1 Project Overview

光伏是基于半導(dǎo)體技術(shù)和新能源需求而興起的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。針對(duì)光伏、風(fēng)電、水電、核電、生物質(zhì)等細(xì)分可再生能源領(lǐng)域，光伏行業(yè)在我國(guó)“十三五”期間發(fā)電量復(fù)合增速為55%，遠(yuǎn)高于其他種類可再生能源的增速（4%~22%）。截至2017年底，我國(guó)光伏裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到1.3×108kW，提前3年完成“十三五”規(guī)劃的1.05×108kW目標(biāo)。考慮到光伏行業(yè)高效電池與單晶多晶大硅片生產(chǎn)對(duì)分布式太陽(yáng)能發(fā)電、新能源汽車等行業(yè)的支撐作用，以及助力社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展及碳中和目標(biāo)，預(yù)期光伏產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)。快速發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)面臨大量廢水產(chǎn)生及處理問(wèn)題。在單晶硅片或者多晶硅片生產(chǎn)過(guò)程的制絨、磷擴(kuò)散、刻蝕、酸洗等環(huán)節(jié)，因大量使用氫氟酸、硝酸、三氯氧磷及異丙醇等化學(xué)物質(zhì)，從而使得光伏廢水往往具有高硝酸根、高含氟、pH波動(dòng)大的特征，給光伏廢水的處理尤其是總氮達(dá)標(biāo)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。江蘇省某光伏廢水處理工程為改建項(xiàng)目，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6000m3/d，出水水質(zhì)要求達(dá)到《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484—2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目原采用一級(jí)AO工藝，無(wú)法滿足排放要求，擬采用二級(jí)除氟+反硝化顆粒污泥+ A/O工藝進(jìn)行改建，對(duì)現(xiàn)有脫氮系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。在現(xiàn)有一級(jí)A/O系統(tǒng)前增設(shè)二級(jí)除氟系統(tǒng)和反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器，經(jīng)處理后廢水進(jìn)入A/O池進(jìn)一步對(duì)剩余氨氮、硝氮和COD進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。2進(jìn)進(jìn)、、出水水質(zhì)及工藝選擇出水水質(zhì)及工藝選擇該項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6000m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模可達(dá)到2×104m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表1，出水水質(zhì)需滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484—2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。

廢水具有高NO3–N、高F-的典型特征，其中碳氮比嚴(yán)重失調(diào)、pH偏酸性，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫氮工藝效果難以滿足需求。由表1可以看出，該工程污染物去除重點(diǎn)是TN和F-。原處理工藝主要流程：廢水進(jìn)入調(diào)節(jié)池后經(jīng)泵提升至沉淀池，在沉淀池調(diào)理槽中加入消石灰進(jìn)行中和反應(yīng)，調(diào)節(jié)酸性廢水的pH，同時(shí)形成CaF2沉淀，去除廢水中的F-；含有沉淀物的混合液，進(jìn)入平流沉淀池進(jìn)行沉淀；沉淀池設(shè)置刮泥機(jī)，將底部沉淀刮至污泥斗后再排出沉淀池。經(jīng)一次沉淀后的廢水進(jìn)入混凝反應(yīng)段，在混凝反應(yīng)段先后加入PAC、PAM后進(jìn)入沉淀區(qū)，出水進(jìn)入生化池A段，底部沉淀被刮至污泥斗后再排出沉淀池。生化系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的二級(jí)A/O工藝，A段將廢水中的復(fù)雜有機(jī)物水解成簡(jiǎn)單的有機(jī)小分子，O段活性污泥將廢水中的有機(jī)污染物降解，部分混合液回流至A段進(jìn)行脫氮，二級(jí)A/O系統(tǒng)的泥水混合物自流進(jìn)入二沉池。二沉池采用豎流式斜管沉淀池，底部設(shè)置污泥斗收集剩余污泥，并通過(guò)泵排出二沉池，進(jìn)入A池前段。二沉池出水自流進(jìn)入中間水池，然后提升至過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾，廢水中的懸浮物被截留在填料層，清水達(dá)標(biāo)排放。沉淀池、混凝沉淀池和二沉池底部污泥收集至污泥池，經(jīng)泵輸送至壓濾機(jī)進(jìn)行污泥脫水，脫水后的泥餅外運(yùn)。濾液收集后回到原系統(tǒng)重新處理，避免二次污染。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，原處理系統(tǒng)出水水質(zhì)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，主要原因如下：

①?gòu)U水中NO3–N濃度太高，原缺氧池容積較小，造成反硝化氮負(fù)荷過(guò)高，常規(guī)反硝化池的氮負(fù)荷約0.5kg/（m3·d），而該項(xiàng)目若全部6000m3/d水進(jìn)入系統(tǒng)，則氮負(fù)荷將達(dá)到1.2kg/（m3·d）；

