申请日 20200806
公开（公告）日 20201103
IPC分类号 C02F3/30; C02F3/12; C02F5/02; C02F7/00; C02F11/121; C02F101/10; C02F101/16; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种高硬度硝酸盐废水的回用装置与工艺，包括脱氮脉冲池、钙泥分离池、生化池、MBR膜池，所述脱氮脉冲池为推流加完全混合的复合池型，所述脱氮脉冲池包括一级脱氮脉冲池和二级脱氮脉冲池，所述钙泥分离池包括一级钙泥分离池和二级钙泥分离池，所述钙泥分离池包括中心布水区、中部分离区、底部浓缩区，所述钙泥分离池有进水区、分离区、浓缩区和自动排泥控制装置；所述生化池前有脱氮除钙系统，后有MBR生物膜系统；所述MBR膜池为好氧生化后的回用处理装置。本发明可避免活性污泥发生钙化而活性降低，脱氮的同时降低废水的碳酸钙硬度，污染物去除效率高，具有良好的环保和经济效益。
权利要求书
1.一种高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：包括脱氮脉冲池、钙泥分离池、生化池(5)、MBR膜池(7)，所述脱氮脉冲池为推流加完全混合的复合池型，所述脱氮脉冲池包括一级脱氮脉冲池(1)和二级脱氮脉冲池(3)，所述钙泥分离池包括一级钙泥分离池(2)和二级钙泥分离池(4)，所述钙泥分离池包括中心布水区、中部分离区、底部浓缩区，其中：
所述一级脱氮脉冲池(1)的进水端与进水管路(9)相连，所述一级脱氮脉冲池(1)的出水端通过出水管与一级钙泥分离池(2)的中心布水区连通；所述钙泥分离池的顶部安装有刮泥机(27)，钙泥分离池(2)的底部浓缩区设有出泥管，出泥管连接有一级污泥泵(14)，一级污泥泵(14)的出口连接有一级污泥回流管路(16)和排泥管路(18)，一级污泥回流管路(16)连通一级脱氮脉冲池(1)进水端，排泥管路(18)为泵后管路连通后续污泥处理系统；所述一级钙泥分离池(2)、二级脱氮脉冲池(3)与二级钙泥分离池(4)依次相连，且所述一级钙泥分离池(2)的出水端与超越管路(26)进水端连接，所述一级脱氮脉冲池(1)、二级脱氮脉冲池(3)内均设有潜水搅拌机(10)，所述一级脱氮脉冲池(1)、二级脱氮脉冲池(3)的池底均布有环形脉冲管路(11)，所述二级钙泥分离池(4)底部与二级污泥泵(15)连通，二级污泥泵(15)出口连接二级污泥回流管路(17)和排泥管路(18)，二级污泥回流管路(17)连接在二级脱氮脉冲池(3)的进水端；
所述生化池(5)进水管路分别与超越管路(26)出水端以及二级钙泥分离池(4)出水管路出水端连接，所述生化池(5)的出水两侧设置有生化回流泵(21)，所述回流泵(21)连通生化回流管路(22)，所述生化回流管路(22)分别连接一级脱氮脉冲池(1)和二级脱氮脉冲池(3)，生化池(5)出水经膜池进水渠(6)进入MBR膜池(7)，所述MBR膜池(7)内的每组膜池一端设进水闸门(23)，另一端设穿墙回流泵(24)连接穿墙回流管(25)，穿墙回流管(25)与生化池(5)进水口连接；所述MBR膜池(7)池底泥坑接膜池回流泵(19)，膜池回流泵(19)出口通过膜池回流管路(20)分别与一级脱氮脉冲池(1)、二级脱氮脉冲池(3)连通，剩余污泥由排泥管路(18)排出；
所述MBR膜池(7)出水汇集总管连接产水泵(28)，所述产水回用管路(13)与产水泵(28)连接。
