1 工程概況

河北某炭黑化工生產企業，年產10 萬t 的炭黑。生產廢水主要由炭黑生產廢水及部分生活污水組成，廢水中的主要污染物為油類、炭黑顆粒、CODCr和NH3-N 等。綜合考慮炭黑生產方式和炭黑生產企業廢水特點，設計采用混凝-氣浮-兩段生物接觸氧化法為主的廢水處理工藝。本文介紹了處理工藝流程和工藝設計特點，給出了主要構筑物的設計參數，分析了水溫、DO 濃度等對運行效果的影響。

2 設計規模及進、出水水質

2．1 設計規模

污水處理站設計規模為2 000 m3/d，其中炭黑生產廢水量為1 500 m3/d，生活污水量為500 m3/d。

2．2 設計進、出水水質

根據對各種污廢水的隨機采樣檢測結果，同時考慮廠區生活污水和生產廢水的特點，進水水質按各項監測指標的最大值考慮，并保留適當余量。污水處理站出水水質按照GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A 標準的要求執行。污水處理站進、出水水質見表1。

3 處理工藝流程及說明

炭黑生產廢水中含有大量懸浮炭黑、油脂類、氰化物、硫化物、酚類等污染物［1］。炭黑顆粒直徑約為10～100 nm，呈不規則三維扁平狀結構［2］，表面極為粗糙，布滿空隙［3］，如同多孔的海綿體。這種結構使炭黑具有良好的吸水、吸油性能，表現出既有親水性，又有親油性。炭黑生產廢水特點：固體SS 多、油脂含量高、有機物含量高、可生化性好。污水處理站進水中含有廠區生活污水，生化性能較好，但水中油污和炭黑顆粒含量較高［4］，須首先采用混凝-氣浮去除懸浮油污［5］。若污水處理站出水作為企業生產用水水源時，需根據污染程度考慮采用生化處理方法，充分降低水中的BOD5、CODCr及NH3-N 的濃度后方可使用。因此，污水處理站采用格柵-混凝-氣浮-選擇池-兩段接觸氧化-沉淀工藝處理廢水，具體流程見圖1。

廠區所有排放的生活污水先通過各級化糞池處理，再和生產廢水一起通過機械格柵截留大塊雜質和漂浮物后進入調節池，在此平衡水量，均調水質，然后用泵提升進入混凝氣浮澄清池，通過投加絮凝劑、混凝劑和破乳劑進行氣浮處理，浮渣排入浮渣池，出水自流至生化處理單元。

氣浮出水首先進入選擇池，為了防止沉淀物的積累及因缺氧產生異味，在池內設水下攪拌器，同時進行脫氮處理；選擇池出水自流入工藝核心處理構筑物——兩段生物接觸氧化池，該池底部均布設專利高效微孔曝氣管，外設低噪音三葉羅茨風機供氣，為池中微生物提供充足的氧氣，同時攪拌池水，防止沉淀。另外，池內設有高密度、易掛膜生物填料，提高池中微生物量［6］，擴大容積負荷，減小構筑物尺寸。經充分生化分解的廢水，進入高效斜管沉淀池進行泥水分離，污泥下沉到集泥斗，通過排泥管排入集泥池，部分活性污泥需回流至選擇池，多余污泥用泵抽至脫水間內的污泥濃縮池進行重力濃縮，上清液回流至調節池，底部高濃度污泥進行脫水處理，干泥定期外運處理，沉淀池出水進入中水處理站。

4 主要構筑物及設計參數

（1）格柵渠及格柵。格柵渠尺寸為5.0 m× 2.0m × 3．6 m，有效水深為0．9 m，鋼筋混凝土結構。柵渠安裝機械格柵1 臺，有效寬度為1．28 m，柵條間距為0．8 m，安裝角度為70°，功率為2．2 kW。

（2）調節池。地下式鋼筋混凝土結構，尺寸為10.0m× 5.0m× 5.0m，有效水深為4.5m，HRT 為2.7h，設潛污泵3 臺，2 用1 備，有效功率為5．5 kW。

（3）混凝氣浮間。加藥裝置和氣浮澄清設備均為框架式結構，其混凝氣浮設備處理能力按110m3/h 設計，尺寸為14.0 m× 6．5 m× 5.0 m，組合氣浮設備規格GF-30，溶氣水量為6～10 m3/h，電機功率為7．5 kW，加氣電機為0．75 kW，刮沫機功率為0．25 kW，水力表面負荷為3～6 m3/（m2·h），HRT 為15～30 min。

（4）選擇池。半地上鋼筋混凝土結構，尺寸為5.0 m× 3.0 m × 5.0 m，有效水深為4．5 m，池內設1套水下攪拌器。

（5）生物接觸氧化池。2 座，半地上鋼筋混凝土結構，一段生物接觸氧化池尺寸為10．6 m× 5.0m × 5.0 m，有效水深為4．3 m，有效容積為227．9m3，容積負荷為1．2 × 103 kg ［BOD5］/（m3·d）［7 -8］，HRT 為2．7 h；二段接觸氧化池尺寸為10．6 m× 4.0m × 5.0 m，有效水深為4．1 m，有效容積為173．8m3，容積負荷為1．2 × 103 kg［BOD5］/（m3·d），HRT為2．0 h；兩池底安裝穿孔曝氣管，曝氣量為500m3/h，氧利用率為20％～25％，曝氣設備采用SLF-125 型的三葉變頻羅茨風機2 臺（1 用1 備），氣水體積比為（15～20）∶ 1。裝機功率為15 kW，池內設置纖維軟性球狀填料載體，直徑為200 mm，填充體積為156 m3，填充高度為3 m，DO 的質量濃度為1～3 mg/L。