②傳統(tǒng)A/O池的污泥濃度受限，造成A池?zé)o法承擔(dān)更高的負(fù)荷；

③原系統(tǒng)碳源投加難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，經(jīng)常有投加量不足的情況出現(xiàn)。可見，原系統(tǒng)不能滿足6000m3/d的廢水處理要求，需進(jìn)行擴(kuò)容或改造，但由于現(xiàn)場(chǎng)可利用空間有限，如果采用原工藝流程則需增加1.5倍的池容，現(xiàn)場(chǎng)不具備條件。為此，需選用高負(fù)荷脫氮技術(shù)，以節(jié)省占地。提高系統(tǒng)脫氮負(fù)荷可通過(guò)提升反硝化微生物量來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體包括直接投加反硝化菌或者顆粒污泥等。

直接投加反硝化菌19.4g/（m3·d），以強(qiáng)化一級(jí)脫氮池反硝化效果，出水總氮從70mg/L降到10mg/L，然而長(zhǎng)期投加外源菌種經(jīng)濟(jì)成本較高。反硝化顆粒污泥技術(shù)利用顆粒污泥優(yōu)良的沉降性能，可提升反應(yīng)器污泥濃度，同時(shí)啟動(dòng)后無(wú)需外加菌劑。綜上考慮，該項(xiàng)目選擇高效脫氮反應(yīng)器（DNR），利用反硝化顆粒污泥技術(shù)，氮負(fù)荷可以達(dá)到6kg/（m3·d）以上，且脫氮效果好、運(yùn)行穩(wěn)定、占地節(jié)約。改造后的工藝流程見圖1。

3主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1一級(jí)除氟反應(yīng)池新建一級(jí)除氟反應(yīng)池及沉淀池。一級(jí)除氟反應(yīng)池分為兩格，第一格投加石灰乳，并設(shè)有pH計(jì)控制石灰投加系統(tǒng)的啟停。第二格投加PAM促進(jìn)沉淀。為了確保除氟反應(yīng)控制在合適pH范圍內(nèi)，第二格設(shè)有鹽酸投加管路。廢水中的氟與投加藥劑中的鈣發(fā)生反應(yīng)生成氟化鈣沉淀。兩格反應(yīng)器均設(shè)有攪拌機(jī)用以攪拌混合。一級(jí)除氟反應(yīng)池同時(shí)設(shè)有在線氟檢測(cè)儀，基于F-濃度動(dòng)態(tài)調(diào)整石灰投加量。反應(yīng)池出水自流進(jìn)入一級(jí)平流沉淀池，實(shí)現(xiàn)泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進(jìn)入二級(jí)除氟系統(tǒng)，污泥則排入現(xiàn)有含氟污泥池。設(shè)計(jì)參數(shù)：一級(jí)除氟反應(yīng)池1池2格，單格有效體積125m3。平流沉淀池1座，設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為0.75m3/（m2·h）。

3.2二級(jí)除氟反應(yīng)池新建二級(jí)除氟反應(yīng)池及沉淀池。二級(jí)除氟反應(yīng)池分為兩格，第一格投加PAC形成絮體，第二格投加PAM促進(jìn)沉淀，兩格反應(yīng)器均設(shè)有攪拌機(jī)。考慮到一級(jí)除氟過(guò)程中存在石灰過(guò)量投加的情況，在第一格反應(yīng)池通過(guò)投加碳酸鈉生成碳酸鈣沉淀的方式去除過(guò)量鈣離子。反應(yīng)池出水自流進(jìn)入平流二級(jí)沉淀池，實(shí)現(xiàn)泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進(jìn)入反硝化顆粒污泥高效脫氮系統(tǒng)，污泥則排入現(xiàn)有含氟污泥池。二級(jí)除氟沉淀池裝有在線pH計(jì)以連續(xù)監(jiān)測(cè)出水pH。設(shè)計(jì)參數(shù)：二級(jí)除氟反應(yīng)池1池2格，單格有效容積125m3。平流沉淀池1座，設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為0.75m3/（m2·h）。

3.3反硝化顆粒污泥高效脫氮系統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)由脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池、反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器和顆粒污泥儲(chǔ)存池三部分組成。

①脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池利用原二級(jí)缺氧池改建。脫氮進(jìn)水調(diào)節(jié)池的主要功能是調(diào)節(jié)廢水的pH、營(yíng)養(yǎng)鹽和碳氮比，以適合高效生物脫氮反應(yīng)器微生物的需求。進(jìn)水調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)有4臺(tái)加熱能力為970kg/h的蒸汽噴射器，在冬天水溫較低時(shí)將水溫控制在25°C。設(shè)計(jì)參數(shù)：1座，有效容積為534m3，HRT為2.1h。

