印染有机废水处理A2/O工艺设计

张少朋， 字进远， 王 吉， 彭 珑

(国家能源大规模物理储能技术(毕节)研发中心， 贵州 毕节 551700)

纺织印染工业是我国传统的支柱产业之一，已有一个多世纪的发展历史，是我国民族工业中历史最悠久的产业之一[1-3]。长期以来，纺织印染工业在满足我国人民衣着需要及产业用品需求、增加出口创汇、积累建设资金、增加社会就业及为相关产业配套方面发挥了重要作用，做出了巨大的贡献。

然而，随着纺织印染工业的迅猛发展，其用水量和排水量也大幅度增长，占我国总工业废水排放量的35%。据不完全统计，中国每天排放的印染废水约为3. 0×106t～4. 0×106t，年排放量约为6. 5×108t[4-5]。同发达国家相比，中国纺织印染业的单位耗水量是发达国家的1.5 倍～ 2.0 倍，单位排污总量是发达国家的1.2 倍～ 1.8 倍[5-8]，并且随着科技迅速地发展，印染行业使用的材料品种日益增多，化学原料逐渐代替了原有的天然原料，使印染废水的处理难度大幅度增加，处理技术越来越复杂，对环境造成了越来越严重的危害[9-10]。

因此，为了解决纺织印染行业的废水污染问题，必须通过不断改善印染废水处理工艺水平，选择最为经济高效的处理方法，从而实现纺织印染行业的可持续发展。

1 原始数据

某印染厂日排水总量为12000 m3·d-1，经污水处理系统处理后达到《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287-2012)，出水水质达标后直接排放。

废水水质及出水排放标准见表1。

根据印染有机废水有机物含量高，可生化性能差，且含有氨氮等特点，拟采用生物法的组合工艺—倒置的A2/O工艺，具体工艺流程如下图1所示。

图1 工艺流程图

2 设计参数

(1)BOD5污泥负荷：

N=0.13 kgBOD5·kg-1MLSS·d-1

(2)回流污泥浓度：

XR=6600 mg·L-1

(3)污泥回流比：

R=100%

(4)混合液悬浮固体浓度：

(5)混合液回流比

取R内=300%。

3 设计计算(用污泥负荷法)

3.1 反应池容积V

反应池容积V:

反应池总水力停留时间t:

各段水力停留时间和容积:

厌氧∶缺氧∶好氧=1∶1∶3

厌氧池水力停留时间:

池容:

缺氧池水力停留时间:

池容:

好氧池水力停留时间:

池容:

3.2 校核氮负荷

好养段总氮负荷:

3.3 剩余污泥量

剩余污泥量ΔX：

ΔX=Px+Ps

Px=YQ(S0-Se)-kdVX

Ps=(TSS0-TSSe)×50%

式中：ΔX为剩余污泥量，kg·d-1；Px为生物污泥产量，kg·d-1；Ps为非生物污泥产量，kg·d-1；y为污泥增值系数；kd为污泥自身氧化率；TSS0为反应池进水总悬浮固体浓度，kg·m-3；TSSe为反应池出水总悬浮固体浓度，kg·m-3。

取污泥增值系数Y=0.6，污泥自身氧化率kd=0.05，则：

Px=0.6×12000×(0.45-0.025)-0.05×12587.41×3.3×0.7=3060-1454=1606 kg·d-1

Ps=(0.3-0.07)×12000×50%=1380 kg·d-1

ΔX=1606+1380=2986 kg·d-1

3.4 反应池主要尺寸

反应池总容积:

V=12587.41 m3

设反应池2组，单组池容:

有效水深h=4.0 m；

单组有效面积:

采用5廊道式推流式反应池，廊道宽b=7.5 m；

单组反应池长度:

校核：b/h=7.5/4.0=1.9(满足b/h=1～2)

L/b=42/7.5=5.6(满足L/h=5～10)

