生化联合工艺在重金属工业废水处理中的应用

刘晓琳

【摘 要】未经处理的重金属工业废水的大量排放不仅浪费资源，也污染环境，给人们的生存环境和人体健康造成了严重威胁。因此，含重金属的工业废水处理引起了社会的广泛关注。本文介绍一种利用絮凝沉淀-氨氮吹脱-CASS组合生化联合工艺来处理重金属工业废水，论述了主要构筑物及设计参数，出水水质各项指标稳定，效益明显。

【关键词】重金属；工业废水；设计；调试；效益

随着工业化进程加快，大量含有重金属的工业废水排放到环境中，对大气、土壤和水环境造成了严重污染。重金属废水主要含有砷、汞，铅、铜、锌、铬、镍、钴等元素，大多数来源于电镀、冶金、矿山、石油化工等行业。重金属工业废水具有毒性强、持久性、不可降解性等特点，这些重金属在水体中可通过食物链影响动植物生长最终威胁人类健康。因此，如何实现重金属废水净化处理和重金属回收就成为当前亟待解决的工作。

某钴产品生产加工基地，主要产品有四氧化三钴、镍钴锰三元素氢氧化物以及硝酸银等产品，生产废水每日排放量约430t，废水中污染物主要有氨氮、COD及重金属等，随着2010年铜、镍、钴工业污染物专项排放标准（GB25467-2010）的出台，原有的废水处理装备和技术已经不能适应新的排放标准要求，因此必须重新进行废水处理工程设计。

1.废水水质及特点

该公司废水水质及排放要求见下表1。从混合废水水质来看，重金属成分多、氨氮浓度较高、有机物浓度较低是该废水的主要特性之一，因此工程设计时需要综合考虑废水处理工艺路线，确保各项指标达标排放。

2.工艺流程

工艺流程设计的主要任务就是选择各个处理单元的具体内容、顺序和排列方式，确定处理工艺路线；设计出各处理单元的预期处理效果，以达到有效处理污染物的目的。

按照工业废水处理系统工艺流程的一般顺序，结合废水水质特点，在预处理阶段设置差流式调节池、沉淀池，其主要作用是调节废水水质，并对其中的镍、钴等有价金属进行加碱絮凝沉淀回收；考虑到实际废水中有多种重金属离子，当废水中含有锌、铅、铬等两性金属时，高pH时有再溶解倾向，因此工艺中设置二级pH调整、絮凝沉淀、砂滤以脱除废水中的多种不同类型的重金属离子；由于废水m（BOD5）/m（COD）为0.56，表明废水生化性较好，采用生物处理比较优越；加之废水中氨氮浓度较高，且氨氮在碱性条件下，主要以游离氨的形式存在，比较适合于用吹脱法进行去除，因此主处理阶段主要采用物化与生化相结合的处理工艺，目的是利用微生物的硝化与反硝化作用进行深度脱氮，利用活性污泥和生物接触氧化法组合而成的CASS工艺兼具活性污泥法与生物膜法二者的优点，近年来得到国内外的广泛研究与应用，因此本废水处理工程生物脱氮采用CASS工艺。

3.主要构筑物及设计参数

3.1 调节池

由于该公司工业综合废水来自几个不同的生产车间，水质、水量时有变化，为了使废水处理设备处在最佳的工艺条件下运行，为此需要设置调节池，对废水水量和水质进行调节。考虑到综合废水在碱性条件下易挥发出NH3等有害物质，因此不适宜采用用外加动力的水质调节池，可以采用差流式调节池，即废水从对角线进入，沿对角线上的出水槽所接纳的废水由于来自不同的时间，浓度也各不相同，这样就达到了调节水质的目的。

设计中调节时间定为24h，需要调节池有效体积430m3，按照500m3进行工程设计。

3.2 沉淀池

由于镍和钴形成的氢氧化物溶度积较小，比较适合于用氢氧化物沉淀法进行去除，为了加强并改善沉淀效果，并进一步将水中的微小悬浮物和胶体杂质除去，实际操作时通过投加无机高分子混凝剂聚合氯化铝（PAC）和助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）对废水进行混凝处理。

由于斜管沉淀池具有沉淀效率高、停留时间短、占地少等优点，因此混凝沉淀设备选用异向流式斜管沉淀池。

沉淀池设1座，表面水力负荷2.0m3/（m2·h），最大设计流量为25m3/h，矩形斜管沉淀池的边长为3.7m，水面面积为13.74m2，沉淀池有效水深2.8m，停留时间为45h。