2.根据权利要求1所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述一级脱氮脉冲池(1)和二级脱氮脉冲池(3)内设多组独立且相通的环形脉冲管路(11)，环形脉冲管路(11)的脉冲强度控制在0.01-0.04m3/min﹒m2，每组环形脉冲管路(11)的脉冲强度和脉冲时间实时调控。
3.根据权利要求2所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述潜水搅拌机(10)为变频控制电机，所述潜水搅拌机(10)设置有漏水和过热保护系统。
4.根据权利要求3所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述刮泥机(27)为周边传动半桥式，于桥体相连的刮泥板采用的是对数螺旋线式。
5.根据权利要求4所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述一级钙泥分离池(2)和二级钙泥分离池(4)的进水污泥容积指数SVI在20-50之间，则一级污泥泵(14)和二级污泥泵(15)排泥；污泥容积指数SVI在20以下，则停止排泥；污泥容积指数SVI在50-150之间，则脱氮脉冲池按补泥操作，分离池控制污泥回流；污泥容积指数SVI在150以上，则污泥回流加大至100％，并降低脉冲强度和时间。
6.根据权利要求5所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述MBR膜池(7)采用的是平板生物膜组件(8)，膜通量最少达到0.3m3/m2﹒d，并采用在线空气擦洗和化学清洗的方式，膜清洗周期在3个月以上。
7.根据权利要求6所述高硬度硝酸盐废水的回用装置，其特征在于：所述MBR膜池(7)的污泥回流比在100-200％，通过监测膜池污泥浓度和浊度，控制污泥回流比。
8.一种基于权利要求7所述高硬度硝酸盐废水的回用装置的高硬度硝酸盐废水的回用工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将含钙含氮废水通过进水管道(9)通入一级脱氮脉冲池(1)；
步骤2，在一级脱氮脉冲池(1)内，废水进行第一级反硝化反应，NO3-N通过反硝化菌被还原为N2，同时产生碱度；反硝化过程产生的HCO3-碱度，通过脉冲曝气管曝气吹脱，转换为CO2和CO32-，废水中的Ca2+与CO32-结合形成晶体大颗粒，在脉冲混合搅拌和潜水搅拌的水力混合作用下，与絮状活性污泥分离，呈晶体悬浮颗粒状态；
在反硝化反应过程中，根据污泥特性值控制环形脉冲管的脉冲时间和强度：
SVI＝SV/Cx
V＝Q/Nr×CN/CX
q＝V/n/h×s
qi＝ni×ki×ri×q
其中，SVI为污泥容积指数，SV为污泥沉降比，CX表示污泥浓度MLSS，V表示脱氮脉冲池容积，Q表示处理水量，Nr表示脱氮负荷，CN表示NO3-N浓度，q表示脉冲平均供气量，n表示脱氮脉冲池的环形脉冲管总数量，h表示脱氮脉冲池有效水深，s表示脉冲强度，qi表示i级脱氮脉冲池供气量，ni表示i级脱氮脉冲池开启的环形脉冲管数量,ki表示i级脱氮脉冲池ORP氧化还原电位系数，ri表示i级分离池污泥回流比系数；
实时监测脱氮脉冲池出水管路中的ORP值，根据ORP值确定ORP氧化还原电位系数k；实时监测分离池污泥回流管路中的污泥回流量，得到污泥回流比系数r；实时监控脱氮脉冲池的污泥特性值，确定脱氮脉冲池环形脉冲管开启的数量；由脉冲平均供气量q0和修正系数ni、ki、ri得到i级脱氮脉冲池的脉冲供气量qi，根据脉冲供气量qi实时控制脱氮脉冲池环形曝气管的脉冲间歇时间和强度；