取超高为1.0 m，则反应池总高：

H=4.0+1.0=5.0 m

3.5 反应池进、出水系统

3.5.1 进水管

单组反应池进水管设计流量:

管道流速：

v=0.8 m·s-1

管道过水断面积:

管径：

取进水管管径DN350 mm。

3.5.2 回流污泥管

单组反应池回流污泥管设计流量：

管道流速：

v=0.8 m·s-1

取回流污泥管管径DN350 mm。

3.5.3 进水井

反应池进水孔尺寸：

进水孔过流量：

孔口流速：

v=0.6 m·s-1

孔口过水断面积：

孔口尺寸取为0.8 m×0.3 m；进水井平面尺寸取为1.2 m×1.2 m。

3.5.4 出水堰及出水井

按矩形堰流量公式计算：

式中：b为堰宽，4.5 m；H为堰上水头，m。

出水孔过流量：

Q4=Q3=0.348 m3·s-1

孔口流速:

v=0.6 m·s-1

孔口过水断面积：

孔口尺寸取为1.0 m×0.6 m；出水井平面尺寸取为1.6 m×0.6 m。

3.5.5 出水管

反应池出水管设计流量：

Q5=Q2=0.139 m3·s-1

管道流速：

v=0.8 m·s-1

管道过水断面：

管径：

取出水管管径DN500 mm；

校核管道流速：

3.5.6 曝气系统设计计算

3.5.6.1 设计需氧量AOR

AOR=去除BOD5需氧量—剩余污泥中BODu氧当量+NH3-N硝化需氧量—剩余污泥中NH3-N的氧当量-反硝化脱氮产氧量。

假设生物污泥中含氮量以12.4%计，则：

每日用于合成的总氮=0.124×1606=199.14 kg·d-1

所需脱硝量=50-15-16.60=18.40 mg·L-1

需还原的硝酸盐氮量：

碳化需氧量：

硝化需氧量：

反硝化脱氮产生的氧量：

D3=2.86NT=2.86×220.8=631.5 kgO2·d-1

总需氧量：

AOR=D1+D2-D3=5182.57+1016.94-631.5=5568.01 kgO2·d-1=232.00 kgO2·h-1

最大需氧量与平均需氧量之比为1.4，则：

AORmax=1.4AOR=1.4×5568.01=7795.21 kgO2·d-1=324.80 kgO2·h-1

去除每1 kgBOD5的需氧量:

3.5.6.2 标准需氧量

采用鼓风曝气，微孔曝气器。曝气器敷设于池底，距池底0.2 m，淹没深度H=3.8 m，氧转移效率EA=20%,计算温度T=25℃。将实际需氧量AOR换算成标准状态下的需氧量SOR。

式中：Cs(20)为水温20℃时清水中溶解氧的饱和度，为9.17 mg·L-1；CSM(T)为设计水温T℃时好氧反应池中平均溶解氧的饱和度，mg·L-1；CL为好氧反应池中溶解氧浓度，取2 mg·L-1；α为污水传氧速率与清水传氧速率之比，取0.82；β为污水中饱和溶解氧与清水中饱和溶解氧之比，取0.95。

ρ为气压调整系数：

工程所在地区实际大气压设为0.912×105Pa：

空气扩散器出口处绝对压为：

pb=p+9.8×103H=1.013×105+9.8×103×3.8=1.385×105Pa

式中：H为空气扩散器的安装深度，m；p为大气压力，p=1.013×105Pa。

空气离开好氧反应池时氧的百分比：

式中：EA为空气扩散装置的氧的转移效率，取EA=20%。

好氧反应池中平均溶解氧饱和度：

式中：CSM(25)为水温25℃时好氧反应池中平均溶解氧的饱和度，mg·L-1；Cs(25)为水温25℃时清水中溶解氧的饱和度，8.38 mg·L-1。

标准需氧量为：

9412.5 kgO2·d-1=392.2 kgO2·h-1

相应最大时标准需氧量：

SORmax=1.4SOR=1.4×9412.5=13177.5 kgO2·d-1=549.1 kgO2·h-1

好氧反应池平均时供气量：

最大时供气量：

Gsmax=1.4Gs=1.4×6536.7=9151.3 m3·h-1

3.5.6.3 所需空气压力p(相对压力)

