Engelbart SST生化工藝處理丁腈醫(yī)用手套生產(chǎn)廢水的應(yīng)用

劉海峰

(陜西核地環(huán)保科技有限公司，陜西 西安 710024)

1 引言

2020年以來(lái)，一次性丁腈醫(yī)療手套的需求激增，國(guó)內(nèi)新增大量的丁腈手套生產(chǎn)線并陸續(xù)投產(chǎn)。丁腈手套在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)添加多種化學(xué)原料，包括：丁腈膠乳、硫磺、氧化鋅、氫氧化鉀、氨水、促進(jìn)劑、防老劑、鈦白粉、各種色料、穩(wěn)定劑、氯氣、易脫模劑、硝酸、堿性洗模劑、濕潤(rùn)劑、凝固劑、消泡劑、隔離劑等，生產(chǎn)廢水成分復(fù)雜，污染物種類多，廢水中COD、氨氮、總氮、SS濃度較高，可生化性差，處理難度較大[1]。環(huán)保工作者開展了大量的研究和實(shí)踐，取得了較多的研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2]。田園等嘗試以Fenton試劑對(duì)高濃度丁腈膠乳生產(chǎn)廢水進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)考察并優(yōu)化各項(xiàng)工藝條件，探討方法的可行性[3]。余健、侍路夢(mèng)等通過(guò)AAO+MBR工藝實(shí)踐，認(rèn)為該工藝存在“需要投加碳源來(lái)保障總氮出水、總氮去除率低、曝氣量大導(dǎo)致能耗高等”應(yīng)用問(wèn)題[4，5]。劉水等采用“氣浮+臭氧氧化+水解酸化+兩級(jí)A/O+二沉+砂濾”的組合工藝處理丁腈醫(yī)用手套生產(chǎn)廢水,出水能夠達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)[6]，但工程投資大、管理復(fù)雜。趙敏開展了“高級(jí)氧化 + 活性污泥法”處理丁腈橡膠生產(chǎn)廢水的研究[7]。施翼杰采用混合式反應(yīng)器和隔膜式反應(yīng)器，通過(guò)電化學(xué)方法進(jìn)行水中高濃度硝酸根離子去除的研究，認(rèn)為該法具有較高的硝酸根去除率，但存在不少副產(chǎn)物[8]。殷文翔采用MBR-CANON工藝處理高濃度氨氮廢水，并將COD異養(yǎng)反硝化引入反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為反硝化與 CANON 工藝協(xié)同作用能達(dá)到更高的脫氮效果，反硝化脫氮占總氮去除比例隨 COD上升而增大[9]。中石化洛陽(yáng)工程公司開發(fā)的固定化高效生物脫氮技術(shù)，采用輕質(zhì)高分子填料為載體，工藝脫氮效果優(yōu)異,總氮去除率可達(dá)93%[10]。王晨晨用混凝沉淀、溶氣氣浮、鐵碳微電解、EGSB反應(yīng)器、缺氧好氧法處理丁腈乳膠手套生產(chǎn)廢水，工程實(shí)例取得較好效果[11]。豆子波、潘建通等采用生物倍增工藝處理工業(yè)區(qū)污水和高濃度有機(jī)廢水，應(yīng)用實(shí)踐取得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[12，13]。綜合分析前述研究成果，要么工藝流程復(fù)雜、工程投資大、管理難度高；要么在污染物處理效果上難以達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求。

本應(yīng)用基于恩格拜公司SST技術(shù)開發(fā)的一體化污水處理設(shè)備，對(duì)丁腈醫(yī)用手套生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行驗(yàn)證。以期為同類丁腈手套生產(chǎn)廢水處理工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行等提供一定的參考。

2 工程概況

山東省某醫(yī)療制品有限公司主要從事醫(yī)療級(jí)塑膠手套、醫(yī)療級(jí)乳膠手套、PE手套、丁腈手套及其他醫(yī)療制品的生產(chǎn)和銷售業(yè)務(wù)。2020年新建4條丁腈手套生產(chǎn)線，年產(chǎn)高端丁腈醫(yī)療手套 500億支，廢水產(chǎn)生量約為3210840 m3/a(9729.82 m3/d)，配套建設(shè)15000 m3/d 污水處理站一座，廢水經(jīng)處理后達(dá)到《橡膠制品工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB27632-2011)間接排放限值后進(jìn)入工業(yè)園區(qū)污水處理廠。

