大型鋼鐵企業綜合廢水深度處理與回用研究

馮占立 ，張新宇 ，于豐浩 ，朱彤 ，王有昭 ，王欣 ，侯勇 ，孫伏寅

（1.鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山114021；2.中國科學院過程工程研究所，北京100190；3.東北大學過程裝備與環境工程研究所，遼寧 沈陽110004）

鋼鐵企業是工業領域中的用水大戶，節約工業新水用量，加強回收利用，減少工業污水的排放量，是當前鋼鐵企業共同追求的目標。目前，我國國內重點鋼鐵企業的噸鋼耗新水量雖然呈現逐年下降的趨勢，但與發達國家相比仍然較高。如在日本、德國等發達國家，鋼鐵企業的噸鋼耗水量基本達到2 m3左右。而我國大部分鋼鐵企業的噸鋼耗水量仍在3 m3左右。由此可見，在節水、廢水循環利用方面，國內鋼鐵企業仍蘊含巨大潛力，水資源的節約方面仍有非常大的發展空間，同時說明國內鋼鐵企業在節能減排及環保方面責任重大。

目前，國內大部分鋼鐵企業的綜合廢水均采用物化處理，如高密度沉淀池+V型濾池等預處理工藝。處理后的水再部分進行脫鹽回用，但脫鹽工藝采用的雙膜法對水質要求較高，污染物質集中在濃水中，沒有從根本上去除。因此，需要研究一種工藝，既能夠從根本上降低污染物濃度，保證膜的進水水質，同時也能達到排放標準，靈活調配水的去向，防止污染物在系統中富集。

本研究基于進化生物法一級反硝化、曝氣生物濾池硝化和反硝化生物濾池二級反硝化相結合的新工藝過程，對綜合污水處理廠的廢水深度處理改造進行了中試研究，并根據研究結果實施整體改造項目的設計、施工和運營。

1 工藝設計

根據某大型鋼鐵企業綜合污水處理廠改造目標的要求，即處理水達到《鋼鐵工業水污染物排放標準》（GB13456-2012）和省級排放標準中的水質要求和回用要求（具體要求換表1），將“進化生物法”、“曝氣生物濾池”、“反硝化生物濾池”等技術組合，設計形成新的脫氮及深度處理系統，并針對新系統中采用的多項新技術進行研究與分析，進而獲取實際工程應用的基礎數據和設計參數。

綜合污水處理廠原工藝及深度處理系統改造方案如圖1所示。其中包含綜合污水處理廠物化處理工藝（一期工程）、原深度處理系統（二期工程）及最新脫氮深度處理系統（三期工程）。由于國家廢水排放標準的提升，特別是對氨氮、總氮排放的要求更加嚴格，建設處理尾水的脫氮系統是不可避免。因此，該企業聯合國內知名大學和科研院所提出了脫氮深度處理系統改造方案，并針對系統中采用的多項新技術進行中試研究。

表1 物化處理尾水水質及要求達到的處理目標水質

圖1 綜合污水處理廠原工藝及深度處理系統改造方案

2 中試研究和實驗結果

對脫氮深度處理系統中的進化生物法一級反硝化、曝氣生物濾池硝化和生物濾池二級反硝化三個工藝段進行了實驗研究，并對現場采取實際物化處理工藝后廢水的脫氮效果進行了分析。

2.1 進化生物法一級反硝化實驗

采用進化生物法一級反硝化工藝對原有物化處理系統處理后的尾水進行脫氮實驗研究。實驗進行了49天，期間進行了人為配水生物馴化、實際尾水實驗、負荷提升（停留時間縮短）和極端條件等多個實驗過程。進化生物法一級反硝化系統實驗結果見圖2。

圖2 進化生物法一級反硝化系統實驗結果

由圖2可以看出，原水中含有的硝酸鹽平均為 14.8 mg/L， 經過停留時間 4 h （1～10天）、2 h（11～24 天）、1 h（25～49 天）的負荷提升過程，尾水進入一級反硝化系統進行反硝化后出水的硝酸鹽平均為7 mg/L,，平均去除7.8 mg/L硝酸鹽。

在極端實驗中，將停留時間設定為0.5 h，系統可去除硝酸鹽4～5 mg/L，表現出了極強的反硝化能力。實驗過程中，將原水總氮通過配水提升至平均24.0 mg/L，在停留1 h情況下，總氮最高去除20.1 mg/L，去除率最高達到91%。因此，無論是極端條件還是穩定運行條件下，進化生物法一級反硝化對總氮的去除效果顯著高于其他反硝化工藝（市政污水總氮去除率50%～80%）。

