孫 浩，李 虹，蔡靈銳，韓 旭，朱禹韜，趙瑪麗，樸 哲

（1.揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州市廣陵生態(tài)環(huán)境局，江蘇 揚州 225001；3.揚州綠源水處理工程有限公司，江蘇 揚州 225127）

隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的高速發(fā)展，國民生活水平和健康意識不斷提高，對乳品的需求量逐年上升。乳制品生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢水，其主要來自生產(chǎn)加工過程中器皿、設備、管道的洗滌水，車間地面的沖刷水，蒸發(fā)器的冷凝水，超高溫滅菌的凝結(jié)水等〔1〕，不同時段水質(zhì)變化較大。此外，乳品廢水中富含油脂、蛋白質(zhì)〔2〕等細小懸浮物，在厭氧消化階段容易形成大量浮渣，嚴重影響污水處理系統(tǒng)的正常運行。

1 項目概況

寧夏某乳業(yè)有限公司，每天產(chǎn)生10 000 m3的高濃度廢水。根據(jù)水質(zhì)、水量及排放要求，本項目主要采用細格柵、調(diào)節(jié)水質(zhì)的預處理單元、兩級厭氧+A/O 生化處理、混凝沉淀、V 型濾池等工藝的組合，對該企業(yè)乳品廢水進行處理。為了快速啟動厭氧反應器及減輕浮渣對污水處理系統(tǒng)的影響，采取對種子污泥進行活化與厭氧馴化、厭氧反應器前端增設氣浮等措施。

2 工藝設計

2.1 進出水水質(zhì)

項目設計處理規(guī)模為10 000 m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準。設計進出水水質(zhì)見表1。

表1 設計進出水水質(zhì)Table 1 Design inlet and outlet water quality

2.2 工藝流程

廢水處理工藝流程見圖1。

圖1 廢水處理工藝流程Fig.1 Wastewater treatment process flow chart

如圖1 所示，乳品廢水由生產(chǎn)車間排放后先經(jīng)過細格柵間，去除較大的懸浮物后，進入集水井。集水井后設可對水質(zhì)、水量進行調(diào)節(jié)的預處理單元，包括調(diào)節(jié)池、氣浮間、事故池，根據(jù)水質(zhì)特點將集水井污水提升至不同預處理單元，如低濃度污水直接進入調(diào)節(jié)池，中高濃度污水經(jīng)過氣浮處理后進入調(diào)節(jié)池，高濃度污水直接進入事故池；pH 在5～11 之間的污水進入調(diào)節(jié)池，pH≤5 或pH≥11 的污水進入事故池。當集水井液位較低且井內(nèi)廢水pH 處于6～10 時，事故池的廢水打回集水井中。經(jīng)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后，污水被提升至一級厭氧生物濾池，一級厭氧生物濾池的出水再次經(jīng)過氣浮后進入中間水池，中間水池的污水被提升至二級UASB 厭氧反應器后進入A/O 處理系統(tǒng)，也可超越二級UASB 厭氧反應器直接進入A/O 處理系統(tǒng)。A/O 系統(tǒng)出水經(jīng)泥水分離后，采用混凝沉淀工藝進行化學除磷，再經(jīng)V 型濾池過濾后排放。

處理過程中，由氣浮產(chǎn)生的浮渣進行厭氧消化處理。部分二沉池的剩余污泥經(jīng)1#污泥濃縮池減容后進入污泥厭氧馴化池儲存，作為厭氧反應器跑泥時的備用污泥。剩余污泥經(jīng)脫水后外運。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣，前期采用直接燃燒方式進行處理，后期考慮回收利用。

2.3 主要構(gòu)筑物工藝設計參數(shù)

（1）細格柵井：2 組，每組設1 臺內(nèi)進流式網(wǎng)板細格柵，柵隙2 mm，單臺設計流量210 m3/h，功率0.55 kW。

（2）集水井：2 組，單組尺寸14.9 m×16.0 m×6.0 m，有效容積715.2 m3，水力停留時間3.4 h。設3臺潛污泵，2 用1 備，單臺流量290 m3/h，功率22 kW，揚程16 m。

