浅谈上海化学工业区污水处理厂处理工艺设计及其控制
2006-02-24 13:28:42
摘要：上海化学工业区污水处理场（简称WTP）接纳的污水组成成份复杂，排放的不确定性因素较多，浓度和负荷变动幅度大，但污水基本属可生化处理的，因而采用SBR/LD-PACT工艺，以适应和满足运行方式灵活、应变能力较强、出水达标率较高的要求。SBR/LD-PAC工艺，由上海石化环境保护研究所开发的低剂量粉末活性炭处理工艺（LD-PACT），并结合序批式反应器（SBR）的基本工艺路线，使废水处理达到最满意的处理效果。
关键词：处理工艺 SBR/LD-PACT工艺 废水处理
论文作者：钱月琴
上海化学工业区(简称SCIP)是上海市市级工业区，其开发建设是化工产业结构调整的战略部署，是市业实现可持续发展的重大决策，也是环境综合整治的战略转移。化工区总占地面积为23.4平方公里，其中一期工程占地10平方公里，一期工程分二阶段建设，第一阶段的生产装置将是陆续建成投入使用，在2002年先期投产的项目有高化20万吨/年苯酚丙酮装置，天原化工的PVC装置，拜耳公司的双酚-A装置和多聚异氰酸酯装置。根据国家环保“三同时”的政策规定，为了满足先期投产项目的生产废水、生活污水的处理达标排放，需同期建设相应的SCIP污水集中处理场（WTP），并在2002年12月建成投入生产运行，为SCIP“持续、快速、安全、健康”的发展要求提供保障。
1水量水质状况及分析
1.1水量状况
各生产装置工业污水水量的分布状况见表1-1。
表1-1 各生产装置的工业污水水量状况表
生产装置名称 |
污水量（m3/h）* |
百分比（%） |
高化苯酚丙酮 |
157.4 |
78.7 |
天原PVC |
25.0 |
12.5 |
拜耳双酚-A |
17.0 |
8.5 |
拜耳多聚异氰酸酯 |
0.5 |
0.3 |
合计 |
199.9 |
100.0 |
* 未计算初期雨水量。
除上述工业污水4800m3/d（199.9m3/h）外，估计施工期生活污水量约为500 m3/d（按每套装置500人×50升/人.日×20套装置同时施工计），再考虑到其它不确定因素及初期雨水，并预留适当的余量，本装置的生产规模确定为日处理量7000 m3。
1.2 水质状况及分析
排入上海化学工业区污水场的各装置的排放废水，其主要污染物状况见表1-2、表1-3。
表1-2 工业污水各污染物量排放分布状况（排放标准有明确规定）
| 装置 | 高化苯酚丙酮 | 天原 PVC | 拜耳 双酚-A | 拜耳多聚 异氰酸酯 | 合 计 | 计算的平均混合浓度(mg/L) |
项目 | |||||||
排放量 | m3/h | 157.4 | 25.0 | 17.0 | 0.5 | 199.9 |
|
CODCr |
Kg/h |
94.00 |
13.075 |
3.910 |
0.075/18.300 |
111.060/129.285 |
555.58/646.75 |
% |
84.6 |
11.8 |
3.5 |
0.1 |
100 | ||
BOD5 |
Kg/h |
36.45 |
3.725 |
2.907 |
0.028/6.660 |
43.110/49.742 |
215.66/248.83 |
% |
84.6 |
8.6 |
6.7 |
0.1 |
100 | ||
石油类 |
Kg/h |
|
0.006 |
0.067 |
|
0.074 |
0.37 |
% |
|
8.1 |
91.9 |
|
100 | ||
苯酚 |
Kg/h |
0.405 |
|
0.009 |
|
0.414 |
2.07 |
% |
97.8 |
|
2.2 |
|
100 | ||
悬浮物 |
Kg/h |
|
1.800 |
0.595 |
|
