设计案例 | 冷却预处理在醋酸纤维生产废水处理中的应用
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工程概况
西安某烟用二醋酸纤维丝束生产企业二期建设工程竣工后，生产能力为24 000 t/a，生产过程中产生大量高温度有机废水。该企业建有一座规模为800 m3/d的废水处理站，设计采用“格栅-调节池-冷却及生物预处理塔-沉淀池-生物接触氧化池-二沉池”组合工艺，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级标准等要求。处理站于2016年提标改造，增加三级处理，处理出水水质全面达到《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》(DB 61/224—2011)中一级标准的水质指标。冷却及生物预处理塔从2007年9月运行至今，降温后出水温度能稳定在25～35 ℃。
图1 废水处理站提标改造前后对比图
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废水水量水质
废水平均流量为800 m3/d，最大流量为1 000 m3/d。
废水由生产废水和生活污水两部分组成，生产废水的主要污染物为醋酸、丙酮、二丙酮醇、异丙叉丙酮，少量其他污染物为液体石蜡、醋酸纤维、木质素等。生活污水主要来自厕所、浴室和洗手池。废水中重金属离子含量很低，均低于《农田灌溉水质标准》旱作标准。废水水质指标如表1所示。
表1 进水水质
2016年进行提标改造，处理出水水质全面达到《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》(DB 61/224—2011)中一级标准的水质指标。
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废水处理工艺
3.1 废水处理工艺的选择
该废水为有机废水，主要污染物醋酸易分解，丙酮、二丙酮醇、异丙叉丙酮可以分解，少量其他污染物生物降解性均较差。从废水指标BOD5、CODCr比值来看，B/C在0.43左右，适于生物处理。
该废水具有高温、高pH、含氮量低等特点，需要有预处理措施，经过综合分析比较，采用的工艺流程如图2所示。
图2 废水处理工艺流程图
提标改造时，在二沉池之后增加了高强帘式MBR膜三级处理。
3.2 工艺流程说明
设一台酸投加器和一套投药装置，可向调节池投加硫酸溶液和尿素溶液，以应对该废水高pH、含氮量低的特点，从而增强微生物的活性，提高去除的效果。
参与活性污泥处理的微生物多属嗜温菌，其适宜温度为10～45 ℃。为安全计，一般将活性污泥处理的最高温度控制在35 ℃。因此，首先在调节池、冷却及生物预处理塔内对废水进行梯级降温。
废水经格栅拦截较大的悬浮物和漂浮物后，进入调节池，鼓风搅拌，进行匀质、水量调节及预降温，调整鼓风量，使调节池出水区的水温低于65 ℃。
将调节池内的废水提升至冷却及生物预处理塔，通过其顶部的旋转布水器将污水均匀散落。设置通风机和风门调节通风量，可调节污水冷却程度。冷却区足以保证污水降温至35 ℃，生物膜处理区生长有30～45 ℃适合生存的多种微生物，兼具生物预处理及冷却功能，以适应“温度测量-风机调速-水温变化”调温过程的水温波动。冷却及生物预处理塔的出水，经收集后自流进入沉淀池。
根据实践，用于清水的降温设施对污水同样有效，但必须有防堵塞及防挥发性物质二次污染的措施。综合考虑各种敞开式冷却塔的优缺点及适用条件，冷却及生物预处理塔的塔型选择为机械通风逆流式冷却塔，具有热交换效率高、冷却幅高、占地面积小等优点。对于废水成分复杂的影响，设计采用平均焓差法或冷却数计算法的误差也不小，因此，选择相似同型塔进行类比设计，用引风机的启、停、变速转换及风门调节来适应冷却工况的变化。
沉淀池出水自流进入生物接触氧化池，生物接触氧化池采用多格推流式池型。为了使冷却及生物预处理塔在极端天气条件下发生引风机故障的最大可信事故时，生物接触氧化池仍能基本正常运行，生物接触氧化池采用50%填料装填率，冗余的25%池体容积用于减缓水温变化的影响，其内存活一定量的活性污泥，在正常运行工况下可提高有机物的去除率。
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主要构筑物及设计参数
(1)格栅井1座，设计尺寸为3.0 m×0.6 m×3.0 m，配有1台500 mm宽回转式机械格栅，栅条间隙为5 mm，功率为0.75 kW。
(2)调节池。1座，设计尺寸为10.5 m×8.0 m×3.6 m，配有潜污泵两台，一用一备，流量Q=40 m3/h，扬程H=15 m，功率为4.0 kW。池底设置1套穿孔曝气系统，配置液位计、酸投加器、尿素溶药投药装置各1台。