（3）事故池：1 組，尺寸30.0 m×21.5 m×8.0 m，有效容積4 966.5 m3，水力停留時間12.0 h。設2 臺潛污泵，1 用1 備，單臺流量100 m3/h，功率7.5 kW，揚程15 m。

（4）調(diào) 節(jié) 池：2 組，單 組 尺 寸30.0 m×17.5 m×8.0 m，有效容積3 675.0 m3，水力停留時間12.6 h。每組調(diào)節(jié)池設2 臺潛污泵，1 用1 備，單臺流量250 m3/h，功率22 kW，揚程18 m。

（5）1#氣?。? 臺加壓溶氣氣浮，單臺設計處理量150 m3/h，功率21.15 kW。

（6）2#氣?。? 臺加壓溶氣氣浮，單臺設計處理量150 m3/h，功率21.15 kW。

（7）厭氧生物濾池：3 組，單組尺寸20.0 m×18.5 m×8.5 m，有效容積2 775.0 m3，水力停留時間20.0 h，內(nèi)設彈性填料。每組設2 臺循環(huán)泵，1 用1 備，單臺流量130 m3/h，功率7.5 kW，揚程12 m。

（8）中間水池：2組，單組尺寸30.0 m×9.0 m×4.0 m，有效容積675.0 m3，水力停留時間3.2 h。每組設2 臺潛污泵，單臺流量250 m3/h，功率22 kW，揚程18 m。

（9）UASB反應器：6組，并聯(lián)運行。單組尺寸8.8 m×22.7 m×9.5 m，有效容積1 683.0 m3，水力停留時間24.2 h，含脈沖進液系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)和沼氣收集系統(tǒng)。共設6臺循環(huán)泵，3用3備，單臺流量180 m3/h，功率5.5 kW，揚程6 m。

（10）A/O 池：3 組，并聯(lián)運行。單組尺寸21.5 m×18.5 m×8.0 m。A 段單組有效容積675.0 m3，水力停留時間4.9 h；O 段單組有效容積2 220.0 m3，水力停留時間16.0 h，內(nèi)設組合填料。A 段設液下攪拌機9 臺，單臺功率3.0 kW；A/O 池設硝化液回流泵6 臺，3 用3 備，單臺流量468.7 m3/h，功率7.5 kW，揚程3.68 m；設旋混式曝氣器3 426 個。

（11）二沉池：3組，并聯(lián)運行。單組尺寸D16.0 m×4.5 m，輻流式，沉淀負荷q=0.69 m3/（m2·h）。設刮泥機3 套，D=16.0 m。

（12）除磷沉淀池：3 組，并聯(lián)運行。單組尺寸12.3 m×6.0 m×6.5 m，單組混凝反應時間7.8 min，絮凝反應時間37.0 min，表面水力負荷q=4.9 m3/（m2·h）。設除磷池回流泵3 臺，單臺流量25 m3/h，功率1.5 kW，揚程10 m；設除磷池排泥泵3 臺，單臺流量25 m3/h，功率1.5 kW，揚程10 m；設刮泥機3 臺，D=6.0 m，功率0.75 kW；設混合攪拌機3 臺，D=1.2 m，功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速50 r/min；設絮凝攪拌機3 臺，D=1.0 m，功率4 kW，轉(zhuǎn)速61 r/min；斜管填料填充體積72 m3。

（13）V 型濾池：3 組，并聯(lián)運行。單組尺寸3.0 m×6.0 m×4.5 m，單組過濾面積18 m2，濾速7.72 m3/h。承托層、濾料層分別采用礫石和石英砂作為濾料。設反沖洗系統(tǒng)一套。

（14）污 泥 濃 縮 池：2 組，單 組 尺 寸D8.0 m×4.5 m，有效容積200.0 m3，濃縮時間＞12.0 h。

（15）浮渣消化池：2組，并聯(lián)運行。尺寸9.8 m×21.9 m×9.5 m，單組有效容積3 825.0 m3，浮渣停留時間30 d。

3 調(diào)試與運行

3.1 厭氧種子污泥活化及反應器啟動

3.1.1 厭氧種子污泥活化

污水厭氧處理工藝具有能耗低、負荷高、耐沖擊負荷等優(yōu)點，但和好氧處理工藝相比，其啟動速度較為緩慢。為了快速啟動厭氧反應器，本項目對種子污泥進行了活化、厭氧馴化等處理。

