一汽车有限公司涂装废水处理工程改造

一．工程概况

某汽车有限公司涂装废水处理工程，已经于2004年建成并投入正常运行接近两年。在这期间，排放水质各项指标中除了总磷指标为10mg/l稍有超标外，其余各项水质均已优于排放标准。随着新的排放标准的实施和环太湖流域对于水体富营养化问题日益严重，当地环保部门要求其排入城市下水道的总磷指标为4mg/l。因此，该工程尚需对废水处理工程进行技术改造，对总磷作专项处理，使之达到排放标准。 二．现有废水处理工艺技术分析

现有废水处理采用了“气浮——好氧曝气——沉淀——砂、炭过滤”的骨干工艺，技术路线可行且比较完善，所以才会使处理出水除了总磷以外的其余各项水质均已优于排放标准而得以达标排放。但是，对现有工艺流程作具体分析后发现尚存在一些不足之处，最主要的一点就是忽略了磷的处理难度，没有对磷作为重点处理对象，在工艺中采取必要和确切有效的处理过程、措施以及工程保障设施，由此便导致了处理出水总磷超标的结果。仔细分析现有工艺对于磷的单项处理，发现存在如下几个不足之处： 其一，气浮分离前面的PH值调节过程有所欠妥。

涂装废水的PH值通常都是偏酸性，而除磷过程则需要偏碱性，但是现有工艺流程却将加酸反应设置在PH调节的前端；而在气浮出水进入曝气池的中间却没有采取PH值的调节措施，而曝气生化过程的PH值必须是中性水质，这就限制了前级PH调节过程必须保证将废水调节成中性水质，这样一来，就限制了絮凝剂对磷的捕集作用，使得前级高浓度磷的去除大打折扣，只能依赖后级来去除。

其二，对于低浓度的磷，生物处理是十分有效的手段。但是在紧接着的后级生物处理系统中，偏偏采用了仅仅是单纯的好氧曝气系统，而单纯的好氧曝气生化过程是除不了磷的。那么，整个除磷的压力也就自然地指望最后的终端处理设施——活性炭吸附来保证了。

其三，对于低浓度的磷，活性炭吸附处理是可以作为最终保障措施来将其大部分吸附掉。但是在活性炭的吸附一是受到吸附容量的限制，二是活性炭在长期运行过程中必须保证其表面清洁，不受任何污染，才能确保活性炭的微孔具备吸附能力和保持其活性。可是，现有工艺中除了在活性炭吸附的前级设置了一台石英砂过滤器以外，再也没有其他辅助措施可以确保活性炭免受污染长期保持其活性。

其实，这台石英砂过滤器自身都在严重污染中，为什么呢？我们知道，石英砂过滤器和活性炭吸附过滤器在清水处理中是一对很好的搭档，这是因为，清水中没有有机物呀！而现在这样一对好搭档所要处理

的对象却是污水——含有相当浓度的有机物的污水，这些有机物在通过石英砂和活性炭的过程中势必会在这些颗粒物料的表面结成厚厚的生物膜，这些生物膜又跟截留的悬浮物——污泥一起形成黏泥，一旦结成黏泥反冲洗根本洗不干净，从而使活性炭丧失吸附能力、石英砂过滤效率下降；有机物浓度低的话，也许两个月之内还行，有机物浓度高的话，不到一个月就失效，这样一对好搭档就只能成为摆设啦。 三．解决方案

通过前面对于现有工艺流程的仔细分析，我们找出了三个症结，原因找到了，事情也就好办了，我们只要对症下药，把这几个问题解决了，就可以确保把总磷指标降下来，保证使处理出水全面达标排放。 1、调整加酸反应过程在工艺流程中的位置

将现有工艺流程中加酸反应装置调整到气浮出水之后，生物处理系统之前，改变废水絮凝反应的PH值的条件，让絮凝反应过程在偏碱性水质中完成，把加酸反应作为废水进入生物处理系统之前的PH值的回调措施，确保大部分磷去除在废水进入生物处理系统之前。 2、改单纯的好氧曝气过程为生物除磷系统

将现有工艺流程中的单一曝气池改建为“A/O”生物除磷系统，即“厌氧——好氧”生物处理过程。且须将现有曝气池作大幅度的改建，改建成为“厌氧——高负荷曝气——沉淀——低负荷延时曝气”等四格池体、分为两个生物处理阶段四个生物处理过程，保证以最高效率去除残留的磷；使后面的斜管沉淀池出水中的总磷指标就能达到排放要求。 3、改建工艺流程末端设施

