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循环经济产业园废水零排放的工艺优选与实践
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2023-01-06 09:34:34 浏览次数:
摘 要:
        循环经济产业园区主要包括生活垃圾焚烧、餐厨垃圾处理、粪便处理、市政污泥处置等产业,生产过程中会产生大量高浓度、高氨氮有机废水,且园区一般较为偏远,基础设施不完善,环境容量有限,对废水处理会提出严格的排放标准,具体项目甚至会要求处理后尾水零排放。某循环经济产业园的高、低浓度废水分别经过UASB厌氧+外置式MBR+反渗透、生化+沉淀+过滤+反渗透处理后,尾水全部回用于园区。RO浓缩液采用膜减量+芬顿高级氧化+混凝沉淀工艺处理,产生的清液回用,剩余浓缩液作为灰渣冷却水回用。该项目处理规模为3 250 m3/d,投资约95 400元/m3,占地面积为8.45 m2/m3。
关键词: 
         循环经济产业园; 零排放; 外置式膜生物反应器; 深度处理; 芬顿氧化
 
1       工程背景
1. 1   项目基本情况
         某循坏经济产业园一期工程建设 1 座规模为4 000 t/d的生活垃圾焚烧厂、1座规模为 2 040 t/d的生物质综合处理厂、1 座规模为 250 t/d 的市政污泥处置厂、1座规模为 3 250 m3/d的废水处理厂及公用配套工程。生物质综合处理厂包括规模为1 000 t/d的餐厨垃圾处理、规模为 40 t/d的死禽畜处理、规模为1 000 t/d的粪便处理。园区废水来源如下:
          ① 生活垃圾焚烧厂。参考邻近地区数据,同时根据环评要求,该焚烧厂垃圾渗滤液量按垃圾规模的 15% 即 600 m3/d 计。其他低浓度废水量为386 m3/d,包括净水装置废水、除盐水制备装置废水、场地清洗废水、实验室排水、生活排水等。
          ② 生物质综合处理厂。高浓度废水主要为厌氧沼渣脱水沼液,水量为 1 645 m3/d;低浓度废水量144 m3/d,包括清洗废水、生活排水等。
          ③ 市政污泥处置厂。废水主要来自干化后的蒸汽冷凝水、清洗废水、生活排水等,属于低浓度废水,水量为175 m3/d。
          ④ 公共配套工程。废水主要为生活排水、洗车废水等,属于低浓度废水,水量为202 m3/d。
          ⑤ 园区初期雨水(以下简称初雨)。初雨属于低浓度废水。园区采用雨污分流制,一次初雨量约2 200 m3。设置2座初雨调蓄池,单池有效容积为2 000 m3,雨停后池内初雨按120 m3/d规模输送至废水处理厂。
该循坏经济产业园距市区 50 km,周边为未开发的山地,生态较脆弱,环境容量有限。园区内各产业排放的高浓度废水成分复杂,不妥善处理会严重污染周边环境。为避免影响区域内水环境质量,保障周边良好的生态,项目环评批复要求该产业园执行废水零排放,处理后尾水全部回用。
1. 2       设计水量、水质
1. 2. 1   设计水量高浓度废水量为2 245 m3/d;不计初雨的低浓度废水量为 907 m3/d。高浓度废水设计规模取 2 250m3/d,低浓度废水设计规模取 1 000 m3/d,总计 3 250m3/d。
1. 2. 2 进、出水水质参考类似项目运行数据,该废水处理厂设计进水水质见表1。
          
          根据环评批复意见,废水处理厂尾水回用于冷却水补充水、绿化用水、洗车用水等,尾水水质需满足《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T19923—2005)中的敞开式循环冷却水系统补充水水质和《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T18920—2002)中较严值标准,具体见表2。
          