步骤3，经过一级脱氮脉冲池(1)的废水通过出水管自流到一级钙泥分离池(2)的中心布水区，中心布水区均布出水孔，废水进入一级钙泥分离池(2)进行泥水分离；钙泥分离池顶设刮泥机(27)，底部为污泥浓缩斗，一级污泥泵(14)的回流管路开启时，刮泥机(27)提升机构开启，将刮泥机和底部刮板及浓缩系统抬高，刮泥机以低速运转，一级污泥泵(14)开启回流管路，将大部分活性污泥回流至一级脱氮脉冲池(1)；一级污泥泵(14)开启排泥管路时，刮泥机(27)刮板降到池底，刮泥并压缩污泥，浓缩后的大部分碳酸钙污泥排入后续污泥处理系统；分离池污泥泵排泥或回流根据分离池实测的污泥容积指数SVI控制；
步骤4，一级钙泥分离池(2)出水再经过二级脱氮脉冲池(3)和二级钙泥分离池(4)处理，进一步去除废水中的NO3-N和Ca2+离子，二级脱氮脉冲池(3)与一级脱氮脉冲池(1)控制原理相同，二级钙泥分离池(4)与一级钙泥分离池(2)控制原理相同，通过监测数据反馈控制脱氮脉冲池的脉冲气量，以及分离池的排泥和污泥回流；二级钙泥分离池(4)的生化污泥通过污泥回流管路回流至二级脱氮脉冲池(3)，与二级脱氮脉冲池(3)进水混合，NO3-N在脱氮脉冲池进行反硝化，同时原废水进水补充一部分反硝化所需的碳源；
步骤5，活性污泥与钙化污泥分离后进入后续回用工艺；二级钙泥分离池(4)出水进入生化池(5)，通过好氧曝气，降解有机物COD，实时监控生化出水硝态氮来控制生化混合液回流比在50％-100％；
步骤6，生化池(5)出水通过膜池进水渠(6)流入MBR膜池(7)，MBR膜池(7)内的平板生物膜(8)去除废水中悬浮物、有机物，通过产水泵(28)抽吸MBR膜池(7)的出水得到产水，产水做中水回用；MBR膜池(7)设置回流渠，通过穿墙回流泵(24)实现污泥内回流，回流比通过监测膜池(7)的膜池污泥容积指数SVI2、回流污泥浓度，以及生化池(5)污泥浓度而得；同时，回用工艺采用MBR膜池(7)外回流，即膜池的底污泥通过污泥泵打入脱氮脉冲池，回流比通过监测膜池污泥容积指数SVI、回流污泥浓度，以及MBR膜池污泥浓度而得。
Xr＝Y×106/SVI2
R内＝Z×Xs/(Xr-Xs)
R外＝Z×Xm/(Xr-Xm)
其中：Xr表示膜池回流污泥浓度，Y表示膜池膜组件布置均匀系数，SVI2表示膜池污泥容积指数，Z表示膜池的产水浊度系数，R内表示MBR膜池污泥内回流比，R外表示MBR膜池污泥外回流比，XS表示生化池污泥浓度，Xm表示膜池污泥浓度。
9.根据权利要求8所述高硬度硝酸盐废水的回用工艺，其特征在于：潜水搅拌机(10)的可变频调整搅拌功率密度8-26W/m3。
10.根据权利要求9所述高硬度硝酸盐废水的回用工艺，其特征在于：脱氮脉冲池的水力混合流速保持在0.3-0.4m/s,溶解氧DO值在0.2-0.5mg/L。
说明书
一种高硬度硝酸盐废水的回用装置与工艺
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池行业含氟废水的生化处理改进及回用工艺，属于废水处理、水资源回收利用领域。
背景技术
太阳能电池行业酸碱蚀刻生产工序中，会产生的大量酸碱废水，废水中的污染物主要为氢氟酸、氟硅酸、硝酸等，废水含氟量高达2000mg/L以上，总氮一般约为400-600mg/L，常用处理工艺为氟化钙沉淀法，投加药剂为石灰乳和氯化钙，通过两级混凝反应沉淀去除氟离子，而总氮的去除则采用生化脱氮工艺。
现有工艺存在的主要问题有：除氟后的高硬度硝酸盐废水，含钙硬度高，生化污泥极易发生钙化现象，脱氮效率低，导致生化系统不稳定甚至瘫痪，高硬度废水会引起回用工艺装置的结垢或堵塞，深度回用处理难度大、维护成本高。