②反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應(yīng)器新建反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應(yīng)器，采用一體化升流式污泥床反應(yīng)器構(gòu)型，可以有效實(shí)現(xiàn)顆粒污泥的形成和持留。三相分離器采用PP材質(zhì)，耐腐蝕性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。采用特殊設(shè)計(jì)的小阻力高效配水系統(tǒng)，具有自動(dòng)反沖洗功能，可以避免布水系統(tǒng)的堵塞與結(jié)垢。布水系統(tǒng)采用HDPE材質(zhì)，耐腐蝕性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。反應(yīng)器內(nèi)防腐采用搪瓷板。反應(yīng)器出水自流進(jìn)入A/O系統(tǒng)。設(shè)計(jì)參數(shù)：2座，有效容積為1374m3/座，設(shè)計(jì)氮負(fù)荷為3.9kg/（m3·d）。

③反硝化顆粒污泥儲(chǔ)存池污泥儲(chǔ)存池中存有備用的顆粒污泥。顆粒污泥具有反應(yīng)活性，當(dāng)某臺(tái)反應(yīng)器出現(xiàn)異常時(shí)，可以立刻利用污泥儲(chǔ)池中的菌種進(jìn)行重新啟動(dòng)。系統(tǒng)重啟時(shí)間可以控制在48h內(nèi)。設(shè)計(jì)參數(shù)：利用原有池體改建，有效容積為203m3。

3.4A/O生物處理系統(tǒng)A/O生物處理系統(tǒng)由缺氧池、好氧池、二沉池三部分構(gòu)成。A/O系統(tǒng)的氮容積負(fù)荷約0.1kg/（m3·d），貢獻(xiàn)總氮去除量占比約5%。

①缺氧池高效脫氮池出水和好氧池回流液在缺氧池利用廢水中可降解有機(jī)物進(jìn)行脫氮反應(yīng)。設(shè)計(jì)參數(shù)：利用原有反應(yīng)池（L×W×H=30m×16m×5.5m），水力停留時(shí)間為9.6h。投加1500kg/d葡萄糖作為碳源。

②好氧池好氧池溶解氧控制在2mg/L，污泥濃度（MLSS）維持在5g/L。為避免堵塞及曝氣不均，將曝氣系統(tǒng)改為可提升式曝氣器，曝氣管采用耐腐蝕SS316材質(zhì)。設(shè)計(jì)參數(shù)：利用原有好氧池（L×W×H=32m×30m×5.5m），水力停留時(shí)間為19.2h。

③沉淀池曝氣池出水自流進(jìn)入沉淀池，通過(guò)重力沉降實(shí)現(xiàn)泥水分離。一部分污泥通過(guò)回流泵回流至缺氧池，另一部分作為剩余污泥，排出系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。原沉淀池表面水力負(fù)荷>0.5m3/（m2·h），在進(jìn)水水量沖擊時(shí)易出現(xiàn)跑泥風(fēng)險(xiǎn)，需在原有系統(tǒng)上進(jìn)行改建。設(shè)計(jì)參數(shù)：將現(xiàn)有二級(jí)好氧池改建為2座平流沉淀池，單座L×W×H=36m×9m×5.5m，改造后表面水力負(fù)荷為0.42m3/（m2·h）。

3.5污泥處理單元污泥分為化學(xué)污泥和生物污泥兩部分。化學(xué)污泥主要為含氟污泥。通過(guò)板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理（過(guò)濾面積為200m2），脫水后經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送至污泥堆場(chǎng)。生物污泥來(lái)自A/O生物處理系統(tǒng)的剩余污泥，通過(guò)疊螺供料泵送至疊螺機(jī)脫水后外運(yùn)。設(shè)計(jì)參數(shù)：化學(xué)污泥池1座，半地下式，有效容積為600m3。板框壓濾機(jī)及疊螺脫水機(jī)利舊。