1. 2. 3 其他工程目标
           ① 污泥处理:该工程产生的污泥经浓缩、脱水处理至含水率不超过 60%,交由垃圾焚烧厂掺烧处置。
           ② 臭气处理:该工程厂界恶臭执行《恶臭污染物排放标准》(GB 14554—1993)厂界标准值中的二级标准(新改扩建)。
           ③ 噪声:该工程噪声设计达到《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB 12348—2008)的Ⅱ类标准。
2        处理工艺方案
2. 1    工艺方案论证
          工艺方案论证的目的是根据水量、进出水水质及污染成分等基础数据,基于技术可靠、投资省、运行成本低等原则,选用效费比最优的工艺技术。该工程处理系统在降解有机物的同时,既要达到脱氮除磷的目的,又要满足出水无机离子指标,因此工艺路线选择时需考虑以下因素:
           ① 渗滤液、沼液进水 SS 分别高达 20 000、1 000 mg/L,部分SS为悬浮有机物,为减轻后续处理系统的有机负荷,高浓度废水进入生化系统前应考虑设置格栅、沉淀等预处理设施,审慎选择预处理系统工艺参数,确保SS预处理效果。
          ② 渗滤液、沼液进水 NH3-N 分别高达 2 500、2 750 mg/L,进水C/N分别为12、2. 72,而尾水NH3-N要求不超过10 mg/L,如何确保高浓度废水处理系统的脱氮效率及稳定性,是该处理工艺系统的主要任务之一。
          ③ 渗滤液进水 TDS为 14 500 mg/L,高浓度废水混合后 TDS 达 3 860 mg/L 以上,尾水 TDS 要求不超过 1 000 mg/L,处理工艺系统需要确保 TDS、硬度、Cl-、SO42-等的处理效率,才能使处理后尾水达标。
          ④ 对于渗滤液、沼液,目前成功应用的组合工艺为厌氧+好氧+NF/RO,NF、RO 系统均会产生一定量浓缩液,浓缩液COD高、含盐量高、可生化性差,需要妥善处理。
         ⑤ 厌氧生物处理会产生沼气,沼气成分主要为 CH4,其他为 CO2、N2,还含有微量 H2、H2S、NH3等,沼气火灾危险性为甲类,同时具有较高的热值,工艺方案需确保生产安全,且有效利用沼气。
2. 2    高浓度废水进水SS的去除工艺
          设置预处理系统,去除渗滤液、沼液进水中大部分SS,减轻后续处理系统的压力。SS去除工艺有机械拦截法、沉淀法、过滤法、生物处理法等。机械拦截法通过格栅、格网等设备将大于栅距、孔眼的悬浮物从水中分离,可去除大尺寸悬浮固体,投资及运行成本较低,但处理效率有限。沉淀法利用某些悬浮颗粒密度大于水的特性,将其从水中去除,SS去除率可达 50%,投资及运行成本适中。过滤法通过过滤介质表面或滤层截留水中悬浮固体和其他杂质,常用于给水处理及污水深度处理,进水 SS超过 50 mg/L时需频繁反冲洗。生物处理法通过微生物降解悬浮有机物,投资及运行费用均最高。
         对比以上各工艺优缺点及适用条件,生物处理法、过滤法不适合该高浓度废水的预处理,故采用格栅+沉淀池联合预处理工艺。
2. 3   渗滤液厌氧处理工艺
         渗滤液进水COD最高达60 000 mg/L,根据场地气温和热源条件,考虑中温厌氧处理,反应温度约35 ℃,设计COD去除率为70%。常用的厌氧处理工艺有升流式厌氧污泥床(UASB)、内循环厌氧反应器(IC)、膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)等,三种工艺的 COD 去除率均可达 80% 以上。UASB 容积负荷为 5~15 kgCOD/(m3·d),无混合搅拌设备,反应器内无需投加填料和载体,投资、运行成本低,但污泥床内有短流现象,对进水水质突变敏感,UASB渗滤液工程案例较多。IC容积负荷 10~24 kgCOD/(m3·d),占地较小,水力停留时间较短,耐负荷冲击强,但系统相对复杂,投资、运行费用较高,颗粒污泥培养的关 键 技 术 尚 未 普 及 。 EGSB 容 积 负 荷 为 8~20kgCOD/(m3·d),反应器内污泥呈膨胀流化状态,活性高,沉淀性能良好,泥水混合充分,耐负荷冲击强,但系统投资、运行费用较高,启动周期长,其污泥特性和反应机理等方面有待完善。IC、EGSB 的渗滤液工程案例相对较少。