（1）種子污泥及藥劑。種子污泥取自當?shù)爻鞘形鬯幚韽S的壓縮污泥，其含水率在80%左右。將其分別投加到一級、二級厭氧反應器中，以總懸浮固體（TSS）計，投加質(zhì)量濃度為15 kg/m3左右。厭氧反應器開始啟動前，為活化種子污泥，投加自制復合藥劑〔3〕，該藥劑主要成分為草木灰、膨潤土、氯化鈣、PAM 等物質(zhì)。

（2）自制菌劑及其發(fā)酵。通過投加自制工程菌劑〔4〕的方式，對厭氧種子污泥進行活化。該菌劑由光合細菌、芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌、產(chǎn)甲烷菌等兼性或厭氧微生物復合而成。在將菌劑投加到厭氧反應器之前，需對其進行固態(tài)發(fā)酵，具體操作為：取粗米糠等農(nóng)副產(chǎn)品和粉狀菌劑充分混勻，用25 g/L 紅糖水將混合物含水率調(diào)整為55%左右，在25 ℃以上的室溫下堆置發(fā)酵，每天攪拌2～3 次，堆溫升至50 ℃以上并散發(fā)出酸甜味道時結(jié)束發(fā)酵，一般需要2～3 d。上述發(fā)酵菌劑接種量為種子污泥干重的2.0%左右。

（3）污泥厭氧馴化。厭氧反應器啟動之前，對來自市政污水處理廠的壓縮污泥在厭氧條件下進行馴化處理。由于新冠疫情的原因，2019 年底投加的種子污泥在厭氧反應器內(nèi)閑置了半年以上，馴化時間比預期多2 倍，種子污泥得到充分厭氧馴化。

3.1.2 厭氧反應器啟動

本項目設兩級厭氧反應器，一級厭氧反應器采用厭氧生物濾池工藝，二級厭氧反應器采用UASB 工藝，在設計負荷下水力停留時間分別為20.0 h 和24.2 h。厭氧反應器開始啟動前1 周，投加3.1.1 節(jié)自制藥劑和發(fā)酵菌劑，在不進水條件下每天開啟4～5 次循環(huán)泵，將藥劑和菌劑與事先投加的種子污泥進行充分混合。

一級厭氧反應器啟動初始進水流量為3 600 m3/d左右，此時污泥單位揮發(fā)性懸浮物（VSS）的COD負荷約為0.45 kg/（kg·d）。當反應器COD 去除率穩(wěn)定達到60%以上時，按30%左右幅度提升進水流量，直至達到設計負荷。啟動運行前期負荷提升幅度適當加大，到后期高負荷條件下適當降低提升幅度，為25%左右。一級厭氧反應器運行到第10天時，COD 去除率達到60%以上。到第35天時，進水流量共提升4 次，達到設計負荷10 000 m3/d，再經(jīng)過10 d 左右的運行，COD 去除率穩(wěn)定達到70%左右。通常厭氧反應器啟動階段污泥單位VSS 的COD 負荷在0.2 kg/（kg·d）左右，而本項目在高負荷條件下啟動了厭氧反應器。

一級厭氧生物濾池和二級UASB 反應器串聯(lián)，同步啟動。厭氧生物濾池出水經(jīng)氣浮處理后，進入UASB 反應器。UASB 反應器連續(xù)進水45 d，出水COD 在200 mg/L 左右，被認為完成厭氧反應器啟動，厭氧段總COD 去除率穩(wěn)定在95%左右。厭氧反應器啟動期間，進水pH 為7.0 左右，水溫為25～30 ℃。厭氧反應器啟動前期進水量較低，上升流速較小，可通過間歇開啟循環(huán)泵，提高傳質(zhì)效率。

