CASS+BAF工艺在合成氨废水处理中的应用

冯素敏，曹树余，秦晓玲

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018；3.河北省石油化工设计院有限公司，河北石家庄 050061)

中国传统合成氨工业具有吨氨废水排放量大、成分复杂等特点，在工程设计前，应首先对工艺生产装置实施清洁生产和废水的清污分流措施，尽量减少废水的排放量[1]。目前中国对该废水的生化处理法主要有A/O，CASS，A/MBR，BAF等工艺[2-4]，以上处理方法对有机物、氨氮和悬浮物均有较好的去除效果，基本能够做到稳定达标排放。为发展循环经济，提高水资源高效利用，实现废水零排放，尚需对废水增设深度处理措施。本文结合河北某合成氨企业废水排放特点，采用以“CASS+BAF”组合处理工艺[5]，经处理后的废水全部回用不外排。工程投运1年来，运行状态平稳，节水效果明显。

1 废水处理工程设计

1.1 工程概况

该企业合成氨生产能力为100 kt/a，其中液氨为50 kt/a、甲醇为40 kt/a、碳酸氢铵为40 kt/a。废水主要来自脱硫净化、压缩、变换、合成、甲醇等工段，废水量为200 m3/d，主要污染物为COD、氨氮、悬浮物和硫化物等，经处理后的出水水质达到GB/T 18920—2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》标准要求，具体设计进、出水指标见表1。

表1 主要污染物及指标

1.2 废水处理工艺

废水处理工艺流程见图1。

图1 废水处理工艺流程Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

厂区废水首先通过格栅去除较大悬浮物后进入调节池，经废水提升泵打入隔油沉淀池，出水自流到水解酸化池，再由废水提升泵打入CASS反应池进行曝气、沉淀滗水、上清液滗水到中间水池，后经中间水泵打入曝气生物滤池(BAF)，出水入回用水池，经杀菌处理后由回用水泵打入厂区各回用水点。隔油沉淀池产生的沉渣和CASS反应池产生的剩余活性污泥分别通过排泥泵定期打入污泥浓缩罐，浓缩后的污泥进入污泥干化场。

2 主要设备及构筑物设计

调节池 调节池主要起均衡水质和水量的作用。本工程采用预曝气调节池，通过鼓入适量空气防止比重较大的颗粒沉积，停留时间为12h，地下钢筋混凝土结构，池内设2台废水提升泵，开1备1。

隔油沉淀池 隔油沉淀池采用平流式，其作用是去除部分浮油和悬浮物，停留时间为1.5h，表面设计负荷q′=2.0m3/(m2·h)。

水解酸化池 主要是通过水解酸化菌的作用将废水中难降解的大分子有机物转化为易降解的小分子有机物，从而提高后续处理的可生化性[6]。本工程水解酸化池内置组合填料。COD容积负荷Nv=2kg/(m3·d)，水力停留时间为14.4h。

CASS反应池 循环式活性污泥系统(cyclicactivatedsludgesystem，CASS)是废水处理系统核心构筑物之一，CASS工艺是好氧/缺氧/厌氧交替运行的过程，主要去除废水中的COD、氨氮以及SS等污染物质[1]。该反应池设有生物选择区、兼氧区和主反应区，同时设污泥回流。CASS池共设2座，并联交替运行。

主要设计参数[7]：COD容积负荷为0.5kg/(m3·d)，BOD5污泥负荷为0.15kg/(kg·d)，混合液污泥质量浓度为3.5～4.0g/L，两格池子按程序交替运行，每格工作周期为8h，其中进水1h，曝气5h，沉淀1h，滗水1h。池内最大水深4.0m，换水深度约1/3，设污泥回流泵1台(兼剩余污泥泵)。

中间水池 中间水池起到CASS池间歇出水与BAF连续进水的中间调节作用。水力停留时间为14.5h，内设中间水泵2台，开1备1。

BAF池 曝气生物滤池(biologicalaeratedfilter，BAF)是废水处理系统又一核心构筑物，该工艺充分借鉴了废水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思想，即需曝气、过滤速度高、截留悬浮物、需定期反冲洗等特点，并对COD、氨氮以及SS都有较高的去除效果。

主要设计参数[8]BOD5容积负荷为1kg/(m3·d)；布水区高度为1.2m；承托层采用鹅卵石，高度0.2m；滤料采用Φ3～8mm的球形陶粒，高度为2.5m。反洗采用气-水联合反冲洗，反冲洗时间为5min，空气反冲洗强度为60m3/(m2·h)，水反冲洗强度为25m3/(m2·h)。

回用水池 回用水池是废水处理系统的终端构筑物，水力停留时间为14.5h，废水经加药消毒后，由废水回用水泵提升回用于厂区绿化、冲厕、锅炉烟气除尘及循环水装置补水等。

主要设备及构筑物分别见表2、表3。

表2 主要设备一览表

表3 主要构筑物一览表

3 工程设计特点

本工程设计主要特点如下。

采用“预曝气调节池+隔油沉淀池+水解酸化池”作为预处理，即均衡了水质水量，去除废水中的油污和悬浮物，又提高了废水的可生化性，减轻了后续处理设施的负荷，使系统运行更加稳定。