          从以上对比看出,三种反应器的处理效率均满足要求。IC、EGSB 在容积负荷、耐负荷冲击上有优势,但两者的投资、运行成本较高,渗滤液工程案例较少,考虑到厌氧反应器前设置了SS预处理和调节池均衡水量水质,因此厌氧处理采用UASB工艺。
2. 4     高浓度氨氮去除工艺
           氨氮去除工艺主要有吹脱、膜过滤、生物处理、折点加氯等。吹脱工艺投资较低,能耗大,易产生二次污染。膜过滤操作方便,氨氮去除率高,无二次污染,投资及运行成本高。折点加氯法处理效率可达 90%,效果稳定,运行费用高,副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染。生物处理法通过硝化反硝化去除氨氮,工艺成熟,效果稳定,但处理流程长、能耗高、常需外加碳源、运行成本高。
          根据以上分析比较,基于确保 NH3-N去除率的同时避免二次污染的目的,确定采用生物处理+膜过滤的联合处理工艺。渗滤液经厌氧处理后与沼液均匀混合,再进入生物处理系统,混合后水温不低于 20 ℃,混合废水 C/N 约为 3。生物处理由两级反硝化硝化池、外置超滤、外加碳源等系统组成。
          废水中有机物、NH3-N、TN 等污染物经过两级反硝化硝化工艺降解,混合液再经过超滤系统固液分离,清液送入RO装置进一步去除残留有机物等,确保出水达标。
2. 5    膜生物反应器(MBR)型式
          MBR 有外置式和内置式两种。外置式 MBR 为错流式管式膜,污泥浓度达 15~30 g/L,膜材质为PVDF,膜通量达 60~80 L/(m2·h),处理渗滤液膜使用寿命为 3~5 a,混合液在膜管中高速紊流,堵塞几率低,每个月 CIP 在线清洗一次即可。内置式 MBR为中空纤维膜丝或板式膜,污泥浓度达8~10 g/L,膜材质 PP 居多,膜通量达 15~25 L/(m2·h),处理渗滤液膜使用寿命为 1~3 a,膜浸没在混合液中,膜表面易形成浓差极化,易堵塞,易产生膜破裂、断丝,每天需进行 1~3 次冲洗,还需不定期将膜吊出反应器离线清洗。综合两者的优缺点,该工程采用外置式MBR。
2. 6    浓缩液处理工艺
          RO 系统会产生一定量的浓缩液,常见的浓缩液处理工艺有:再浓缩+离子交换或活性炭吸附处理;再浓缩+蒸发系统+回用;再浓缩+高级氧化+混凝沉淀+回用(灰渣冷却或半干法脱酸制浆等)。三种工艺产生的清液均可回用,但前两者的投资、运行成本均高于第三种工艺,且离子交换再生液、饱和活性炭、蒸发结晶属于危废,需妥善处理。离子交换、活性炭吸附需反洗。蒸发系统存在结垢、腐蚀风险。混凝沉淀产生的污泥,可与主系统剩余污泥合并处置。高级氧化采用 Fenton氧化法,需配置Fe2+和H2O2 组合的Fenton试剂投加系统。
          该工程采用“再浓缩+高级氧化+混凝沉淀”工艺,对浓缩液进行减量并降解处理,处理后清液回用,剩余的浓缩液 COD 不超过 500 mg/L,交由垃圾焚烧厂作为炉渣冷却水。
2. 7   低浓度废水生化处理工艺
         低浓度废水来自园区的场地清洗水、生活排水、洗车废水、初雨等,设计水量为1 000 m3/d。进水B/C约为0. 4,可生化性较好。进水NH3-N为普通生活污水的 5~6 倍,因此首选有脱氮效果的生化处理工艺,常用处理工艺有水解酸化+接触氧化与SBR。
