Engelbart SST生化工艺处理丁腈医用手套生产废水的应用

刘海峰

(陕西核地环保科技有限公司，陕西 西安 710024)

1 引言

2020年以来，一次性丁腈医疗手套的需求激增，国内新增大量的丁腈手套生产线并陆续投产。丁腈手套在生产过程中会添加多种化学原料，包括：丁腈胶乳、硫磺、氧化锌、氢氧化钾、氨水、促进剂、防老剂、钛白粉、各种色料、稳定剂、氯气、易脱模剂、硝酸、碱性洗模剂、湿润剂、凝固剂、消泡剂、隔离剂等，生产废水成分复杂，污染物种类多，废水中COD、氨氮、总氮、SS浓度较高，可生化性差，处理难度较大[1]。环保工作者开展了大量的研究和实践，取得了较多的研究成果和工程实践经验[2]。田园等尝试以Fenton试剂对高浓度丁腈胶乳生产废水进行预处理，通过考察并优化各项工艺条件，探讨方法的可行性[3]。余健、侍路梦等通过AAO+MBR工艺实践，认为该工艺存在“需要投加碳源来保障总氮出水、总氮去除率低、曝气量大导致能耗高等”应用问题[4，5]。刘水等采用“气浮+臭氧氧化+水解酸化+两级A/O+二沉+砂滤”的组合工艺处理丁腈医用手套生产废水,出水能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准[6]，但工程投资大、管理复杂。赵敏开展了“高级氧化 + 活性污泥法”处理丁腈橡胶生产废水的研究[7]。施翼杰采用混合式反应器和隔膜式反应器，通过电化学方法进行水中高浓度硝酸根离子去除的研究，认为该法具有较高的硝酸根去除率，但存在不少副产物[8]。殷文翔采用MBR-CANON工艺处理高浓度氨氮废水，并将COD异养反硝化引入反应器，实验研究认为反硝化与 CANON 工艺协同作用能达到更高的脱氮效果，反硝化脱氮占总氮去除比例随 COD上升而增大[9]。中石化洛阳工程公司开发的固定化高效生物脱氮技术，采用轻质高分子填料为载体，工艺脱氮效果优异,总氮去除率可达93%[10]。王晨晨用混凝沉淀、溶气气浮、铁碳微电解、EGSB反应器、缺氧好氧法处理丁腈乳胶手套生产废水，工程实例取得较好效果[11]。豆子波、潘建通等采用生物倍增工艺处理工业区污水和高浓度有机废水，应用实践取得了良好的经济和环境效益[12，13]。综合分析前述研究成果，要么工艺流程复杂、工程投资大、管理难度高；要么在污染物处理效果上难以达到越来越严格的环保要求。

本应用基于恩格拜公司SST技术开发的一体化污水处理设备，对丁腈医用手套生产废水进行处理，并对运行情况进行验证。以期为同类丁腈手套生产废水处理工程设计、运行等提供一定的参考。

2 工程概况

山东省某医疗制品有限公司主要从事医疗级塑胶手套、医疗级乳胶手套、PE手套、丁腈手套及其他医疗制品的生产和销售业务。2020年新建4条丁腈手套生产线，年产高端丁腈医疗手套 500亿支，废水产生量约为3210840 m3/a(9729.82 m3/d)，配套建设15000 m3/d 污水处理站一座，废水经处理后达到《橡胶制品工业污染物排放标准》(GB27632-2011)间接排放限值后进入工业园区污水处理厂。

3 处理工艺

3.1 设计进出水水质

根据原水水质监测报告及污染物来源分析，该生产废水含有丁腈乳胶颗粒、丙烯氰、油类等大分子有机物，悬浮物、COD、硝态氮及总氮浓度均较高，具有一定生物毒性，可生化性差，属于较难生化处理的污水。水量受生产经营约束，波动幅度大。污水站进水水质情况如表1所示。设计出水水质满足《橡胶制品工业污染物排放标准》(GB27632-2011)间接排放限值，具体指标见表 2。

表1 污水站进水水质

3.2 工艺方案

根据表1所示的进水水质，本工艺以去除难降解的COD和脱氮为主。对于COD的去除，由于进入污水站的废水中含有大量大分子有机物，COD浓度较大。通常认为，BOD5/COD可预测综合污水的可生物降解性[14]。本工程BOD5/COD平均低于0.3，属难以生物降解废水，采用常规生化处理工艺，很难保证出水COD达标。此外，BOD5偏低还会影响污泥生长，导致污泥沉降性能差、污泥无机化和出水SS含量高[15]。为了改善生化条件，在污水生化处理工艺前端设置水解酸化池作为预处理，为后续的生物处理创造条件，并进一步降低悬浮物。

