印染有機廢水處理A2/O工藝設計

張少朋， 字進遠， 王 吉， 彭 瓏

(國家能源大規模物理儲能技術(畢節)研發中心， 貴州 畢節 551700)

紡織印染工業是我國傳統的支柱產業之一，已有一個多世紀的發展歷史，是我國民族工業中歷史最悠久的產業之一[1-3]。長期以來，紡織印染工業在滿足我國人民衣著需要及產業用品需求、增加出口創匯、積累建設資金、增加社會就業及為相關產業配套方面發揮了重要作用，做出了巨大的貢獻。

然而，隨著紡織印染工業的迅猛發展，其用水量和排水量也大幅度增長，占我國總工業廢水排放量的35%。據不完全統計，中國每天排放的印染廢水約為3. 0×106t～4. 0×106t，年排放量約為6. 5×108t[4-5]。同發達國家相比，中國紡織印染業的單位耗水量是發達國家的1.5 倍～ 2.0 倍，單位排污總量是發達國家的1.2 倍～ 1.8 倍[5-8]，并且隨著科技迅速地發展，印染行業使用的材料品種日益增多，化學原料逐漸代替了原有的天然原料，使印染廢水的處理難度大幅度增加，處理技術越來越復雜，對環境造成了越來越嚴重的危害[9-10]。

因此，為了解決紡織印染行業的廢水污染問題，必須通過不斷改善印染廢水處理工藝水平，選擇最為經濟高效的處理方法，從而實現紡織印染行業的可持續發展。

1 原始數據

某印染廠日排水總量為12000 m3·d-1，經污水處理系統處理后達到《紡織染整工業水污染物排放標準》(GB 4287-2012)，出水水質達標后直接排放。

廢水水質及出水排放標準見表1。

根據印染有機廢水有機物含量高，可生化性能差，且含有氨氮等特點，擬采用生物法的組合工藝—倒置的A2/O工藝，具體工藝流程如下圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2 設計參數

(1)BOD5污泥負荷：

N=0.13 kgBOD5·kg-1MLSS·d-1

(2)回流污泥濃度：

XR=6600 mg·L-1

(3)污泥回流比：

R=100%

(4)混合液懸浮固體濃度：

(5)混合液回流比

取R內=300%。

3 設計計算(用污泥負荷法)

3.1 反應池容積V

反應池容積V:

反應池總水力停留時間t:

各段水力停留時間和容積:

厭氧∶缺氧∶好氧=1∶1∶3

厭氧池水力停留時間:

池容:

缺氧池水力停留時間:

池容:

好氧池水力停留時間:

池容:

3.2 校核氮負荷

好養段總氮負荷:

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為剩余污泥量，kg·d-1；Px為生物污泥產量，kg·d-1；Ps為非生物污泥產量，kg·d-1；y為污泥增值系數；kd為污泥自身氧化率；TSS0為反應池進水總懸浮固體濃度，kg·m-3；TSSe為反應池出水總懸浮固體濃度，kg·m-3。

取污泥增值系數Y=0.6，污泥自身氧化率kd=0.05，則：

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 反應池主要尺寸

反應池總容積:

V=12587.41 m3

設反應池2組，單組池容:

有效水深h=4.0 m；

單組有效面積:

采用5廊道式推流式反應池，廊道寬b=7.5 m；

單組反應池長度:

校核：b/h=7.5/4.0=1.9(滿足b/h=1～2)

L/b=42/7.5=5.6(滿足L/h=5～10)

取超高為1.0 m，則反應池總高：

H=4.0+1.0=5.0 m

3.5 反應池進、出水系統

3.5.1 進水管

單組反應池進水管設計流量:

管道流速：

v=0.8 m·s-1

管道過水斷面積:

管徑：

取進水管管徑DN350 mm。

3.5.2 回流污泥管

單組反應池回流污泥管設計流量：

管道流速：

v=0.8 m·s-1

取回流污泥管管徑DN350 mm。

3.5.3 進水井

反應池進水孔尺寸：

進水孔過流量：

孔口流速：

v=0.6 m·s-1

孔口過水斷面積：

孔口尺寸取為0.8 m×0.3 m；進水井平面尺寸取為1.2 m×1.2 m。

3.5.4 出水堰及出水井

按矩形堰流量公式計算：

式中：b為堰寬，4.5 m；H為堰上水頭，m。

出水孔過流量：

Q4=Q3=0.348 m3·s-1

孔口流速:

v=0.6 m·s-1

孔口過水斷面積：

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

3.5.5 出水管

反應池出水管設計流量：

Q5=Q2=0.139 m3·s-1

管道流速：

v=0.8 m·s-1

管道過水斷面：

管徑：

取出水管管徑DN500 mm；

校核管道流速：

3.5.6 曝氣系統設計計算

3.5.6.1 設計需氧量AOR

AOR=去除BOD5需氧量—剩余污泥中BODu氧當量+NH3-N硝化需氧量—剩余污泥中NH3-N的氧當量-反硝化脫氮產氧量。

假設生物污泥中含氮量以12.4%計，則：

每日用于合成的總氮=0.124×1606=199.14 kg·d-1

所需脫硝量=50-15-16.60=18.40 mg·L-1

需還原的硝酸鹽氮量：

碳化需氧量：

硝化需氧量：

反硝化脫氮產生的氧量：

D3=2.86NT=2.86×220.8=631.5 kgO2·d-1

總需氧量：

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

最大需氧量與平均需氧量之比為1.4，則：

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 標準需氧量

采用鼓風曝氣，微孔曝氣器。曝氣器敷設于池底，距池底0.2 m，淹沒深度H=3.8 m，氧轉移效率EA=20%,計算溫度T=25℃。將實際需氧量AOR換算成標準狀態下的需氧量SOR。

