实例：酱香型白酒生产废水这样处理
导 读
介绍了某酱香型白酒生产企业一新建废水处理工程的设计过程。通过方案论证比较，采用“预处理—UASB—化学除氮磷—五级Bardenpho—MBR—臭氧氧化—混凝沉淀—深度处理”工艺流程，并结合建设厂址狭长、分期建设的实际情况，对全流程进行了工艺设计，工程投入使用后，出水水质达到发酵酒精和白酒行业最严格的排放限值要求。
关键词：酱香型白酒酿造废水；UASB；五级Bardenpho+MBR；臭氧氧化；UF
引用本文：钟星，曹建平，杜兵，等. 某酱香型白酒生产废水处理工程设计实例［J］. 给水排水，2022，48（4）：61-67.
01、工程概况
1.1 工程介绍
某酱香型白酒企业为其某片区制酒车间配套新建废水处理厂一座，该厂临近赤水河，受厂址狭长所限，本工程统一规划、分期设计和建设，对应白酒产能：Ⅰ期3700吨/年、Ⅱ期3 500吨/年。一期工程已建成并投入运行。
1.2 设计水量、水质
根据企业多年排水数据，以及充分考虑生产过程中排水的波动性、易变性等因素，废水处理厂设计规模为2 000 m³/d，其中Ⅰ期工程1 000 m³/d，Ⅱ期工程1 000 m³/d。
废水处理厂来水均为酱香型白酒生产过程中排放的废水，该废水在不同的生产时段排放浓度相差较大，特别是氮、磷等指标，在设定进水污染物浓度时，充分考虑到了水质浓度波动和平均浓度两个因素。设计进水水质指标见表1。
表1 生产废水进出水水质
1.3 排放标准
该厂位于赤水河沿岸，处理后达标水排入赤水河附近的支流，最终汇入赤水河。排水需满足《发酵酒精和白酒工业污染物排放标准》（GB 27631-2011）中的直接排放限值（见表1）。进一步经过深度处理单元后，主要污染物指标可以达到地表水Ⅲ类水质要求（总氮指标除外）。
1.4 工艺流程
酱酒生产废水普遍具有悬浮物、有机物和氮磷、色度等污染物指标均较高的特点。在不同的生产周期，其排水浓度波动较大，全年排水有一定的间歇性。根据行业排放标准的要求，上述指标均需达到非常高的去除率，才能实现达标排放。由于废水中碳、氮、磷在不同生物和化学处理单元中的去除效果不同，在设计工艺路线时，不仅要采用多级、物化生化联合处理工艺，而且要恰当控制好各级污染物的去除效率，以期达到全流程各项污染物的协同去除，尽量减少外界化学物质的投加，节省运行费用和外排水的含盐量。本设计采用物理化学法预处理，以厌氧、好氧生物处理为主体，再辅以化学后处理和膜分离深度处理等多级串联工艺，完成该废水的达标排放任务。具体工艺流程如图1所示。
图1 废水处理工艺流程
1.5 两期主要工艺单元及设计参数
1.5.1 预处理单元
格栅：设三级格栅去除固形物，一级为2台循环耙齿格栅除污机、1台人工格栅，栅齿间隙5 mm。二级为4台旋转式固液分离机（每期2台），栅网间隙2 mm，处理水量580 m³/h。三级为4台旋转式固液分离机（每期2台），栅网间隙1 mm，处理水量230 m³/h。
缓冲池：有效容积206 m³。
气浮：带混凝段的溶气气浮系统，2台（Ⅱ期新增），单台处理水量80 m³/h。
混凝反应池：混合池4座、反应池4座（每期各2座），有效容积36 m³。
一级沉淀池：中心传动幅流式沉淀池4座（每期2座），表面负荷≤1 m/h。
调节池：Ⅰ期池体有效容积2 700 m³。Ⅱ期池体有效容积2 300 m³。HRT=60 h。
事故池：Ⅰ期池体有效容积1 300 m³。Ⅱ期池体有效容积1 200 m³。HRT=30 h。
1.5.2 厌氧处理单元
采用UASB工艺，Ⅱ期与Ⅰ期相同，两期合建，每期池体有效容积1 540 m³。常温厌氧发酵，有机负荷Nv=8.0 kgCOD/（m³·d），COD去除率70%~80%。设出水回流，回流比按100%~200%计。无回流时，厌氧池表面负荷为0.2 m³/（m²·h），有回流时，表面负荷为0.5m³/（m²·h）。采用一管一点式布水方式。