綜上，本項目通過對種子污泥進行活化和厭氧馴化，在較高初始負荷下，快速啟動了處理高濃度乳品廢水的二級厭氧反應器。

3.2 A/O 系統(tǒng)啟動及調(diào)試

A/O 系統(tǒng)的種子污泥同上述厭氧種子污泥，啟動及運行期間污泥質(zhì)量濃度控制在3 000 mg/L 左右。為了存留硝化細菌并加強其脫氮性能，在好氧硝化池中設置組合填料。好氧末端DO 控制在2～3 mg/L，根據(jù)出水-N 及TN 去除率合理調(diào)整內(nèi)回流比〔5〕。調(diào)試運行20 d 時，填料表面黏附淺黃色生物膜。

3.3 后續(xù)深度處理

A/O 出水經(jīng)后續(xù)深度處理后排放。后續(xù)深度處理單元設混凝沉淀和V 型濾池，主要用于去除TP、SS 等。根據(jù)廢水水質(zhì)特點，混凝沉淀工藝段投加藥劑為160 mg/L 的PAC 和4 mg/L 的PAM，在此條件下出水TP≤0.5 mg/L，滿足排放要求。

3.4 氣浮及浮渣處置

本項目在每級厭氧反應器前端各設一段氣浮，有效控制了厭氧消化過程中大量浮渣的產(chǎn)生。廢水進行氣浮處理時，投加PAC 和PAM 等絮凝劑，SS 去除率可達到60%以上?？紤]到反硝化碳源不足問題，為了減少氣浮對COD 去除的影響，二級厭氧反應器前端氣浮采取減少或不加絮凝劑的措施。氣浮排出的浮渣經(jīng)過30 d 厭氧消化去除30%左右干重，剩余浮渣脫水外運。

3.5 運行效果

經(jīng)過45 d 調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，之后連續(xù)10 d 檢測系統(tǒng)進出水COD、TP 及A/O 段進出水-N、TN，考察污染物去除效果，結(jié)果見圖2。此外，對穩(wěn)定運行期間的主要構(gòu)筑物出水水質(zhì)進行檢測，其結(jié)果見表2。

圖2 污染物去除效果Fig.2 Pollutant removal effect

表2 主體構(gòu)筑物出水水質(zhì)Table 2 Effluent quality of main structures

由圖2 及表2 可知，污水處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，污染物去除效果較好。A/O 段出水-N、TN 與系統(tǒng)整體出水指標基本一致，均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準。

4 投資與運行費用分析

項目總投資約為1.54 億元，其中土建費1.1 億元，設備材料費3 400 萬元，設計安裝費969.8 萬元。運行費用為1.85元/m3，其中電費1.0元/m3，藥劑（PAC、PAM）費0.65 元/m3，人工費0.2 元/m3。

5 結(jié)論

（1）設計了日處理量為10 000 m3的乳品廢水處理廠，采用預處理、二級厭氧+A/O 生化處理、混凝沉淀、V 型濾池等工藝對乳品廢水進行處理。經(jīng)過45 d的調(diào)試運行，系統(tǒng)出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 排放標準。

（2）通過對種子污泥進行活化和厭氧馴化，實現(xiàn)了高負荷條件下厭氧反應器的快速啟動。歷經(jīng)40 多天調(diào)試，反應器運行穩(wěn)定，厭氧段COD 由進水的4 500 mg/L 左右下降到200 mg/L 左右，去除率穩(wěn)定在90%以上。

（3）系統(tǒng)運行過程中，當碳源不足導致出水TN超標時，將一級厭氧出水超越二級厭氧反應器直接打入缺氧反硝化池補充碳源，使NOx--N 與COD 質(zhì)量比達到1∶6，此時TN 可被有效去除，出水TN 達到排放要求。

（4）根據(jù)乳品廢水水質(zhì)特點，在每級厭氧反應器前端設氣浮，可有效防止厭氧消化過程中形成大量浮渣，緩解其對污水處理系統(tǒng)的不利影響，同時去除部分污染物。產(chǎn)生的浮渣通過厭氧消化，可去除30%左右的干重。