3 處理工藝

3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告及污染物來(lái)源分析，該生產(chǎn)廢水含有丁腈乳膠顆粒、丙烯氰、油類等大分子有機(jī)物，懸浮物、COD、硝態(tài)氮及總氮濃度均較高，具有一定生物毒性，可生化性差，屬于較難生化處理的污水。水量受生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)約束，波動(dòng)幅度大。污水站進(jìn)水水質(zhì)情況如表1所示。設(shè)計(jì)出水水質(zhì)滿足《橡膠制品工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB27632-2011)間接排放限值，具體指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表1 污水站進(jìn)水水質(zhì)

3.2 工藝方案

根據(jù)表1所示的進(jìn)水水質(zhì)，本工藝以去除難降解的COD和脫氮為主。對(duì)于COD的去除，由于進(jìn)入污水站的廢水中含有大量大分子有機(jī)物，COD濃度較大。通常認(rèn)為，BOD5/COD可預(yù)測(cè)綜合污水的可生物降解性[14]。本工程BOD5/COD平均低于0.3，屬難以生物降解廢水，采用常規(guī)生化處理工藝，很難保證出水COD達(dá)標(biāo)。此外，BOD5偏低還會(huì)影響污泥生長(zhǎng)，導(dǎo)致污泥沉降性能差、污泥無(wú)機(jī)化和出水SS含量高[15]。為了改善生化條件，在污水生化處理工藝前端設(shè)置水解酸化池作為預(yù)處理，為后續(xù)的生物處理創(chuàng)造條件，并進(jìn)一步降低懸浮物。

現(xiàn)有常用的污水生物脫氮工藝有AAO、氧化溝等傳統(tǒng)工藝及短程硝化反硝化工藝[16]。AAO工藝應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)成熟，可靠性高，出水水質(zhì)穩(wěn)定，但該工藝需要單獨(dú)建設(shè)二次沉淀池，占地面積大，基建投資大，管理水平高，在常規(guī)運(yùn)行下，脫氮效率一般只有70%左右。短程硝化反硝化是將硝化反應(yīng)控制在亞硝酸鹽階段，不進(jìn)行亞硝酸鹽至硝酸鹽的轉(zhuǎn)化，直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)，但實(shí)際運(yùn)行中亞硝酸鹽氮的積累非常困難，難以實(shí)現(xiàn)較好的脫氮效果[17]。生物倍增工藝(Bio-Doubling Process，BDP) 是一種高效生物污水處理技術(shù)，通過(guò)提高微生物處理效率，降低污水處理能耗，減少占地面積，簡(jiǎn)化操作管理及維護(hù)，增強(qiáng)處理穩(wěn)定可靠性。在市政、化工、制藥、造紙、養(yǎng)殖等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其表現(xiàn)出在去除高濃度難降解物質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)[18～20],氨氮去除率甚至可達(dá)100%。本工程TN濃度高，脫氮率要達(dá)到90%以上時(shí)，采用傳統(tǒng)生物處理工藝，需要在缺氧池投加大量碳源，且動(dòng)力費(fèi)用大，很不經(jīng)濟(jì)[21]。因此，本工程采用engelbart SST一體化工藝設(shè)備作為二級(jí)處理工藝。工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理工藝流程

4 Engelbart SST工藝及設(shè)備

4.1 Engelbart SST工藝介紹

engelbart SST生化技術(shù)是一種高效活性污泥處理技術(shù)，其前身為20世紀(jì) 70年代德國(guó)恩格拜博士所發(fā)明并命名的BioDopp(生物倍增)技術(shù)。于2003年首次引入中國(guó)，采用工藝包的模式進(jìn)行推廣，之后在市政、化工、制藥、造紙、養(yǎng)殖等多個(gè)行業(yè)擁有示范工程。2015年，恩格拜博士帶領(lǐng)中德科研人員和工程師，吸取在不同行業(yè)水處理應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)原BioDopp 工藝進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，形成了全新的 engelbart SST 生化技術(shù)。相對(duì)于原有 BioDopp技術(shù)，其工藝和設(shè)備的缺陷被逐一改進(jìn)，其優(yōu)勢(shì)被進(jìn)一步持續(xù)提高。

4.2 Engelbart SST一體化設(shè)備

Engelbart SST工藝采用—體化結(jié)構(gòu)，將不同處理功能的單元集中于同一生物反應(yīng)池中，流程簡(jiǎn)單占地面積小，無(wú)需厭氧好氧交替運(yùn)行，既有較好的COD去除效果，又有較好的脫氮效果[22]。一體化處理設(shè)備由一座一體化水池組成，通過(guò)在池體內(nèi)設(shè)置隔墻，將池體劃分為若干功能區(qū)域，包括：氣提區(qū)、生化區(qū)、澄清區(qū)3部分，如圖2所示。

