1、工程概況
光伏是基于半導體技術和新能源需求而興起的朝陽產業。針對光伏、風電、水電、核電、生物質等細分可再生能源領域，光伏行業在我國“十三五”期間發電量復合增速為55%，遠高于其他種類可再生能源的增速（4%~22%）。截至2017年底，我國光伏裝機已經達到1.3×108kW，提前3年完成“十三五”規劃的1.05×108kW目標。考慮到光伏行業高效電池與單晶多晶大硅片生產對分布式太陽能發電、新能源汽車等行業的支撐作用，以及助力社會實現可持續發展及碳中和目標，預期光伏產業在未來一段時間內將繼續保持快速增長。
快速發展的光伏產業面臨大量廢水產生及處理問題。在單晶硅片或者多晶硅片生產過程的制絨、磷擴散、刻蝕、酸洗等環節，因大量使用氫氟酸、硝酸、三氯氧磷及異丙醇等化學物質，從而使得光伏廢水往往具有高硝酸根、高含氟、pH波動大的特征，給光伏廢水的處理尤其是總氮達標帶來了挑戰。
江蘇省某光伏廢水處理工程為改建項目，設計處理規模為6000m3/d，出水水質要求達到《電池工業污染物排放標準》（GB30484—2013）的間接排放標準。該項目原采用一級AO工藝，無法滿足排放要求，擬采用二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝進行改建，對現有脫氮系統進行升級改造。在現有一級A/O系統前增設二級除氟系統和反硝化顆粒污泥高效脫氮反應器，經處理后廢水進入A/O池進一步對剩余氨氮、硝氮和COD進行處理，最終實現達標排放。
2、進、出水水質及工藝選擇
該項目設計處理規模為6000m3/d，遠期規模可達到2×104m3/d。設計進、出水水質見表1，出水水質需滿足《電池工業污染物排放標準》（GB30484—2013）的間接排放標準。
廢水具有高NO3--N、高F的典型特征，其中碳氮比嚴重失調、pH偏酸性，導致傳統脫氮工藝效果難以滿足需求。
由表1可以看出，該工程污染物去除重點是TN和F-。原處理工藝主要流程：廢水進入調節池后經泵提升至沉淀池，在沉淀池調理槽中加入消石灰進行中和反應，調節酸性廢水的pH，同時形成CaF2沉淀，去除廢水中的F-；含有沉淀物的混合液，進入平流沉淀池進行沉淀；沉淀池設置刮泥機，將底部沉淀刮至污泥斗后再排出沉淀池。經一次沉淀后的廢水進入混凝反應段，在混凝反應段先后加入PAC、PAM后進入沉淀區，出水進入生化池A段，底部沉淀被刮至污泥斗后再排出沉淀池。生化系統采用傳統的二級A/O工藝，A段將廢水中的復雜有機物水解成簡單的有機小分子，O段活性污泥將廢水中的有機污染物降解，部分混合液回流至A段進行脫氮，二級A/O系統的泥水混合物自流進入二沉池。二沉池采用豎流式斜管沉淀池，底部設置污泥斗收集剩余污泥，并通過泵排出二沉池，進入A池前段。二沉池出水自流進入中間水池，然后提升至過濾系統進行過濾，廢水中的懸浮物被截留在填料層，清水達標排放。
沉淀池、混凝沉淀池和二沉池底部污泥收集至污泥池，經泵輸送至壓濾機進行污泥脫水，脫水后的泥餅外運。濾液收集后回到原系統重新處理，避免二次污染。
在實際運行過程中，原處理系統出水水質難以達到排放標準，主要原因如下：
①廢水中NO3--N濃度太高，原缺氧池容積較小，造成反硝化氮負荷過高，常規反硝化池的氮負荷約0.5kg/（m3·d），而該項目若全部6000m3/d水進入系統，則氮負荷將達到1.2kg/（m3·d）；
②傳統A/O池的污泥濃度受限，造成A池無法承擔更高的負荷；
③原系統碳源投加難于實現自動控制，經常有投加量不足的情況出現。
可見，原系統不能滿足6000m3/d的廢水處理要求，需進行擴容或改造，但由于現場可利用空間有限，如果采用原工藝流程則需增加1.5倍的池容，現場不具備條件。為此，需選用高負荷脫氮技術，以節省占地。
提高系統脫氮負荷可通過提升反硝化微生物量來實現，具體包括直接投加反硝化菌或者顆粒污泥等。孫征超直接投加反硝化菌19.4g/（m3·d），以強化一級脫氮池反硝化效果，出水總氮從70mg/L降到10mg/L，然而長期投加外源菌種經濟成本較高。反硝化顆粒污泥技術利用顆粒污泥優良的沉降性能，可提升反應器污泥濃度，同時啟動后無需外加菌劑。綜上考慮，該項目選擇高效脫氮反應器（DNR），利用反硝化顆粒污泥技術，氮負荷可以達到6kg/（m3·d）以上，且脫氮效果好、運行穩定、占地節約。
改造后的工藝流程見圖1。
3、主要構筑物及設計參數
3.1 一級除氟反應池
