大型钢铁企业综合废水深度处理与回用研究

冯占立 ，张新宇 ，于丰浩 ，朱彤 ，王有昭 ，王欣 ，侯勇 ，孙伏寅

（1.鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山114021；2.中国科学院过程工程研究所，北京100190；3.东北大学过程装备与环境工程研究所，辽宁 沈阳110004）

钢铁企业是工业领域中的用水大户，节约工业新水用量，加强回收利用，减少工业污水的排放量，是当前钢铁企业共同追求的目标。目前，我国国内重点钢铁企业的吨钢耗新水量虽然呈现逐年下降的趋势，但与发达国家相比仍然较高。如在日本、德国等发达国家，钢铁企业的吨钢耗水量基本达到2 m3左右。而我国大部分钢铁企业的吨钢耗水量仍在3 m3左右。由此可见，在节水、废水循环利用方面，国内钢铁企业仍蕴含巨大潜力，水资源的节约方面仍有非常大的发展空间，同时说明国内钢铁企业在节能减排及环保方面责任重大。

目前，国内大部分钢铁企业的综合废水均采用物化处理，如高密度沉淀池+V型滤池等预处理工艺。处理后的水再部分进行脱盐回用，但脱盐工艺采用的双膜法对水质要求较高，污染物质集中在浓水中，没有从根本上去除。因此，需要研究一种工艺，既能够从根本上降低污染物浓度，保证膜的进水水质，同时也能达到排放标准，灵活调配水的去向，防止污染物在系统中富集。

本研究基于进化生物法一级反硝化、曝气生物滤池硝化和反硝化生物滤池二级反硝化相结合的新工艺过程，对综合污水处理厂的废水深度处理改造进行了中试研究，并根据研究结果实施整体改造项目的设计、施工和运营。

1 工艺设计

根据某大型钢铁企业综合污水处理厂改造目标的要求，即处理水达到《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-2012）和省级排放标准中的水质要求和回用要求（具体要求换表1），将“进化生物法”、“曝气生物滤池”、“反硝化生物滤池”等技术组合，设计形成新的脱氮及深度处理系统，并针对新系统中采用的多项新技术进行研究与分析，进而获取实际工程应用的基础数据和设计参数。

综合污水处理厂原工艺及深度处理系统改造方案如图1所示。其中包含综合污水处理厂物化处理工艺（一期工程）、原深度处理系统（二期工程）及最新脱氮深度处理系统（三期工程）。由于国家废水排放标准的提升，特别是对氨氮、总氮排放的要求更加严格，建设处理尾水的脱氮系统是不可避免。因此，该企业联合国内知名大学和科研院所提出了脱氮深度处理系统改造方案，并针对系统中采用的多项新技术进行中试研究。

表1 物化处理尾水水质及要求达到的处理目标水质

图1 综合污水处理厂原工艺及深度处理系统改造方案

2 中试研究和实验结果

对脱氮深度处理系统中的进化生物法一级反硝化、曝气生物滤池硝化和生物滤池二级反硝化三个工艺段进行了实验研究，并对现场采取实际物化处理工艺后废水的脱氮效果进行了分析。

2.1 进化生物法一级反硝化实验

采用进化生物法一级反硝化工艺对原有物化处理系统处理后的尾水进行脱氮实验研究。实验进行了49天，期间进行了人为配水生物驯化、实际尾水实验、负荷提升（停留时间缩短）和极端条件等多个实验过程。进化生物法一级反硝化系统实验结果见图2。

图2 进化生物法一级反硝化系统实验结果

由图2可以看出，原水中含有的硝酸盐平均为 14.8 mg/L， 经过停留时间 4 h （1～10天）、2 h（11～24 天）、1 h（25～49 天）的负荷提升过程，尾水进入一级反硝化系统进行反硝化后出水的硝酸盐平均为7 mg/L,，平均去除7.8 mg/L硝酸盐。

在极端实验中，将停留时间设定为0.5 h，系统可去除硝酸盐4～5 mg/L，表现出了极强的反硝化能力。实验过程中，将原水总氮通过配水提升至平均24.0 mg/L，在停留1 h情况下，总氮最高去除20.1 mg/L，去除率最高达到91%。因此，无论是极端条件还是稳定运行条件下，进化生物法一级反硝化对总氮的去除效果显著高于其他反硝化工艺（市政污水总氮去除率50%～80%）。

