何芳嬌， 吳漢陽， 查昊燃， 徐鵬， 李偉成

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 北京 100013； 2.江西博鑫精陶環(huán)保科技有限公司， 江西 萍鄉(xiāng) 337200）

食品行業(yè)是我國經(jīng)濟的重要行業(yè)之一， 各種食品在洗滌、 浸泡、 燙煮等加工工序和設(shè)備清洗中會排放出大量的高濃度有機廢水［1］。 這些廢水雖然可生化性好， 但是成分復(fù)雜， 含有大量的懸浮物、 油脂類、 蛋白質(zhì)、 磷等［1-2］。 采用傳統(tǒng)的生化聯(lián)合物化的方法達不到排放和回用標準要求。 目前國內(nèi)有文獻報道， 在實際工程中采用末端增加有機膜MBR 的方法作為提標改造的核心工藝［2-3］。 與傳統(tǒng)的有機膜（PVDF）相比， 陶瓷膜具有膜通量高、 抗污染能力強、 機械強度高、 耐各種侵蝕等顯著特點［4-6］。 同時， 陶瓷膜還具有使用壽命長， 運行費用少， 自動化程度高等優(yōu)點［5］。 本項目采用以溶氣氣浮為主的預(yù)處理， 后續(xù)以上流式厭氧復(fù)合床（UBF）-缺氧-移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）作為二級處理， 最后采用新型氧化釔納米涂層的荷正電平板陶瓷膜浸沒式MBR 工藝， 處理后出水不僅能達到更嚴格的排放要求， 同時也能滿足回用要求， 減少廠區(qū)的用水消耗。

1 設(shè)計規(guī)模及水質(zhì)

江蘇某食品廠主要從事果汁生產(chǎn)和調(diào)理包加工業(yè)務(wù)。 廢水處理站設(shè)計規(guī)模為180 m3／d， 進水包括果汁廢水（含有檸檬酸、 果酸、 葉綠素、 糖類等固形物較多）， 調(diào)理包廢水（含有動植物油脂， 脂肪酸， 有機酸等）和設(shè)備清洗廢水（包括各種界面活性劑和含磷清潔劑）。 混合后的水質(zhì)雖然有一定的可生化性， 但是懸浮物濃度和色度高， 同時有機污染物、 氮和磷濃度高。 處理后的水質(zhì)目前需達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中的一級B 標準， 同時達到GB／T 18920—2002《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》中沖廁、 道路清掃、 城市綠化和建筑施工的要求， 兼顧回用（主要是廠區(qū)綠化使用）。 設(shè)計進出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 廢水處理及回用工藝

2.1 處理工藝選擇

對于食品廢水的處理， 目前廣泛采用的是傳統(tǒng)生化工藝（厭氧-缺氧-好氧）來去除高濃度的有機污染物、 氮和磷， 出水只能滿足排入城市管網(wǎng)的要求。 對于本項目， 前端預(yù)處理聯(lián)合生化工藝再結(jié)合穩(wěn)定的深度處理才能滿足較高的排放或者回用要求。 本項目采用溶氣氣浮-兩級UBF-A／O（MBBR）-陶瓷膜MBR 組合工藝， 氣浮單元投加硅藻土和MBR 池投加三氯化鐵， 強化水中磷的去除， 采用兩級UBF 去除大部分有機污染物， 降低后續(xù)A／O工藝的進水負荷， 同時好氧采用MBBR 工藝， 進一步增強抗負荷沖擊能力及節(jié)省池容， 最后利用陶瓷膜的精細過濾攔截生化出水中的微生物和膠體，以滿足高的水質(zhì)標準。

2.2 處理工藝流程

廢水處理工藝流程如圖1 所示。 首先通過粗格柵和轉(zhuǎn)鼓式過濾機攔截懸浮顆粒物。 為了混凝達到最佳的處理效果， 加氫氧化鈉至調(diào)節(jié)池將原水pH值從5.5 升高至7.0 ～8.0。 氣浮處理中混凝劑采用硅藻土。 硅藻土（二氧化硅為主要化學(xué)成分）來源廣泛， 價格低廉， 吸附速度快， 吸附能力強， 能高效去除色度、 溶解態(tài)的磷和重金屬等污染物［7］。 在進一步的厭氧處理中， 采用UBF 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的UASB。 利用填料的截留作用來避免接種的絮狀污泥大量流失， 同時培養(yǎng)兼氧細菌， 利用兼氧細菌的水解和產(chǎn)酸作用， 在提高廢水可生化性的同時大幅去除COD。 好氧階段采用MBBR， 延長了污泥齡，同時使好氧池負載更多的微生物量。 好氧階段產(chǎn)生的硝化液從好氧池末端循環(huán)至缺氧池進行反硝化脫氮。 在隨后的MBR 工藝中， 利用陶瓷膜的高效截留能力， 出水濁度小于0.1 NTU， COD 濃度達到回用標準。