1.5.3 化学处理单元
设反应池4座，依次为吹脱除CO2、磷酸铵镁（MAP）结晶除氮磷、羟基磷酸钙（HAP）结晶除磷、二级混凝沉淀单元，配套幅流式沉淀池2座。Ⅱ期与Ⅰ期相同。吹脱池气水比(4~8)∶1，MAP池、HAP池结晶反应时间均为60 min，设置慢速搅拌，反应pH=8~9.5。絮凝反应时间60 min，设置慢速搅拌，反应pH=8~95。沉淀池表面负荷为0.7 m³/（m²·h）。
1.5.4 好氧处理单元
采用带膜分离功能的五级Bardenpho工艺，第二个好氧池内设有浸没式板式膜组件，大幅度提高了污泥浓度和泥水分离效率。Ⅱ期与Ⅰ期相同，共2座，单池有效池容1 100 m³，分2个序列运行。有机负荷0.18 kgBOD5/（kgMLSS·d），平均污泥浓度8 g/L，膜通量0.3 m³/（m²·d）。污泥回流比50%~100%，混合液回流比300%~400%。总HRT=26.4 h。
1.5.5 后处理单元
臭氧氧化：臭氧氧化塔2台，每期1台，停留时间≥1 h；臭氧发生器2台，单台产气量5.0 kgO3/h。
三级混凝沉淀：混凝反应池，每期1座，有效容积32 m³。三级沉淀池，每期2座，表面负荷0.7 m³/（m²·h），沉淀时间大于2 h。
1.5.6 深度处理单元
采用“砂滤+超滤+活性炭”组合工艺，进一步去除排水中的有机物、色度、氨氮、总氮和总磷。Ⅱ期与Ⅰ期相同，每期配置如下。
砂滤：石英砂过滤罐3台，滤速8 m/h。
超滤：采用浸没式超滤单元，运行通量Flux25LMH。
炭滤：活性炭罐3台，滤速8 m/h，内装高性能水处理用活性炭。
1.5.7 污泥处理单元
污泥浓缩池：2座，两期共用。浓缩池A用于初沉污泥浓缩，浓缩池B用于其他污泥浓缩。浓缩池A表面负荷0.065 m³/（m²·h），固体通量1.3 kg/（m²·h）。浓缩池B表面负荷0.065 m³/（m²·h），固体通量0.67 kg/（m²·h）。
叠螺脱水机：4台，每期2台。单台污泥处理量300 kgDS/h，按每日运行10 h计算。脱水后污泥干重3 t/d，湿体积15 m³（80%含水率）。
污泥烘干机：2台，每期1台。单台除湿量为10 t/d，预计烘干脱去10 t水后，污泥含水量为2 t/d，污泥固含量为3 t/d，总体积为5 m³左右，含水率为40%。
1.5.8 臭气处理单元
臭气收集系统：只收集预处理、污泥处理、厌氧出水吹脱池3个区域的臭气。
生物除臭单元：两期共用，处理能力按Ⅰ期臭气量为2 500 m³，Ⅱ期臭气量2 500 m³/h计。水洗区喷淋加湿流量为10 m³/h。生物脱臭填料区气体停留时间为60 s。
02、设计要点
2.1 预处理单元
预处理工艺包括3个方面的功能：固液分离、悬浮物初沉和水质水量均衡调节。
针对固形物和悬浮物的冲击，本工程重点强化预处理过程，设三级格栅、气浮、混凝沉淀等多种预处理措施，可确保在预处理阶段高效去除固形物和悬浮物，且以上设施均设于调节池前，可防止这些固态污染物在长时间的存贮过程中再次溶解释放，增加废水中各项溶解性污染物的浓度。一期运行时发现初沉池表面存在大量浮渣，撇渣后仍有少量进入调节池，为增强悬浮物去除效果，二期新增了气浮设备。缓冲池的设置，是为气浮、混凝的加药提供相对稳定的水量和相对均衡的水质。
针对来水水量和水质波动大的特点，设置超大容积调节池（停留时间大于2 d）和事故池（停留时间大于1 d），且Ⅱ期与Ⅰ期预处理单元可根据来水情况在并联和串联模式间灵活切换。
2.2 厌氧处理单元