2.395 |
11.98 |
% |
|
75.2 |
24.8 |
|
100 | ||
氨氮 |
Kg/h |
|
0.490 |
|
|
0.490 |
2.45 |
% |
|
100 |
|
|
100 | ||
甲醛 |
Kg/h |
2.16 |
|
|
|
2.160 |
10.81 |
% |
100 |
|
|
|
100 | ||
甲醇 |
Kg/h |
2.70 |
|
0.748 |
|
3.448 |
17.25 |
% |
78.3 |
|
21.7 |
|
100 | ||
苯 |
Kg/h |
0.011 |
|
|
|
0.011 |
0.055 |
% |
100 |
|
|
|
100 |
表1-3 工业污水各污染物量排放分布状况(排放标准无明确规定)
装置 项 目 |
高化苯酚丙酮 |
天原 PVC |
拜耳 双酚-A |
拜耳多聚 异氰酸酯 |
合 计 |
计算的平均混合浓度(mg/L) | |
排放量 |
m3/h |
157.4 |
25.0 |
17.0 |
0.5 |
199.9 |
|
丙酮 |
Kg/h |
16.20 |
|
1.39 |
|
17.59 |
88.01 |
异丙苯 |
Kg/h |
1.08 |
|
|
|
1.08 |
5.40 |
CHP |
Kg/h |
0.54 |
|
|
|
0.54 |
2.70 |
DBNA |
Kg/h |
0.54 |
|
|
|
0.54 |
2.70 |
AP |
Kg/h |
0.54 |
|
|
|
0.54 |
2.70 |
轻酮类 |
Kg/h |
1.62 |
|
|
|
1.62 |
8.10 |
羟基酮 |
Kg/h |
54.00 |
|
|
|
54.00 |
270.14 |
甲异丁酮 |
Kg/h |
|
|
0.009 |
|
0.009 |
0.045 |
双酚-A |
Kg/h |
|
|
0.009 |
|
0.009 |
0.045 |
乙酸丁酯 |
Kg/h |
|
|
|
0.01/2.35 |
0.01/2.35 |
0.05/11.63 |
乙酸乙酯 |
Kg/h |
|
|
|
0.026/6.40 |
0.026/6.40 |
0.13/31.02 |
新戊酸和催化剂 |
Kg/h |
|
|
|
0.003/0.55 |
0.003/0.55 |
0.015/2.75 |
尿素 |
Kg/h |
|
|
|
0.005/1.10 |
0.005/1.10 |
0.025/5.50 |
Na2SO4 |
Kg/h |
264.60 |
|
|
|
264.60 |
1323.66 |
从表1-2和表1-3初步可以看出，在WTP进水中,无论是污水量还是各种污染物数量均主要来自高化苯酚丙酮装置。
从排放的污水量角度而言，苯酚丙酮装置占全部四套装置排水量的78%,是WTP的主要污水来源。
从污染物总量角度而言，苯酚丙酮装置同样占全部四套装置排放污染物总量的绝大部分，其中对排放标准有明确规定的CODCr、BOD5各占全部总量的72.9%和84.6%，甲醇为78.3%，苯酚为97.8%, 甲醛为100%。此外，在排放标准中无明确规定的污染物，如丙酮、异丙苯、CHP、DBNA、AP、轻酮类、羟基酮等几乎都来自苯酚丙酮装置。
1.3 进水水质的可处理性初步分析
对于污水中的若干主要污染物，根据有关资料提供的可氧化性和可吸附性状况见表1-4。
表1-4 若干污染物的可处理性分析*
序号 |
污 染 物 |
分 子 量 |
溶解度 (%) |
可氧化性 |
可吸附性 | |||
BOD5 (mg/mg) |
CODCr (mg/mg) |
原水 浓度(mg/L) |
去除率 (%) |
活性炭吸附容量(g/g) | ||||
1 |
苯酚 |
