1 工程概况

河北某炭黑化工生产企业，年产10 万t 的炭黑。生产废水主要由炭黑生产废水及部分生活污水组成，废水中的主要污染物为油类、炭黑颗粒、CODCr和NH3-N 等。综合考虑炭黑生产方式和炭黑生产企业废水特点，设计采用混凝-气浮-两段生物接触氧化法为主的废水处理工艺。本文介绍了处理工艺流程和工艺设计特点，给出了主要构筑物的设计参数，分析了水温、DO 浓度等对运行效果的影响。

2 设计规模及进、出水水质

2．1 设计规模

污水处理站设计规模为2 000 m3/d，其中炭黑生产废水量为1 500 m3/d，生活污水量为500 m3/d。

2．2 设计进、出水水质

根据对各种污废水的随机采样检测结果，同时考虑厂区生活污水和生产废水的特点，进水水质按各项监测指标的最大值考虑，并保留适当余量。污水处理站出水水质按照GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准的要求执行。污水处理站进、出水水质见表1。

3 处理工艺流程及说明

炭黑生产废水中含有大量悬浮炭黑、油脂类、氰化物、硫化物、酚类等污染物［1］。炭黑颗粒直径约为10～100 nm，呈不规则三维扁平状结构［2］，表面极为粗糙，布满空隙［3］，如同多孔的海绵体。这种结构使炭黑具有良好的吸水、吸油性能，表现出既有亲水性，又有亲油性。炭黑生产废水特点：固体SS 多、油脂含量高、有机物含量高、可生化性好。污水处理站进水中含有厂区生活污水，生化性能较好，但水中油污和炭黑颗粒含量较高［4］，须首先采用混凝-气浮去除悬浮油污［5］。若污水处理站出水作为企业生产用水水源时，需根据污染程度考虑采用生化处理方法，充分降低水中的BOD5、CODCr及NH3-N 的浓度后方可使用。因此，污水处理站采用格栅-混凝-气浮-选择池-两段接触氧化-沉淀工艺处理废水，具体流程见图1。

厂区所有排放的生活污水先通过各级化粪池处理，再和生产废水一起通过机械格栅截留大块杂质和漂浮物后进入调节池，在此平衡水量，均调水质，然后用泵提升进入混凝气浮澄清池，通过投加絮凝剂、混凝剂和破乳剂进行气浮处理，浮渣排入浮渣池，出水自流至生化处理单元。

气浮出水首先进入选择池，为了防止沉淀物的积累及因缺氧产生异味，在池内设水下搅拌器，同时进行脱氮处理；选择池出水自流入工艺核心处理构筑物——两段生物接触氧化池，该池底部均布设专利高效微孔曝气管，外设低噪音三叶罗茨风机供气，为池中微生物提供充足的氧气，同时搅拌池水，防止沉淀。另外，池内设有高密度、易挂膜生物填料，提高池中微生物量［6］，扩大容积负荷，减小构筑物尺寸。经充分生化分解的废水，进入高效斜管沉淀池进行泥水分离，污泥下沉到集泥斗，通过排泥管排入集泥池，部分活性污泥需回流至选择池，多余污泥用泵抽至脱水间内的污泥浓缩池进行重力浓缩，上清液回流至调节池，底部高浓度污泥进行脱水处理，干泥定期外运处理，沉淀池出水进入中水处理站。

4 主要构筑物及设计参数

（1）格栅渠及格栅。格栅渠尺寸为5.0 m× 2.0m × 3．6 m，有效水深为0．9 m，钢筋混凝土结构。栅渠安装机械格栅1 台，有效宽度为1．28 m，栅条间距为0．8 m，安装角度为70°，功率为2．2 kW。

（2）调节池。地下式钢筋混凝土结构，尺寸为10.0m× 5.0m× 5.0m，有效水深为4.5m，HRT 为2.7h，设潜污泵3 台，2 用1 备，有效功率为5．5 kW。

（3）混凝气浮间。加药装置和气浮澄清设备均为框架式结构，其混凝气浮设备处理能力按110m3/h 设计，尺寸为14.0 m× 6．5 m× 5.0 m，组合气浮设备规格GF-30，溶气水量为6～10 m3/h，电机功率为7．5 kW，加气电机为0．75 kW，刮沫机功率为0．25 kW，水力表面负荷为3～6 m3/（m2·h），HRT 为15～30 min。

（4）选择池。半地上钢筋混凝土结构，尺寸为5.0 m× 3.0 m × 5.0 m，有效水深为4．5 m，池内设1套水下搅拌器。

（5）生物接触氧化池。2 座，半地上钢筋混凝土结构，一段生物接触氧化池尺寸为10．6 m× 5.0m × 5.0 m，有效水深为4．3 m，有效容积为227．9m3，容积负荷为1．2 × 103 kg ［BOD5］/（m3·d）［7 -8］，HRT 为2．7 h；二段接触氧化池尺寸为10．6 m× 4.0m × 5.0 m，有效水深为4．1 m，有效容积为173．8m3，容积负荷为1．2 × 103 kg［BOD5］/（m3·d），HRT为2．0 h；两池底安装穿孔曝气管，曝气量为500m3/h，氧利用率为20％～25％，曝气设备采用SLF-125 型的三叶变频罗茨风机2 台（1 用1 备），气水体积比为（15～20）∶ 1。装机功率为15 kW，池内设置纤维软性球状填料载体，直径为200 mm，填充体积为156 m3，填充高度为3 m，DO 的质量浓度为1～3 mg/L。

