纺织染料废水处理工程工艺探析

2015-01-09戴顺虔

城市道桥与防洪 2015年4期

关键词：色度印染生物膜

戴顺虔

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 废水水质概况

某纺织公司从事织物面料织染和后整理加工，主要产品为牛津布、涤塔夫、春亚纺等多种纯涤纶织物，其生产废水主要来自于面料处理和印染过程中的煮练、漂白、染色等工序。该公司改造采用简单的混凝-沉淀工艺，进出水水质见表1所列。

表1 进出水水质指标一览表

2 现状分析及工艺改造要求

该厂实际生产过程中，其污水产生量最高为：1800 m3/d，平均为：1600 m3/d。改造前采用混凝-沉淀工艺，流程见图1所示，构筑物及设备见表2所列。由于企业生产规模的扩大和生产工艺的改变，改造前的污水处理设施已无法达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级排放要求。

图1 改造前污水处理工艺流程图

表2 改造前污水处理设施构筑物及设备一览表

该厂主要使用分散染料，面料全部为涤纶材质，印染颜色丰富，70%为黑色染料。印染工艺前处理段使用大量液碱，pH高。面料染色时印染液pH呈中性，采用高温染色工艺。

该厂所在地河水受污染严重，企业生产用水全部为经石英砂过滤处理后的河水，所以并未对企业生产产生影响，水质分析见表3所列。企业对回用水水质情况以实际生产要求为准。企业预留约1600 m2土地，要求新建一座2000 m3/d污水处理站，执行《污水综合排放标准》二级标准。同时为减少污水排放，提高污水回用率，要求建污水回用处理设施，回用率要求达到 50%，回用水质标准以企业实际生产用水要求为准。新建污水处理设施要求操作简单、稳定性强、运行成本低，并对出水水质进行监控。

表3 生产用水水质一览表

3 工艺分析与设计

3.1 工艺设计分析

（1）根据企业产生的污水所作的分析，新建污水处理工程如果采用全生化工艺需要较长的停留时间，且土地面积有限，故采用物化-生化工艺。此外需充分利用原有的调节池和污水处理设施。

（2）在企业生产过程中的炼煮环节需要使用液碱导致原水pH较高，不利于后续处理，需要较大的调节池以调节水质变化[1]。

（3）污水处理后进行回用处理，在简单稳定的要求下宜采用物化法，设置混凝区和沉淀池，同时设置砂滤和碳滤以保证出水水质。将回用的沉淀池改成气浮池，保证处理效果。

（4）企业生产使用分散染料，存在生化后水质颜色发红的问题，需要进行脱色处理。

3.2 工程设计

依据该厂的水质水量，单纯采用物化法难以满足达标处理的需要，同时考虑到要对处理后的水进行部分回用，以提高经济效益。为充分利用现有设施，提高土地利用率，将原先的污水处理设施全部改为调节池，使得调节池的容积达到560 m3，格栅沿用原有设施。除以上设施，其余污水处理设施和污水回用设施新建。原有污水处理设计与新建设施之间因有生产车间相隔，故采用牵引施工方式相连，中间设置阀门。在新设计处设集水池以调节流量。

依照该公司的实际情况，选用工艺成熟、运行稳定的物化→水解→曝气氧化工艺[2]、[3]，部分出水经气浮脱色剂处理，再经过石英砂过滤→活性炭过滤实现回用。工艺中投加混凝剂，选择聚合硫酸铁、PAC、聚合硫酸铝铁、硫酸亚铁[4]进行比较，PAC在实际使用中效果不佳，硫酸亚铁在多次实践中发现对于印染废水有更好的去除效果，最后采用硫酸亚铁作为混凝剂。

使用液碱对pH进行调节，采用计量泵加药，从而避免了使用石灰所产生的占地大，污泥多等问题。混凝效果见表4所列，最终确定改造设计工艺流程如图2所示。

表4 混凝剂效果一览表

图2 改建后的工艺流程图

4 主要构筑物和设备及其作用

该工程处理设施构筑物均为钢混结构，构筑物尺寸及配置设备见表5所列。

（1）调节池为原有污水处理设施改建，总容积560 m3，有效容积 480 m3。设计停留时间为4.15 h。通过原有提升泵提升至高点后，依靠重力和地埋拖拉管流入新建污水处理设施。后设置冷却塔，降低水温。

（2）加药反应池采用机械搅拌，以缩减池子容积。初沉池采用辐流式沉淀池，表面负荷为0.75 m3/（m2·h）。

（3）水解酸化池，曝气池和二沉池合建成综合池。水解酸化池采用接触反应工艺，内设立体弹性填料，同时使用潜水搅拌机，以提高接触率，设计停留时间为12.5 h。曝气池与水解酸化池采用相同的填料。曝气采用高溶解氧转化率的管式一体曝气器。配有两台变频风机，单台风机汽水比为10∶1，两台风机可同时启动运行。二沉池为辐流式沉淀池，采用多斗重力排泥，设计表面负荷为0.75 m3/（m2·h）。

