的时间为每年的5~9月。废水的水质和水量有较大的变化,在各个反应器体积不发生变化的情况下,必须调整时间和物质来满足排放达标。

　　 端午节前后指的是每年的5、6月,水量增大,污染物浓度有所降低,原来的时间周期不能满足要求。为了满足排放要求,设置反应周期T=6h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=3h,沉淀时间T=2h,排水时间T=1h。在只改变时间的情况下,出水水质不能达标,且出水较为浑浊,出水口会有大量污泥带出。COD变化情况见图8。

　　 由图8可知,CASS反应池平均进水COD浓度为583mg/L,平均出水COD浓度为314 mg/L,不能满足排放标准。在实验室经过滤纸过滤后,平均出水COD浓度为91mg/L,满足排放标准。

　　 分析原因:出水中含有大量的微生物和悬浮物,经过滤后,溶解在水中的有机物满足排放要求;曝气3h可以满足微生物对氧气的需求,在氧气和底物充足的情况下,微生物迅速繁殖,使微生物处于对数增长期;沉淀时间减少,CASS反应池中菌胶团的结构被破坏,污泥的沉降性能下降。

　　 TP浓度变化及去除率见图9。

　　 由图9可知,CASS反应池TP平均进水浓度为3.21mg/L,平均出水浓度为1.42 mg/L。去除率为55%左右。由于粽叶清洗水水量增大,进水的磷被稀释,微生物快速增长使废水中的磷被生物吸收,合成细胞物质,理论上出水磷的浓度应该下降,但是实际检测却不能满足排放标准。

　　 分析原因:磷的去除方法目前就两种情况:(1)微生物生长繁殖,合成细胞物质,通过排泥的方式去除;(2)通过沉淀,形成难溶解的无机盐,通过排泥进行去除。由于该工况排水时有大量污泥带出,不论是微生物还是无机盐,均可以使TP增加。

　　 因此,在此工况下,只改变时间不能满足排放要求。为了改变污泥的沉降性能,改善菌胶团的结构,在反应池中加入PAFC。加入PAFC后,COD变化情况见图10。

　　 由图10可知,增加混凝剂PAFC,平均出水COD89mg/L,满足排放标准。分析原因:PAFC本身就有去除污染物的功能,增加了悬浮物的沉降性能;为处于对数期的微生物提供凝结核,改善菌胶团结构。

　　 TP浓度变化及去除率见图11。

　　 由图11可知,增加混凝剂PAFC,平均出水TP0.41mg/L,满足排放标准。分析原因:PAFC增加了微生物的沉降性能,使有机磷得以去除;PAFC通过包埋、交联、离子吸附等特性,可以与无机磷形成新的化合物;悬浮于水中的不溶性的磷酸盐在PAFC混凝作用下,形成大颗粒沉淀。

　　 该工况下,污泥浓度为5 000~6 000mg/L,污泥回流频率为1~2次/d,回流时间为2h,5~6月共排放2次污泥。

　　 综上所述,在空间不能改变的情况下,改变时间和物质,也能满足排放要求,空间-时间-物质三者之间可以相互转化。但是,三者之间的转化要在一定范围内,不能无限的转化。对于该系统来说,当水量超过180m³时,出水水质恶化,不能满足排放要求。

　　 中秋节前后指的是每年的8月份、9月份,水量变化不大,色度和污染物浓度有所增加。反应周期T=8h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=4h,沉淀时间T=3h,排水时间T=1h。COD变化及去除率见图12。

　　 由图12 可知,CASS反应池进水平均COD为761mg/L,出水平均COD为82mg/L,满足排放标准。

　　 分析原因:系统空间和反应周期一定,进水污染物浓度增加,通过增加PAFC混凝剂的量,也可以使出水水质达到排放标准。

　　 TP浓度变化及去除率见图13。

　　 由图13可知,CASS反应池TP平均进水浓度为5.65mg/L,平均出水浓度为0.42mg/L,去除率为92%左右,可以满足排放标准。

　　 分析原因:进水污染物浓度增加,CASS系统厌氧-好氧交替的环境,本身就具有较优良的除磷功能和调节能力;系统空间和反应周期一定,通过增加PAFC混凝剂的量,增加除磷的效果。可以使出水水质达到排放标准。

　　 污泥浓度为3 000~4 000mg/L,污泥回流时间为每周2~3次,8~9月共排泥1次。

　　 通过上面分析,ABR+UASB+CASS工艺处理蛋糕工业废水,可以得出以下结论:

　　 (1)由于行业自身的特点,根据水质及水量的特点,分为两种情况,正常工况和特殊工况。正常工况废水排放时间为每年的10月至第二年4月;特殊工况,端午节前后5~6月,中秋节前后,8~9月。

　　 (2)在正常工况时,反应周期T=8h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=4h,沉淀时间T=3h,排水时间T =1h。 药剂投加在气浮池中,PAFC浓度在400mg/L,pH为6。CASS系统自身的稳定性,可以很好去除废水的有机物和磷。

　　 (3)端午节前后,反应周期T=6h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=3h,沉淀时间T=2h,排水时间T=1h。气浮池PAFC浓度为400mg/L;CASS反应池PAFC浓度为400mg/L,且pH为7.5~8。COD和TP的去除效果较好,污泥沉淀效果和色度的去除效果最好。

　　 (4)中秋节前后,反应周期T=8h,进水T=1h,边进水边曝气,曝气时间T=4h,沉淀时间T=3h,排水时间T=1h。气浮池PAFC浓度为400mg/L,CASS反应池PAFC浓度为200mg/L,pH为6.5~7 时,出水水质及沉淀效果最好,且无大量泡沫产生。