现有常用的污水生物脱氮工艺有AAO、氧化沟等传统工艺及短程硝化反硝化工艺[16]。AAO工艺应用最为广泛，技术成熟，可靠性高，出水水质稳定，但该工艺需要单独建设二次沉淀池，占地面积大，基建投资大，管理水平高，在常规运行下，脱氮效率一般只有70%左右。短程硝化反硝化是将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，不进行亚硝酸盐至硝酸盐的转化，直接进行反硝化反应，但实际运行中亚硝酸盐氮的积累非常困难，难以实现较好的脱氮效果[17]。生物倍增工艺(Bio-Doubling Process，BDP) 是一种高效生物污水处理技术，通过提高微生物处理效率，降低污水处理能耗，减少占地面积，简化操作管理及维护，增强处理稳定可靠性。在市政、化工、制药、造纸、养殖等多个行业得到广泛应用，尤其表现出在去除高浓度难降解物质方面的优势[18～20],氨氮去除率甚至可达100%。本工程TN浓度高，脱氮率要达到90%以上时，采用传统生物处理工艺，需要在缺氧池投加大量碳源，且动力费用大，很不经济[21]。因此，本工程采用engelbart SST一体化工艺设备作为二级处理工艺。工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程

4 Engelbart SST工艺及设备

4.1 Engelbart SST工艺介绍

engelbart SST生化技术是一种高效活性污泥处理技术，其前身为20世纪 70年代德国恩格拜博士所发明并命名的BioDopp(生物倍增)技术。于2003年首次引入中国，采用工艺包的模式进行推广，之后在市政、化工、制药、造纸、养殖等多个行业拥有示范工程。2015年，恩格拜博士带领中德科研人员和工程师，吸取在不同行业水处理应用的经验和教训，对原BioDopp 工艺进行了持续改进，形成了全新的 engelbart SST 生化技术。相对于原有 BioDopp技术，其工艺和设备的缺陷被逐一改进，其优势被进一步持续提高。

4.2 Engelbart SST一体化设备

Engelbart SST工艺采用—体化结构，将不同处理功能的单元集中于同一生物反应池中，流程简单占地面积小，无需厌氧好氧交替运行，既有较好的COD去除效果，又有较好的脱氮效果[22]。一体化处理设备由一座一体化水池组成，通过在池体内设置隔墙，将池体划分为若干功能区域，包括：气提区、生化区、澄清区3部分，如图2所示。

图2 Engelbart SST一体化设备工艺示意

气提区内设置气提回流管，依靠风机产生的空气为动力源，通过曝气改变局部水体密度，从而在特殊的池体结构下提高充气区液面来推动水体流动。

生化区池底布置曝气软管，曝气软管采用聚氨酯材质，氧利用率可达50%～60%，同时可实现不停机更换；生化区中部设置在线溶解氧监测仪器，实时监测池内DO值，并反馈给曝气风机，通过变频或时间控制保证DO在设计范围内[23]。

分离澄清区内设置VR/VF 2种不同形式填料，混合液通过填料后，清水通过出水堰流出设备，污泥则随水流继续循环。

4.3 Engelbart SST工艺特点

Engelbart SST生化技术是一种低溶解氧的高浓度活性污泥工艺,不仅继承了传统生物处理工艺的优点，同时还克服了其缺点：

具有氧化沟大流量循环回流的优点，克服了氧化沟供氧效率低的缺点；

具有AAO工艺脱氮除磷的优点，克服了AAO污泥容易膨胀或老化的缺点；

具有SBR或MBR培养高浓度活性污泥的优点，克服了SBR或MBR污泥驯化难的缺点。

具有工艺流程短、布局紧凑、处理效率高、能耗低、管理和维护方便的特点。

4.3.1 特殊的控制条件下(低溶氧，高污泥浓度)实现同步硝化和反硝化

传统活性污泥法需要较多的溶解氧，曝气量大，动力消耗大。Engelbart SST工艺是一种先进的活性污泥法，采用独特的高效恩格拜曝气技术，选择的风机相对较小，节能效果明显，能耗较低。在通气量较低的情况下，能够形成1 mm左右的微小气泡，产生的活性污泥絮体颗粒较小，溶解性的有机物与DO能够充分接触，在较短时间、较小的反应区完成硝化过程；同时，污水中的溶解氧被快速消耗，有利于后续的反硝化反应彻底进行。

4.3.2 专用气提技术提高回流比

传统生物处理技术回流比仅为1∶3，Engelbart SST工艺通过专有气提技术，将曝气管高密度均匀打孔，并将其均匀布置在污水池底部，产生直径1 mm左右的气泡，能在低能耗的情况下达到更高的回流比(10～100倍)。同时，缓慢上升的气泡与污水的接触面积显著增大，氧传质效能提升，使进水污染物浓度在较短时间内快速降低，有利于减少活性污泥负荷，为微生物的生长和繁殖提供一个更加稳定的环境。