(3)冷却及生物预处理塔。双塔布置，塔顶设计内径为1.2 m，塔底设计内径为3.0 m，塔设计高度为7.6 m，塔内各布设三处填料，均采用75 mm×30 mm倾角为60°，聚丙烯斜波交错型，塔顶部各设一台双速引风机，低速运转下Q=753 m3/h，H=54.1 Pa，功率为0.12 kW；高速运转下，Q=1 506 m3/h，H=216.7 Pa，功率为0.37 kW。正常工况下双塔同时运行，单塔运行也可完成水的冷却。
当进行引风机检修、填料层清污等操作时，单塔运行，设计进塔流量为33.5 m3/h，参考相似同型塔NJTY型，进行填料、引风机等的估算设计，设计估算如表2所示。
表2 冷却及生物预处理塔设计估算表正常工况下双塔运行，测量塔底出水温度。水温持续低于28 ℃时，引风机低速运行或停止；水温持续高于33 ℃时，开启引风机或引风机高速运行。设计进塔流量为16.7 m3/h，正常运行工况下，冷却功能填料层与相似同型塔对比如表3所示。
表3 冷却及生物预处理塔运行工况表(4)沉淀池
两座并联，单池尺寸为2.75 m×1.73 m×5.0 m，表面负荷为3.5 m3/(m2·h)。
(5)生物接触氧化池
两座并联，每座四格串联，单格设计尺寸为3.4 m×3.0 m×5.0 m。为了方便维护，填料和曝气盘悬挂于池顶的支架上，每格池内配置2个支架，全池共16个支架，每个支架内安装填料为12.75 m3。
(6)鼓风机
配置罗茨鼓风机2台，用于调节池和生物接触氧化池的鼓风，生物接触氧化池曝气量按水温35 ℃计算。一用一备，风量Q=10.3 m3/min，风压H=6 000 mm H2O，功率为18.5 kW。
(7)二沉池
采用竖流式沉淀池，两座并联，单座设计尺寸Φ=3.15 m×5.0 m，中心筒直径Φ=600 mm，表面负荷为2.22 m3/(m2·h)。配有污泥回流泵两台，一用一备，流量Q=20 m3/min，扬程H=15 m H2O，功率为1.5 kW。
(8)污泥浓缩池
1座，设计尺寸为1.5 m×1.5 m×2.0 m。配置过滤面积为40 m2的压滤机。
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工程运行情况
于2007年9月调试完成，运行至今，冷却及生物预处理塔出水温度能稳定在25～35 ℃。
环保验收时监测数据：出口水质pH值为7.56～7.71。污染物最大日均浓度分别为：SS为30.3 mg/L、总有机碳为12.4 mg/L、TP为0.135 mg/L、石油类未检出、CODCr 为49.7 mg/L、BOD5为17.8 mg/L、NH3-N为0.228 mg/L、丙酮为0.70 mg/L。
夏季高温时，冷却及生物预处理塔出水温度在32～35 ℃，持续时间约1个月。同时，鼓风机出口压缩空气温度高达60～70 ℃，鼓风曝气对生物接触氧化池内水的升温影响明显，在此期间生物接触氧化池内水温在35～38 ℃，水中溶解氧在2 mg/L左右，二沉池出水澄清但出水水质较差。上述结果表明，超过35 ℃设计条件后，曝气系统供氧能力减弱；竖流式沉淀池因其运行过程中流场变化较大，存在着明显的泥水界面和压缩界面，对温差异重流有一定的适应能力；高温减弱了生物接触氧化池内微生物的生理活动。
经长期在线监测，以及该企业化验室定期检测、委托第三方抽样检测等，废水经该工艺处理后，排放水质指标为：CODCr≤95 mg/L，BOD5≤30 mg/L，pH值为6～8.5，石油类≤3 mg/L，其余指标同时达到了《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级标准、《渭河水系(陕西段)污水综合排放标准》(DB 61/224—1996)二级标准、《农田灌溉水质标准》(GB 5084—1992)旱作标准的要求。
随着国家对黄河流域水体排放标准的调整，排放指标更加严格，企业于2016年提标改造，增加高强帘式MBR膜三级处理，处理出水水质全面达到《黄河流域(陕西段)污水综合排放标准》(DB 61/224—2011)中一级标准的水质指标。运行两年来，经二沉池及长度为40 m左右引水明渠的再次降温，MBR膜池内的水温在夏季高温时未超过35 ℃，主要出水指标如表4所示。
表4 主要出水水质指标注：括号内为夏季高温时持续1个月左右的出水水质指标
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结语
高温有机废水在化工、石油、纺织、皮革、医药、食品等生产领域比较常见。以冷却及生物预处理塔进行降温处理的醋酸纤维生产废水预处理设施，通过10多年的运行，出水温度稳定在25～35 ℃，操作简便，运行稳定，对同类废水或高温有机废水的预处理具有一定的参考意义。
排版：西贝
校对：王佳
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