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实例:酱香型白酒生产废水这样处理

更新时间:2022-05-13 10:52 来源:给水排水 作者: 钟星等 阅读:386 网友评论0

【谷腾环保网讯】介绍了某酱香型白酒生产企业一新建废水处理工程的设计过程。通过方案论证比较,采用“预处理—UASB—化学除氮磷—五级Bardenpho—MBR—臭氧氧化—混凝沉淀—深度处理”工艺流程,并结合建设厂址狭长、分期建设的实际情况,对全流程进行了工艺设计,工程投入使用后,出水水质达到发酵酒精和白酒行业最严格的排放限值要求。

01 工程概况

1.1 工程介绍

某酱香型白酒企业为其某片区制酒车间配套新建废水处理厂一座,该厂临近赤水河,受厂址狭长所限,本工程统一规划、分期设计和建设,对应白酒产能:Ⅰ期3700吨/年、Ⅱ期3 500吨/年。一期工程已建成并投入运行。

1.2 设计水量、水质

根据企业多年排水数据,以及充分考虑生产过程中排水的波动性、易变性等因素,废水处理厂设计规模为2 000 m³/d,其中Ⅰ期工程1 000 m³/d,Ⅱ期工程1 000 m³/d。

废水处理厂来水均为酱香型白酒生产过程中排放的废水,该废水在不同的生产时段排放浓度相差较大,特别是氮、磷等指标,在设定进水污染物浓度时,充分考虑到了水质浓度波动和平均浓度两个因素。设计进水水质指标见表1。


1.3 排放标准

该厂位于赤水河沿岸,处理后达标水排入赤水河附近的支流,最终汇入赤水河。排水需满足《发酵酒精和白酒工业污染物排放标准》(GB 27631-2011)中的直接排放限值(见表1)。进一步经过深度处理单元后,主要污染物指标可以达到地表水Ⅲ类水质要求(总氮指标除外)。

1.4 工艺流程

酱酒生产废水普遍具有悬浮物、有机物和氮磷、色度等污染物指标均较高的特点。在不同的生产周期,其排水浓度波动较大,全年排水有一定的间歇性。根据行业排放标准的要求,上述指标均需达到非常高的去除率,才能实现达标排放。由于废水中碳、氮、磷在不同生物和化学处理单元中的去除效果不同,在设计工艺路线时,不仅要采用多级、物化生化联合处理工艺,而且要恰当控制好各级污染物的去除效率,以期达到全流程各项污染物的协同去除,尽量减少外界化学物质的投加,节省运行费用和外排水的含盐量。本设计采用物理化学法预处理,以厌氧、好氧生物处理为主体,再辅以化学后处理和膜分离深度处理等多级串联工艺,完成该废水的达标排放任务。具体工艺流程如图1所示。


1.5 两期主要工艺单元及设计参数

1.5.1 预处理单元

格栅:设三级格栅去除固形物,一级为2台循环耙齿格栅除污机、1台人工格栅,栅齿间隙5 mm。二级为4台旋转式固液分离机(每期2台),栅网间隙2 mm,处理水量580 m³/h。三级为4台旋转式固液分离机(每期2台),栅网间隙1 mm,处理水量230 m³/h。

缓冲池:有效容积206 m³。

气浮:带混凝段的溶气气浮系统,2台(Ⅱ期新增),单台处理水量80 m³/h。

混凝反应池:混合池4座、反应池4座(每期各2座),有效容积36 m³。

一级沉淀池:中心传动幅流式沉淀池4座(每期2座),表面负荷≤1 m/h。

调节池:Ⅰ期池体有效容积2 700 m³。Ⅱ期池体有效容积2 300 m³。HRT=60 h。

事故池:Ⅰ期池体有效容积1 300 m³。Ⅱ期池体有效容积1 200 m³。HRT=30 h。

1.5.2 厌氧处理单元

采用UASB工艺,Ⅱ期与Ⅰ期相同,两期合建,每期池体有效容积1 540 m³。常温厌氧发酵,有机负荷Nv=8.0 kgCOD/(m³·d),COD去除率70%~80%。设出水回流,回流比按100%~200%计。无回流时,厌氧池表面负荷为0.2 m³/(m²·h),有回流时,表面负荷为0.5m³/(m²·h)。采用一管一点式布水方式。