（4）改建原污泥脱水设施，新建污泥脱水机房与污泥堆棚合建。采用履带式输送装置，减少占地。

（5）气浮池原设计为斜板沉淀池，考虑到二沉出水 COD、SS等个指标都已降低，二次加药后污泥较轻，沉淀差，表面负荷大，改为气浮池。同时使用脱色剂，去除水中色度。中间水池和回用水池都为蓄水池，为回用水的进一步处理和使用作设计。

（6）气浮后的回用水依然存在SS、浊度、色度等有影响的污染物质。使用石英砂和活性炭予以过滤[5]，以提高水质。采用机械过滤的方式提高处理速度，减少占地。

表5 构筑物及设备一览表

5 调试及运行情况

初期调试（2013年12月21日至2014年1月8日），将未经稀释的污水注入水解酸化池和曝气生化池，测得 CODcr≥1500 mg/L，pH 为 12左右，NH3-N在 11 mg/L左右[1]。印染废水水温较高，刚注入的时候达到 20°C以上。投加袋装商品菌种，厌氧(A)池 15 t，好氧(O)池 25 t，pH 降至8.5左右，曝气池控制DO在 3～6 mg/L。同时投加适量的面粉、尿素、磷肥保证营养供应。在菌种投加完成后闷曝3 d，于 2013年12月21日开始少量进水，逐步增加水量，污泥全部回流到好氧（O）池。至2014年1月5日全部进水，出水达标。通过观察好氧（O）池及其填料，发现水中污泥量极少，填料上未出现挂膜，证明微生物较少，出水还有进一步的提升空间。厌氧（A）池进水 pH≥8.5，出水发黑 pH为 7.5～6.5，池内出现少量气泡产生，表明有初步的水解作用。

2014年1月9日开始没有进水，曝气继续运行，溶解氧控制在 DO≤6 mg/L，投加少量营养物质维持微生物的生存。调试初期各个池的出水CODcr变化见图3所示。

图3 调试初期CODcr变化曲线图

2014年1月31日再次调试，初期少量进水，每日逐量增加至2月4日设计进量。经过10 d左右，生化出水污泥量明显增加，风机由25 Hz升至50 Hz，好氧（O）池填料上的生物膜初具规模，出水CODcr降至200 mg/L以下，BOD5在 10 mg/L以下，填料挂膜完成。氧化池生物膜培养成熟后，将回流污泥部分引入厌氧池，提高厌氧池的污泥量。DO达到 0.1 mg/L以下。随着气温的升高，进水水温由 25°C升至30°C以上，水解作用显著增加。至3月底，水解出水实现了10%左右的CODcr去除率。这期间各个池的CODcr的变化趋势见图4所示，去除效率见图5所示。

图4 第二次调试期间CODcr趋势曲线图

图5 第二次调试期间各个处理单CODcr去除效率变化曲线图

在3月中旬生化出水稳定后，开始进行回用处理调试。由于生化后再物化污泥轻、沉降性不佳，将原先设计的斜板沉淀池改为气浮池，使用PAC作为混凝剂、Transfar TF-270B脱色剂，PAM作为助凝剂。SS、CODcr有很好的去除效果，但脱色效果不佳，色度达到32倍，经过砂滤和碳滤后色度降低不明显。对回用处理后的水进行取样及车间试生产，使用效果达到预期目的。正常运行各单元的处理效果见表6所列。

表6 稳定运行后各段水质状况一览表

6 调试问题及分析

6.1 活性污泥与生物膜

活性污泥量是指池水中区别于填料上的生物膜的活性污泥含量。初期为提高好氧（O）池的挂膜率，二沉池中的污泥全部回流至好氧（O）池。活性污泥量逐步上升，当达到 SV30=10时，剩余污泥回流入水解池，出水较为稳定。观察填料，好氧（O）池1号池填料生物膜几乎没有，2号池生物膜量较少。3号、4号池生物膜生长状况良好，CODcr降解主要依靠填料上的生物膜。

在提高 SV30至25，MLSS达到2000 mg/L以上时，生化池4个池中的填料上微生物普遍减少，发黑缺氧，同时微生物个体小，水中的微生物浓度并没有提高，剩余污泥处理量增加，出水没有提高的迹象。因此在容积负荷一定的情况下，悬浮污泥与生物膜存在竞争关系。

6.2 溶解氧

印染废水多次调试的结果表明，好氧（O）池末端溶解氧适宜控制在2～4 mg/L。较高的溶解氧有利于原生动物的生长繁殖。生化池1池长期处于DO≤0.5 mg/L的缺氧状态，使得填料上几乎没有生物膜附着。生化2号、3号池中DO在0.5～1.5 mg/L之间变化，生物膜生长良好，原生动物大量聚集，到生化3池末端，CODcr已经实现了生化去除率90%以上。生化4号池子在高溶解氧下运行，微生物个体大，出水清澈，在进水CODcr剧烈变化的时候，能保证出水质量。