p=h1+h2+h3+h4+Δh

式中：h1+h2为供风管道沿程与局部阻力之和，取h1+h2=0.2 m；h3为曝气器淹没水头，h3=3.8 m；h4为曝气器阻力，取h4=0.4 m。

p=h1+h2+h3+h4+Δh=0.2+3.8+0.4+0.5=4.9 m

式中：Δh为富余水头，Δh=0.5 m。

3.5.6.4 曝气器数量计算(以单组反应池计算)

按供氧能力计算所需曝气器数量：

式中：h1为按供氧能力所需曝气器个数，个；qc为曝气器标准状态下，与好氧反应池工作条件接近时的供氧能力，kgO2·h-1·个-1。

采用微孔曝气器，参照有关手册，工作水深4.3 m，在供风量1～3 m3·h-1·个-1时，曝气器氧利用率EA=20%，服务面0.3～0.75 m2，充氧能力qc=0.14 kgO2·h-1·个-1，则：

以微孔曝气器服务面积进行校核：

3.5.6.5 供风管道计算

供风干管采用环状布置。

流量：

=1.27 m3·s-1

流速：

v=10 m·s-1

管径：

取干管管径为DN400 mm。

单侧供气(向单侧廊道供气)支管：

=0.42 m3·s-1

流速:

v=10 m·s-1

管径：

取支管管径为DN250 mm。

双侧供气(向两侧廊道供气)：

流速:

v=10 m·s-1

管径：

取支管管径为DN350 mm。

3.5.7 厌氧池设备选择(以单组反应池计算)

厌氧池设导流墙，将厌氧池分成3格，每格内设潜水搅拌机1台，功率按5 W·m-3池容计算。

厌氧池有效容积：

V厌=42×7.5×4=1260 m3

混合全池污水所需功率为5×1260=6300 W

3.5.8 缺氧池设备选择(以单组反应池计算)

缺氧池设导流墙，将缺氧池分成3格，每格内设潜水搅拌机1台，功率按5 W·m-3池容计算。

缺氧池有效容积：

V缺=42×7.5×4=1260 m3

混合全池污水所需功率为5×1260=6300 W

3.5.9 污泥回流设备

污泥回流比：

R=100%

污泥回流量：

QR=QR=1×12000=12000 m3·d-1

=500 m3·h-1

设回流污泥泵房1座，内设3台潜污泵(2用1备)；

单泵流量：

3.5.10 混合液回流设备

3.5.10.1 混合液回流泵

混合液回流比：

R内=300%

混合液回流量：

QR=QR内=3×12000=36000 m3·d-1=

1500 m3·h-1

设混合液回流泵房2座，每座泵房内设3台潜污泵(2用1备)；

单泵流量：

3.5.10.2 混合液回流管

回流混合液由出水井重力流至混合液回流泵房，经潜污泵提升后送至缺氧段首端。

混合液回流管设计流量：

泵房进水管设计流速采用：

v=0.8 m·s-1

管道过水断面积：

管径:

取泵房进水管管径DN600 mm；

校核管道流速：

3.5.10.3 泵房压力出水总管

设计流量:

Q7=Q6=0.208 m3·s-1

设计流速采用:

v=1.2 m·s-1

管道过水断面积：

管径：

取泵房压力出水管管径DN500 mm。

4 结论

本设计工艺采用的倒置的A2/O工艺克服了传统工艺脱氮、除磷效果不明显的问题及缺陷，且能节约能耗。经此工艺出水中BOD5去除率可达95%，SS的去除率可达90%以上，氮磷的去除率均可达到要求，COD的去除率达到94%，使出水水质达到标准，并妥善处理栅渣、沉砂及污泥，避免二次污染。