何芳娇， 吴汉阳， 查昊燃， 徐鹏， 李伟成

（1.中交公路规划设计院有限公司， 北京 100013； 2.江西博鑫精陶环保科技有限公司， 江西 萍乡 337200）

食品行业是我国经济的重要行业之一， 各种食品在洗涤、 浸泡、 烫煮等加工工序和设备清洗中会排放出大量的高浓度有机废水［1］。 这些废水虽然可生化性好， 但是成分复杂， 含有大量的悬浮物、 油脂类、 蛋白质、 磷等［1-2］。 采用传统的生化联合物化的方法达不到排放和回用标准要求。 目前国内有文献报道， 在实际工程中采用末端增加有机膜MBR 的方法作为提标改造的核心工艺［2-3］。 与传统的有机膜（PVDF）相比， 陶瓷膜具有膜通量高、 抗污染能力强、 机械强度高、 耐各种侵蚀等显著特点［4-6］。 同时， 陶瓷膜还具有使用寿命长， 运行费用少， 自动化程度高等优点［5］。 本项目采用以溶气气浮为主的预处理， 后续以上流式厌氧复合床（UBF）-缺氧-移动床生物膜反应器（MBBR）作为二级处理， 最后采用新型氧化钇纳米涂层的荷正电平板陶瓷膜浸没式MBR 工艺， 处理后出水不仅能达到更严格的排放要求， 同时也能满足回用要求， 减少厂区的用水消耗。

1 设计规模及水质

江苏某食品厂主要从事果汁生产和调理包加工业务。 废水处理站设计规模为180 m3／d， 进水包括果汁废水（含有柠檬酸、 果酸、 叶绿素、 糖类等固形物较多）， 调理包废水（含有动植物油脂， 脂肪酸， 有机酸等）和设备清洗废水（包括各种界面活性剂和含磷清洁剂）。 混合后的水质虽然有一定的可生化性， 但是悬浮物浓度和色度高， 同时有机污染物、 氮和磷浓度高。 处理后的水质目前需达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B 标准， 同时达到GB／T 18920—2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》中冲厕、 道路清扫、 城市绿化和建筑施工的要求， 兼顾回用（主要是厂区绿化使用）。 设计进出水水质如表1 所示。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 废水处理及回用工艺

2.1 处理工艺选择

对于食品废水的处理， 目前广泛采用的是传统生化工艺（厌氧-缺氧-好氧）来去除高浓度的有机污染物、 氮和磷， 出水只能满足排入城市管网的要求。 对于本项目， 前端预处理联合生化工艺再结合稳定的深度处理才能满足较高的排放或者回用要求。 本项目采用溶气气浮-两级UBF-A／O（MBBR）-陶瓷膜MBR 组合工艺， 气浮单元投加硅藻土和MBR 池投加三氯化铁， 强化水中磷的去除， 采用两级UBF 去除大部分有机污染物， 降低后续A／O工艺的进水负荷， 同时好氧采用MBBR 工艺， 进一步增强抗负荷冲击能力及节省池容， 最后利用陶瓷膜的精细过滤拦截生化出水中的微生物和胶体，以满足高的水质标准。

2.2 处理工艺流程

废水处理工艺流程如图1 所示。 首先通过粗格栅和转鼓式过滤机拦截悬浮颗粒物。 为了混凝达到最佳的处理效果， 加氢氧化钠至调节池将原水pH值从5.5 升高至7.0 ～8.0。 气浮处理中混凝剂采用硅藻土。 硅藻土（二氧化硅为主要化学成分）来源广泛， 价格低廉， 吸附速度快， 吸附能力强， 能高效去除色度、 溶解态的磷和重金属等污染物［7］。 在进一步的厌氧处理中， 采用UBF 来代替传统的UASB。 利用填料的截留作用来避免接种的絮状污泥大量流失， 同时培养兼氧细菌， 利用兼氧细菌的水解和产酸作用， 在提高废水可生化性的同时大幅去除COD。 好氧阶段采用MBBR， 延长了污泥龄，同时使好氧池负载更多的微生物量。 好氧阶段产生的硝化液从好氧池末端循环至缺氧池进行反硝化脱氮。 在随后的MBR 工艺中， 利用陶瓷膜的高效截留能力， 出水浊度小于0.1 NTU， COD 浓度达到回用标准。