实践中，停水后开一台风机（50 Hz），进水5 h后开两台风机（50 Hz+50 Hz），始终保证末端DO≥3 mg/L，减少电能消耗的同时能实现高去除率，同时对生物膜没有产生影响。

6.3 水温

印染废水水温普遍较高。调试期在冬季，气温0°C左右，连续进水水温能达到25°C以上。随着气温回升，水温进一步提高。较高的水温（≤37°C）使得好氧（O）池较快地实现出水达标，厌氧（A）池实现水解效果。随着水温超过 38°C，生化系统依然稳定，出水正常，污泥性状良好，沉淀速度快。冷却塔未及时到位，在调试完成后运行时生化系统水温最高升至42°C，生化出水依然达标，但污泥沉降速度减慢，污泥蓬松。在冷却塔安装到位正常使用后，采取提高进水 pH，适量加大污泥排放，投加大粪的方式，在2个星期后丝状菌基本消除，污泥性状恢复正常。

6.4 水解污泥

为提高厌氧（A）池（以下称A池）的水解效果，普遍采用的方式是提高A池的污泥量。初期投加菌种后A池就出现了发黑发臭，池面冒气泡的现象。为提高污泥量，采取大量好氧（O）池剩余污泥回流至A池的措施。进行一段时间后A池发生出水带泥，底部翻泥的现象。检测发现，A池水中污泥含量达到了1.28 g/L，但填料上没有污泥的附着。为减少出水带泥对好氧（O）池的影响，停止剩余污泥的回流。调整运行近10 d后，A池出水带泥的问题解决，填料上附着薄薄的一层黑色颗粒状污泥，同时实现了对A池的CODcr去除率。

6.5 碳氮比

对于 A池出水的多次监测中发现，NH3-N在10～12 mg/L之间浮动，BOD5均值在350 mg/L左右。以 C(BOD5)：N=100∶5 计算，每日 1600 m3的水量需要氮素28 kg，实际水中的含有的氮素16 kg（以NH3-N=10 mg/L计算），需要外源投加氮素12 kg/d，即猪粪26 kg/d（含氮量46%）。在调试初期每日投加猪粪25 kg，至2014年1月5日全部进水，好氧（O）池出水测定 NH3-N只有 5.6 mg/L出水CODcr持续上升。调整猪粪投加至50 kg/d并保持该量，出水CODcr下降至稳定。再次调试时猪粪投加50 kg/d不变，至调试完成好氧（O）池出水NH3-N含量在10～15 mg/L之间。以此计算，外源氮素投加为 23 kg/d，剩余 19.2 kg/d (以出水NH3-N=12 mg/L计算)，实际利用氮素为 3.8kg/d（猪粪 8.26 kg），而 C(BOD5)：N=100∶3.36。

表明在微生物的不同生长阶段对氮素的需求存在差异，快速增长期的微生物繁殖快，需要氮素来合成细胞所需的蛋白质等细胞组成部分，消耗量大。成熟期的微生物数量趋于稳定，氮素消耗量少，且主要满足其新陈代谢所需。

6.6 物化污泥

污水处理前端采用硫酸亚铁作为混凝剂，PAM为助凝剂，液碱调节 pH。2014年2月27日A池出水携带少量污泥，使得污泥流出进入好氧（O）池，好氧（O）池泡沫增多由正常时期的乳白色变为褐色，大量物化污泥附着于泡沫表面,SV30由20最高升至30时消泡困难，消泡剂、高压水枪均失效。采取减少供气量，出水DO维持在2～3 mg/L，加大污泥排放等方式，至3月3日，泡沫基本控制。在 3月4日投加 10 t大粪，消泡效果明显，泡沫中的物化污泥进入水中，通过排泥的方式脱离生化系统，至3月7日，好氧（O）池基本恢复至事故前水平。

这期间依然正常进水，好氧（O）池出水在 3月3日达到最高值 358 mg/L后下降。好氧（O）池填料上的生物膜数量略有减少，水中的悬浮污泥始终保持着良好的吸附和沉降能力，表明曝气法有很好的抗冲击、抗负荷能力。

6.7 脱色

印染废水普遍存在色度大的问题，在实际调试中发现，使用黑色分散染料存在难脱色的问题。该厂生产废水在生化处理后显淡红色、粉红色，色度达到60倍以上。即使使用脱色剂处理，颜色也只能降到32～25倍。同时受曝气影响大。在生化出水溶解氧处于1mg/L左右时，色度低，只有30倍左右。当溶解氧达到 6 mg/L以上时，生化出水清澈，色度达到100倍以上，颜色红。经过脱色剂处理后，色度降至32倍，进入设有曝气的中间水池，色度再次上升至60倍，通过活性炭吸附没有起到效果。后将中间水池的曝气关闭，回用处理后的色度恢复至32倍。