（6）沉淀池。1 座，半地上鋼筋混凝土結構，尺寸為10.0 m× 6．5 m× 5.0 m，有效水深為4.0 m，有效容積為260 m3，表面負荷為1．1 m3/（m2·h），HRT為3．1 h。布水系統采用穿孔布水管，出水經上部收水管收集至匯水槽，水槽上部溢流出水。污泥斗角度為60°。沉淀池上部安裝蜂窩斜管65 m2，材質為PVC，安裝高度為1 m，斜管的安裝傾角為60°。

5 設計特點

（1）本工程將炭黑工業廢水處理后作為回用水，循環使用，基本達到廢水零排放，不僅解決了企業的廢水排放污染問題，而且節約了新鮮水量，具有較好的社會效益、環境效益和經濟效益。

（2）廢水處理采用以生物接觸氧化為主的生物處理工藝，具有工藝成熟可靠、運行管理簡單、出水水質穩定、運行成本低等特點。

（3）整個工藝遵循先易后難、梯級回用的原則，具有處理負荷高、耐沖擊負荷強、不產生污泥膨脹，污泥產量少，運行穩定可靠，遠程操控，無需污泥回流［9］。整體工程的投資少，占地面積小，工程采用變頻控制電耗量大的設備（曝氣鼓風機、水泵等），節省電耗，降低運行費。

6 運行效果

6．1 去除率分析

調試期間兩段生物接觸氧化工藝中CODCr、NH3-N 的濃度和去除率的變化情況分別見圖2、圖3。調試期間溫度變化范圍為15～30 ℃，平均溫度為22 ℃，pH 值為7．0～8．0，流量為10～15 m3/h，DO 的質量濃度為1．8～3．0 mg/L，調試期間污泥體積指數（SVI）降低至160 mL/g，污泥沉降性能得到改善［10］。

由圖2、圖3 可知，兩段生物接觸氧化工藝進水CODCr、NH3-N 的濃度變化較大，在進水CODCr、NH3-N 的質量濃度分別為300 ~ 400、40 ~ 80 mg／ L的條件下，經系統處理調試后，出水CODCr、NH3-N的質量濃度分別為36～48、3～6 mg/L。兩段生物接觸氧化單元對CODCr的去除率可達到93％，對NH3-N 的去除率達到92％，出水均滿足設計要求，且處理效果穩定。

6．2 影響因素

6.2.1溫度

調試期間平均溫度為22 ℃，在低溫（＜15 ℃）和常溫（22～25 ℃）下生物接觸氧化工藝對炭黑廢水處理效果見表2。

由表2 可知，低溫條件下，生物接觸氧化工藝對CODCr、NH3-N 的去除率較低。低溫對硝化細菌的增長速率和活性都有很強的抑制作用，水溫越低，硝化和反硝化反應越難進行。從工藝處理效率角度分析，常溫下，一段接觸氧化工藝對CODCr、NH3-N 貢獻率分別為71％、68％；二段接觸氧化工藝的貢獻率分別為24％、30％。低溫條件下一段接觸氧化工藝對各種污染物的去除效率較常溫下低。

6.2.2 DO濃度

不同DO 濃度下兩段生物接觸氧化工藝對CODCr、NH3-N 的去除率分別見圖4、圖5。

由圖4 可知，當DO 的質量濃度為2．5 mg/L時，一段生物接觸氧化池對CODCr、NH3-N 的去除率均達到最高，分別為89％、86%。因此，一段生物接觸氧化池的較優DO 質量濃度為2．5 mg/L。

由圖5 可知，當DO 的質量濃度為2．0 mg/L時，二段生物接觸氧化池對CODCr的去除率為89％，DO 濃度繼續升高，CODCr的去除率反而下降。當DO 的質量濃度為2．0～2．5 mg/L 時，NH3-N 均有較好的去除率，可達到80％以上。因此，二段生物接觸氧化池的較優DO 質量濃度為2．0mg/L。

7 結論

采用混凝-氣浮-兩段接觸氧化-沉淀組合工藝處理綜合性炭黑廢水，出水水質穩定達到炭黑企業生產工藝要求，廢水經處理后循環使用，基本達到廢水零排放，處理成本為1．49 元／ m3，每年減少廢水排放約90 萬m3，產生經濟效益207．9 萬元。

（1）兩段接觸氧化工藝對炭黑廢水中CODCr和NH3-N 的去除率分別為93％和92％。其中一段工藝單元的去除率優于二段工藝單元，主要是微生物吸附降解起著較大的作用。

（2）低溫條件下一段接觸氧化工藝對污染物的去除效率較常溫下低。一段接觸氧化工藝對去除CODCr、NH3-N 的貢獻率分別占71％、68％；二段接觸氧化工藝分別占24％、30％。通過不同DO 濃度對比試驗，一、二段生物接觸氧化池的較優DO質量濃度分別是2．5 和2．0 mg/L。