圖1 廢水處理工藝流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

本項目采用氧化釔納米涂層的荷正電平板陶瓷膜， 相比于傳統(tǒng)的單一組分Al2O3制成的陶瓷膜，它除擁有物理篩分來隔離污染物組分外， 還可利用靜電吸附作用分離粒徑較小且?guī)喾措姾傻奈⒘?，如細菌?病毒和有機小分子等［8］。 在中間水池中投加低濃度的次氯酸鈉來氧化剩余的氨氮， 同時起到降低色度和消毒的作用。

2.3 工程設(shè)計特點

（1） 考慮到本項目3 股排水懸浮物均較多， 廢水處理站前端預(yù)處理采用格柵+轉(zhuǎn)鼓式過濾機， 可有效去除懸浮物， 保證后續(xù)處理系統(tǒng)的高效運行。

（2） 考慮到原水有機物濃度較高， 采用二級厭氧處理工藝， 去除大部分COD， 為后續(xù)好氧單元減輕負荷； 厭氧反應(yīng)器采用UBF 設(shè)計， 該反應(yīng)器成熟穩(wěn)定， 應(yīng)用案例較多， 能大幅減少污泥流失，有助于顆粒污泥的形成。

（3） 廢水處理站A／O 處理采用MBBR 工藝，對COD、 BOD5、 NH3-N 和TN 都有較高的去除率，該工藝在工程上被廣泛應(yīng)用， 填料價格低廉， 運行費用低。

（4） 深度處理采用陶瓷膜MBR 工藝作為把關(guān)措施， 納米級陶瓷膜能高效截留微生物和膠體， 確保出水水質(zhì)達到回用要求。 該工藝具有過濾精度高， 使用壽命長， 耐污堵， 清洗簡單， 運行自動化程度高等優(yōu)點。

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

（1） 粗格柵和轉(zhuǎn)鼓式過濾機。 格柵渠道尺寸為2 475 mm×450 mm×1 500 mm， 柵前水深設(shè)為1.0 m。 格柵寬度為300 mm， 柵條間隙為30 mm， 排渣高度為700 mm， N=0.37 kW。 安裝轉(zhuǎn)鼓式過濾機1 臺， 型號FYT-NJS6120， 過濾精度為2 mm， 尺寸為2 400 mm×910 mm×1 700 mm， N=1.1 kW。

（2） 調(diào)節(jié)池。 1 座， 半地上鋼砼結(jié)構(gòu)， 尺寸為10.0 m×5.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， HRT 為26 h。 調(diào)節(jié)池內(nèi)安裝潛水?dāng)嚢铏C1 臺， 型號QJB0.85／8-260／3-740， N=0.85 kW。 氫氧化鈉投加裝置包括500 L 的加藥罐（PE）， 加藥泵1 臺（型號DJ-D 650／0.7， N=1.1 kW）， 攪拌機1 臺（轉(zhuǎn)速為1 440 r／min， N=0.75 kW）。

（3） 溶氣氣浮機。 1 臺， 型號YPL-10， Q=10 m3／h， N=3.3 kW。 硅藻土和PAM 投加裝置各包括3 000 L 的 加 藥 罐（PE）， 1 臺 加 藥 泵（型 號GBS2800／0.3， 功率為1.5 kW）和配套攪拌機。

（4） 厭氧進水池。 半地下鋼砼結(jié)構(gòu)， 尺寸為5.0 m×4.0 m×4.5 m。 每個厭氧進水池安裝無堵塞自吸進水泵， 1 用1 備， 型號ZW-25-8-15， Q=8 m3／h， H=15 m， N=2.2 kW， 自吸高度為5.5 m。為保證厭氧出水堿度在1 800 mg／L 左右（以CaCO3計）， 一級和二級厭氧進水池各配有堿度（氫氧化鈉）投加裝置， 包括500 L 的加藥罐（PE）， 加藥泵1 臺（型號DJ-D 650／0.7， N = 1.1 kW）， 攪拌機1臺（轉(zhuǎn)速為1 440 r／min， N=0.75 kW）。 考慮到當(dāng)?shù)卦?2 月至次年2 月期間氣溫較低， 為保證厭氧處理效果， 在一級厭氧進水池設(shè)有蒸汽加熱管道。