图1 废水处理工艺流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

本项目采用氧化钇纳米涂层的荷正电平板陶瓷膜， 相比于传统的单一组分Al2O3制成的陶瓷膜，它除拥有物理筛分来隔离污染物组分外， 还可利用静电吸附作用分离粒径较小且带相反电荷的微粒，如细菌、 病毒和有机小分子等［8］。 在中间水池中投加低浓度的次氯酸钠来氧化剩余的氨氮， 同时起到降低色度和消毒的作用。

2.3 工程设计特点

（1） 考虑到本项目3 股排水悬浮物均较多， 废水处理站前端预处理采用格栅+转鼓式过滤机， 可有效去除悬浮物， 保证后续处理系统的高效运行。

（2） 考虑到原水有机物浓度较高， 采用二级厌氧处理工艺， 去除大部分COD， 为后续好氧单元减轻负荷； 厌氧反应器采用UBF 设计， 该反应器成熟稳定， 应用案例较多， 能大幅减少污泥流失，有助于颗粒污泥的形成。

（3） 废水处理站A／O 处理采用MBBR 工艺，对COD、 BOD5、 NH3-N 和TN 都有较高的去除率，该工艺在工程上被广泛应用， 填料价格低廉， 运行费用低。

（4） 深度处理采用陶瓷膜MBR 工艺作为把关措施， 纳米级陶瓷膜能高效截留微生物和胶体， 确保出水水质达到回用要求。 该工艺具有过滤精度高， 使用寿命长， 耐污堵， 清洗简单， 运行自动化程度高等优点。

3 主要构筑物及设计参数

（1） 粗格栅和转鼓式过滤机。 格栅渠道尺寸为2 475 mm×450 mm×1 500 mm， 栅前水深设为1.0 m。 格栅宽度为300 mm， 栅条间隙为30 mm， 排渣高度为700 mm， N=0.37 kW。 安装转鼓式过滤机1 台， 型号FYT-NJS6120， 过滤精度为2 mm， 尺寸为2 400 mm×910 mm×1 700 mm， N=1.1 kW。

（2） 调节池。 1 座， 半地上钢砼结构， 尺寸为10.0 m×5.0 m×4.5 m， 有效水深为4.0 m， HRT 为26 h。 调节池内安装潜水搅拌机1 台， 型号QJB0.85／8-260／3-740， N=0.85 kW。 氢氧化钠投加装置包括500 L 的加药罐（PE）， 加药泵1 台（型号DJ-D 650／0.7， N=1.1 kW）， 搅拌机1 台（转速为1 440 r／min， N=0.75 kW）。

（3） 溶气气浮机。 1 台， 型号YPL-10， Q=10 m3／h， N=3.3 kW。 硅藻土和PAM 投加装置各包括3 000 L 的 加 药 罐（PE）， 1 台 加 药 泵（型 号GBS2800／0.3， 功率为1.5 kW）和配套搅拌机。

（4） 厌氧进水池。 半地下钢砼结构， 尺寸为5.0 m×4.0 m×4.5 m。 每个厌氧进水池安装无堵塞自吸进水泵， 1 用1 备， 型号ZW-25-8-15， Q=8 m3／h， H=15 m， N=2.2 kW， 自吸高度为5.5 m。为保证厌氧出水碱度在1 800 mg／L 左右（以CaCO3计）， 一级和二级厌氧进水池各配有碱度（氢氧化钠）投加装置， 包括500 L 的加药罐（PE）， 加药泵1 台（型号DJ-D 650／0.7， N = 1.1 kW）， 搅拌机1台（转速为1 440 r／min， N=0.75 kW）。 考虑到当地在12 月至次年2 月期间气温较低， 为保证厌氧处理效果， 在一级厌氧进水池设有蒸汽加热管道。

