甘肃定西中药材资源丰富, 是国内中药材主产地之一。该地中药材类企业众多, 经济效益可观, 但企业制药废水污染物含量高、可生化降解性差、色度高、水质水量波动大, 是较难处理的工业废水之一^[1,2], 而厌氧/好氧生物处理技术在实际工程中被广泛应用于制药废水的处理^[3~5]。甘肃定西某药业科技股份有限公司 (简称“药厂”) 位于定西市安定区巉口工业开发区, 随着药厂生产规模的扩大, 废水水质发生变化, 废水量急剧增加, 原有废水处理设施难以满足水质水量变化需要, 环境污染限制了企业的可持续发展, 因此, 升级改造药厂废水处理厂势在必行。

　　 药厂废水处理厂于2005年建成通水, 原设计废水处理能力100m³/d, 占地面积440m²。废水经格栅、预曝调节池、沉淀池预处理后, 直接进入到生物曝气池, 部分出水经回用水池用于厂区绿化, 其余排入城镇下水管网。原设计出水执行《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996) 一级标准。

　　 在原有处理设施基础上对废水处理厂进行升级改造, 设计水量为600 m³/d, 同时实现25 m³/d的废水回用, 升级改造后总占地面积790m²。废水处理厂东侧预留地规模2 100m², 故不需征用新土地。升级后出水执行《中药类制药工业污染物排放标准》 (GB 21906-2008) 中新建企业排放限值。

　　 药厂排水体制为清污分流, 原制药废水占73%, 与生活污水通过厂区排水管道分别汇入废水处理厂。生产废水主要包括中药提取与药液浓缩废液、各工序清洗废水、冷凝废水、循环冷却水及锅炉废水。原有实测数据显示, 处理水量已达260m³/d, 为原设计负荷的2.6倍。药厂废水处理厂实际进出水水质见表1, 可以看出, 实际出水COD、BOD₅、SS、NH₃-N长期不达标。

　　 结合实际运行情况, 出水COD、BOD₅、SS、NH₃-N长期不达标的主要原因在于超负荷运行。高负荷水力冲刷, 导致悬浮固体难以稳定沉降, 不利于SS去除, 同样不利于曝气池内微生物的附着, 导致MLSS浓度降低, 且水力负荷增加导致HRT减小, 难以保证COD、BOD₅的去除效果。COD、BOD₅浓度较高不利于自养型硝化细菌成为优势菌, 硝化效率较低, 导致NH₃-N去除效果不佳。另外, 废水处理厂缺少污泥回流系统 (见图1) 、曝气池内填料老化均加剧了MLSS浓度减小, 同样不利于COD、BOD₅、NH₃-N的去除。

　　 原有废水处理设施均能使用, 但存在以下主要问题: (1) 原有废水处理厂处理能力不足, 在水量增加、水质变化的情况下, 难以满足排放要求; (2) 原有废水处理厂无污泥回流与硝化液回流设施, 活性污泥流失量大, 难以保证曝气池MLSS浓度; (3) 原有生物曝气池挂膜材料老化, 水力条件变差, 生物挂膜效率低, 生物量不足; (4) 原有连接管道部分老化, 部分污水提升泵超负荷运行, 动力不足。

　　 废水处理厂升级改造主要原则: (1) 结合或利用原有处理设施, 降低基建费用; (2) 技术可行, 所选工艺既要对水质变化有较强的适应性又要保证出水能够稳定达标; (3) 高效节能, 选购设备兼顾通用性与先进性, 降低运行成本; (4) 处理设施能够长期稳定运行, 操作管理方便。

　　 原废水流量为260m³/d, 药厂新建的海桂胶囊车间产生废水290m³/d, 药厂升级改造后废水总流量为550 m³/d, 确定废水处理厂设计流量为600m³/d。药厂废水处理厂升级改造后制药废水占83%, 升级改造设计进出水水质对比表1可知, 海桂胶囊车间建成后, 药厂废水COD、BOD₅、SS与NH₃-N浓度均有不同程度的增加。

　　 目前普遍根据BOD₅/COD值判断废水的可生化性, 即大于0.3时可生物降解, 小于0.3时难生化降解^[6]。药厂废水BOD₅/COD为0.18, 属难生物降解废水, 考虑先采用水解酸化以提高废水可生化性, 再用好氧生物处理进一步降解各类污染物。通过对比筛选, 确定主体工艺为:两级厌氧+生物接触氧化^[7,8], 工艺流程见图2。