94.0 |
6.7 |
2.00 |
3.20 |
1000 |
80.6 |
0.161 |
2 |
甲醛 |
30.0 |
∝ |
0.33～1.06 |
1.06 |
1000 |
9.2 |
0.018 |
3 |
甲醇 |
32.0 |
∝ |
0.76～1.12 |
1.42 |
1000 |
3.6 |
0.007 |
4 |
苯 |
79.1 |
0.07 |
0～1.20 |
1.60 |
416 |
95.0 |
0.080 |
5 |
丙酮 |
58.1 |
∝ |
0.31～1.63 |
1.63～2.00 |
1000 |
21.8 |
0.043 |
6 |
乙酸乙酯 |
88.1 |
8.70 |
0.29～0.86 |
/ |
1000 |
50.5 |
0.100 |
7 |
乙酸丁酯 |
116.2 |
0.68 |
0.15～0.52 |
/ |
1000 |
84.6 |
0.169 |
* 参考有关资料的数据,可供参考
从表1-11可以看出，按业主和各企业单位提供的排放水水质资料，若各污水达到完全混合状态，平均计算浓度为:
CODcr=550～650 mg/L
BOD5=220～250 mg/L
BOD5/CODcr≈0.39
按一般的经验判断，污水的BOD5/CODcr比值≥0.3，可认为是可生化的，本工程排放的污水BOD5/CODcr≈0.39，采用生化处理工艺应当是可行的。
从表1-2和1-3可以看出，本工程排放污水中的若干主要污染物，如苯酚、甲醛、甲醇、苯、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯等均具有不同程度的可氧化性。至于羟基酮、轻酮类、CHP、DBMA、AP等因具体名称不详，无从查证，但从其功能基因可以看出：酮基、羟基的生化反应活性在有机物各基因生物降解排序中名列前茅，可通过生物降解生成酸类，再通过有机酸的β-氧化和三羧酸循环等途径最终生成CO2和H20，并提供生物活动所需的能量。
从表1-4也可以看出，本工程排放污水中的若干主要污染物均可由活性炭不同程度吸附，其中活性炭对于苯、苯酚、乙酸乙酯、乙酸丁酯等吸附状况均较好，对于这一特性也可以在选择污水处理工艺中加上充分的利用。
2 处理工艺
2.1 PACT工艺简述
低剂量粉末活性炭处理工艺（Low Dose-Powdered Activated Carbon Treatment Process），简称 LD-PACT。本工艺沿用PACT工艺基本图式，按我国国情和条件，由上海石油化工股份有限公司环境保护研究所开发，具有LD-PACT技术软件包支持的废水处理专用技术。低剂量粉末活性炭处理工艺(简称LD-PACT)为上海市科技成果,登记号931900674，登记日1990年07月。
在反应池中，活性炭（PAC）与活性污泥结合，有效增强废水的处理效果，其有关参数见下：
（1）1克PAC储氧能力500-700mg 可吸附20-200mg CODcr
（2）[PAC-AS]絮体直径可达100-400µ，沉降性能显著改善
（3）脱水性能有很大改善: 比阻[AS+PAC]<[AS],降低22-56%,
过滤产率[AS+PAC]>[AS]提高14-52%
（4）COD绝对去除量: [AS+PAC]>[AS]+[PAC]
[AS+PAC]=（1.19～1.34）[AS]
[AS+PAC]=（1.38～3.46）[PAC]
（5） 反应速率常数K : [AS+PAC]=2.33[PAC]
[AS+PAC]=1.40[AS]
2.1 SBR/LD-PAC工艺
SBR/LD-PAC工艺，由上海石化环境保护研究所开发的低剂量粉末活性炭处理工艺（LD-PACT），并结合序批式反应器（SBR）的基本工艺路线，使废水处理达到最满意的处理效果。