（5） UBF。 因為接種的是絮狀污泥， 按上升流速不超過0.2 m／h 設(shè)計。 一級UBF 和二級UBF 均為地上式碳鋼結(jié)構(gòu)（φ7.0 m×12.0 m， 有效容積為323 m3）， HRT 均為1.8 d， 一級UBF 按COD 容積負荷最大達9.0 kg［COD］／（m3·d）設(shè)計， 二級UBF 按COD容積負荷最大達5.0 kg［COD］／（m3·d）設(shè)計。 UBF 復(fù)合床高3 m， 采用聚丙烯軟性彈性填料， 每支彈性填料間隔400 mm。 UBF 罐體內(nèi)部用環(huán)氧乙烷樹脂防腐， 罐體外保溫材料采用厚度50 mm 的巖棉，最外層鋪設(shè)彩鋼板。 每個UBF 主要配套裝置包括母支管式進水配水器、 三相分離器、 氣液分離器、水封罐、 螺旋爬梯。 每個反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)泵為立式管道離心泵， 1 用1 備， 回流比最大為400%， 型號50-125（I）， Q=32.5 m3／h， H=18 m， N=2.2 kW。

（6） 缺氧池和MBBR 池。 均為半地下鋼砼結(jié)構(gòu)， A 池尺寸為10.0 m×5.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， HRT 為1.1 d。 A 池底部開孔， 連接O 池，O 池 按 照F／M 為0.18 設(shè) 計， 尺 寸 設(shè) 為20.0 m ×10.0 m×4.5 m， 有效水深為4.0 m， HRT 為4.4 d。O 池安裝有羅茨鼓風(fēng)機， 1 用1 備， 型號GRB-100， QS= 13.43 m3／min， P = 50.0 kPa， N = 14.71 kW。 O 池末端安裝反硝化液回流泵， 回流比最大設(shè) 為400%， 無 堵 塞 自 吸 泵， 1 用1 備， 型 號ZW65-30-18， Q=30 m3／h， H=18 m， P=4 kW，自吸高度為5.5 m。 為形成MBBR 工藝， O 池內(nèi)放入有效池容1／3 的HGB-10 填料（聚丙烯材料， 孔隙率大于8 5%， 比表面積大于800 m2／m3）， 尺寸為φ10 mm×7 mm。 為防止運行時填料堵塞進水口和反硝化泵， 在進水口和泵口安裝不銹鋼攔截篩網(wǎng)， 篩網(wǎng)下設(shè)有反吹管。

（7） MBR 膜池。 尺寸為6.0 m×2.0 m×4.0 m，為全地下鋼砼結(jié)構(gòu)， 共放置4 個膜組， 每個膜組安裝100 個平板陶瓷膜膜片（氧化釔納米涂層的荷正電Al2O3陶瓷）， 每個膜片有效面積為0.5 m2， 孔徑為0.1 μm， 設(shè)計平均膜通量為50 L／（m2·h）， 每個膜架尺寸為1 740 mm×790 mm×1 600 mm， 配套給水管和快接頭等。 每個膜組下面安裝有穿孔曝氣管， 采用底部曝氣吹掃來防止膜表面污染物堆積。 膜池安裝有羅茨鼓風(fēng)機， 1 用1 備， 型號GRB-80， QS=5.83 m3／min， P=40.0 kPa， N=5.48 kW。 整個系統(tǒng)運行采用PLC 控制。 膜抽吸泵采用自吸泵， 1 用1 備， 型號40ZX10-40， Q=10 m3／h，H=40 m， 吸程為6.5 m， N=6.7 kW。 反洗泵采用管道離心泵， 1 用1 備， 型號40SG18-65， Q = 18 m3／h， H=40 m， N=7.5 kW。 運行時當(dāng)抽吸跨膜壓差達到0.06 MPa， MBR 膜啟動維護性清洗。 加藥采用在線加藥方式， 次氯酸鈉、 檸檬酸和無水三氯化鐵投加裝置均包括3 000 L 加藥罐（PE）， 加藥泵1 臺（型號GB-S2800／0.3， N=1.5 kW）和配套攪拌機。 膜池內(nèi)設(shè)有排泥泵， 采用潛污泵， 型號25QW8-22-1.1， Q = 8 m3／h， N = 1.1 kW， H = 22 m。 污泥部分回流至缺氧池， 回流比為50%。 中間水池設(shè)有外排泵， 采用清水自吸泵， 型號40ZX10-40， Q=10 m3／h， N=4 kW， H=40 m。