1.5.3 化学处理单元

设反应池4座,依次为吹脱除CO2、磷酸铵镁(MAP)结晶除氮磷、羟基磷酸钙(HAP)结晶除磷、二级混凝沉淀单元,配套幅流式沉淀池2座。Ⅱ期与Ⅰ期相同。吹脱池气水比(4~8)∶1,MAP池、HAP池结晶反应时间均为60 min,设置慢速搅拌,反应pH=8~9.5。絮凝反应时间60 min,设置慢速搅拌,反应pH=8~95。沉淀池表面负荷为0.7 m³/(m²·h)。

1.5.4 好氧处理单元

采用带膜分离功能的五级Bardenpho工艺,第二个好氧池内设有浸没式板式膜组件,大幅度提高了污泥浓度和泥水分离效率。Ⅱ期与Ⅰ期相同,共2座,单池有效池容1 100 m³,分2个序列运行。有机负荷0.18 kgBOD5/(kgMLSS·d),平均污泥浓度8 g/L,膜通量0.3 m³/(m²·d)。污泥回流比50%~100%,混合液回流比300%~400%。总HRT=26.4 h。

1.5.5 后处理单元

臭氧氧化:臭氧氧化塔2台,每期1台,停留时间≥1 h;臭氧发生器2台,单台产气量5.0 kgO3/h。

三级混凝沉淀:混凝反应池,每期1座,有效容积32 m³。三级沉淀池,每期2座,表面负荷0.7 m³/(m²·h),沉淀时间大于2 h。

1.5.6 深度处理单元

采用“砂滤+超滤+活性炭”组合工艺,进一步去除排水中的有机物、色度、氨氮、总氮和总磷。Ⅱ期与Ⅰ期相同,每期配置如下。

砂滤:石英砂过滤罐3台,滤速8 m/h。

超滤:采用浸没式超滤单元,运行通量Flux25LMH。

炭滤:活性炭罐3台,滤速8 m/h,内装高性能水处理用活性炭。

1.5.7 污泥处理单元

污泥浓缩池:2座,两期共用。浓缩池A用于初沉污泥浓缩,浓缩池B用于其他污泥浓缩。浓缩池A表面负荷0.065 m³/(m²·h),固体通量1.3 kg/(m²·h)。浓缩池B表面负荷0.065 m³/(m²·h),固体通量0.67 kg/(m²·h)。

叠螺脱水机:4台,每期2台。单台污泥处理量300 kgDS/h,按每日运行10 h计算。脱水后污泥干重3 t/d,湿体积15 m³(80%含水率)。

污泥烘干机:2台,每期1台。单台除湿量为10 t/d,预计烘干脱去10 t水后,污泥含水量为2 t/d,污泥固含量为3 t/d,总体积为5 m³左右,含水率为40%。

1.5.8 臭气处理单元

臭气收集系统:只收集预处理、污泥处理、厌氧出水吹脱池3个区域的臭气。

生物除臭单元:两期共用,处理能力按Ⅰ期臭气量为2 500 m³,Ⅱ期臭气量2 500 m³/h计。水洗区喷淋加湿流量为10 m³/h。生物脱臭填料区气体停留时间为60 s。

02 设计要点

2.1 预处理单元

预处理工艺包括3个方面的功能:固液分离、悬浮物初沉和水质水量均衡调节。

针对固形物和悬浮物的冲击,本工程重点强化预处理过程,设三级格栅、气浮、混凝沉淀等多种预处理措施,可确保在预处理阶段高效去除固形物和悬浮物,且以上设施均设于调节池前,可防止这些固态污染物在长时间的存贮过程中再次溶解释放,增加废水中各项溶解性污染物的浓度。一期运行时发现初沉池表面存在大量浮渣,撇渣后仍有少量进入调节池,为增强悬浮物去除效果,二期新增了气浮设备。缓冲池的设置,是为气浮、混凝的加药提供相对稳定的水量和相对均衡的水质。

针对来水水量和水质波动大的特点,设置超大容积调节池(停留时间大于2 d)和事故池(停留时间大于1 d),且Ⅱ期与Ⅰ期预处理单元可根据来水情况在并联和串联模式间灵活切换。