在SBR生物反应器中投加活性炭后可利用PAC在进水阶段的吸附作用，从而使混合液中有毒难降解污染物浓度减少，减轻对生物的抑制作用；在反应阶段，被PAC吸附的有机物通过生物解吸，降解后得以有效去除，同时PAC再生；在沉淀闲置阶段，PAC进一步再生后仍保持一定的活性；PAC本身也为生物的生长提供很大的空间，从而提高SBR池内污泥浓度；PAC表面是高浓度基质、高浓度氧和高浓度污泥三相共存体系，为生化反应创造了优越条件，PAC与污泥之间存在良好的相互作用，增大了基质的利用率，延长了泥龄，从而提高了处理负荷和处理水质；PAC与活性污泥结合，使絮体直径增大，从而提高污泥沉降性能，并且也增强了污泥的脱水性能。因此，上海化学工业区污水场采用SBR/LD-PAC工艺，可以预见取得很好的处理效果。
2.2 工艺流程
上海化学工业区7000 m3/d污水处理装置工艺流程,详见图6-1: 上海化学工业区7000 m3/d污水处理装置工艺流程图。
图6-1: 上海化学工业区7000 m3/d污水处理装置工艺流程图
2.3 主要构筑物及工艺参数
主要构筑物是调节池、酸化池和SBR池。调节池和酸化池合建。它们的设计参数见下表2-1和2-2。
表2-1 调节单元主要工艺参数
项 目 |
工艺参数 | |
酸化池 |
有效容积 |
25m×17.5m×4m（有效水深） |
停留时间 |
>10小时 | |
组合填料 |
1750 m3 | |
混合调节池(苯酚丙酮装置污水进入) |
有效容积 |
25m×17.5m×4m（有效水深） |
停留时间 |
>10小时 | |
调节池(全部进水) 混合 |
有效容积 |
50m×17.5m×4m（有效水深） |
停留时间 |
>10小时 | |
表2-2 SBR主要工艺参数一览表
项 目 |
主要参数 | ||
进水COD （mg/L） |
C0 = 700 | ||
出水COD （mg/L） |
Ce = 100 | ||
COD去除率 （%） |
η = 85.7 | ||
SBR反应池 |
SBR总容量 （m3） |
VT = 14400 | |
座 数 （座） |
n = 3 | ||
每座SBR容量 （m3） |
V = 4800（75*16*4） | ||
充水比 |
1/2 |
1/4 | |
每座SBR进水量 （m3） |
2400 |
1200 | |
周期运行时间 |
整个运行周期所需时间 （h） |
T = (Tf －Tf’)+Ta+Ts+Tdw+TuT = 24 T=12 | |
进水时间 Tf （h） |
2 |
1 | |
充水同时曝气时间 Tf’ （h） |
0～2 |
0～1 | |
加强曝气时间 Ta’ （h） |
6 |
4 | |
曝气持续时间 Ta （h） |
14 |
8 | |
排泥时间 Tds （h） |
1～3 |
1～2 | |
沉淀时间 Ts （h） |
3 |
1.5 | |
排水时间 Tdw （h） |
3 |
1 | |
闲置时间 Tu （h） |
2 |
0.5 | |
曝气时间比 Ta/T |
0.58 |
0.67 | |
PAC投加量（以进水量计）（mg/L） |
Inf PAC 20 |
Inf PAC 15 | |
混合液 |
污泥浓度 （g/L） |
MLSS = 3.5 |
MLSS =5.5 |
SVI （ml/g） |
≤150 | ||
PAC浓度 （g/L） |
0.80 |
2.2 | |
负 荷 |
COD平均容段负荷（kgCOD/m3 池） |
0.30 |
0.15 |
COD平均污泥负荷（kgCOD/kgSSŸ d） |
(F/M)re=0.15 |
(F/M)re=0.08 | |
3 工艺控制
为了使污水处理装置达到设计要求，确保出水指标符合国家排放标准，需对影响处理结果的因素进行控制。
