IFAS工艺在颜料化工污水处理厂改造中的应用

Upgrading a Wastewater Treatment Plant of Pigment Wastewater Using the IFAS Process

摘要: 采用IFAS工艺对某颜料化工厂废水进行中试研究，考察其处理能力及抗负荷能力，并选用IFAS工艺对其污水厂进行改造。结果表明，IFAS工艺出水COD、NH⁺₄-N及TN浓度均可满足《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)中限定的对染料行业出水污染物排放标准的要求(COD < 300 mg/L、NH⁺₄-N < 30 mg/L、TN < 50 mg/L )。改造后的出水COD、NH⁺₄-N及TN浓度均能够达到上述排放标准要求，进一步说明IFAS工艺可用于颜料化工企业污水处理厂的改造项目中。

Abstract: A pilot-scale IFAS process was carried out in the wastewater treatment plant of pigment chemical plant, in order to investigate the treatment performance and the resistance to impact load. In ad-dition, the feasibility of the modification of the wastewater treatment plant using the IFAS process was also investigated. The results showed that the effluent COD, NH⁺₄-N and TN of the IFAS process and the modified wastewater treatment plant were satisfying the discharge standard (COD < 300 mg/L, NH⁺₄-N < 30 mg/L, TN < 50 mg/L). Therefore, the IFAS process was able to reconstruct the wastewater treatment plant of pigment chemical plant.

1. 引言

有机颜料废水污染物种类多，结构复杂，含有较多大分子难降解的基团，具有高酸度、高COD、高色度、高含盐量、有机物难生化降解的特点，同时存在间歇性排放、水质水量随时间变化较大等问题。目前用于处理颜料生产废水的方法主要分为生化法和物化法。生化法主要有活性污泥法、生物接触氧化法、SBR、UASB、复合生物滤池等；物化法主要有活性炭吸附、离子交换、溶剂萃取、膜分离、化学氧化、电渗析、絮凝法等。国内大多数颜料生产废水处理工艺均由上述处理方法组合而成。

2. 工艺分析

辽宁某颜料化工污水处理厂采用传统的A/O活性污泥工艺(如图1所示)对该厂生产过程中所产生的废水进行处理，厌氧段和好氧段的HRT分别为12 h和48 h，其运行情况如表1所示。

Figure 1. The original process of the pigment water treatment plant

图1. 该厂原有处理工艺流程图

Table 1. The process operating condition

表1. 现有处理工艺运行情况

由表1中可知，COD和TN无法满足《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)染料行业排放标准的要求(COD < 300 mg/L、 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N < 30mg/L，TN < 50 mg/L)。此外，由于该厂日处理量由原来的2000吨提高到3000吨，需要一种简单、便捷、有效的方法对现有工艺进行改造，在提高处理能力的同时，使出水能够达到染料行业的排放标准。

3. 中试试验

3.1. 工艺选择

IFAS工艺具有较高的硝化能力 [1] ，同时，还可提高反应池内的生物量，降低污泥负荷率，增加了系统抗冲击负荷的能力 [2] ；其次，由于载体表面生物膜本身的结构特点和氧扩散区的存在，使生物膜由外到内形成好氧区–缺氧区–厌氧区，从而为好氧硝化菌和缺氧反硝化菌提供了良好的环境和共同生长的空间，为实现同步硝化反硝化脱氮创造出有利条件 [3] 。此外，IFAS工艺升级简单，现有的反应池可以不做任何改动，只需向原有工艺反应池内投加悬浮生物载体即可，这样可大大节约了占地和基建的成本，所以选择IFAS工艺进行中试试验。

3.2. 试验目的

针对该颜料化工污水处理厂COD和TN处理能力差的问题，通过中试，考察IFAS工艺对该厂污水处理性能及抗负荷能力，并探讨IFAS工艺用于处理厂升级改造的可行性，为以后该污水处理厂升级改造提供技术方案。

4. 材料与方法

4.1. 试验装置

中试用水取自该污水处理厂调节池，接种污泥取自二次沉淀池。试验装置如图2所示。中试装置分别由两个等体积的好氧反应器(5 m³/个)及二次沉淀池(6 m³)组成，分别考察中试设备在HRT为24 h，32 h和40 h时，对污染物去除性能的影响。

4.2. 检测方法

试验中的水质分析方法采用《水和废水分析监测方法》，主要的分析项目包括：MLSS、COD、BOD、氨氮、TN、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。具体的水质检测方法及检测设备如表2所示。

Figure 2. The pilot-scale IFAS facility

图2. 中试装置图

Table 2. Analyze content and methods

表2. 分析项目与分析方法

4.3. 试验条件

好氧区的初始污泥浓度(MLSS)在2500~3000 mg/L，溶解氧浓度维持在2~3 mg/L。好氧区闷曝48 h后，设备开始以小流量进水，水量逐渐梯度增加。中试设备内水温在24℃~29℃。对比考察该厂原有活性污泥工艺与中试IFAS工艺对污染物的去除情况，并对不同HRT条件下IFAS工艺的处理能力进行了考察。相关工艺参数见表3所示。