2.2 厌氧处理单元

该废水处理厂地处赤水河河岸斜坡上,属侵蚀性低山河谷斜坡地貌,且该厂紧邻赤水河。为保证后续好氧生物处理及脱氮除磷对碳源的需求,需将COD去除率控制在70%~80%,为后续处理预留较多的碳源。基于以上两个原因,本设计选用了技术成熟、运行简易稳定、施工难度小的UASB工艺,而非除碳效率高且对地载力要求高、施工难度大的IC、EGSB等高效厌氧工艺。因就地利用较为困难,本工程厌氧产生的沼气,由沼气火炬就地燃烧处理。

2.3 化学脱氮除磷单元

本工程原水中的氮磷浓度较高,仅靠好氧生物脱氮除磷是很难实现达标排放,需在好氧单元前进行化学法脱氮除磷。为尽量减少药耗及化学药剂对后续生化单元的影响,本设计采用 “吹脱CO2+MAP+HAP+混凝沉淀” 工艺。吹脱CO2可提高废水pH,可减少后段化学反应中碱的投加量,预计厌氧出水经过化学脱氮除磷单元后,预计其TP和TN(以NH+4-N形式存在)分别小于10 mg/L和100 mg/L。

2.4 好氧处理单元

化学处理后的废水中氮、磷仍较高,须选择具有脱氮除磷功能的好氧生化工艺。采用具有高效脱氮性能的五级Bardenpho工艺,且将MBR引入该工艺替代二沉池。通过投加外碳源调整C/N>6,此单元氨氮和总氮去除率均可达到90%以上,预计出水TP<0.5 mg/L、TN<15 mg/L、COD<50 mg/L。MBR工艺中选用经久耐用且操作运行简单的板式膜,使上述好氧工艺具备了高效和运行稳定的双重特性。

Ⅱ期与Ⅰ期好氧池可实现并联和串联模式灵活切换,低浓度或大水量轮次时可采用并联模式运行,高浓度排水轮次时可采用串联模式运行。

2.5 “臭氧氧化+后混凝”单元

MBR出水的色度和TP(部分TP以有机磷形态存在)两项指标仍有可能会超标,为此选用臭氧氧化和后混凝工艺。通过强氧化过程,既脱色又改变含磷污染物和有机物的分子形态,再用混凝沉淀的方法,将上述微量的污染物去除,从而使有机物、氮、磷、色度等各项指标均稳定地达到GB 27631-2011(直排)排放要求(见表1)。

2.6 深度处理单元

为满足类地表Ⅲ水质排放要求,有机物、氮、磷、色度等各项指标仍需进一步降低。为此本设计设置了可满足更高水质要求的深度处理单元:砂滤+浸没式超滤+活性炭吸附。浸没式超滤操作弹性大,运行管理方便,维护成本低,对大分子胶体污染物有较好的去除效果,再辅以活性炭对超滤出水中的微量溶解性污染物进行吸附,可全面降低各类污染物浓度,为出水水质达到类地表Ⅲ要求提供保障。

2.7 污泥处理系统

本设计采用两级脱水工艺,第一级采用叠螺式污泥脱水工艺,脱水后的污泥含水率约为80%~85%。第二级采用空气源热泵低温干化设备,通过热泵产生热风对脱水污泥进行深度脱水,烘干后的污泥含水率低于50%,为后续的综合利用、焚烧、填埋创造了条件。烘干尾气冷凝后返回废水系统进行处理,整个烘干过程不产生异味。

2.8 臭气处理系统

本设计选择生物除臭工艺处理收集的尾气。厌氧和好氧、后处理等单元基本不产生臭气,因此只对预处理、厌氧出水吹脱和污泥浓缩、污泥处理等单元扩散的尾气进行专门收集。经过生物处理后,收集的高浓度臭气中的NH3和H2S及其他致臭污染物,均可得到高效去除,使外排尾气不造成周边空气污染,厂界臭气浓度符合臭气污染物排放标准要求。

2.9 自控与监控设计

该废水处理厂建设场地狭长,长350 m,宽30 m,配电系统设计上采用放射式与树干式相结合的混合配电方式。全厂自动化程度较高,设自动控制系统和视频监控系统,全部数据上传至办公楼中控室上位机中,并设电视幕墙,可随时监测现场情况,方便远程控制和监督管理。