氟化钙沉淀法是物化处理工艺，废水成分复杂，水质水量多变，为了使F离子达标排放，Ca离子过量投加，受到物化反应效率以及人工现场操作的影响，除氟后出水含钙浓度仍可达到400-1500mg/L，这对后续的生化脱氮工艺是极为不利的。生化工艺段的Ca离子不能去除，不仅影响到自身脱氮效果，而且后续的中水回用系统也会增加投资和维护成本。
一般钙离子表现为水的硬度指标，除钙即水的软化，常用工艺有：膜分离法、离子交换法、电渗析法、过滤吸附法、化学沉淀法。
化学沉淀法需要添加化学药剂；膜法、吸附法等投资成本较高，且需定期更换耗材，仅适合小水量场合；离子交换、电渗析法等工艺设备结构复杂，运行维护操作难度高，处理不当就会产生二次污染。所以，针对含氮高钙废水，需要一套简单经济的处理工艺来长期稳定有效的脱氮除钙，并达到回用要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有工艺技术中的问题，本发明提供了一种高硬度硝酸盐废水的回用装置与工艺，在不加药的情况下，优化系统控制，降低生化系统中的钙离子浓度，保证脱氮效率，解决含钙废水的难脱氮、难回用的工艺缺陷，提供了一种经济高效的处理及回用工艺方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高硬度硝酸盐废水的回用装置，包括脱氮脉冲池、钙泥分离池、生化池、MBR膜池，所述脱氮脉冲池为推流加完全混合的复合池型，所述脱氮脉冲池包括一级脱氮脉冲池和二级脱氮脉冲池，所述钙泥分离池包括一级钙泥分离池和二级钙泥分离池，所述钙泥分离池包括中心布水区、中部分离区、底部浓缩区，其中：
所述一级脱氮脉冲池的进水端与进水管路相连，所述一级脱氮脉冲池的出水端通过出水管与一级钙泥分离池的中心布水区连通。所述钙泥分离池的顶部安装有刮泥机，钙泥分离池的底部浓缩区设有出泥管，出泥管连接有一级污泥泵，一级污泥泵的出口连接有一级污泥回流管路和排泥管路，一级污泥回流管路连通一级脱氮脉冲池进水端，排泥管路为泵后管路连通后续污泥处理系统。所述一级钙泥分离池、二级脱氮脉冲池与二级钙泥分离池依次相连，且所述一级钙泥分离池的出水端与超越管路进水端连接，所述一级脱氮脉冲池、二级脱氮脉冲池内均设有潜水搅拌机，所述一级脱氮脉冲池、二级脱氮脉冲池的池底均布有环形脉冲管路，所述二级钙泥分离池底部与二级污泥泵连通，二级污泥泵出口连接二级污泥回流管路和排泥管路，二级污泥回流管路连接在二级脱氮脉冲池的进水端。
所述生化池进水管路分别与超越管路出水端以及二级钙泥分离池出水管路出水端连接，所述生化池的出水两侧设置有生化回流泵，所述回流泵连通生化回流管路，所述生化回流管路分别连接一级脱氮脉冲池和二级脱氮脉冲池，生化池出水经膜池进水渠进入MBR膜池，所述MBR膜池内的每组膜池一端设进水闸门，另一端设穿墙回流泵连接穿墙回流管，穿墙回流管与生化池进水口连接。所述MBR膜池池底泥坑接膜池回流泵，膜池回流泵出口通过膜池回流管路分别与一级脱氮脉冲池、二级脱氮脉冲池连通，剩余污泥由排泥管路排出。
所述MBR膜池出水汇集总管连接产水泵，所述产水回用管路与产水泵连接。
优选的：所述一级脱氮脉冲池和二级脱氮脉冲池内设多组独立且相通的环形脉冲管路，环形脉冲管路的脉冲强度控制在0.01-0.04m3/min﹒m2，每组环形脉冲管路的脉冲强度和脉冲时间可以实时调控。
优选的：所述潜水搅拌机为变频控制电机，所述潜水搅拌机设置有漏水和过热保护系统。