（6）沉淀池。1 座，半地上钢筋混凝土结构，尺寸为10.0 m× 6．5 m× 5.0 m，有效水深为4.0 m，有效容积为260 m3，表面负荷为1．1 m3/（m2·h），HRT为3．1 h。布水系统采用穿孔布水管，出水经上部收水管收集至汇水槽，水槽上部溢流出水。污泥斗角度为60°。沉淀池上部安装蜂窝斜管65 m2，材质为PVC，安装高度为1 m，斜管的安装倾角为60°。

5 设计特点

（1）本工程将炭黑工业废水处理后作为回用水，循环使用，基本达到废水零排放，不仅解决了企业的废水排放污染问题，而且节约了新鲜水量，具有较好的社会效益、环境效益和经济效益。

（2）废水处理采用以生物接触氧化为主的生物处理工艺，具有工艺成熟可靠、运行管理简单、出水水质稳定、运行成本低等特点。

（3）整个工艺遵循先易后难、梯级回用的原则，具有处理负荷高、耐冲击负荷强、不产生污泥膨胀，污泥产量少，运行稳定可靠，远程操控，无需污泥回流［9］。整体工程的投资少，占地面积小，工程采用变频控制电耗量大的设备（曝气鼓风机、水泵等），节省电耗，降低运行费。

6 运行效果

6．1 去除率分析

调试期间两段生物接触氧化工艺中CODCr、NH3-N 的浓度和去除率的变化情况分别见图2、图3。调试期间温度变化范围为15～30 ℃，平均温度为22 ℃，pH 值为7．0～8．0，流量为10～15 m3/h，DO 的质量浓度为1．8～3．0 mg/L，调试期间污泥体积指数（SVI）降低至160 mL/g，污泥沉降性能得到改善［10］。

由图2、图3 可知，两段生物接触氧化工艺进水CODCr、NH3-N 的浓度变化较大，在进水CODCr、NH3-N 的质量浓度分别为300 ～ 400、40 ～ 80 mg／ L的条件下，经系统处理调试后，出水CODCr、NH3-N的质量浓度分别为36～48、3～6 mg/L。两段生物接触氧化单元对CODCr的去除率可达到93％，对NH3-N 的去除率达到92％，出水均满足设计要求，且处理效果稳定。

6．2 影响因素

6.2.1温度

调试期间平均温度为22 ℃，在低温（＜15 ℃）和常温（22～25 ℃）下生物接触氧化工艺对炭黑废水处理效果见表2。

由表2 可知，低温条件下，生物接触氧化工艺对CODCr、NH3-N 的去除率较低。低温对硝化细菌的增长速率和活性都有很强的抑制作用，水温越低，硝化和反硝化反应越难进行。从工艺处理效率角度分析，常温下，一段接触氧化工艺对CODCr、NH3-N 贡献率分别为71％、68％；二段接触氧化工艺的贡献率分别为24％、30％。低温条件下一段接触氧化工艺对各种污染物的去除效率较常温下低。

6.2.2 DO浓度

不同DO 浓度下两段生物接触氧化工艺对CODCr、NH3-N 的去除率分别见图4、图5。

由图4 可知，当DO 的质量浓度为2．5 mg/L时，一段生物接触氧化池对CODCr、NH3-N 的去除率均达到最高，分别为89％、86%。因此，一段生物接触氧化池的较优DO 质量浓度为2．5 mg/L。

由图5 可知，当DO 的质量浓度为2．0 mg/L时，二段生物接触氧化池对CODCr的去除率为89％，DO 浓度继续升高，CODCr的去除率反而下降。当DO 的质量浓度为2．0～2．5 mg/L 时，NH3-N 均有较好的去除率，可达到80％以上。因此，二段生物接触氧化池的较优DO 质量浓度为2．0mg/L。

7 结论

采用混凝-气浮-两段接触氧化-沉淀组合工艺处理综合性炭黑废水，出水水质稳定达到炭黑企业生产工艺要求，废水经处理后循环使用，基本达到废水零排放，处理成本为1．49 元／ m3，每年减少废水排放约90 万m3，产生经济效益207．9 万元。

（1）两段接触氧化工艺对炭黑废水中CODCr和NH3-N 的去除率分别为93％和92％。其中一段工艺单元的去除率优于二段工艺单元，主要是微生物吸附降解起着较大的作用。

（2）低温条件下一段接触氧化工艺对污染物的去除效率较常温下低。一段接触氧化工艺对去除CODCr、NH3-N 的贡献率分别占71％、68％；二段接触氧化工艺分别占24％、30％。通过不同DO 浓度对比试验，一、二段生物接触氧化池的较优DO质量浓度分别是2．5 和2．0 mg/L。