随着人们对环境污染问题的认识不断加深,对环境质量改善的要求也随之提高,众多的废水处理厂,尤其是工业园区废水处理厂提标改造日趋紧迫。以浙江地区接纳印染废水的某大型废水处理厂为例,采用进水均质+厌氧水解+缺氧+改良氧化沟+混凝沉淀的处理工艺,出水执行《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。现有生化处理加混凝沉淀工艺去除污染物效果有限,使得出水色度深、有机污染物浓度高,排入地表水水体感官差,且废水处理厂排污量大,影响下游地表水体环境质量。原提标工艺采用臭氧和曝气生物滤池工艺,无法满足一级A排放标准和受纳水体水环境要求。因而,迫切需要寻求一种更经济、有效的深度处理工艺。

　　 以印染废水为主的废水处理厂深度处理的首要去除对象是COD,其次是NH₃-N、总氮和色度。粉末活性炭具有广谱吸附性,可以吸附各类污染物,如难降解有机物、腐殖酸等。近年来,粉末活性炭吸附技术已逐渐应用于污水/工业废水深度处理工艺中^[1,2,3,4]],且该技术具有绿色环保的特点。然而,粉末活性炭在实际工程应用中一般不考虑回收,不循环使用,与污泥一起处置,使得工艺运行成本较高;另外,粉末活性炭吸附-过滤时阻力大、速率衰减明显,因此粉末活性炭-水过滤分离技术的研发非常关键^[5] 。基于此,本论文采取添加助滤剂的方式解决粉末活性炭过滤过程中的堵塞问题,开展了以粉末活性炭吸附深度处理为核心的生产性试验研究;考察了将吸附饱和的粉末活性炭再生后循环利用于深度处理工艺的除污染效果。本论文的研究成果可以为浙江某地区含印染废水的大型废水处理厂升级改造提供技术方案和类似废水处理厂提标改造提供工程运行经验。

　　 该废水处理厂一期占地16hm²,处理规模15万m³/d,二期占地24hm²,处理规模30万m³/d。目前一期工程采用进水均质+厌氧水解+缺氧+改良氧化沟+混凝沉淀的处理工艺,混凝沉淀池出水执行《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级B标准,工程改造总投资1.68亿元^[6] 。废水处理厂提标改造前9个月的进水和出水主要水质指标如表1所示。

　　 进水中COD为560~1 047mg/L,难降解的污染物所占比例大,而且印染废水色度高,从而导致出水COD高。根据废水处理厂收纳的工业废水成分分析,进水中平均BOD₅/COD仅在0.3左右,属于难生化降解的废水。分析出水,除COD未达到一级A标准以外,其余水质指标均满足一级A标准,所以提标改造的重点是进一步提高COD去除率。另外,试验期间通过GC-MS分析,发现原水中除了苯酚类有机物外,还有硝基芳香羧酸、长碳酮酸化合物,不少有机物具有硝基、酰胺基、磺酰胺基等发色基团,加上羟基、-OR、-NR₂等基团的助色效应,使得经生化处理后的出水色度居高不下。由于这些含有发色基团的有机物极性较强,水溶性较高,并且能使一些长碳烃类乳化而高度分散,从而使得通常的混凝作用难以脱除生化出水中的色度。

　　 该废水处理厂的混凝沉淀池出水平均pH为7.31,加碱会产生明显的絮体沉淀,在pH为11左右时,沉淀效果非常明显,同时絮体带有明显的颜色,沉淀后上清液颜色变浅、COD降低,该上清液经硫酸中和后,经过活性炭吸附层时吸附效率明显提高,可减少活性炭的用量、延长使用时间。因此,实际生产过程中采用分级吸附过滤的方式,一级过滤阶段投加助滤剂,发挥吸附和改善过滤的双重功效,二级过滤采用投加粉末活性炭的方式,主要发挥粉末活性炭的吸附功能,具体工艺流程如图1所示。

　　 在现有混凝沉淀的出水中投加600mg/L的助滤剂浆液(质量浓度20%),该浆液由石灰(质量比10%~40%)、粉煤灰(质量比10%~50%)、硅藻土(质量比10%~30%)按一定比例配制而成。由搅拌机搅拌混匀后,助滤剂投加于一级提升泵房的进水管中,采用DN1 000管道混合器混合,再进入板框压滤机过滤,过滤滤渣自动冲洗卸料。板框滤渣回收烘干,送建材厂烧砖。利用该助滤技术可去掉水中胶体、大分子和悬浮物,防止活性炭滤层表面的孔道被堵死。

　　 将碱性板框压滤机过滤出水(一级过滤出水)由计量泵投加50mg/L硫酸(质量浓度10%)中和,至中间水池。在一级过滤出水中投加100mg/L粉末活性炭(质量浓度5%),炭水接触吸附污染物,再通过PA过滤罐或滤布滤器形成3~5mm粉末活性炭滤层吸附水中有机污染物。