2.2 曝气生物滤池硝化实验

由于综合污水处理厂接收的原水中氨氮浓度在10～30 mg/L范围内，而处理水要求氨氮小于5 mg/L，出水要求总氮低于15 mg/L，所以氨氮的硝化过程将成为控制生化处理好氧单元设计的主要因素。本研究设置了目前较为常见的曝气生物滤池，通过滤池中的陶瓷填料上生长的硝化类菌进行氨氮的硝化脱除。中试系统每小时处理含氨氮废水10 m3，实验数据为后续的工程实际提供设计依据。2017年曝气生物滤池去除氨氮的实验结果见图3。

图3 2017年曝气生物滤池去除氨氮的实验结果

由图3可以看出系统运行186天的氨氮进出水指标情况，其中进水氨氮平均11.15 mg/L，出水氨氮平均1.25 mg/L。试验期间有182天达标，达标率98%，氨氮的去除率达到89%。同时，尽管实验初期原水中氨氮浓度变化剧烈，但本曝气生物滤池系统处理后的水质表现稳定，仅个别天数出现微幅超标现象，说明系统具有较好的稳定性和应对浓度变化冲击的适应性。

2.3 反硝化生物滤池硝化实验

总氮作为氮污染的另一个重要指标，排放标准为≤15 mg/L，而该综合污水处理厂接收到的污水总氮常在30 mg/L以上，为总氮达标带来压力。因此，在系统中设置了二级反硝化过程，应用厌氧反硝化生物滤池工艺，在滤池中投加碳源，利用陶瓷填料上生长的反硝化菌进行异养反硝化。2017 年厌氧反硝化生物滤池进出水总氮指标见图4。

图4 2017年厌氧反硝化生物滤池进出水总氮指标

由图4可以看出系统运行212天总氮进出水的指标情况，其中进水总氮平均23.47 mg/L，出水平均13.67 mg/L，超标13天，达标率93.9%，去除率41.7%。

实验数据显示，厌氧反硝化生物滤池的脱氮效率不是很理想，分析其原因为：① 由于前端的曝气生物滤池为进行氨氮氧化的脱氮而进行的强曝气，导致曝气池出水溶解氧高（7～8 mg/L），进而导致其出水进入厌氧反硝化生物滤池的溶解氧较高，而所投加的碳源在充足的溶解氧条件下，更易发生碳化反应而非反硝化反应。按目前投加的碳源量应该去除20 mg/L总氮，但实际只去除了约10 mg/L，所投加的碳源仅50%用于反硝化反应。②由于来水中含有硝酸盐大于10 mg/L，这部分硝酸盐与曝气生物滤池硝化过程新产生的硝酸盐，同时在厌氧反硝化生物滤池中去除，增加了二级反硝化的压力。为此，在前端设置了进化生物法一级反硝化工艺，先行处理原水中存在的硝酸盐，显著减轻后续二级反硝化工艺的负荷，进而完成了系统的总氮去除目标。

3 应用效果

根据中试试验研究结果，实施整体改造项目的设计、施工和运营，通过实际工程验证得出：针对含有硝酸盐的原水，在水力停留时间为1 h的条件下，经进化生物法一级反硝化系统处理后，总氮的平均去除率在50%以上；在水力停留时间为2 h条件下，曝气生物滤池氨氮的去除率达到80%以上；厌氧生物滤池二级反硝化脱氮效率达到41.9%。在加入一级反硝化系统进行预脱氮后，二级反硝化的脱氮压力减轻，最终在两个反硝化系统的综合作用下，系统总氮实现了达标。

4 结论

针对国内某大型钢铁企业综合污水处理厂的尾水深度处理系统改造项目，设计了脱氮深度处理系统改造方案，对方案中包含的进化生物法一级反硝化、曝气生物滤池硝化和厌氧生物滤池二级反硝化三个核心技术进行了中试研究，并对研究实验的结果进行了分析，最终通过实际工程验证得出：针对含有硝酸盐的原水，水力停留时间为1 h时，进化生物法一级反硝化系统总氮平均去除率在50%以上；水力停留时间为2 h时，曝气生物滤池氨氮去除率达到80%以上；厌氧生物滤池二级反硝化脱氮效率达到41.9%，完成了系统的总氮去除达标。

致谢

本研究是在国家“十二五”水专项“辽河流域特大型钢铁工业园全过程节水减污技术集成优化与应用示范”的资助下获得的成果；感谢中国科学院过程工程研究所、东北大学过程装备与环境工程研究所专家学者在本项目中所作的贡献。