（8） 污泥濃縮池和疊螺式污泥脫水機。 污泥濃縮池尺寸為13.0 m×8.0 m×4.5 m。 配置疊螺式污泥脫水機1 臺， 型號為HDL-131， 處理能力為14 kg［絕干泥］／h， N=0.3 kW， 總尺寸為2 250 mm×700 mm×1 200 mm； 配套污泥螺桿泵2 臺， 型號G25-1， Q=2 m3／h， N=2.5 KW。

4 工程運行效果

該工程于2020 年3 月開始生化調(diào)試， 2 個月后生化出水穩(wěn)定， 進入陶瓷膜MBR 進行深度處理。氣浮單元采用硅藻土效果明顯， COD 和磷的去除率分別穩(wěn)定在19.7% 和47.5%。 一級UBF 的COD去除率約為60%， 二級UBF 的COD 去除率約為50%； UBF 反應(yīng)器內(nèi)MLSS 濃度為23.4 g／L。 厭氧出水NH3-N 含量有所增加， 表明水中存在的有機氮在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生了氨化作用。 進水中少量的硝態(tài)氮在厭氧出水中沒有檢測到， 表明厭氧過程中同步產(chǎn)甲烷反硝化反應(yīng)完全。 MBBR 工藝對NH3-N的平均去除率穩(wěn)定在91% 左右， 這是因為填料的截留作用導(dǎo)致該系統(tǒng)泥齡較長， 適于世代時間較長的硝化菌的生長繁殖； 對COD 平均去除率穩(wěn)定在93% 左右； MBBR 池內(nèi)MLSS 濃度為4 800 mg／L。在MBR 單元中， 膜過濾方式為進水9 min， 停1 min， 反洗1 min， 精密過濾使膜產(chǎn)水COD、 SS 長期優(yōu)于出水標準， 出水濁度低于0.1 NTU。 運行180 d 后， 跨膜壓差才達到0.06 MPa， 表明新型氧化釔納米涂層的荷正電Al2O3平板陶瓷膜不僅過濾性能好， 而且比單一的Al2O3平板陶瓷膜清洗頻率要低， 每次化學(xué)清洗后， 膜通量基本能回復(fù)正常。 5月之后， 各單元出水水質(zhì)檢測情況如表2 所示。

表2 2020 年5 ～10 月各單元出水水質(zhì)Tab. 2 Effluent water quality of each unit from May to October 2020

由表2 可知， 各工藝單元運行平穩(wěn)， 最終出水水質(zhì)均達到排放和回用標準要求。

5 投資與運行成本

項目總投資為350.32 萬元， 其中土建投資近160.51 萬元， 設(shè)備投資共140.13 萬元， 管材、 管件、 電纜橋架、 自控（PLC 控制柜）等投資30.10 萬元， 其他投資（標識牌、 水質(zhì)學(xué)檢測儀器及試劑等）為19.58 萬。 廢水處理運行費用共計6.6 元／m3， 包括電費2.3 元／m3， 藥劑費3.2 元／m3， 人工費0.7 元／m3， 維修和折舊費0.2 元／m3， 蒸氣費0.2 元／m3。

6 結(jié)語

（1） 食品廢水污染物成分復(fù)雜， 水量和水質(zhì)波動性大， 采用溶氣氣浮-UBF-MBBR 組合工藝結(jié)合陶瓷膜MBR 深度處理， 對COD 的去除率達到99.7% 左右， 出水COD 質(zhì)量濃度為47 mg／L； 對NH3-N 的去除率達到96.2% 以上， 出水NH3-N 質(zhì)量濃度為3 mg／L； 對TN 的去除率達到90% 左右，出水TN 質(zhì)量濃度為11 mg／L； 對TP 的去除率達到95%， 出水TP 質(zhì)量濃度為0.4 mg／L。 系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定， 各項指標優(yōu)于所要求的排放和回用標準，取得良好的社會、 經(jīng)濟和環(huán)境效益。

（2） 長期運行結(jié)果表明， 新型氧化釔納米涂層的荷正電Al2O3平板陶瓷膜不僅通量高， 過濾效果好， 而且運行費用低， 抗污堵能力強， 化學(xué)清洗頻率低， 保證了廢水處理的連續(xù)性。