2.2 曝氣生物濾池硝化實驗

由于綜合污水處理廠接收的原水中氨氮濃度在10～30 mg/L范圍內，而處理水要求氨氮小于5 mg/L，出水要求總氮低于15 mg/L，所以氨氮的硝化過程將成為控制生化處理好氧單元設計的主要因素。本研究設置了目前較為常見的曝氣生物濾池，通過濾池中的陶瓷填料上生長的硝化類菌進行氨氮的硝化脫除。中試系統每小時處理含氨氮廢水10 m3，實驗數據為后續的工程實際提供設計依據。2017年曝氣生物濾池去除氨氮的實驗結果見圖3。

圖3 2017年曝氣生物濾池去除氨氮的實驗結果

由圖3可以看出系統運行186天的氨氮進出水指標情況，其中進水氨氮平均11.15 mg/L，出水氨氮平均1.25 mg/L。試驗期間有182天達標，達標率98%，氨氮的去除率達到89%。同時，盡管實驗初期原水中氨氮濃度變化劇烈，但本曝氣生物濾池系統處理后的水質表現穩定，僅個別天數出現微幅超標現象，說明系統具有較好的穩定性和應對濃度變化沖擊的適應性。

2.3 反硝化生物濾池硝化實驗

總氮作為氮污染的另一個重要指標，排放標準為≤15 mg/L，而該綜合污水處理廠接收到的污水總氮常在30 mg/L以上，為總氮達標帶來壓力。因此，在系統中設置了二級反硝化過程，應用厭氧反硝化生物濾池工藝，在濾池中投加碳源，利用陶瓷填料上生長的反硝化菌進行異養反硝化。2017 年厭氧反硝化生物濾池進出水總氮指標見圖4。

圖4 2017年厭氧反硝化生物濾池進出水總氮指標

由圖4可以看出系統運行212天總氮進出水的指標情況，其中進水總氮平均23.47 mg/L，出水平均13.67 mg/L，超標13天，達標率93.9%，去除率41.7%。

實驗數據顯示，厭氧反硝化生物濾池的脫氮效率不是很理想，分析其原因為：① 由于前端的曝氣生物濾池為進行氨氮氧化的脫氮而進行的強曝氣，導致曝氣池出水溶解氧高（7～8 mg/L），進而導致其出水進入厭氧反硝化生物濾池的溶解氧較高，而所投加的碳源在充足的溶解氧條件下，更易發生碳化反應而非反硝化反應。按目前投加的碳源量應該去除20 mg/L總氮，但實際只去除了約10 mg/L，所投加的碳源僅50%用于反硝化反應。②由于來水中含有硝酸鹽大于10 mg/L，這部分硝酸鹽與曝氣生物濾池硝化過程新產生的硝酸鹽，同時在厭氧反硝化生物濾池中去除，增加了二級反硝化的壓力。為此，在前端設置了進化生物法一級反硝化工藝，先行處理原水中存在的硝酸鹽，顯著減輕后續二級反硝化工藝的負荷，進而完成了系統的總氮去除目標。

3 應用效果

根據中試試驗研究結果，實施整體改造項目的設計、施工和運營，通過實際工程驗證得出：針對含有硝酸鹽的原水，在水力停留時間為1 h的條件下，經進化生物法一級反硝化系統處理后，總氮的平均去除率在50%以上；在水力停留時間為2 h條件下，曝氣生物濾池氨氮的去除率達到80%以上；厭氧生物濾池二級反硝化脫氮效率達到41.9%。在加入一級反硝化系統進行預脫氮后，二級反硝化的脫氮壓力減輕，最終在兩個反硝化系統的綜合作用下，系統總氮實現了達標。

4 結論

針對國內某大型鋼鐵企業綜合污水處理廠的尾水深度處理系統改造項目，設計了脫氮深度處理系統改造方案，對方案中包含的進化生物法一級反硝化、曝氣生物濾池硝化和厭氧生物濾池二級反硝化三個核心技術進行了中試研究，并對研究實驗的結果進行了分析，最終通過實際工程驗證得出：針對含有硝酸鹽的原水，水力停留時間為1 h時，進化生物法一級反硝化系統總氮平均去除率在50%以上；水力停留時間為2 h時，曝氣生物濾池氨氮去除率達到80%以上；厭氧生物濾池二級反硝化脫氮效率達到41.9%，完成了系統的總氮去除達標。

致謝

本研究是在國家“十二五”水專項“遼河流域特大型鋼鐵工業園全過程節水減污技術集成優化與應用示范”的資助下獲得的成果；感謝中國科學院過程工程研究所、東北大學過程裝備與環境工程研究所專家學者在本項目中所作的貢獻。