CASS工艺具有建设费用低、运行操作灵活、去除有机物及脱氮效果好等优点。BAF工艺具有生物膜法的突出优点：即处理效率高、出水水质好、抗冲击负荷能力强、尤其对低浓度有机废水仍有较好的去除效果，且占地面积小、操作简单等。本工程设计采用“CASS+BAF” 组合工艺处理合成氨废水，利用两级生化处理、双重脱氮功能保证了出水中有机物、氨氮及SS的有效去除，出水水质满足回用水水质要求。

工程设计中将调节池、中间水池及回用水池设为地下式一体化构筑物，隔油沉淀池、水解酸化池及CASS反应池设为半地上一体化构筑物，即节省了工程造价，又减少了占地面积，整体布置紧凑合理，操作方便。

4 结果与讨论

4.1 调试结果

工程于2011年7月建成。为了缩短运行调试时间，CASS池采用接种污泥培养法，菌种污泥来自附近某城市污水处理厂的脱水泥饼，含水率80%，污泥总量为15 t。首先调整CASS池进水水质pH值为6.8～8.0，COD质量浓度为300～500 mg/L，NH3-N质量浓度为50～100 mg/L，其注水量为池容的2/3[9]。将菌种污泥投加到CASS池内，并依次按着曝气—沉淀—滗水—进水4个程序不间断运行，根据运行状况逐步提高进水COD和NH3-N的浓度。经过近2个月的运行调试，污泥沉降比逐渐达到了30%以上，COD和NH3-N去除率分别达到了85%和80%以上，基本进入了稳定运行阶段。

BAF池采用人工挂膜法，将适量菌种污泥投入到BAF池中，首先进行闷曝，间断进水，之后连续曝气、连续进水[10]。经过20多天的运行调试，BAF出水COD 和NH3-N去除率分别达到了75%和80%以上，且出水水质清澈、稳定。曝气生物滤池挂膜成功[11-12]。

工程调试过程中CASS池出水COD和NH3-N的浓度变化情况分别见图2和图3。BAF池出水COD和NH3-N的质量浓度变化情况分别见图4和图5。

图2 CASS池COD质量浓度的变化Fig.2 Change of COD concentration in CASS tank

图3 CASS池NH3-N质量浓度的变化Fig.3 Concentration variation of NH3-N in CASS tank

由图2和图3可知，在CASS池调试过程中，CASS池进水COD质量浓度由300 mg/L 逐步增高到1 000 mg/L左右，一个多月后，随着进水水质达到设计要求，出水COD质量浓度基本稳定在120 mg/L以下。去除率由50%提高到了85%以上。进水中NH3-N质量浓度由48 mg/L 逐步增高到250 mg/L左右，出水降到60 mg/L以下，去除率由30%逐步提高到75%。

图4 BAF池COD质量浓度的变化Fig.4 Change of COD concentration in BAF tank

图5 BAF池NH3-N质量浓度的变化Fig.5 Concentration variation of NH3-N in BAF tank

由图4和图5可知，在BAF池的调试过程中，CASS池的出水作为BAF池的进水，20 d后，BAF池出水COD质量浓度稳定维持在50 mg/L以下，去除率由37%提高到60%以上。出水中NH3-N质量浓度稳定维持在10 mg/L以下，去除率由30%逐步提高到80%。

4.2 运行结果

工程投运1年以来，设备运行正常，出水水质基本稳定。废水处理站进、出水水质的日常监测结果见表4。

表4 各污染物监测结果

由表4中数据可以看出， “CASS+BAF”组合工艺处理合成氨废水具有较好的工作稳定性，出水中COD，NH3-N及SS去除率分别达到的95%，97%，98%。

4.3 问题讨论

4.3.1 泡沫问题

泡沫问题是活性污泥法运行调试中的常见问题之一。CASS池调试初期产生大量泡沫，泡沫黏度大、稳定性强，最大高度可达50cm，其产生的主要原因是由于投加的菌种污泥中含有大量的絮凝药剂而引起的。针对此问题，采用喷水、降低曝气量、降低负荷等措施对泡沫进行有效控制[13]。同时，随着污泥浓度的增加使泡沫逐渐消失。

4.3.2 水温影响

该工程位于河北沿海地区，冬季室外最低温度降到-10 ℃以下，废水温度降至8 ℃左右，影响了微生物的正常生长，污泥生长缓慢，出水水质变差[14-15]。为解决该问题，引入了部分锅炉排污水来提高废水温度，使其维持正常运行。

5 效益分析

该工程总投资91.26万元，其中直接费用77.16万元，间接费用14.10万元。处理成本1.50元/t，投资费用4 563元/(t·d)。该项目实施后，每年削减COD，NH3-N污染物外排量分别为80.3t和17.5t，每年节约一次水约6万t，1t水按3元计算，节水费用共计18万元，体现良好的环境效益、经济效益和社会效益。

6 结 语

合成氨工业废水具有排放点多，成分复杂等特点，将“CASS+BAF”组合工艺应用于合成氨废水的末端治理，具有抗冲击负荷能力强、处理效果好、操作运行简便、投资省、能耗少等优点。工程实践表明：该组合工艺COD去除率达到95%，NH3-N的去除率达到97%，SS的去除率达到98%，具有较高的去除污染物质的能力，处理后的废水全部回用于厂区不外排，实现了废水的零排放，体现了良好的环境效益、经济效益和社会效益。

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