          两种处理工艺均技术成熟、可靠,脱氮效果较好,能抑制污泥膨胀。水解酸化+接触氧化组合工艺除磷效果占优,耐负荷冲击能力较强,投资、运行成本较低;而 SBR工艺设备闲置率较高,占地大,自动化水平要求较高。从占地面积、管理方便、处理效率等方面考虑,确定采用水解酸化+接触氧化法。
2. 8   最终工艺方案
         渗滤液进水可能存在 COD 偏低而氨氮较高的工况,为避免经过 UASB 处理后出水 C/N 值太低,影响MBR系统的脱氮效果,UASB厌氧池设置超越管。
         渗滤液通过螺旋格栅机+沉淀池+调节池+UASB 处理,沼液通过螺旋格栅机+沉淀池+调节池预处理,之后两者均匀混合,再经MBR +RO+消毒处理达标。低浓度废水通过调节池+水解酸化池+接触氧化池+混凝沉淀池+机械过滤+RO+消毒处理达标。RO 浓缩液经过高压 NF+高压 RO 处理,清液回用。高压 NF浓缩液采用高级氧化+混凝沉淀处理,出水与高压 RO 浓缩液混合,回用于灰渣冷却。污泥采用浓缩+污泥调质+隔膜压滤机脱水处理,至含水率不超过60%,交由垃圾焚烧厂掺烧处置。渗滤液处理工艺流程见图1。
           
3       主要工艺构筑物设计
         ① 渗滤液格栅机、初沉池、调节池。废水通过螺旋格栅机、初沉池预处理,出水 SS 降至不超过2 000 mg/L,进入调节池1。初沉池、调节池1合建,2个系列并联运行,单个系列尺寸为 25. 5 m×29 m×4. 5 m。单座竖流式沉淀池有效容积为 37. 5 m3,表面水力负荷为1. 0 m3(/ m2·h)。
         ② 沼液格栅机、初沉池、调节池。废水通过螺旋格栅机、初沉池预处理,出水 SS 降至不超过250 mg/L,进入调节池 2。初沉池、调节池 2 合建,2个系列并联运行,单个系列尺寸为 25. 5 m×29 m×4. 5 m。单座竖流式沉淀池有效容积为 37. 5 m3,表面水力负荷为2. 75 m3(/ m2·h)。螺旋格栅机栅隙为1 mm,配置自动冲洗压榨系统,出渣含水率<80%。
         ③ UASB 厌氧池。以降解渗滤液有机物为主要目的,出水COD不超过18 000 mg/L,3个系列并联运行,单池尺寸为 14. 7 m×11. 4 m×13. 5 m,有效容积为 2 010 m3,水力停留时间为 10 d,设计上升流速为 0. 65 m/h,COD 负荷为 5. 1 kg/(m3·d),每池设置排 泥 泵 1 台 ,流 量 为 15 m3/h。 沼 气 设 计 产 量 为10 206 m3/d。厌氧池进水温度由公用蒸汽管通过热交换器维持在(35±2)℃。厌氧反应产生的沼气,收集后输送至生物质综合处理厂,统一净化、贮存、综合利用。废水处理厂内设一套沼气火炬燃烧器,必要时对沼气直接燃烧处置。
          ④ 均质池。均衡厌氧池出水与沼液混合的水量水质,单池系列,尺寸为30 m×13 m×4. 50 m,有效容积为 1 400 m3,水力停留时间约 14 h,池内设置潜水搅拌机。
         ⑤ 一级反硝化、硝化池。3个系列并联运行,每系列一级反硝化池净空尺寸为 22. 8 m×15. 0 m×9. 5 m,有效水深为 8. 5 m;每系列一级硝化池分两格,串联运行,每格净空尺寸为 25 m×15 m×9. 5 m,有效水深为 8. 30 m。设计污泥浓度为 15 g/L;反硝化负荷为 0. 06 kgN/(kgMLSS·d);硝化负荷为 0. 033kgN/(kgMLSS·d);有 机 污 泥 负 荷 为 0. 06 kgBOD5/(kgMLSS·d);一级硝化池混合液、超滤浓缩液合计回流量为18~28倍进水流量。