该废水处理厂地处赤水河河岸斜坡上，属侵蚀性低山河谷斜坡地貌，且该厂紧邻赤水河。为保证后续好氧生物处理及脱氮除磷对碳源的需求，需将COD去除率控制在70%~80%，为后续处理预留较多的碳源。基于以上两个原因，本设计选用了技术成熟、运行简易稳定、施工难度小的UASB工艺，而非除碳效率高且对地载力要求高、施工难度大的IC、EGSB等高效厌氧工艺。因就地利用较为困难，本工程厌氧产生的沼气，由沼气火炬就地燃烧处理。
2.3 化学脱氮除磷单元
本工程原水中的氮磷浓度较高，仅靠好氧生物脱氮除磷是很难实现达标排放，需在好氧单元前进行化学法脱氮除磷。为尽量减少药耗及化学药剂对后续生化单元的影响，本设计采用 “吹脱CO2+MAP+HAP+混凝沉淀” 工艺。吹脱CO2可提高废水pH，可减少后段化学反应中碱的投加量，预计厌氧出水经过化学脱氮除磷单元后，预计其TP和TN（以NH+4-N形式存在）分别小于10 mg/L和100 mg/L。
2.4 好氧处理单元
化学处理后的废水中氮、磷仍较高，须选择具有脱氮除磷功能的好氧生化工艺。采用具有高效脱氮性能的五级Bardenpho工艺，且将MBR引入该工艺替代二沉池。通过投加外碳源调整C/N>6，此单元氨氮和总氮去除率均可达到90%以上，预计出水TP＜0.5 mg/L、TN＜15 mg/L、COD<50 mg/L。MBR工艺中选用经久耐用且操作运行简单的板式膜，使上述好氧工艺具备了高效和运行稳定的双重特性。
Ⅱ期与Ⅰ期好氧池可实现并联和串联模式灵活切换，低浓度或大水量轮次时可采用并联模式运行，高浓度排水轮次时可采用串联模式运行。
2.5 “臭氧氧化+后混凝”单元
MBR出水的色度和TP（部分TP以有机磷形态存在）两项指标仍有可能会超标，为此选用臭氧氧化和后混凝工艺。通过强氧化过程，既脱色又改变含磷污染物和有机物的分子形态，再用混凝沉淀的方法，将上述微量的污染物去除，从而使有机物、氮、磷、色度等各项指标均稳定地达到GB 27631-2011（直排）排放要求（见表1）。
2.6 深度处理单元
为满足类地表Ⅲ水质排放要求，有机物、氮、磷、色度等各项指标仍需进一步降低。为此本设计设置了可满足更高水质要求的深度处理单元：砂滤+浸没式超滤+活性炭吸附。浸没式超滤操作弹性大，运行管理方便，维护成本低，对大分子胶体污染物有较好的去除效果，再辅以活性炭对超滤出水中的微量溶解性污染物进行吸附，可全面降低各类污染物浓度，为出水水质达到类地表Ⅲ要求提供保障。
2.7 污泥处理系统
本设计采用两级脱水工艺，第一级采用叠螺式污泥脱水工艺，脱水后的污泥含水率约为80%~85%。第二级采用空气源热泵低温干化设备，通过热泵产生热风对脱水污泥进行深度脱水，烘干后的污泥含水率低于50%，为后续的综合利用、焚烧、填埋创造了条件。烘干尾气冷凝后返回废水系统进行处理，整个烘干过程不产生异味。
2.8 臭气处理系统
本设计选择生物除臭工艺处理收集的尾气。厌氧和好氧、后处理等单元基本不产生臭气，因此只对预处理、厌氧出水吹脱和污泥浓缩、污泥处理等单元扩散的尾气进行专门收集。经过生物处理后，收集的高浓度臭气中的NH3和H2S及其他致臭污染物，均可得到高效去除，使外排尾气不造成周边空气污染，厂界臭气浓度符合臭气污染物排放标准要求。
2.9 自控与监控设计
该废水处理厂建设场地狭长，长350 m，宽30 m，配电系统设计上采用放射式与树干式相结合的混合配电方式。全厂自动化程度较高，设自动控制系统和视频监控系统，全部数据上传至办公楼中控室上位机中，并设电视幕墙，可随时监测现场情况，方便远程控制和监督管理。
03、工程投资
废水厂总占地面积8 700 m²。建筑面积：Ⅰ期工程3 100 m²，Ⅱ期工程1 200 m²；构筑物池容：Ⅰ期13 000 m³，Ⅱ期7 200 m³。土建工程费用估算约为4 000 万元，工艺设备及安装部分工程估算约为5 500 万元，合计总投资约为9 500 万元，吨水投资为4.75万元/m³。该投资额远高于一般工业废水处理的投资强度，除与本项目规模较小有关外，还与本项目要达到的高排放标准有关。