3.1进水水质
为保证整个污水处理系统正常有效地运行，保证污水处理厂的出水达标排放，在化学工业区的统一管理下,各工厂或装置的污水必须达到接管标准后才允许排入污水处理装置。
在正常情况下，即各工厂或装置的污水均达到接管标准后排入污水装置，此时：（1）生活污水、Bayer公司废水和PVC公司废水进入混合调节池（B110）；（2）高桥苯酚丙酮装置废水进入酸化池。
若Bayer公司废水或PVC公司废水出现异常，水质变差，超出接管标准，应切换闸阀使废水进入酸化池。
3.2营养
实际接纳废水中的氮、磷含量是与生产废水的组成成份和生活污水排入的数量有关，尚难以确定。投加氮磷营养物数量，需对实际废水进行实测后方能最终确定。现暂按接纳废水中无氮、磷营养物考虑。投加的通常要求为：BOD5∶N∶P = 100∶5∶1。根据理论计算，每天需投加尿素（CO(NH2)2）274kg ，磷酸二氢钠（NaH2PO4·7H2O）216kg，待处理装置正常后，视出水中氮和磷的指标高低再予以调整。
3.3粉末活性炭（PAC）
SBR池中投加低剂量粉末活性炭，利用其特性，有利于提高处理能力、运转稳定、出水水质、减少污泥量、减少污泥泡沫等等。投加量由工艺运转人员根据实际需要决定。投加时间与投料泵运行同步。
PAC投加量（以进水量计）(mg/L) |
15 |
20 |
30 |
40 |
50 |
一次性投加量 (kg) |
36 |
48 |
72 |
96 |
120 |
每天需用量 (kg) |
108 |
144 |
216 |
288 |
360 |
3.4溶解氧(DO)
污水处理装置的SBR池的溶解氧(DO)一般控制在2 mg/L左右，酸化池的溶解氧(DO)应控制在0.5 mg/L以下。
4 经济分析
WTP正常运转时，物料消耗见表4-1物料消耗表。
表4-1 物料消耗表
物料名称 |
消耗量(Kg/d) |
粉末活性炭（PAC） |
144 |
尿素 |
274 |
磷酸二氢钠 |
216 |
PAM |
2.52 |
由于采用低剂量粉末活性炭处理工艺，也无需PAC再生装置，所以整体上来说，上海化学工业区污水处理厂采用的SBR/LD-PAC工艺，与一般的SBR工艺的处理成本差不多。所以从经济角度看，SBR/LD-PAC工艺是可行的。
5 小结
用LD-PACT和SBR相结合的处理工艺，对由北京燕山石化公司苯酚-丙酮装置生产废水配制的模拟上海化学工业区一期工程先期工业废水进行了模型试验。试验结果表明，当进水CODCr为782.4mg/L，泥水比为1:2，曝气时间为16h时，SBR出水CODCr为63.1~76.5mg/L，出水水质较好，CODCr均低于80mg/L，达到水质排放要求。高化苯酚-丙酮装置的生产废水是本污水处理场的主要污染源，污染物量大，组成成分复杂，可生化性相对较差，生物不可降解或难降解的CODCr较高。本试验采用水解酸化预处理，再通过LD-PACT和SBR相结合的工艺处理。上海化学工业区7000m3/d污水处理场，除接纳各装置排放的生产废水，按现提供资料约4800m3/d左右外，还将接纳各装置排放的生活污水等。本试验是以模拟工业废水为基础的，因此上海化学工业区7000m3/d污水处理场实际进水的可生化性肯定要好于本试验所配制的模拟废水。可以预见，采用水解酸化及LD-PACT和SBR相结合的工艺处理上海化学工业区一期工程先期废水，可以达到上海市污水综合排放标准。
参考文献：
[1] 王海东、文湘华、钱易.处理难降解有机物的新型SBR反应器的发展.环境科学进展,Vol.7(6):38-43(1999)
[2] 刘永淞、陈纯．SBR法工艺特性研究.中国给水排水, Vol.6(6):5-11(1990)
[3] 张自杰 .排水工程[M].中国建设工业出版社,第三版,1990