（5） UBF。 因为接种的是絮状污泥， 按上升流速不超过0.2 m／h 设计。 一级UBF 和二级UBF 均为地上式碳钢结构（φ7.0 m×12.0 m， 有效容积为323 m3）， HRT 均为1.8 d， 一级UBF 按COD 容积负荷最大达9.0 kg［COD］／（m3·d）设计， 二级UBF 按COD容积负荷最大达5.0 kg［COD］／（m3·d）设计。 UBF 复合床高3 m， 采用聚丙烯软性弹性填料， 每支弹性填料间隔400 mm。 UBF 罐体内部用环氧乙烷树脂防腐， 罐体外保温材料采用厚度50 mm 的岩棉，最外层铺设彩钢板。 每个UBF 主要配套装置包括母支管式进水配水器、 三相分离器、 气液分离器、水封罐、 螺旋爬梯。 每个反应器内循环泵为立式管道离心泵， 1 用1 备， 回流比最大为400%， 型号50-125（I）， Q=32.5 m3／h， H=18 m， N=2.2 kW。

（6） 缺氧池和MBBR 池。 均为半地下钢砼结构， A 池尺寸为10.0 m×5.0 m×4.5 m， 有效水深为4.0 m， HRT 为1.1 d。 A 池底部开孔， 连接O 池，O 池 按 照F／M 为0.18 设 计， 尺 寸 设 为20.0 m ×10.0 m×4.5 m， 有效水深为4.0 m， HRT 为4.4 d。O 池安装有罗茨鼓风机， 1 用1 备， 型号GRB-100， QS= 13.43 m3／min， P = 50.0 kPa， N = 14.71 kW。 O 池末端安装反硝化液回流泵， 回流比最大设 为400%， 无 堵 塞 自 吸 泵， 1 用1 备， 型 号ZW65-30-18， Q=30 m3／h， H=18 m， P=4 kW，自吸高度为5.5 m。 为形成MBBR 工艺， O 池内放入有效池容1／3 的HGB-10 填料（聚丙烯材料， 孔隙率大于8 5%， 比表面积大于800 m2／m3）， 尺寸为φ10 mm×7 mm。 为防止运行时填料堵塞进水口和反硝化泵， 在进水口和泵口安装不锈钢拦截筛网， 筛网下设有反吹管。

（7） MBR 膜池。 尺寸为6.0 m×2.0 m×4.0 m，为全地下钢砼结构， 共放置4 个膜组， 每个膜组安装100 个平板陶瓷膜膜片（氧化钇纳米涂层的荷正电Al2O3陶瓷）， 每个膜片有效面积为0.5 m2， 孔径为0.1 μm， 设计平均膜通量为50 L／（m2·h）， 每个膜架尺寸为1 740 mm×790 mm×1 600 mm， 配套给水管和快接头等。 每个膜组下面安装有穿孔曝气管， 采用底部曝气吹扫来防止膜表面污染物堆积。 膜池安装有罗茨鼓风机， 1 用1 备， 型号GRB-80， QS=5.83 m3／min， P=40.0 kPa， N=5.48 kW。 整个系统运行采用PLC 控制。 膜抽吸泵采用自吸泵， 1 用1 备， 型号40ZX10-40， Q=10 m3／h，H=40 m， 吸程为6.5 m， N=6.7 kW。 反洗泵采用管道离心泵， 1 用1 备， 型号40SG18-65， Q = 18 m3／h， H=40 m， N=7.5 kW。 运行时当抽吸跨膜压差达到0.06 MPa， MBR 膜启动维护性清洗。 加药采用在线加药方式， 次氯酸钠、 柠檬酸和无水三氯化铁投加装置均包括3 000 L 加药罐（PE）， 加药泵1 台（型号GB-S2800／0.3， N=1.5 kW）和配套搅拌机。 膜池内设有排泥泵， 采用潜污泵， 型号25QW8-22-1.1， Q = 8 m3／h， N = 1.1 kW， H = 22 m。 污泥部分回流至缺氧池， 回流比为50%。 中间水池设有外排泵， 采用清水自吸泵， 型号40ZX10-40， Q=10 m3／h， N=4 kW， H=40 m。