圖2 Engelbart SST一體化設(shè)備工藝示意

氣提區(qū)內(nèi)設(shè)置氣提回流管，依靠風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣為動(dòng)力源，通過(guò)曝氣改變局部水體密度，從而在特殊的池體結(jié)構(gòu)下提高充氣區(qū)液面來(lái)推動(dòng)水體流動(dòng)。

生化區(qū)池底布置曝氣軟管，曝氣軟管采用聚氨酯材質(zhì)，氧利用率可達(dá)50%～60%，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)更換；生化區(qū)中部設(shè)置在線溶解氧監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)池內(nèi)DO值，并反饋給曝氣風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻或時(shí)間控制保證DO在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)[23]。

分離澄清區(qū)內(nèi)設(shè)置VR/VF 2種不同形式填料，混合液通過(guò)填料后，清水通過(guò)出水堰流出設(shè)備，污泥則隨水流繼續(xù)循環(huán)。

4.3 Engelbart SST工藝特點(diǎn)

Engelbart SST生化技術(shù)是一種低溶解氧的高濃度活性污泥工藝,不僅繼承了傳統(tǒng)生物處理工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還克服了其缺點(diǎn)：

具有氧化溝大流量循環(huán)回流的優(yōu)點(diǎn)，克服了氧化溝供氧效率低的缺點(diǎn)；

具有AAO工藝脫氮除磷的優(yōu)點(diǎn)，克服了AAO污泥容易膨脹或老化的缺點(diǎn)；

具有SBR或MBR培養(yǎng)高濃度活性污泥的優(yōu)點(diǎn)，克服了SBR或MBR污泥馴化難的缺點(diǎn)。

具有工藝流程短、布局緊湊、處理效率高、能耗低、管理和維護(hù)方便的特點(diǎn)。

4.3.1 特殊的控制條件下(低溶氧，高污泥濃度)實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化

傳統(tǒng)活性污泥法需要較多的溶解氧，曝氣量大，動(dòng)力消耗大。Engelbart SST工藝是一種先進(jìn)的活性污泥法，采用獨(dú)特的高效恩格拜曝氣技術(shù)，選擇的風(fēng)機(jī)相對(duì)較小，節(jié)能效果明顯，能耗較低。在通氣量較低的情況下，能夠形成1 mm左右的微小氣泡，產(chǎn)生的活性污泥絮體顆粒較小，溶解性的有機(jī)物與DO能夠充分接觸，在較短時(shí)間、較小的反應(yīng)區(qū)完成硝化過(guò)程；同時(shí)，污水中的溶解氧被快速消耗，有利于后續(xù)的反硝化反應(yīng)徹底進(jìn)行。

4.3.2 專用氣提技術(shù)提高回流比

傳統(tǒng)生物處理技術(shù)回流比僅為1∶3，Engelbart SST工藝通過(guò)專有氣提技術(shù)，將曝氣管高密度均勻打孔，并將其均勻布置在污水池底部，產(chǎn)生直徑1 mm左右的氣泡，能在低能耗的情況下達(dá)到更高的回流比(10～100倍)。同時(shí)，緩慢上升的氣泡與污水的接觸面積顯著增大，氧傳質(zhì)效能提升，使進(jìn)水污染物濃度在較短時(shí)間內(nèi)快速降低，有利于減少活性污泥負(fù)荷，為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供一個(gè)更加穩(wěn)定的環(huán)境。

4.3.3 專有快速澄清系統(tǒng)，大幅降低污泥產(chǎn)出

Engelbart SST生物工藝采用了快速澄清系統(tǒng)，使用高效新型VF填料和特殊設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)斜板填料更接近理想狀態(tài)，水力分布更均勻，水流上升過(guò)程不斷改變方向，活性污泥由于慣性作用被截留，固液分離效率得到提升。同時(shí)，氣提技術(shù)確保回流污泥再次循環(huán)回系統(tǒng)，而不是積沉在填料下面，保證了出水水質(zhì)穩(wěn)定。該構(gòu)造無(wú)需回流污泥泵，極大的降低了回流能耗，并且無(wú)需二沉池或其它類似處理單元，節(jié)約了占地面積。是一種高效低能耗的工藝。

5 工程調(diào)試及運(yùn)行效果

5.1 主要運(yùn)行參數(shù)

Engelbart SST工藝是一種新型活性污泥處理技術(shù)。所有微生物同處于一體化設(shè)備池中，在空間上沒(méi)有明顯的缺氧區(qū)和好氧區(qū)劃分，溶解氧的控制對(duì)同步硝化反硝化作用效果尤為重要。