　　 对比图1与图2可知, 升级改造所采用的新工艺是在原处理工艺的沉淀池之后顺序增加了两个厌氧池与两个生物接触氧化池, 并在生物曝气池之后新建了1座竖流式二沉池。另外, 还增设了从污泥回流井到一级厌氧池的污泥回流系统、从二级生物接触氧化池到一级厌氧池的硝化液回流系统。

　　 厂区废水首先进入调节池, 进行水质均化, 尽量避免后续处理设施的局部负荷冲击。接着进入到初沉池, 其主要作用是降低废水SS。初沉池出水先进入一体化生化池, 再进入生物曝气池, 厌氧池将难生物降解的大分子有机物转化为易生物降解的小分子有机物并去除部分COD, 生物接触氧化池与生物曝气池依靠生物作用去除大部分COD、BOD₅、NH₃-N。出水经二沉池进行泥水分离后再利用或达标排放。污泥回流系统能有效保证废水处理厂各构筑物内MLSS浓度。硝化液回流系统为反硝化反应提供了充足的电子受体, 有利于反硝化脱氮的顺利进行, 有效防止了NO₂^--N与NO₃^--N的累积, 从而避免了NO₂^--N对各种微生物的毒害作用及NO₃^--N对硝化反应的抑制作用。

　　 升级改造设计水量相对较小, 每天排出的剩余污泥量不大, 无需设计污泥处理系统, 污泥池内污泥达到一定量时, 用吸泥车抽吸外运处理。出水大部分无需消毒, 直接排入城镇污水管网, 经大型污水处理厂进一步处理, 小部分出水在回用水池内投加漂白粉消毒后用于厂内林地浇灌。

　　 调节池1座, 尺寸为5 000mm×9 700mm。底部安装的污水提升泵能够满足提升要求, 依然利用。安装隔水挡板, 以改善水力条件, 同时改造现有老化管道。设计进水流量25m³/h, 24h连续运行。

　　 初沉池1座, 设计尺寸为3 000mm×4 500mm。内部设置的废水收集槽经改造后再利用。重新安装中心布水装置, 并将初沉池出水口改造成出水斗, 出水斗由厚度为10 mm的PVC板加工而成, 并用角钢与普通膨胀螺栓加固, 通过管道与新建的一体化生化池连接。

　　 生物曝气池1座, 设计尺寸4 000 mm×4 000mm×3 800 mm, 改造前后有效水深分别为3 300mm、3 000mm, 通过降低出水管中心标高来实现, 改造后HRT为1.92h。挂膜装置与曝气器仍保留继续使用, 有利于保持MLSS浓度与好氧环境。生物曝气池出水进入集水钢槽, 依靠重力流入出水井, 生物曝气池与出水井合建, 升级改造后, 出水井变为进水井, 进水井长、宽不变, 均为1 500mm, 井深在现有基础上加高1 100mm, 变为3 800mm, 在进水井与生物曝气池的隔墙底部开过水孔, 尺寸为1 000mm×350mm。生物曝气池升级前后均采用下进上出的过水方式, 有效防止短流发生。升级改造后, 生物曝气池采用DN350管道出水, 防止池内产生壅水。

　　 污泥池主要用于接纳初沉池排出的无机颗粒与二沉池排出的活性污泥, 池体圆形, 尺寸2 000mm×3 500mm, 池内污泥定期用吸粪车吸出外运。

　　 鼓风机房与配电室、值班室合建, 平面尺寸12 200mm×6 600mm。原有BK5003型罗茨鼓风机3台, 2用1备, 单机风量为1.22m³/min, 风压为58.8kPa, 升级改造后, 原有鼓风机及空气管路继续使用, 向生物曝气池供气。增加2台SSR-125型罗茨鼓风机, 1用1备, 单机风量为8.6m³/min, 风压为58.8kPa, 向一体化生化池供气。原有空气管路与新设空气管路通过对夹式蝶阀连接, 便于气量调节。

　　 配电室内原有操作台1个, 操作台接出电缆7根, 由电气盘引入并分别引向调节池、污泥池、回用水池及鼓风机房。新增操作台1个, 接出电缆8根, 由电气盘引入并分别引向鼓风机房、一体化生化池与污泥回流井。