作为工艺流程末端的保障措施，以便无论在任何非常情况下都能保证处理出水的各项指标满足排放标准的要求，必须加强石英砂过滤器和活性炭吸附装置对于磷的有效去除作用。因此，就要增加抑制砂过滤和活性炭中生物膜形成的工艺装置，更新石英砂和活性炭滤料；并且还应增加石英砂过滤器和活性炭吸附装置的备用系统，这是因为：①石英砂过滤器和活性炭吸附装置在反冲洗过程中不可中断废水处理；②石英砂过滤器和活性炭吸附装置需要定期进行设备维护和更换滤料，在此期间也不可中断废水处理。所以石英砂过滤器和活性炭吸附装置需要作一备一用的工艺配置。 四、技术改造说明

技术改造后的工艺流程如下图：[工艺流程图略] 1、改造技术说明

1.磷的存在与去除 1.1磷的存在形式

涂装废水所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐。根据物理特性可将污水中磷酸盐类物质分成溶解性和非溶解性；根据化学特性，则可分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。

磷元素在生物化学过程中起着重要的主导作用。所有的微生物都含有相当数量的磷，活性污泥微生物也不例外，磷是微生物细胞的重要组分。

在常规二级生物处理系统中，污水中微生物降解过程伴随着微生物菌体的合成，磷作为微生物正常生长所需要的元素也成为生物污泥的组分。由于进入剩余污泥的总磷是逐渐增大，因而也使出水的磷浓度明显降低。

1.2污水除磷方式

所有污水除磷方法都包含两个必要的过程，首先将溶解性含磷物质转化成不溶性的悬浮性状态，然后通过悬浮固体的去除将磷从污水中除去。在这些含磷固体的物理去除中为了避免磷又回流到污水处理的其它工段内，必须控制磷的再次溶解和释放，而采用投加化学药剂去除磷大多数情况下都与生物处理相结合，纯化学处理的情况很少。

生物处理是通过生物作用，尤其是微生物的作用完成有机物的分解和生物体的合成，将有机污染物转为成无害的气体产物(CO2)、液体产物(H2O)以及富含有机物的固体产物(生物污泥)，多余的生物污泥在沉淀池中经沉淀固液分离，从净化后的水中除去。

近年来，在工艺选择上采用了污泥浓缩脱水一体化，剩余活性污泥内含有大量的磷而滤液中含磷较少，将剩余活性污泥在吸收聚磷状态下进行脱水。污泥厌氧消化池不排上清液，通过污泥消化工艺的限磷措施，减少了厂内污水、废水的含磷负荷。但同时也提高了污泥中磷的含量，作为农肥含磷的提高增加了肥效，但就像污泥中重金属含量一样，由于其长期的富集，势必造成磷含量超过国家农肥标准，这将直接影响到污泥作为农肥的利用。因此对污泥的再利用和采用较好的处置方法，也值得我们再进一步去探讨。 城市污水处理厂的上游水排放应对磷加以控制，污水厂的进水不能无限地接纳磷，污水厂不论是采用生物处理或是化学处理方法去除磷，其污水中磷的总量应控制在6mg/l，甚至在5mg/l以下为佳，所以当地环保部门要求本工程对外排放的总磷必须低于等于4mg/l是有科学依据的。

由此可见，城市污水处理工艺仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离，在使污水得到净化的同时将磷酸盐富集到污泥中。

大量的试验数据说明，在污水中可溶性和不溶性存在的磷酸盐通过固液分离得以从污水中沉淀并被排放

去除。而仍有一大部分可溶性磷酸盐和极少部分的不溶性磷酸盐存在于污水中，但是有一点可以肯定地说，对于磷酸盐的最终去除只能依靠固液分离通过污泥排放来实现。 2.除磷作用机理 2.1化学除磷

一般常用的化学药剂是铁盐、铝盐和石灰等，但就其药剂作用原理可基于以下几点。 2.1.1胶体化学过程

按照物理化学的观点，污染的废水往往是呈现水溶性胶体溶液，简称水溶胶，该体系显示了不稳定的的热力学状态，具有表面扩张能力较好的胶体趋向于形成粗糙的表面；具有较差的表面扩张能力的胶体趋向于形成一个具有能量释放的粗颗粒表面状态，这种不稳定状态主要受胶体表面带电粒子和有极性的水分子的电荷电位的共同影响。在同性电荷相排斥和异性电荷吸引的交替作用下，水中的胶体在等电位点时稳定性最差，从而在重力的作用下达到最大的沉降速度。