04、运行效果
对2021年4至6月的连续运行数据分析如下。
4.1 进水水量及水质
进水水量及水质情况见图2。日均进水量为678.9 m³/d，进水COD、总氮、总磷的平均浓度分别为：7 513.2 mg/L，154.3 mg/L和43.7 mg/L；峰值分别达到41 900 mg/L，1 030.5 mg/L和351.5 mg/L。
图2 2021年4至6月进水量及进水浓度曲线
4.2 出水水质
处理出水水质情况见图3。出水水质能稳定达到GB 27631-2011（直排）限值要求（见表1），COD、TN、TP的均值分别为：22.0 mg/L、9.64mg/L和0.1 mg/L，均远优于标准值。此段时间深度处理单元未运行。
图3 2021年4至6月出水浓度曲线
05、能耗和药耗统计与分析
5.1 能耗和药耗统计
由于本工程未对每个处理单元单独进行电耗计量，故以设计参数和设备用电负荷为满负荷运行时的工况，对各单元和主要用电设备进行测算分析。本工程满负荷运行时的吨水电耗为105 kW·h/m³，去除单位COD量电耗为3.0 kW·h/kg COD，远高于城市污水处理的吨水电耗（<0.5 kW·h/m³）。
各单元电耗分布如图4所示，好氧单元电耗最高，占32.0%；其次是污泥处理单元，占27.7%；再次分别是深度处理单元占12.8%、预处理单元占11.6%、化学脱氮除磷单元占8.1%。此5个单元电耗占全厂总耗电量的92.2%。
图4 各单元的电耗分布
各类设备的电耗分布如图5所示，电耗最高的设备是鼓风机，占28.9%；其次是污泥烘干机，占25.1%，其他耗电量较高的设备是搅拌机和提升泵，占比分别为16.4%和10%。此4项电耗占全厂总耗电量的80.4%。
图5 各类设备的电耗分布
本工程需要投加多种化学药剂，包括用于调节pH的氢氧化钠、各级混凝反应所需的聚合氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺、脱氮除磷所需的外碳源及除磷剂、满足高品质出水所需的粉末活性炭、污泥脱水所需的阳离子聚丙烯酰胺以及膜清洗所需的清洗剂等。外碳源为复合液体碳源（COD当量为100万mg/L），主要成分为丙三醇和乙酸钠，其余药剂均为工业级市售产品。
2021年4至6月污水处理厂累计运行91 d，日均进水量为678.9 m³/d，实际投加的各类药剂分类汇总见表2、图6、图7。药剂日均费用为3 461.8元/d，吨水药剂费为5.1元/m³。
表2 2021年4至6月药剂消耗量
图6 各类药剂费用分布
图7 各单元的药剂费用分布
5.2 能耗和药耗分析
5.2.1 脱氮能耗与药耗
从上述统计数据上看，能耗和药耗最高的单元均是好氧单元，其中耗电最多的设备是鼓风机，药剂量最高的是外碳源。这是由本项目废水特征和所选工艺带来的必然结果。本项目废水属于高有机物高总氮类废水，从原水水质上看，C/N＞35（COD=7 000 mg/L，TN=200 mg/L），经过预处理和厌氧处理后，总氮基本上以氨氮形式存在，且去除率很低（NH3-N=100~150 mg/L），COD则大幅下降至100~200 mg/L。在进入好氧生物处理单元时，废水水质特征由高C/N变成了低C/N类废水。通常可通过将部分原水超越厌氧单元引入好氧单元，借助原水中高浓度的COD来调整好氧单元的C/N，但酱香型白酒废水中含有较多难于降解的有机物成分（主要来源于窖底水），在C/N调整至5~6后，原水中这部分有机物（约100 mg/L左右）很难在好氧单元中去除，给COD达标带来极大的困难。因此，这类废水在工艺选择和工艺流程设计时，面临两难的选择：要充分利用原水中的内碳源，就会面临末端COD不达标的困难；不利用原水中的内碳源，则会面临低C/N比脱氮的困难。根据现有的工程经验，选择厌氧高效去除COD和好氧单元补充外碳源这一策略，是目前最为可靠的技术路线，可以保证脱氮效果和COD达标，本项目即采用了这一技术路线。