3.3 吹脱塔

氨吹脱一般采用吹脱池和吹脱塔2类设备，但吹脱池占地面积大，而且易造成二次污染，所以氨气的吹脱常采用塔式设备。

从沉淀池自流出的废水经提升泵至吹脱塔中（Φ2800×6600mm）进行气-液相转移分离，即在吹脱塔中装置一定高度的填料层，填料可采用拉西环、木栅、金属螺丝圈、空心多面球等，废水从塔顶喷下，沿填料表面呈薄膜状向下流动，空气由塔底鼓入，呈连续相由下而上同废水逆流接触，废水吹脱后从塔底经水封管排出，塔顶排出的氨气用稀硫酸吸收后通过蒸发结晶生成化肥硫酸铵。

3.4 CASS组合生化池

CASS整体工艺为一间歇式反应器，在此反应器中进行交替的曝气、不曝气过程的不断重复，完成生物反应及泥水的分离过程。CASS组合生化池由厌氧单元、兼氧单元、一次沉淀单元、主曝气单元、二次沉淀单元构成。充分利用活性污泥污与生物膜法的工艺特点，实现了工艺上的优势互补。为确保后续处理出水稳定的基础上具有更大的处理负荷，结合国内生物脱氮的技术水平，本工程拟将CASS好氧组合工艺后串联生物滤池工艺，以确保出水水质稳定。

主曝气池容积为144m3，污泥体积回流比为0.72。在好氧单元主要发生硝化反应，硝化过程由两类非常有限的自养微生物完成，该过程分为两步：氨氮首先由亚硝化单胞菌氧化为亚硝酸盐，继而亚硝酸盐再由硝化杆菌氧化为硝酸盐。硝化作用的程度往往是生物脱氮的关键，为了保证硝化效率，在水处理上，一般可采用降低负荷运行，延长曝气时间，在管理运行方面，还要保证污泥的停留时间；另一方面，由于硝化反应必须要在好氧的条件下进行，一般应维持混合液的溶解氧质量浓度为2～3mg/L，污泥泥龄降低时要相应地提高溶解氧质量浓度。

4.调试运行

废水处理系统从2010年3月开始调试，调试第一阶段主要是编制调试方案，明确调试目的、内容和方法，完成设备单机和联动试车；第二阶段主要是活性污泥的培养，活性污泥来自附近的城市污水处理厂，通过间隙曝气、低负荷连续培养、满负荷连续培养、并最终通过逐渐增加工业废水的方法完成了对活性污泥的驯化；第三阶段对废水处理系统进行试运行。

废水从调节池通过提升泵至一段絮凝沉淀池，通过在线控制pH在11.0～11.5对水中镍、钴等重金属进行絮凝沉淀，从一段沉淀池出来的废水在pH为11.0左右、温度在30～35℃条件下通过提升泵至吹脱塔中进行空气吹脱，吹脱出的氨气在净化塔用稀硫酸进行逆流吸收，在这两个处理单元可以完成镍、钴等有价金属分离回收，并将废水中80%氨氮除去。吹脱塔出水自流至二段絮凝沉淀池，通过在线pH控制仪调整废水pH在8.5～9.0完成对铅等其它重金属的沉淀分离，从二段沉淀池出来的低浓度氨氮废水至CASS组合生化池进行生物脱氮，为了保证生化系统始终处于良好的运行状态，必要时补加甲醇或葡萄糖作为碳源，保证硝化-反硝化系统的正常运行。

废水处理系统在当年7月底经调试达到设计要求，出水水质各项指标稳定（见表2）。

5.效益分析

本项目总装机容量309.2kW，日耗4790.21kWh/m3，废水处理成本7.89元/m3（未计折旧及大修费），产生的硫酸铵固体可以用作农家化肥，不会产生其它二次污染。

6.结论

综上所述，采用斜管沉淀池对镍、钴等重金属进行加碱沉淀，并通过吹脱法与CASS组合生化法联合处理高浓度氨氮废水，主要污染物总钴、氨氮、COD的平均去除率分别达到99.67%、98.75%和88%，处理效果明显，重金属得到了充分回收，实现了经济效益和环境效益的统一。

参考文献：

[1] 刘文龙；钱仁渊；包宗宏.吹脱法处理高浓度氨氮废水[J].南京工业大学学报（自然科学版），2008年04期.

[2] 周菊峰；高峰；彭黎胜；黄熠；颜文斌.重金属工业废水回用工艺研究[J].湖南有色金属，2006年01期.