5. 结果与讨论

5.1. COD的去除

如图3所示，当进水COD浓度为1795~3119 mg/L，中试工艺出水COD为203~291 mg/L (HRT = 24 h)，152~264 mg/L (HRT = 32 h)以及106~186 mg/L (HRT = 40 h)，均达到《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)中限定的对染料行业出水COD的排放标准(<300 mg/L)，而原A/O工艺出水分别为406~499 mg/L (HRT = 24 h)，321~426 mg/L (HRT = 32 h)以及310~403 mg/L (HRT = 40 h)，说明各阶段IFAS工艺出水均优于原A/O工艺出水，这是由于，中试反应器启动后，再有生物载体的反应器内生物量高于活性污泥工艺，生物菌群丰富，有利于提高其污染物的去除能力及抗冲击负荷能力。

5.2. 氨氮的去除

IFAS工艺对 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的去除性能如图4所示，随着HRT的增加，IFAS工艺及及原有A/O工艺对 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的去除率均而显著提高。IFAS工艺出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的去除率由52% (HRT24h)提高到91% (HRT40h)，当HRT为32 h，IFAS工艺出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N浓度为13.2~18.7 mg/L，满足《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)中限定的对染料行业出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的排放标准(<30 mg/L)，而原A/O工艺出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N均未能达到排放要求。

5.3. TN的去除

IFAS工艺对TN的去除情况如图5所示。较长的HRT同样有助于提高系统的脱氮性能。当进水TN浓度为115.8~222.9 mg/L，IFAS工艺出水TN为55.4~76.5 mg/L (HRT24h)，32.7~44.3 mg/L (HRT32h)以及29.0~38.1 mg/L (HRT40h)，去除率分别为55%，78% and 85%。当HRT提高到32小时后，出水TN浓度低于50 mg/L，达到《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)中限定的对染料行业出水TN的排

Table 3. The technological parameter of the different process

表3. 中试及厂方运行工艺参数

Figure 3. COD removal performance

图3. COD的去除情况

Figure 4. ${\text{NH}}_4^{+}$ -N removal performance

图4. ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的去除情况

Figure 5. TN removal performance

图5. TN的去除情况

放标准(<50 mg/L)的要求。然而，原A/O工艺对TN的去除率仅40%~64%，不能够达到排放要求。这是由于当系统运行到一定阶段，载体表面较厚的生物膜为微生物的生长提供了厌氧–好氧的微环境，为好氧硝化菌及缺氧反硝化菌的生长提供良好的氧环境，进而有助于实现系统同步硝化反硝化性能，以达到对进水TN的去除。

6. 采用IFAS工艺改造后的运行情况

6.1. 概况

辽宁某颜料化工污水处理厂采用IFAS工艺对现有好氧反应池进行改造，对好氧池重新铺设曝气设备及拦截网，生物载体约占好氧池有效体积的40%。升级改造历时五周，改造现场情况如图6所示。

6.2. COD的去除性能

污水处理厂改造后的出水COD浓度如图7所示。改造后进水COD浓度为1612~5539 mg/L其出水COD浓度为93~297 mg/L，平均去除率高达95%，并且出水达到排放标准(COD < 300 mg/L)。

6.3. 氨氮的去除性能

污水处理厂改造后的出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N浓度如图8所示。进水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N浓度为16.1~62.2 mg/L改造后出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N浓度为0.2~1.8 mg/L。平均去除率为98%，出水 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N达到排放标准( ${\text{NH}}_4^{+}$ -N < 30 mg/L)。

6.4. TN的去除性能

污水处理厂改造后的出水TN浓度如图9所示。进水TN浓度为41.3~182.5 mg/L，改造后IFAS工艺出水TN浓度为13.8~48.7 mg/L，平均去除率为74%，出水TN达到排放标准(TN < 50 mg/L)。

Figure 6. The modified plant

图6. 改造后的情况

Figure 7. COD removal performance

图7. COD的去除情况

Figure 8. ${\text{NH}}_4^{+}$ -N removal performance

图8. ${\text{NH}}_4^{+}$ -N的去除情况

Figure 9. TN removal performance

图9. TN的去除情况

7. 结论

通过中试和改造后IFAS工艺的运行情况来看，得出以下结论：

1) IFAS工艺出水COD、氨氮及TN浓度均可满足《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627-2008)中限定的对染料行业出水污染物排放标准的要求(COD < 300 mg/L、氨氮 < 30 mg/L、TN < 50 mg/L)。

2) IFAS工艺具有较好的抗负荷能力，即使在相对较短的HRT条件下，其出水COD、氨氮、TN也能够达到排放标准的要求。

3) 污水处理厂改造后，其出水COD、氨氮及TN的浓度均达到排放要求，处理能力优于改造前，进一步验证了IFAS工艺可用于活性污泥工艺的升级改造项目中。