（8） 污泥浓缩池和叠螺式污泥脱水机。 污泥浓缩池尺寸为13.0 m×8.0 m×4.5 m。 配置叠螺式污泥脱水机1 台， 型号为HDL-131， 处理能力为14 kg［绝干泥］／h， N=0.3 kW， 总尺寸为2 250 mm×700 mm×1 200 mm； 配套污泥螺杆泵2 台， 型号G25-1， Q=2 m3／h， N=2.5 KW。

4 工程运行效果

该工程于2020 年3 月开始生化调试， 2 个月后生化出水稳定， 进入陶瓷膜MBR 进行深度处理。气浮单元采用硅藻土效果明显， COD 和磷的去除率分别稳定在19.7% 和47.5%。 一级UBF 的COD去除率约为60%， 二级UBF 的COD 去除率约为50%； UBF 反应器内MLSS 浓度为23.4 g／L。 厌氧出水NH3-N 含量有所增加， 表明水中存在的有机氮在厌氧反应器中发生了氨化作用。 进水中少量的硝态氮在厌氧出水中没有检测到， 表明厌氧过程中同步产甲烷反硝化反应完全。 MBBR 工艺对NH3-N的平均去除率稳定在91% 左右， 这是因为填料的截留作用导致该系统泥龄较长， 适于世代时间较长的硝化菌的生长繁殖； 对COD 平均去除率稳定在93% 左右； MBBR 池内MLSS 浓度为4 800 mg／L。在MBR 单元中， 膜过滤方式为进水9 min， 停1 min， 反洗1 min， 精密过滤使膜产水COD、 SS 长期优于出水标准， 出水浊度低于0.1 NTU。 运行180 d 后， 跨膜压差才达到0.06 MPa， 表明新型氧化钇纳米涂层的荷正电Al2O3平板陶瓷膜不仅过滤性能好， 而且比单一的Al2O3平板陶瓷膜清洗频率要低， 每次化学清洗后， 膜通量基本能回复正常。 5月之后， 各单元出水水质检测情况如表2 所示。

表2 2020 年5 ～10 月各单元出水水质Tab. 2 Effluent water quality of each unit from May to October 2020

由表2 可知， 各工艺单元运行平稳， 最终出水水质均达到排放和回用标准要求。

5 投资与运行成本

项目总投资为350.32 万元， 其中土建投资近160.51 万元， 设备投资共140.13 万元， 管材、 管件、 电缆桥架、 自控（PLC 控制柜）等投资30.10 万元， 其他投资（标识牌、 水质学检测仪器及试剂等）为19.58 万。 废水处理运行费用共计6.6 元／m3， 包括电费2.3 元／m3， 药剂费3.2 元／m3， 人工费0.7 元／m3， 维修和折旧费0.2 元／m3， 蒸气费0.2 元／m3。

6 结语

（1） 食品废水污染物成分复杂， 水量和水质波动性大， 采用溶气气浮-UBF-MBBR 组合工艺结合陶瓷膜MBR 深度处理， 对COD 的去除率达到99.7% 左右， 出水COD 质量浓度为47 mg／L； 对NH3-N 的去除率达到96.2% 以上， 出水NH3-N 质量浓度为3 mg／L； 对TN 的去除率达到90% 左右，出水TN 质量浓度为11 mg／L； 对TP 的去除率达到95%， 出水TP 质量浓度为0.4 mg／L。 系统长期运行稳定， 各项指标优于所要求的排放和回用标准，取得良好的社会、 经济和环境效益。

（2） 长期运行结果表明， 新型氧化钇纳米涂层的荷正电Al2O3平板陶瓷膜不仅通量高， 过滤效果好， 而且运行费用低， 抗污堵能力强， 化学清洗频率低， 保证了废水处理的连续性。