當(dāng)DO<0.3 mg/L時(shí)，硝化過(guò)不充分，NH3-N會(huì)因沒(méi)有反應(yīng)而出現(xiàn)超標(biāo)；

當(dāng)DO>0.48 mg/L時(shí)，過(guò)多的DO會(huì)進(jìn)入活性污泥絮體，破壞絮體內(nèi)缺氧環(huán)境；

當(dāng)DO為0.3～0.4 mg/L時(shí)，硝化效果明顯好轉(zhuǎn)，SND率提高。

通過(guò)SST一體化設(shè)備池內(nèi)的DO在線監(jiān)測(cè)儀，將DO濃度實(shí)時(shí)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，由自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整曝氣風(fēng)機(jī)的啟停和頻率，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備池內(nèi)DO的精準(zhǔn)控制，節(jié)省能耗和優(yōu)化好氧缺氧環(huán)境。實(shí)際運(yùn)行中控制DO為0.3～0.5 mg/L。

一體化設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)：MLSS為5600～8800 mg/L，HRT為12～15 h，回流比為1000%～2000%，污泥齡為20～25 d。

5.2 主要污染物去除效果

該工程自2020年12月份開始試運(yùn)行以來(lái)，進(jìn)水流量為270.8～404.2 m3/h，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠，滿足排放限值要求。

(1)COD去除效果。在來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)明顯的情況下，選取運(yùn)行期間連續(xù)兩個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)水COD濃度為96.5～615 mg/L,設(shè)備出水COD濃度為12.35～73.19 mg/L,大部分情況下能保持在60 mg/L以下，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，COD平均去除率87.7%，結(jié)果見(jiàn)圖 3。當(dāng)進(jìn)水COD發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，出水COD并未出現(xiàn)大幅度跟隨升降，這是因?yàn)橄到y(tǒng)屬于大比例內(nèi)循環(huán)，循環(huán)比超過(guò)25倍[24]，表明SST一體化設(shè)備抗沖擊能力相對(duì)較強(qiáng)。

圖3 COD進(jìn)出水濃度及其去除率

(2)NH3-N去除效果。廢水中的NH3-N主要來(lái)源于丁腈乳膠水解，通過(guò)生物硝化降解。設(shè)備進(jìn)水NH3-N濃度為19.7～140 mg/L，平均進(jìn)水濃度為100.9 mg/L，設(shè)備出水NH3-N平均濃度為4.55 mg/L，基本保持在10.0 mg/L以下，平均去除率為95.5%(圖4)。

圖4 NH3-N進(jìn)出水濃度及其去除率

(3)TN去除效果。本工程總氮的組成為有機(jī)氮、氨氮、硝態(tài)氮3種類型。有機(jī)氮主要來(lái)源于丁腈乳膠，顆粒態(tài)占據(jù)大部分，溶解態(tài)占據(jù)小部分，在水解酸化和氣浮階段，可以去除大部分顆粒懸浮物。研究期間，TN進(jìn)水濃度為80.6～826 mg/L,出水TN濃度為6.37～41.3 mg/L，只有個(gè)別數(shù)值，由于自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)溶解氧的調(diào)節(jié)延遲，導(dǎo)致硝化反應(yīng)不完全超標(biāo)外，平均出水濃度為27.74 mg/L，遠(yuǎn)低于排放排限值。TN平均去除率為93.1%，如圖5所示。

圖5 TN進(jìn)出水濃度及其去除率

(4)Engelbart SST工藝澄清區(qū)小氣提獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，充分利用了氣源完成兩相分離，出水SS<50 mg/L,完全滿足排放要求。

6 結(jié)論

(1)Engelbart SST工藝流程簡(jiǎn)單，構(gòu)筑物少，不需單獨(dú)設(shè)置二沉池，一體化的結(jié)構(gòu)布局可節(jié)省占地30%以上，降低了工程總投資。

(2)Engelbart SST一體化工藝，不需要設(shè)置回流污泥泵，極大的降低了回流能耗，并通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)曝氣量，使曝氣能耗顯著降低，平均運(yùn)行能耗為0.24～0.33 kW·h/m3。

(3)工程自運(yùn)行以來(lái)，在系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)明顯的情況下，除個(gè)別TN數(shù)值由于溶解氧的自動(dòng)調(diào)整延遲超標(biāo)外，運(yùn)行穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，出水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)本工程的實(shí)施可為一次性丁腈橡膠手套生產(chǎn)企業(yè)污水處理工程提供借鑒，但需具體分析實(shí)際情況，因地制宜地采取措施。