当污水中加入化学药剂后，药剂中高价离子和催化剂反应后的产物，可以帮助胶体颗粒到达等电位点。从而形成絮凝矾花。同时污水中的活性基因，在胶体颗粒呈现“架桥”作用，使絮凝矾花进一步长大，压密呈薄薄层。从而使污染物在水中迅速沉降并分离出来，上层水透明澄清。 2.1.2化学反应过程

在污水中加入药剂后，会形成若干化学反应，最重要的反应过程有下面几种： (1)形成溶解度低的沉淀物

高价金属离子与许多阴离子都形成难溶的化合物沉淀下来，这些化合物在形成絮凝矾花的核心和矾花之间的连接中特别重要。 (2)无机化合物的氧化反应

催化剂可使若干无机化合物直接氧化，形成无害的易于沉淀产物。 (3)有机化合物催化反应

由于催化剂的催化能力，许多有机化合物很容易地与溶解氧发生反应，在许多情况下，终产物是CO2、H2O和氮气。有时也会产生一些酸性物质，这些酸性物质与高价金属离子一起形成难溶的化合物而从水中沉淀出来。

2.1.3微生物氧化过程

废水中的有机污染物是通过好氧微生物的氧化作用得以降解的。加入药剂后，可以加速这种氧化分解的

速度，其作用机理主要是由高价位向低价位转变时，成为微生物代谢过程中的电子受体，提高兼收并蓄的传递速度，刺激好氧微生物种群迅速增殖。据试验，经化学药剂处理过的活性污泥中，好氧细菌是普通活性污泥的3倍。这主要是由于普通活性污泥菌胶团内部往往是兼性细菌占优势。而兼性细菌的兼收蓄速度远远低于好氧细菌。当污水中的有机物作为微生物的食物来源时，有机污染物被迅速地氧化、分解，因此提高了废水的净水效率。 2.2生物除磷

所有生物除磷工艺的一个共同特点是厌氧区的设置，在厌氧状态下，通过污水与回流污泥的混合接触，促进发酵作用和磷释放的进行，随时在好氧状态下，较好的污泥混合液含有大量能超量贮集、吸收聚磷的贮磷细菌。经过沉淀作用，达到固液分离，从而大大提高磷的去除效果。 2.2.1 生物除磷代谢模型

从印度研究人员Srinath等人于1959年首次提及污水生物除磷现象以来，各国科学家对生物除磷机理进行了长达20余年的摸索研究。然而，早期生物除磷研究往往以实际污水处理工艺为主要研究对象，且注意力大多集中于好氧条件下的生物摄磷过程，并没有在意磷的厌氧释放同好氧摄取之间的关系。直到上世纪80年代初，荷兰研究人员Rensink才首次报道了好氧摄磷与厌氧放磷过程之间存在着某种必然联系。在此基础上，生物除磷的一个完整生化代谢模型才由后续一些科学家完善、定型。

一般认为，污水中的基质(COD)首先在厌氧条件下被转化为细菌细胞内的聚合物质--PHA( 即PHB+PHV，以PHB为主要成分)，这个过程籍细胞内多聚磷酸盐来提供所需能量。结果，磷酸盐被释放到细胞之外。当环境改变为好氧条件后，由于环境中缺乏COD而使得在厌氧条件下贮存的PHB被用来充当基质。籍基质所提供的能量，细菌在此条件下过量摄取环境中的磷酸盐而在细胞内形成多聚磷酸盐，细菌同时得到增殖。此外，在好氧条件下糖源也得到补充。在好氧条件后分离增殖的细菌，磷便能随细菌细胞而被排除。聚磷细菌PAOs(Phosphate Accum ulating Organisms)细胞内的磷含量可高达12%(以细胞干重计)，而普通细菌细胞的磷含量仅为1%～3%。可见，生物聚磷后的细菌分离可有效将污水中的磷酸盐脱除。

兼性反硝化细菌生物摄/放磷作用被确认不仅拓宽了磷的去除途径，而且，更重要的是这种细菌的生物摄/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。这就为可持续污水处理工艺的发展奠定了十分有力的技术基础。如图2所示，在缺氧(无氧但存在硝酸氮)条件下，反硝化除磷细菌DPB(Denitrifying Phosphorusremoving Bacteria)能够象在好氧条件下一样，利用硝酸氮充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气。显然，被DPB合并后的反硝化除磷过程能够节省相当的COD与曝气量，同时也意味着较少的细胞合成量。