优选的：所述刮泥机为周边传动半桥式，于桥体相连的刮泥板采用的是对数螺旋线式，且刮泥机带有提升和浓缩功能。
所述两级脉冲+两级分离工艺，分级排除系统钙化污泥，提高脱氮效率，可适应高Ca离子浓度1000-1500mg/L，同时，低钙浓度污泥可适当回流，回流可实时控制。
所述一级钙泥分离池出水设置超越管路，系统一级脉冲和分离处理后，钙离子浓度在100mg/L以下，则出水可直接进入生化池。
优选的：所述一级钙泥分离池和二级钙泥分离池的进水污泥容积指数SVI在20-50之间，则一级污泥泵和二级污泥泵排泥。污泥容积指数SVI在20以下，则停止排泥。污泥容积指数SVI在50-150之间，则脱氮脉冲池按补泥操作，分离池控制污泥回流。污泥容积指数SVI在150以上，则污泥回流加大至100％，并降低脉冲强度和时间。
所述生化池出水端分别设置了回流渠和膜池进水渠，采用穿墙泵回流生化污泥；并设置了混合液内回流，内回流比值与废水中硝态氮浓度呈正比关系，可实时调控。
优选的：所述MBR膜池采用的是平板生物膜组件，膜通量最少达到0.3m3/m2﹒d，并采用在线空气擦洗和化学清洗的方式，膜清洗周期在3个月以上，膜的使用寿命可达5年以上。
优选的：所述MBR膜池设置污泥回流到两级脱氮脉冲池，所述MBR膜池的污泥回流比在100-200％，通过监测膜池污泥浓度和浊度，控制污泥回流比。
一种高硬度硝酸盐废水的回用工艺，包括以下步骤：
步骤1，将含钙含氮废水通过进水管道通入一级脱氮脉冲池。
步骤2，在一级脱氮脉冲池内，废水进行第一级反硝化反应，NO3-N通过反硝化菌被还原为N2，同时产生碱度。反硝化过程产生的HCO3-碱度，通过脉冲曝气管曝气吹脱，转换为CO2和CO32-，废水中的Ca2+与CO32-结合形成晶体大颗粒，在脉冲混合搅拌和潜水搅拌的水力混合作用下，与絮状活性污泥分离，呈晶体悬浮颗粒状态。
在反硝化反应过程中，根据污泥特性值控制环形脉冲管的脉冲时间和强度：
SVI＝SV/Cx
V＝Q/Nr×CN/CX
q＝V/n/h×s
qi＝ni×ki×ri×q
其中，SVI为污泥容积指数，SV为污泥沉降比，CX表示污泥浓度MLSS，V表示脱氮脉冲池容积，Q表示处理水量，Nr表示脱氮负荷，CN表示NO3-N浓度，q表示脉冲平均供气量，n表示脱氮脉冲池的环形脉冲管总数量，h表示脱氮脉冲池有效水深，s表示脉冲强度，qi表示i级脱氮脉冲池供气量，ni表示i级脱氮脉冲池开启的环形脉冲管数量,ki表示i级脱氮脉冲池ORP氧化还原电位系数，ri表示i级分离池污泥回流比系数。
实时监测脱氮脉冲池出水管路中的ORP值，根据ORP值确定ORP氧化还原电位系数k。实时监测分离池污泥回流管路中的污泥回流量，得到污泥回流比系数r。实时监控脱氮脉冲池的污泥特性值，确定脱氮脉冲池环形脉冲管开启的数量。由脉冲平均供气量q0和修正系数ni、ki、ri得到i级脱氮脉冲池的脉冲供气量qi，根据脉冲供气量qi实时控制脱氮脉冲池环形曝气管的脉冲间歇时间和强度。
步骤3，经过一级脱氮脉冲池的废水通过出水管自流到一级钙泥分离池的中心布水区，中心布水区均布出水孔，废水进入一级钙泥分离池进行泥水分离。钙泥分离池顶设刮泥机，底部为污泥浓缩斗，一级污泥泵的回流管路开启时，刮泥机提升机构开启，将刮泥机和底部刮板及浓缩系统抬高，刮泥机以低速运转，一级污泥泵开启回流管路，将大部分活性污泥回流至一级脱氮脉冲池。一级污泥泵开启排泥管路时，刮泥机刮板降到池底，刮泥并压缩污泥，浓缩后的大部分碳酸钙污泥排入后续污泥处理系统。分离池污泥泵排泥或回流根据分离池实测的污泥容积指数SVI控制。