03 工程投资

废水厂总占地面积8 700 m²。建筑面积:Ⅰ期工程3 100 m²,Ⅱ期工程1 200 m²;构筑物池容:Ⅰ期13 000 m³,Ⅱ期7 200 m³。土建工程费用估算约为4 000 万元,工艺设备及安装部分工程估算约为5 500 万元,合计总投资约为9 500 万元,吨水投资为4.75万元/m³。该投资额远高于一般工业废水处理的投资强度,除与本项目规模较小有关外,还与本项目要达到的高排放标准有关。

04 运行效果

对2021年4至6月的连续运行数据分析如下。

4.1 进水水量及水质

进水水量及水质情况见图2。日均进水量为678.9 m³/d,进水COD、总氮、总磷的平均浓度分别为:7 513.2 mg/L,154.3 mg/L和43.7 mg/L;峰值分别达到41 900 mg/L,1 030.5 mg/L和351.5 mg/L。


4.2 出水水质

处理出水水质情况见图3。出水水质能稳定达到GB 27631-2011(直排)限值要求(见表1),COD、TN、TP的均值分别为:22.0 mg/L、9.64mg/L和0.1 mg/L,均远优于标准值。此段时间深度处理单元未运行。


05 能耗和药耗统计与分析

5.1 能耗和药耗统计

由于本工程未对每个处理单元单独进行电耗计量,故以设计参数和设备用电负荷为满负荷运行时的工况,对各单元和主要用电设备进行测算分析。本工程满负荷运行时的吨水电耗为105 kW·h/m³,去除单位COD量电耗为3.0 kW·h/kg COD,远高于城市污水处理的吨水电耗(<0.5 kW·h/m³)。

各单元电耗分布如图4所示,好氧单元电耗最高,占32.0%;其次是污泥处理单元,占27.7%;再次分别是深度处理单元占12.8%、预处理单元占11.6%、化学脱氮除磷单元占8.1%。此5个单元电耗占全厂总耗电量的92.2%。


各类设备的电耗分布如图5所示,电耗最高的设备是鼓风机,占28.9%;其次是污泥烘干机,占25.1%,其他耗电量较高的设备是搅拌机和提升泵,占比分别为16.4%和10%。此4项电耗占全厂总耗电量的80.4%。


本工程需要投加多种化学药剂,包括用于调节pH的氢氧化钠、各级混凝反应所需的聚合氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺、脱氮除磷所需的外碳源及除磷剂、满足高品质出水所需的粉末活性炭、污泥脱水所需的阳离子聚丙烯酰胺以及膜清洗所需的清洗剂等。外碳源为复合液体碳源(COD当量为100万mg/L),主要成分为丙三醇和乙酸钠,其余药剂均为工业级市售产品。

2021年4至6月污水处理厂累计运行91 d,日均进水量为678.9 m³/d,实际投加的各类药剂分类汇总见表2、图6、图7。药剂日均费用为3 461.8元/d,吨水药剂费为5.1元/m³。

5.2 能耗和药耗分析

5.2.1 脱氮能耗与药耗

从上述统计数据上看,能耗和药耗最高的单元均是好氧单元,其中耗电最多的设备是鼓风机,药剂量最高的是外碳源。这是由本项目废水特征和所选工艺带来的必然结果。本项目废水属于高有机物高总氮类废水,从原水水质上看,C/N>35(COD=7 000 mg/L,TN=200 mg/L),经过预处理和厌氧处理后,总氮基本上以氨氮形式存在,且去除率很低(NH3-N=100~150 mg/L),COD则大幅下降至100~200 mg/L。在进入好氧生物处理单元时,废水水质特征由高C/N变成了低C/N类废水。通常可通过将部分原水超越厌氧单元引入好氧单元,借助原水中高浓度的COD来调整好氧单元的C/N,但酱香型白酒废水中含有较多难于降解的有机物成分(主要来源于窖底水),在C/N调整至5~6后,原水中这部分有机物(约100 mg/L左右)很难在好氧单元中去除,给COD达标带来极大的困难。因此,这类废水在工艺选择和工艺流程设计时,面临两难的选择:要充分利用原水中的内碳源,就会面临末端COD不达标的困难;不利用原水中的内碳源,则会面临低C/N比脱氮的困难。根据现有的工程经验,选择厌氧高效去除COD和好氧单元补充外碳源这一策略,是目前最为可靠的技术路线,可以保证脱氮效果和COD达标,本项目即采用了这一技术路线。