4.3.3 专有快速澄清系统，大幅降低污泥产出

Engelbart SST生物工艺采用了快速澄清系统，使用高效新型VF填料和特殊设计，比传统斜板填料更接近理想状态，水力分布更均匀，水流上升过程不断改变方向，活性污泥由于惯性作用被截留，固液分离效率得到提升。同时，气提技术确保回流污泥再次循环回系统，而不是积沉在填料下面，保证了出水水质稳定。该构造无需回流污泥泵，极大的降低了回流能耗，并且无需二沉池或其它类似处理单元，节约了占地面积。是一种高效低能耗的工艺。

5 工程调试及运行效果

5.1 主要运行参数

Engelbart SST工艺是一种新型活性污泥处理技术。所有微生物同处于一体化设备池中，在空间上没有明显的缺氧区和好氧区划分，溶解氧的控制对同步硝化反硝化作用效果尤为重要。

当DO<0.3 mg/L时，硝化过不充分，NH3-N会因没有反应而出现超标；

当DO>0.48 mg/L时，过多的DO会进入活性污泥絮体，破坏絮体内缺氧环境；

当DO为0.3～0.4 mg/L时，硝化效果明显好转，SND率提高。

通过SST一体化设备池内的DO在线监测仪，将DO浓度实时反馈给自动控制系统，由自动控制系统自动调整曝气风机的启停和频率，实现一体化设备池内DO的精准控制，节省能耗和优化好氧缺氧环境。实际运行中控制DO为0.3～0.5 mg/L。

一体化设备主要运行参数：MLSS为5600～8800 mg/L，HRT为12～15 h，回流比为1000%～2000%，污泥龄为20～25 d。

5.2 主要污染物去除效果

该工程自2020年12月份开始试运行以来，进水流量为270.8～404.2 m3/h，系统运行稳定，出水水质稳定可靠，满足排放限值要求。

(1)COD去除效果。在来水水质波动明显的情况下，选取运行期间连续两个月的数据进行分析，进水COD浓度为96.5～615 mg/L,设备出水COD浓度为12.35～73.19 mg/L,大部分情况下能保持在60 mg/L以下，远低于标准限值，COD平均去除率87.7%，结果见图 3。当进水COD发生较大波动时，出水COD并未出现大幅度跟随升降，这是因为系统属于大比例内循环，循环比超过25倍[24]，表明SST一体化设备抗冲击能力相对较强。

图3 COD进出水浓度及其去除率

(2)NH3-N去除效果。废水中的NH3-N主要来源于丁腈乳胶水解，通过生物硝化降解。设备进水NH3-N浓度为19.7～140 mg/L，平均进水浓度为100.9 mg/L，设备出水NH3-N平均浓度为4.55 mg/L，基本保持在10.0 mg/L以下，平均去除率为95.5%(图4)。

图4 NH3-N进出水浓度及其去除率

(3)TN去除效果。本工程总氮的组成为有机氮、氨氮、硝态氮3种类型。有机氮主要来源于丁腈乳胶，颗粒态占据大部分，溶解态占据小部分，在水解酸化和气浮阶段，可以去除大部分颗粒悬浮物。研究期间，TN进水浓度为80.6～826 mg/L,出水TN浓度为6.37～41.3 mg/L，只有个别数值，由于自动控制系统对溶解氧的调节延迟，导致硝化反应不完全超标外，平均出水浓度为27.74 mg/L，远低于排放排限值。TN平均去除率为93.1%，如图5所示。

图5 TN进出水浓度及其去除率

(4)Engelbart SST工艺澄清区小气提独特的设计结构，充分利用了气源完成两相分离，出水SS<50 mg/L,完全满足排放要求。

6 结论

(1)Engelbart SST工艺流程简单，构筑物少，不需单独设置二沉池，一体化的结构布局可节省占地30%以上，降低了工程总投资。

(2)Engelbart SST一体化工艺，不需要设置回流污泥泵，极大的降低了回流能耗，并通过自动控制系统调节曝气量，使曝气能耗显著降低，平均运行能耗为0.24～0.33 kW·h/m3。

(3)工程自运行以来，在系统进水水质波动明显的情况下，除个别TN数值由于溶解氧的自动调整延迟超标外，运行稳定，有较强的抗冲击负荷能力，出水水质满足设计要求。

(4)本工程的实施可为一次性丁腈橡胶手套生产企业污水处理工程提供借鉴，但需具体分析实际情况，因地制宜地采取措施。