3.6主要處理單元的設(shè)計(jì)去除效果主要處理單元的污染物設(shè)計(jì)去除效果見表2。

4運(yùn)行效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析運(yùn)行效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1運(yùn)行效果高效生物脫氮反應(yīng)器啟動(dòng)前需進(jìn)行污泥接種。接種顆粒污泥來(lái)自同類廢水的反硝化顆粒污泥，接種比例為60%。接種完成后緩慢進(jìn)水、逐步提升負(fù)荷，直至滿負(fù)荷運(yùn)行。整個(gè)調(diào)試期大致可以分為3個(gè)階段：第一階段進(jìn)水負(fù)荷為30%，此時(shí)可以觀察到進(jìn)、出水pH上升，這是反硝化過(guò)程產(chǎn)生堿度所致，說(shuō)明反硝化過(guò)程逐步成為主要生化反應(yīng)，同時(shí)伴隨進(jìn)、出水硝態(tài)氮和COD去除，最終歷時(shí)約1周，待穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段；第二階段進(jìn)水負(fù)荷為60%，歷時(shí)約2周，待穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段；第三階段進(jìn)水負(fù)荷為100%，歷時(shí)約2周。系統(tǒng)啟動(dòng)后，污泥顏色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚Ｔ摴こ谈脑旌笠呀?jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)一年，二級(jí)除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝出水水質(zhì)滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484—2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)。其中，反硝化顆粒污泥反應(yīng)器作為最主要的脫氮環(huán)節(jié)，其進(jìn)、出水水質(zhì)見表3。

4.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析該項(xiàng)目總投資為2150萬(wàn)元，其中設(shè)備投資1900萬(wàn)元，土建工程大部分為利舊改造，投資較少（250萬(wàn)元）。運(yùn)行費(fèi)用主要包括藥劑（脫氮、除氟）、電、污泥處理費(fèi)用等。除氟藥劑包括石灰、PAC、PAM等。脫氮藥劑包括碳源（甲醇、葡萄糖）、微量元素等。總運(yùn)行費(fèi)用為25.2元/m3，比改造前降低20%。

5技術(shù)特色技術(shù)特色

①反硝化顆粒污泥高效脫氮反應(yīng)器可有效實(shí)現(xiàn)顆粒污泥的培育和持留。內(nèi)置三相分離器模塊在有效分離產(chǎn)生的氮?dú)獾耐瑫r(shí)可將顆粒污泥保留在反應(yīng)器中，具有良好的氣液分離效果，可有效促進(jìn)反硝化顆粒污泥的形成，進(jìn)而大大提高反應(yīng)器的污泥濃度。外循環(huán)系統(tǒng)提高了傳質(zhì)效果，特別是在啟動(dòng)初期進(jìn)水量不足的情況下，可以通過(guò)外循環(huán)提供需要的傳質(zhì)動(dòng)能。

②反硝化顆粒污泥技術(shù)脫氮負(fù)荷高、占地少，適合于建設(shè)用地不足的項(xiàng)目改造。反硝化負(fù)荷取決于反硝化細(xì)菌脫氮活性和微生物量。顆粒污泥脫氮比活性高達(dá)1.6gNO3–N/（gVSS·d），同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)污泥含量高，污泥濃度可達(dá)17g/L，是傳統(tǒng)反硝化工藝的5~10倍，從而大大提高了系統(tǒng)脫氮負(fù)荷，減少了反應(yīng)器容積。反應(yīng)器采用較大的高徑比，進(jìn)一步節(jié)約了占地面積。

③反硝化顆粒污泥技術(shù)碳源利用率高、外加碳源消耗量低、無(wú)需外源菌劑投加、剩余污泥產(chǎn)量低，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。高效脫氮反應(yīng)器利用顆粒污泥完成反硝化反應(yīng)，碳源利用率高，消耗碳氮比可達(dá)到3∶1，非常接近于反硝化理論用量（2.86∶1），低于傳統(tǒng)A/O工藝的碳源消耗（約5∶1），同時(shí)考慮到光伏廢水中有機(jī)物含量低的特性，節(jié)省了碳源外部投加的成本，同時(shí)也相應(yīng)避免了產(chǎn)生大量剩余污泥。此外，反應(yīng)器啟動(dòng)后無(wú)需外源菌劑的持續(xù)投加，節(jié)省了菌劑費(fèi)用。

6結(jié)論結(jié)論

①江蘇某光伏廢水處理工程設(shè)計(jì)規(guī)模為6000m3/d，原有工藝無(wú)法滿足排放要求，通過(guò)反硝化顆粒污泥技術(shù)改造，提升了系統(tǒng)整體脫氮能力。采用二級(jí)除氟+反硝化顆粒污泥+ A/O工藝可以實(shí)現(xiàn)高硝氮、高氟光伏廢水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)處理。

②高效生物脫氮反應(yīng)器可以有效實(shí)現(xiàn)顆粒污泥的培育和持留，具有良好的脫氮負(fù)荷和穩(wěn)定性，脫氮比活性高達(dá)1.6gNO3–N/（gVSS·d），污泥濃度可達(dá)17g/L。

③該工程改造調(diào)試運(yùn)行以來(lái)，處理效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30484—2013）的間接排放標(biāo)準(zhǔn)，總運(yùn)行費(fèi)用比原來(lái)降低20%。

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