本项目厌氧和二级混凝出水COD为100~200 mg/L(均值150 mg/L),TN为80~150 mg/L(均值100 mg/L)。在好氧单元(五级Bardenpho+MBR),通过投加外碳源COD约500 mg/L,将C/N调整至C/N≥6,同时控制内回流比为r=400%,外回流比为R=100%,可实现COD去除率>90%、脱氮去除率>85%[ηTN=(R+r)/(1+R+r)]。再经过后续单元处理后,可满足COD<50 mg/L、TN<15 mg/L的排放要求。好氧单元鼓风机除了为氧化氨氮供氧和提供MBR膜擦洗空气外,还要为氧化过量投加的外碳源(约为氨氮量的3倍,300 mg/L左右)供氧,由此导致好氧单元和鼓风机耗电量在全流程中占比最高。外碳源用量与废水中的总氮密切相关,一方面来水总氮浓度高,对外碳源需求量大,同时高效能的外碳源价格也较高,由此导致外碳源的费用在全流程药耗中占比最高。

通过上面的分析可以看出,在高有机物高总氮类废水处理方面,我们现有的工艺技术存在较为显著的高能耗和高药耗的弊端,市场急需能满足低C/N废水高效脱氮需求的新工艺。根据目前低碳脱氮技术的研究进展,以厌氧氨氧化技术为代表的新工艺有望在这一领域得到应用,该技术可实现节省60%的供氧电耗和节省100%的外碳源,与现有工艺相比具有显著的经济性。针对目前传统生物脱氮工艺而言,只能通过精细化管理,通过在线监测好氧单元进水中的NH3-N浓度,精确控制外碳源投加量和鼓风机供氧量,从而达到节约电能和减少药耗的目的。长远来看,还是要依靠技术进步,摆脱传统硝化反硝化脱氮工艺的限制,实现厌氧氨氧化技术类低碳低耗脱氮。

5.2.2 污泥处理能耗与药耗

本项目中能耗占比第二的单元是污泥处理,电耗最大的设备是污泥烘干机。来水中悬浮物很高(SS约为2 000 mg/L),通过大量投加PAC去除悬浮物的同时,会生成大量的初沉污泥,同时好氧单元由于过量外碳源的投加也会生成较多的剩余生物污泥。污泥处理单元每日要处理约20 m³的浓缩污泥(含水率是95%)。由于外运污泥含水率要求达到50%以内,仅依靠一级污泥脱水(叠螺脱水机)不能满足需求,需要配套污泥干化设备。本项目选用较为节电的空气源热泵烘干机,烘干机每去除1 m³水份约耗电150 kW·h,烘干后的污泥含水率控制在45%~50%。污泥脱水单元只使用阳离子PAM,其药耗约为污泥干重的1%,处于正常用药范围。

5.2.3 预处理能耗与药耗

预处理单元的能耗占比第三。全流程药耗占比第二的是PAC、第三是NaOH。PAC与NaOH主要用于预处理单元。来水酸度较高,且以有机酸为主,pH通常为5~6,需要投加大量的NaOH调节pH至6以上,为混凝反应和生物处理提供合适的反应环境。由于来水波动性较大,且混凝段设置在调节池之前,按平均水量和水质固定加药量并不科学,常常存在欠加和过量投加的现象。在二期设计时,在预处理单元前端设置了一个较小(HRT=2h)的缓冲池,将加药与来水提升流量、pH连锁控制,以节省PAC和NaOH用量。

06 结语

针对酱香型酒生产排水的特点、结合既往经验,本设计采用“预处理—厌氧—化学脱氮除磷—五级Bardenpho+MBR—深度处理”组合工艺,该类废水经处理后可以稳定地达到GB 27631-2011排放标准(直排)限值的要求,进一步经过深度处理,可达到类地表Ⅲ水质要求。该工程Ⅰ期已于2020年9月建成投用,各项设施运行良好,达到了设计目标。

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