现有工艺违反了生物除磷的基本原理，系统中没有厌氧过程，造成了磷得不到有效的释放途径，从而导致磷仍然溶解于水体之中并且随着废水的外排而流失。

2.2.2、现工艺的曝气池处于极低负荷延时曝气影响了聚磷菌的正常代谢

现有工艺的曝气池处于极低负荷的延时曝气形式，严重地影响了聚磷菌的正常代谢，是导致城市污水处理厂生物除磷效率降低的另一个重要原因。低负荷下的好氧延时曝气使聚磷菌细胞内的聚β-羟基丁酸(PHB)含量下降，导致磷的吸收速率和吸磷量下降，从而无法有效地吸收细胞外的磷酸盐合成聚磷，最终丧失生物除磷能力。通过有效地调整曝气系统不仅可以降低运行费用，而且可以保证生物处理系统的稳定性，提高生物除磷的效率。生物除磷的效率和稳定性受多种因素影响。有报道某些城市污水处理厂在降雨后或周末经常发生周期性的生物除磷效率下降，这可能是由于处理系统负荷过低造成的，这便是由于除磷菌受到抑制、由于聚磷菌细胞内的PHB部分或全部消失引起的。我国新建的大部分具有脱氮除磷功能的城市污水处理厂，由于短期内进入污水处理厂的水量或水质远低于设计处理能力而使其生化处理单元的污泥有机负荷远低于设计值，污水处理厂长期处于低负荷运转状态，导致生物除磷功能丧失的现象普遍存在。 因此，本工程长期处于低负荷运行是导致生物除磷效率下降的主要原因。在低负荷运行条件下的好氧延时曝气使聚磷菌细胞内的PHB含量下降，导致磷吸收速率和吸磷量的下降，从而使聚磷菌无法有效地吸收细胞外的磷酸盐合成聚磷，最终导致生物除磷能力丧失。 2.3 生物处理过程技术改造的关键

由于延时曝气对生物除磷会产生不利影响，所以本次技术改造的重点一是改单纯的好氧曝气为“厌氧——高负荷好氧曝气”；二是将单阶段好氧延时曝气改为两阶段生物处理，即在“厌氧——高负荷好氧曝气”再接上“中间沉淀”、然后再后续“低负荷好氧曝气”。这样就可以为聚磷菌提供充足的碳源以保证生物除磷对碳源的需求，最终提高了生物除磷的效率，在第一个生物处理过程中去除磷。 五．工程改造主要设施设计参数 1、调整加酸装置的投加位置

如解决方案所述，将加酸装置的投加位置从现在的第一级污水提升泵后加碱装置之前的位置，改为气浮出水之后、生物处理系统之前的位置。

该部分改造工作：

①“加酸反应桶1”污水进出管道连接的改动；

② “加碱反应桶2”污水进出管道连接的改动；

③“PH值在线检测仪”位置的调整，随着加碱和加酸部位的调整，PH值的在线检测也随之同步调整。 2、改造生物处理系统——把单一好氧曝气过程为生物除磷系统

如解决方案所述，将现有单一曝气池改建成为“厌氧——高负荷曝气——沉淀——低负荷延时曝气”等四格池体、分为两个生物处理阶段四个生物处理过程，改造为生物除磷系统。主要改建内容如下：

①分隔厌氧池一个，在原来条形曝气池“A”首部采用砖混隔断； 平面尺寸：8000×4000mm

新增设施：配水布水装置、集水堰、排泥装置、出水导流管、排泥管各一组，均采用Q235A钢制。 ②分隔中间沉淀池一个，在原来条形曝气池“A”尾部采用砖混隔断； 平面尺寸：8000×4000mm

新增设施：污泥回流管道、配水布水装置、集水堰、排泥装置、出水导流管、排泥管各一组，均采用Q235A钢制。

备注：该沉淀池设计为平流式沉淀池型，与“A”池中间的曝气池之间增设导流槽分隔，并且在池底用混凝土填筑出泥斗来。

③ 分隔高负荷曝气池一个，位于条形曝气池“A”中部； 平面尺寸：12000×4000mm

备注：原有曝气池“A”在首部和尾部分别分隔出厌氧池和中间沉淀池以后，该池的中间剩余部位就是改建后的高负荷曝气池；

改造工作：将位于池底两端的曝气管道和曝气装置截断，只保留中间的部分，并将所截断部分的管口封堵好。

3、增设石英砂过滤器和活性炭吸附装置各一台，

规格型号：与原有设备相同——Φ1800，Q235A钢制； 新增石英砂滤料：12吨； 新增活性炭滤料：6吨；

新增卵石垫层：5吨； 备注：

①新增设备与原有设备组合成一备一用的工艺配置，新增石英砂过滤器和活性炭吸附装置的规格尺寸与原有设备保持一致；

②新增滤料已包括原有设备的滤料更新；

③新增设备可以靠近原有设备布置，以保持系统的整齐美观和便于操作管理。 4、增设生物膜抑制装置一组，

外形尺寸：Φ600×1200， 采用UPVC材质制成； 备注：该装置由投药装置和接触反应器组合成为完整系统。 六．工程改造后除磷和处理目标

因为原工艺流程对于废水中的除了总磷尚未达标排放外，其余有机污染物都已优于排放标准，因此，本次技术改造着重对总磷作专项治理，使之达到当地环保部门要求，即排入城市下水道的总磷指标≤4mg/l的排放标准。