          ⑥ 二级反硝化、硝化池。3个系列并联运行,每系列二级反硝化池净空尺寸为 15 m×6. 8 m×9. 5m,有效水深为8. 20 m;每系列二级硝化池净空尺寸为 15 m×6. 9 m×9. 5 m,有效水深为 8. 1 m。设计污泥浓度为15 g/L;反硝化负荷为0. 03 kgN/(kgMLSS·d);硝化负荷为 0. 025 kgN/(kgMLSS·d);有机污泥负荷为 0. 03 kgBOD5/(kgMLSS·d);超滤浓缩液回流量为2~3倍进水流量。
          ⑦ 超滤(UF)装置。UF为二级硝化池出水泥水分离装置。设计膜通量为70 L/(m2·h),计算膜面积为 1 460 m2;膜材质为 PVDF,膜孔径为 8 mm,膜组件直径为 20. 32 cm(8 英寸),膜组件流道直径为8 mm,膜组件长度为 3 050 mm,单支膜组件面积为27 m2,膜组件共60支,实际膜面积为1 620 m2,共设置 6 套膜装置,每套配置 10 支膜组件,每套膜装置的循环流量约264 m3/h,运行压力为0. 5~0. 6 MPa。
          ⑧ 反渗透(RO)装置。设计回收率为80%,设计膜通量为12 L/(m2·h),计算膜面积为6 420 m2;膜材质为聚酰胺复合膜,膜组件直径为20. 32 cm(8英寸),浓水流道宽度为 1. 5 mm,膜组件长度为 1 200mm,单支膜组件面积为 34. 4 m2,设置膜组件 216支,实际膜面积为7 430 m2,共设置6套膜装置,每套配置36支膜组件,运行压力为5~6 MPa。
          ⑨ 浓缩液处理系统。RO 装置浓缩液产量约600 m3/d,采用高压纳滤(NF)+高压RO系统再浓缩。置高压NF系统1套,运行压力为3~5 MPa,设计回收率为 80%;设置高压 RO 系统 1套,运行压力为 9~10 MPa,设计回收率为 70%,系统产生回用清液约336 m3/d。高 压 NF 产 生 高 浓 液 约 120 m3/d,其 COD 达6 000~7 000 mg/L,采用Fenton氧化+混凝沉淀处理,处理出水与高压 RO 浓液混合均匀,混合浓液量约264 m3/d,混合浓液 COD 不超过 500 mg/L,作为焚烧炉渣冷却用水。混凝沉淀排泥送污泥处理系统。
           ⑩ 低浓度废水处理系统。低浓度废水处理工艺为水解酸化+接触氧化+混凝沉淀+机械过滤+RO。水解酸化池容积负荷为 0. 6 kgCOD/(m3·d),2个系列并联运行,每系列净空尺寸为 11. 0 m×6. 65m×5. 5 m,水力停留时间为 8. 8 h。接触氧化池填料有机负荷为 0. 5 kgCOD/(m3·d),2个系列并联运行,每系列净空尺寸为 11. 0 m×8. 65 m×5. 5 m,水力停留时间为22. 8 h。混凝反应池、沉淀池为单系列,混凝反应池净空尺寸为 8. 5 m×2. 15 m×5. 0 m,反应时间为 50 min,PAC 投加量为 100 mg/L。沉淀池表面负荷为0. 60 m3(/ m2·h),净空尺寸为Ø8. 5 m×5. 0 m,沉淀时间为 2. 8 h。配置 3 台机械过滤器,并联运行,尺寸为 Ø2 m×3. 3 m,滤速为 8 m/h,底部滤料为500 mm 厚、粒径 1~2 mm 石英砂支持层,上填 1 m厚、粒径0. 8~1. 2 mm的颗粒状活性炭。
         RO 设计回收率为 85%,膜通量为 14 L/(m2·h),共设置 3 条生产线,每条生产线计算膜面积为 843m2;膜材质为聚酰胺复合膜,膜组件直径为 20. 32cm(8 英寸),浓水流道宽度为 1. 5 mm,膜组件长度为1 200 mm,单支膜组件面积为9. 4 m2,设置膜组件90 支,实际膜面积为 846 m2,共设置 3 套膜装置,每套配置30支膜组件,运行压力为5~6 MPa。
         ⑪ 污泥来源。初沉池污泥,干泥量约 1. 65t/d,湿泥含水率为 96%;MBR 剩余污泥,干泥量为8. 55 t/d,湿泥含水率为 98. 5%;低浓度废水系统剩余污泥,干泥量为0. 33 t/d,湿泥含水率为99. 2%;厌氧剩余污泥,干泥量为 1. 3 t/d,湿泥含水率为 94%,采用重力浓缩+污泥调理+板框压滤脱水处理工艺。