　　 一体化生化池采用半地下式钢筋混凝土结构, 包括两级厌氧池与两级生物接触氧化池, 呈“田”字形布局, 水流顺时针依次上下折流流动。

　　 两座厌氧池规格相同, 有效尺寸:单个池长6650mm, 单个池宽4 800mm, 有效水深4 500mm;单池HRT为5.75h;池体之间用隔墙分开, 墙上有过水孔洞, 顶部封闭, 有利于保持厌氧条件。每座厌氧池内均安装2台QJB1.5-400-740型潜水搅拌机 (1用1备) , 功率1.5kW, 电压380 V, 频率50Hz, 用于保证泥水均匀混合并防止短流。

　　 两座生物接触氧化池规格相同, 单个池长、池宽、有效水深分别为5 450 mm、7 000 mm、4 500mm, 单池HRT为6.87h;两池纵向排列, 中间用隔墙分开, 一级生物接触氧化池与二级厌氧池经过水孔洞连接。生物接触氧化池内均装填弹性填料, 规格Ø150mm×0.45 mm, 44m/m³, 体积35 m³, 有利于微生物附着生长, 保证接触氧化池内MLSS浓度。生物接触氧化池底部装有膜片式微孔曝气器, 直径260mm, 以维持良好的好氧环境, 并保证泥水混合均匀。二级生物接触氧化池内装有2台80QW50-10-3型潜污泵 (1用1备) , 流量50m³/h, 扬程10m, 功率3kW, 电压380V, 用于向一级厌氧池内回流硝化液, 保证脱氮效果。二级生物接触氧化池采用三角堰出水, 出水进入集水槽通过出水管进入生物曝气池。

　　 二沉池采用中心进水、周边出水的方式, 共1座, 半地下式钢筋混凝土结构, 池体呈方形, 有效尺寸为4 200mm×4 200mm×3 000mm, 缓冲层高度300mm, 半地下式钢筋混凝土结构。设计表面负荷为1.5m³/ (m²·h) , HRT为2h。钢制中心导流筒规格DN500, 焊制喇叭口规格DN500×DN700, 反射板直径900 mm。出水采用直角三角堰, 由PVC板加工而成, 出水渠宽300mm, 部分出水排至回用水池用于厂区绿化, 其余排至城镇下水管网。静水压力排泥, 压力水头1.4m, 排泥至污泥回流井。

　　 污泥回流井1座, 半地下式钢筋混凝土结构, 半封闭, 设计尺寸2 800mm×1 600mm×4 650mm。回流井出泥管路设置回流管道, 以便对回流污泥量进行调节。池内安装2台80QW50-10-3型潜污泵 (1用1备) , 流量50 m³/h, 扬程10 m, 功率3.0kW, 电压380V, 主要用于将二沉池排出的活性污泥回流至一级厌氧池。

　　 阀门井1内设2个DN200闸阀, 用于控制二沉池出水流向。阀门井2内设DN200闸阀1个, 用于控制从二沉池排向污泥回流井的泥量。阀门井3用于控制回流污泥量, 内设4个DN100闸阀, 2条进泥管 (1用1备) , 3条出泥管。

　　 回用水池尺寸为3 000 mm×4 000 mm。原有回用管道腐蚀老化, 采用DN50的镀锌钢管重新敷设, 总长度为1 050m。原有抽水设备锈蚀弃用, 更换成2台IS65-40-250型单级单吸悬臂式离心泵 (1用1备) , 流量25 m³/h, 扬程80 m, 功率30kW。

　　 该厂从2016年7月下旬接种城市污水处理厂活性污泥进行启动和调试, 根据该工艺在其他工程调试运行阶段的经验, 将污泥回流控制在100%左右, 控制二级生物接触氧化池溶解氧在2.5~4.0mg/L, 40天后废水处理厂初沉池进水和二沉池出水的COD、NH₃-N、SS等指标的监测结果 (平均值) 如表3所示。

　　 由表3可见, 初沉池进水COD、NH₃-N和SS含量均较低, 对应出水含量分别为66.9mg/L、1.9mg/L和16.7mg/L, 均低于药厂相应的排放限值:100mg/L、8mg/L、50mg/L。此外, 本工程运行时毋须投加化学药剂, 运行成本较低。

　　 药厂废水属难生物降解废水, 厌氧水解酸化作用能够提高废水可生化性, 生物接触氧化能够进一步降解各种污染物。改造后药厂废水处理站运行的出水水质均低于《中药类制药工业污染物排放标准》 (GB 21906-2008) 中新建企业排放限值, 表明本工程两级厌氧+生物接触氧化工艺和构筑物参数选取合理, 可供类似药厂废水处理工程设计和升级改造参考。