表6-1 改造后主要污染物去除效果总目标

进水水

处理过程

单元处理设

项目

施

（mg/L） （mg/L）

预曝气调节

1—物

池 PH值调

理化学

节

处理系

絮凝气浮分

统

离

2—生物处理系统

PH值

5～？ 840 17.3

/ 58.8 4.3

/ 93 75

准； 2、其下水道接纳标准，接近一级排放标

TP

曝气

厌氧生化 CODcr 高负荷好氧

石油类

1033

51.7

95

磷优于城市

SS

285

57

80

析： 1、总

TP

173

17.3

90

质综合分

CODcr

1411

840

40

处理出水水

质

质

率（%） 接纳标准

出水水

去除

城市下水道

中间沉淀池 低负荷好氧

SS 石油类

57 51.7 / 58.8 4.3 / 7.8 6～8

/ 7.8 6～8 47 1.3 / 3.9 6～8 47 1.3

/ 85

余各项水质指标也全面优于城市下

曝气 斜管沉淀池

PH值 CODcr

3—砂滤活性

石英砂过滤器 活性炭

TP SS

/ 20 70 80 50 /

水道接纳标准； 3、可以作为中水回用于生产或生活杂用水。 ≤500 ≤4

炭吸附 吸附装置 石油类

PH值 CODcr

4—系统处理出水

排入 城市下水道 水质

TP SS 石油类 PH值

处理出水水质综合分析：

/ 3.9 6～8

≤400 ≤40 6～9

1、总磷优于城市下水道接纳标准，接近国家综排一级排放标准的水质标准； 2、其余各项水质指标也全面优于城市下水道接纳标准； 3、可以作为中水回用于生产过程或用作生活杂用水。 七．工程技术改造预算[略] 八、 技术改造中有关事项说明

1、利用富余的压缩空气作为污泥回流的动力

经过技术改造后的厌氧池中的污泥排放，和中间沉淀池内的污泥回流排放，都需要提升动力；假如采用污泥泵，则需要两组共4台污泥泵，还必须单独配置电器控制系统，不仅增加了工程投资，也增加了运行费，加重了业主的经济负担。而由于曝气池“A”的改建，使该池曝气面积减少了60%，压缩空气便有所富余，正好可以用来作为污泥提升的动力源，不仅可以大大减轻业主的经济压力，也使得操作维护十分简便，还提高了系统的可靠性，其中主要的一点是减轻了包括罗茨鼓风机在内等曝气系统的工作压力，可以做到

一举多得。

2、采用无动力的生物膜抑制投药和反应装置

新增添的生物膜抑制投药和反应装置，不需要使用任何动力装置，这样就可以做到保持原有电器控制系统的原貌不变，同时也不会增加整个系统的操作的复杂程度。 3、现有电器控制系统和废水站保持原貌

通过上述技术改造措施，原有电器控制系统可以完全保持其原貌不变；操作控制过程也基本不变；废水处理站内的设施设备等的平面布局没有任何改动，只是在原来石英砂过滤器和活性炭吸附装置的位置上增加了一组同样的设备。

1、对曝气池“A”实施改造前需要短暂停运

在对曝气池“A”实施改造前，由于事先要把“A”“B”两池之间的过流洞口永久封堵起来，所以就要在“A”动工改造之前，把“A”“B”两池作清空处理，然后把洞口用早强水泥和砖石砌筑进行封堵，这期间至少需要两天时间；而清池所需要的时间则要取决于抽水的时间和池内污泥的情况而定，

但是，总的累计时间不会超过一周，如果配合得好，也能在3～5天内完成。 在此期间，可以同时间对加酸反应装置的连接管道进行改接，交叉施工。

一旦将两池之间的过流洞口封堵住，系统就可以通过曝气池“B”作“单边”全流程运行，这样可以保证生产照常进行。

在对石英砂过滤器和活性炭吸附装置作滤料更新，和将新增的一组石英砂过滤器和活性炭吸附装置接入系统的时候，可以采取将斜管沉淀池处理出水从出水口超越排放的方法来处理。等到系统全部改造完工后，也就可以将全流程接通，按照改造后的全新工艺全面投入运行了。