式中：Cs(20)為水溫20℃時清水中溶解氧的飽和度，為9.17 mg·L-1；CSM(T)為設計水溫T℃時好氧反應池中平均溶解氧的飽和度，mg·L-1；CL為好氧反應池中溶解氧濃度，取2 mg·L-1；α為污水傳氧速率與清水傳氧速率之比，取0.82；β為污水中飽和溶解氧與清水中飽和溶解氧之比，取0.95。

ρ為氣壓調整系數：

工程所在地區實際大氣壓設為0.912×105Pa：

空氣擴散器出口處絕對壓為：

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

式中：H為空氣擴散器的安裝深度，m；p為大氣壓力，p=1.013×105Pa。

空氣離開好氧反應池時氧的百分比：

式中：EA為空氣擴散裝置的氧的轉移效率，取EA=20%。

好氧反應池中平均溶解氧飽和度：

式中：CSM(25)為水溫25℃時好氧反應池中平均溶解氧的飽和度，mg·L-1；Cs(25)為水溫25℃時清水中溶解氧的飽和度，8.38 mg·L-1。

標準需氧量為：

9412.5 kgO2·d-1=392.2 kgO2·h-1

相應最大時標準需氧量：

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

好氧反應池平均時供氣量：

最大時供氣量：

Gsmax=1.4Gs=1.4×6536.7=9151.3 m3·h-1

3.5.6.3 所需空氣壓力p(相對壓力)

p=h1+h2+h3+h4+Δh

式中：h1+h2為供風管道沿程與局部阻力之和，取h1+h2=0.2 m；h3為曝氣器淹沒水頭，h3=3.8 m；h4為曝氣器阻力，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為富余水頭，Δh=0.5 m。

3.5.6.4 曝氣器數量計算(以單組反應池計算)

按供氧能力計算所需曝氣器數量：

式中：h1為按供氧能力所需曝氣器個數，個；qc為曝氣器標準狀態下，與好氧反應池工作條件接近時的供氧能力，kgO2·h-1·個-1。

采用微孔曝氣器，參照有關手冊，工作水深4.3 m，在供風量1～3 m3·h-1·個-1時，曝氣器氧利用率EA=20%，服務面0.3～0.75 m2，充氧能力qc=0.14 kgO2·h-1·個-1，則：

以微孔曝氣器服務面積進行校核：

3.5.6.5 供風管道計算

供風干管采用環狀布置。

流量：

=1.27 m3·s-1

流速：

v=10 m·s-1

管徑：

取干管管徑為DN400 mm。

單側供氣(向單側廊道供氣)支管：

=0.42 m3·s-1

流速:

v=10 m·s-1

管徑：

取支管管徑為DN250 mm。

雙側供氣(向兩側廊道供氣)：

流速:

v=10 m·s-1

管徑：

取支管管徑為DN350 mm。

3.5.7 厭氧池設備選擇(以單組反應池計算)

厭氧池設導流墻，將厭氧池分成3格，每格內設潛水攪拌機1臺，功率按5 W·m-3池容計算。

厭氧池有效容積：

V厭=42×7.5×4=1260 m3

混合全池污水所需功率為5×1260=6300 W

3.5.8 缺氧池設備選擇(以單組反應池計算)

缺氧池設導流墻，將缺氧池分成3格，每格內設潛水攪拌機1臺，功率按5 W·m-3池容計算。

缺氧池有效容積：

V缺=42×7.5×4=1260 m3

混合全池污水所需功率為5×1260=6300 W

3.5.9 污泥回流設備

污泥回流比：

R=100%

污泥回流量：

QR=QR=1×12000=12000 m3·d-1

=500 m3·h-1

設回流污泥泵房1座，內設3臺潛污泵(2用1備)；

單泵流量：

3.5.10 混合液回流設備

3.5.10.1 混合液回流泵

混合液回流比：

R內=300%

混合液回流量：

QR=QR內=3×12000=36000 m3·d-1=

1500 m3·h-1

設混合液回流泵房2座，每座泵房內設3臺潛污泵(2用1備)；

單泵流量：

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，經潛污泵提升后送至缺氧段首端。

混合液回流管設計流量：

泵房進水管設計流速采用：

v=0.8 m·s-1

管道過水斷面積：

管徑:

取泵房進水管管徑DN600 mm；

校核管道流速：

3.5.10.3 泵房壓力出水總管

設計流量:

Q7=Q6=0.208 m3·s-1

設計流速采用:

v=1.2 m·s-1

管道過水斷面積：

管徑：

取泵房壓力出水管管徑DN500 mm。

4 結論

本設計工藝采用的倒置的A2/O工藝克服了傳統工藝脫氮、除磷效果不明顯的問題及缺陷，且能節約能耗。經此工藝出水中BOD5去除率可達95%，SS的去除率可達90%以上，氮磷的去除率均可達到要求，COD的去除率達到94%，使出水水質達到標準，并妥善處理柵渣、沉砂及污泥，避免二次污染。