步骤4，一级钙泥分离池出水再经过二级脱氮脉冲池和二级钙泥分离池处理，进一步去除废水中的NO3-N和Ca2+离子，二级脱氮脉冲池与一级脱氮脉冲池控制原理相同，二级钙泥分离池与一级钙泥分离池控制原理相同，通过监测数据反馈控制脱氮脉冲池的脉冲气量，以及分离池的排泥和污泥回流。二级钙泥分离池的生化污泥通过污泥回流管路回流至二级脱氮脉冲池，与二级脱氮脉冲池进水混合，NO3-N在脱氮脉冲池进行反硝化，同时原废水进水补充一部分反硝化所需的碳源。通过两级控制，排除物化含钙污泥，留住生化活性污泥。生化污泥通过污泥回流管路回流至前端脱氮脉冲池，与脱氮脉冲池进水混合，NO3-N在脱氮脉冲池进行反硝化，同时原废水进水可补充一部分反硝化所需的碳源，生化污泥回流保证了活性污泥浓度，有利于反硝化菌群保持活性。
步骤5，活性污泥与钙化污泥分离后进入后续回用工艺。二级钙泥分离池出水进入生化池，通过好氧曝气，降解有机物COD，实时监控生化出水硝态氮来控制生化混合液回流比在50％-100％。
步骤6，生化池出水通过膜池进水渠流入MBR膜池，MBR膜池内的平板生物膜去除废水中悬浮物、有机物，有机物和SS的去除率可达85％以上，通过产水泵抽吸MBR膜池的出水得到产水，产水做中水回用。MBR膜池设置回流渠，通过穿墙回流泵实现污泥内回流，回流比通过监测膜池的膜池污泥容积指数SVI2、回流污泥浓度，以及生化池污泥浓度而得。同时，回用工艺采用MBR膜池外回流，即膜池的底污泥通过污泥泵打入脱氮脉冲池，回流比通过监测膜池污泥容积指数SVI、回流污泥浓度，以及MBR膜池污泥浓度而得。
Xr＝Y×106/SVI2
R内＝Z×Xs/(Xr-Xs)
R外＝Z×Xm/(Xr-Xm)
其中：Xr表示膜池回流污泥浓度，Y表示膜池膜组件布置均匀系数，SVI2表示膜池污泥容积指数，Z表示膜池的产水浊度系数，R内表示MBR膜池污泥内回流比，R外表示MBR膜池污泥外回流比，XS表示生化池污泥浓度，Xm表示膜池污泥浓度。
优选的：实时监控各级工艺段的污泥浓度，潜水搅拌机的可变频调整搅拌功率密度8-26W/m3。化脱氮脉冲池内水力流态和氧气传递环境，使脱氮脉冲池的水力混合流速保持在0.3-0.4m/s,溶解氧DO值在0.2-0.5mg/L。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.每个脱氮脉冲池后设置了钙泥分离池，分段控制，脉冲搅拌可实时自动控制，而分离池增设了浓缩区，改进了刮泥机的运行方式，可以在分离池同时实现污泥搅拌回流和浓缩排泥。两级串联，分级排泥和分质回流，同时脱氮除钙，系统稳定，效果好。
2.本发明克服了常规脱氮工艺的缺陷：如反硝化反应不充分，微生物活性不高，脱氮效率低，污泥易发生沉积，甚至生化污泥出现大量钙化而导致生化系统崩溃等，同时结合监测污泥特性反馈污泥的控制操作，解决了生化活性污泥和物化含钙污泥的分选难题。
3.将生物脱氮反应和化学除钙反应在两级脱氮脉冲池充分完成，化学污泥和生物污泥两种污泥在分离池分离，通过工艺各段的污泥回流的补泥控制，本发明工艺不仅可以去除有机物COD、悬浮物SS等污染，还可以高效脱除NO3-N，同时在进生化池之前，最大限度的去除废水中的Ca离子，确保生化污泥不受钙化影响，维持较高污泥生物活性，保证后续MBR膜池回用系统的稳定。其适用范围广、耐冲击负荷，能适应不同水质水量的变化，运行成本低、出水水质好。
4.本发明实现了工艺的优化控制、无需添加化学药剂、同时脱氮除钙，分离物化污泥和生化污泥，去除效率高，工艺自动化控制程度高，操作简单，维护方便，运行成熟稳定。
发明人 （张子种;仝辉;张隽;袁香;戴美新;沈岗;徐建功;）