本项目厌氧和二级混凝出水COD为100~200 mg/L（均值150 mg/L），TN为80~150 mg/L（均值100 mg/L）。在好氧单元（五级Bardenpho+MBR），通过投加外碳源COD约500 mg/L，将C/N调整至C/N≥6，同时控制内回流比为r=400%，外回流比为R=100%，可实现COD去除率>90%、脱氮去除率>85%［ηTN=（R+r）/（1+R+r）］。再经过后续单元处理后，可满足COD＜50 mg/L、TN＜15 mg/L的排放要求。好氧单元鼓风机除了为氧化氨氮供氧和提供MBR膜擦洗空气外，还要为氧化过量投加的外碳源（约为氨氮量的3倍，300 mg/L左右）供氧，由此导致好氧单元和鼓风机耗电量在全流程中占比最高。外碳源用量与废水中的总氮密切相关，一方面来水总氮浓度高，对外碳源需求量大，同时高效能的外碳源价格也较高，由此导致外碳源的费用在全流程药耗中占比最高。
通过上面的分析可以看出，在高有机物高总氮类废水处理方面，我们现有的工艺技术存在较为显著的高能耗和高药耗的弊端，市场急需能满足低C/N废水高效脱氮需求的新工艺。根据目前低碳脱氮技术的研究进展，以厌氧氨氧化技术为代表的新工艺有望在这一领域得到应用，该技术可实现节省60%的供氧电耗和节省100%的外碳源，与现有工艺相比具有显著的经济性。针对目前传统生物脱氮工艺而言，只能通过精细化管理，通过在线监测好氧单元进水中的NH3-N浓度，精确控制外碳源投加量和鼓风机供氧量，从而达到节约电能和减少药耗的目的。长远来看，还是要依靠技术进步，摆脱传统硝化反硝化脱氮工艺的限制，实现厌氧氨氧化技术类低碳低耗脱氮。
5.2.2 污泥处理能耗与药耗
本项目中能耗占比第二的单元是污泥处理，电耗最大的设备是污泥烘干机。来水中悬浮物很高（SS约为2 000 mg/L），通过大量投加PAC去除悬浮物的同时，会生成大量的初沉污泥，同时好氧单元由于过量外碳源的投加也会生成较多的剩余生物污泥。污泥处理单元每日要处理约20 m³的浓缩污泥（含水率是95%）。由于外运污泥含水率要求达到50%以内，仅依靠一级污泥脱水（叠螺脱水机）不能满足需求，需要配套污泥干化设备。本项目选用较为节电的空气源热泵烘干机，烘干机每去除1 m³水份约耗电150 kW·h，烘干后的污泥含水率控制在45%~50%。污泥脱水单元只使用阳离子PAM，其药耗约为污泥干重的1%，处于正常用药范围。
5.2.3 预处理能耗与药耗
预处理单元的能耗占比第三。全流程药耗占比第二的是PAC、第三是NaOH。PAC与NaOH主要用于预处理单元。来水酸度较高，且以有机酸为主，pH通常为5~6，需要投加大量的NaOH调节pH至6以上，为混凝反应和生物处理提供合适的反应环境。由于来水波动性较大，且混凝段设置在调节池之前，按平均水量和水质固定加药量并不科学，常常存在欠加和过量投加的现象。在二期设计时，在预处理单元前端设置了一个较小（HRT=2h）的缓冲池，将加药与来水提升流量、pH连锁控制，以节省PAC和NaOH用量。
06、结语
针对酱香型酒生产排水的特点、结合既往经验，本设计采用“预处理—厌氧—化学脱氮除磷—五级Bardenpho+MBR—深度处理”组合工艺，该类废水经处理后可以稳定地达到GB 27631-2011排放标准（直排）限值的要求，进一步经过深度处理，可达到类地表Ⅲ水质要求。该工程Ⅰ期已于2020年9月建成投用，各项设施运行良好，达到了设计目标。