污泥混合后进入重力浓缩池,浓缩池2个系列,并联运行,单系列尺寸为14 m×10 m×4. 5 m,固体通量为42. 3 kgDS/(m2·d),浓缩后污泥含水率约95%。
           污泥调质池设置2系列,并联运行,每系列调质池设置 2 座,每座净空尺寸为 5. 1 m×5. 1 m×5. 0 m,每系列第 1 座池为反应区,均分为 2 格,依次投加38%~40%的 FeCl3溶液、10%的石灰乳,每格停留时间约 40 min;第 2 座为调理区,污泥停留时间约 100min。石灰、FeCl3溶液投加量分别为干泥量的25%、15%。
          设置 4 台隔膜板框压滤脱水机,正常运行时同时工作,每天运行 2 个周期,每周期历时 5 h。每台隔膜板框压滤脱水机的过滤面积为 400 m2,工作压力为2. 45 MPa。
4       实施效果
4. 1   水量及水质
         该工程 2018 年 1 月开始施工,2019 年 8 月机械竣工,2019 年 10 月底通过竣工验收,2020 年 4 月通过环保验收,目前一直运行稳定,最终尾水水质优于设计出水水质。工程投产后最大日处理量达到设计规模,高浓度废水平均进水量为 1 800 m3/d;计入初雨量,低浓度废水平均进水量为800 m3/d,总处理规模达到设计值的80%。
① 进水水质高浓度废水及低浓度废水的实际进水主要指标见表3。
         
        尾水水质目前该水质净化厂尾水水质均优于设计值,2020年 4月 1日—2021年 3月 31日连续 1年尾水主要水质指标见表4。
         
4. 2    经济分析
          该废水处理厂设计处理规模为3 250 m3/d,其中高浓度废水为 2 250 m3/d,接收垃圾焚烧厂、生物质综合处理厂产生的高 COD、高 NH3-N、高 SS 生产废水,处理工艺为格栅+沉淀+调节+厌氧+两级硝化、反硝化+UF+RO+消毒;低浓度废水为 1 000 m3/d,接收园区生活排水、实验室废水、冲洗废水、初雨等,处理工艺为调节+水解酸化+接触氧化+混凝沉淀+机械过滤+RO+消毒;两股废水处理后尾水均优于设计标准。
包括 6 个月试运行费在内,该废水处理厂总投资约 3. 1 亿元,吨水建设投资约 95 400 元/m3;占地面积为 2. 748 hm2,吨水占地面积约 8. 46 m2/m3;高浓度废水直接运行费用约 45 元/m3,低浓度废水直接运行费用约12 元/m3。
 
5        结论及建议
          ① 在对进水水量、水质及其污染成分进行充分分析、调研的基础上,借鉴类似工程经验,高浓度废水采用去除SS、厌氧、均质、MBR、RO的组合处理工艺;低浓度废水采用传统生化处理工艺+RO处理工艺;浓液采用高压 NF+高压 RO 及 Fenton氧化+混凝沉淀处理,整个工艺适应性强,耐冲击负荷,出水水质稳定达标。
          ② 厌氧反应产生的沼气成分 50% 以上为CH4,其他为 CO2、N2及微量 H2、H2S、NH3等,沼气储柜的火灾危险性为甲类,以此确定沼气柜与相邻建(构)筑物的安全间距,并做好防爆区域的划分,防爆区域内的电气、仪表应按照防爆要求选型。
         ③ 由于渗滤液和沼液的水量、水质随气候、季节等因素的变化而波动,建议渗滤液、沼液的处理流程前端各自设置调节池,调节池的有效容积应分析水量水质变化,并参考类似工程数据确定,调节池内应设置防止SS沉降的措施。
         ④ RO 浓缩液处理后如作为焚烧厂灰渣冷却用水,应长期密切关注灰渣浸出试验数据,确保灰渣综合利用的安全,同时应积极寻找浓缩液处理的新技术、新工艺,在进一步降低造价及运行成本的基础上,确保浓缩液得到安全有效的处置。
 
 
原标题:循环经济产业园废水零排放的工艺优选与实践
原作者: 王小兵, 林 岳