　　 将二级过滤后的饱和粉末活性炭反冲洗后用板框压干,采用生物再生-脱水-干燥-高温再生的组合再生工艺,进行脱水、快速低能耗干燥、高温再生、活化、冷却等系列化再生。每克再生粉末活性炭吸附亚甲基蓝吸附值达142.5~202.5mg以上,满足《木质净水用活性炭》(GB/T 13804.2-1999)一级品中单项要求(135 mg/g),以及《净化水用煤质颗粒活性炭》(GB/T 7701.2-2008)中亚甲基蓝吸附值≥120mg/g的指标要求。再生成本约为3 000元/t,与市面上6 000元/t新粉末活性炭的价格相比,成本降低了一半,大大降低了水处理的费用。

　　 一级过滤采用板框压滤机,单台过滤面积为400m²,处理能力为400 m³/h。共设35台,分为5组,每组7台(6用1备)。当进水压力达到0.15 MPa左右时开始反冲洗,每6h为一个运行周期,在一周期内4.8h正常进水,1.2h卸泥、反冲洗。

　　 二级过滤采用PA过滤罐,单台过滤面积为300m²,处理能力为300m³/h。共设36台,分为6组,每组6台(5用1备)。当进水压力达到0.15 MPa左右时开始反冲洗,每6h为一个运行周期,在一周期内5.5h正常进水,0.5h反冲洗。

　　 一级过滤车间与二级过滤车间合建,平面尺寸为105.5m×53.5m,为钢结构厂房。

　　 提标改造后的出水仍采用紫外线消毒,消毒池平面尺寸为12.2m×4.6m。

　　 某月连续监测3天,各工艺单元对污染物的去除效果如表2所示。由表2可知,在提标改造前,沉淀池出水中仅COD未达到一级A标准,经一级过滤和二级过滤后COD分别下降至43mg/L和28mg/L,可满足一级A排放标准。其他水质指标,如氨氮、总磷和色度等的二级出水指标均优于一级过滤出水指标,且均满足一级A标排放标准。根据该废水处理厂的处理规模,以此数据可估算得出每年向受纳水体中可减少的BOD₅、COD、NH₃-N和磷酸盐排放量达550t、1 620t、165t和27t。另外,一些难降解污染物、苯类、可吸附有机氯素AOX等物质被吸附去除,有利于水质感官提高,从而降低印染废水对水生生态的不良影响。

　　 采用助滤和再生粉末活性炭吸附技术连续运行一年,工艺对COD、色度、氨氮和总磷的去除效果如图2所示。

　　 经硫酸调节后的二级出水pH为7.55~8.20,出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准中pH为6~9的要求。

　　 由图2a可知,经原工艺处理后的沉淀池出水COD为48.69~82.76mg/L,且水质波动较大,5月和6月出水COD明显较其他时高,出水并未达到严格意义上的一级B标准。经过该深度处理工艺后,一级过滤出水COD可降至一级A标准(1月、4月、5月和6月除外),这与原水中COD浓度密切相关;经过含粉末活性炭的PA过滤罐过滤后,二级过滤出水COD能稳定达一级A标准。通过调节粉末活性炭的投加量,可以使COD的排放浓度接近《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准。色度的去除效果随运行时间的变化与COD去除规律基本相似(见图2b)。但不同的是一级、二级过滤出水中COD的去除效果跟进水COD浓度密切相关,而一级过滤出水中色度跟进水中色度关联不大,含粉末活性炭的PA过滤罐过滤后的二级出水中色度可明显降低。说明该印染废水中的色度物质主要是通过粉末活性炭的吸附作用去除。以上结果表明粉末活性炭吸附技术能很好地吸附去除该印染废水中的COD和色度物质,从而将出水水质从一级B标准提升至一级A标准。

　　 该工艺对氨氮的去除效果如图2c所示。在提标改造前,出水氨氮已达到一级A标准。经过该深度处理工艺后,出水氨氮浓度在沉淀池出水氨氮浓度为1.64~3.06mg/L时进一步降低50%左右,而在沉淀池出水氨氮浓度较低时(0.44~0.98mg/L),未出现明显去除效果。氨氮主要是通过粉末活性炭吸附和微生物的降解作用共同去除。

　　 该工艺对总磷的去除效果如图2d所示。在提标改造前,出水总磷已达到一级A标准,经过该工艺后出水总磷浓度变化不大。

　　 以上研究结果表明,助滤和再生粉末活性炭深度处理工业废水技术出水稳定,可达一级A标准,且该工艺具有自控程度高、抗冲击负荷能力强等特点。

　　 根据工程设计及运行的实际情况,新增的费用包含污泥处置费、动力费、药剂费、人工费、大修理及日常检修维护费、管理费、销售费和其他费用等,新增成本为1.67元/m³。

　　 (1)以石灰为主要成分的复合助滤剂可去除水中大部分胶体、悬浮物、大分子微生物代谢产物,满足提标需求,同时还能去除水中的总磷、重金属等物质。助滤技术具有特殊的工艺针对性,该过滤系统具有占地少、自动化程度高、悬浮物容纳量大、土建成本低的特点。

　　 (2)已形成含粉末活性炭的PA过滤罐成套化工程应用设备,可满足大规模粉末活性炭工程化应用的需要。该深度处理单元具有出水水质好、自控程度高、占地少、过滤效率高的特点。

　　 (3)助滤和再生粉末活性炭吸附技术能提高工业废水的综合处理效果,而且运行成本不高,技术和经济上均可行,可以为类似废水处理厂提标改造提供技术方案和工程运行经验,在工业废水领域有很好的应用前景。