新建一級除氟反應池及沉淀池。一級除氟反應池分為兩格，第一格投加石灰乳，并設有pH計控制石灰投加系統的啟停。第二格投加PAM促進沉淀。為了確保除氟反應控制在合適pH范圍內，第二格設有鹽酸投加管路。廢水中的氟與投加藥劑中的鈣發生反應生成氟化鈣沉淀。兩格反應器均設有攪拌機用以攪拌混合。一級除氟反應池同時設有在線氟檢測儀，基于F濃度動態調整石灰投加量。反應池出水自流進入一級平流沉淀池，實現泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進入二級除氟系統，污泥則排入現有含氟污泥池。設計參數：一級除氟反應池1池2格，單格有效體積125m3。平流沉淀池1座，設計表面水力負荷為0.75m3（/m2·h）。
3.2 二級除氟反應池
新建二級除氟反應池及沉淀池。二級除氟反應池分為兩格，第一格投加PAC形成絮體，第二格投加PAM促進沉淀，兩格反應器均設有攪拌機。考慮到一級除氟過程中存在石灰過量投加的情況，在第一格反應池通過投加碳酸鈉生成碳酸鈣沉淀的方式去除過量鈣離子。反應池出水自流進入平流二級沉淀池，實現泥水分離。澄清沉淀后的上清液自流進入反硝化顆粒污泥高效脫氮系統，污泥則排入現有含氟污泥池。二級除氟沉淀池裝有在線pH計以連續監測出水pH。設計參數：二級除氟反應池1池2格，單格有效容積125m3。平流沉淀池1座，設計表面水力負荷為0.75m3（/m2·h）。
3.3 反硝化顆粒污泥高效脫氮系統
生物脫氮系統由脫氮進水調節池、反硝化顆粒污泥高效脫氮反應器和顆粒污泥儲存池三部分組成。
①脫氮進水調節池
利用原二級缺氧池改建。脫氮進水調節池的主要功能是調節廢水的pH、營養鹽和碳氮比，以適合高效生物脫氮反應器微生物的需求。進水調節池內設有4臺加熱能力為970kg/h的蒸汽噴射器，在冬天水溫較低時將水溫控制在25℃。設計參數：1座，有效容積為534m3，HRT為2.1h。
②反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應器
新建反硝化顆粒污泥高效生物脫氮反應器，采用一體化升流式污泥床反應器構型，可以有效實現顆粒污泥的形成和持留。三相分離器采用PP材質，耐腐蝕性強，壽命長。采用特殊設計的小阻力高效配水系統，具有自動反沖洗功能，可以避免布水系統的堵塞與結垢。布水系統采用HDPE材質，耐腐蝕性強，壽命長。反應器內防腐采用搪瓷板。反應器出水自流進入A/O系統。設計參數：2座，有效容積為1374m3/座，設計氮負荷為3.9kg/（m3·d）。
③反硝化顆粒污泥儲存池
污泥儲存池中存有備用的顆粒污泥。顆粒污泥具有反應活性，當某臺反應器出現異常時，可以立刻利用污泥儲池中的菌種進行重新啟動。系統重啟時間可以控制在48h內。設計參數：利用原有池體改建，有效容積為203m3。
3.4 A/O生物處理系統
A/O生物處理系統由缺氧池、好氧池、二沉池三部分構成。A/O系統的氮容積負荷約0.1kg/（m3·d），貢獻總氮去除量占比約5%。
①缺氧池
高效脫氮池出水和好氧池回流液在缺氧池利用廢水中可降解有機物進行脫氮反應。設計參數：利用原有反應池（L×W×H=30m×16m×5.5m），水力停留時間為9.6h。投加1500kg/d葡萄糖作為碳源。
②好氧池
好氧池溶解氧控制在2mg/L，污泥濃度（MLSS）維持在5g/L。為避免堵塞及曝氣不均，將曝氣系統改為可提升式曝氣器，曝氣管采用耐腐蝕SS316材質。設計參數：利用原有好氧池（L×W×H=32m×30m×5.5m），水力停留時間為19.2h。
③沉淀池
曝氣池出水自流進入沉淀池，通過重力沉降實現泥水分離。一部分污泥通過回流泵回流至缺氧池，另一部分作為剩余污泥，排出系統進行后續處理。原沉淀池表面水力負荷>0.5m3（/m2·h），在進水水量沖擊時易出現跑泥風險，需在原有系統上進行改建。設計參數：將現有二級好氧池改建為2座平流沉淀池，單座L×W×H=36m×9m×5.5m，改造后表面水力負荷為0.42m3（/m2·h）。
3.5 污泥處理單元
污泥分為化學污泥和生物污泥兩部分。化學污泥主要為含氟污泥。通過板框壓濾機進行脫水處理（過濾面積為200m2），脫水后經皮帶輸送機輸送至污泥堆場。生物污泥來自A/O生物處理系統的剩余污泥，通過疊螺供料泵送至疊螺機脫水后外運。設計參數：化學污泥池1座，半地下式，有效容積為600m3。板框壓濾機及疊螺脫水機利舊。
3.6 主要處理單元的設計去除效果
主要處理單元的污染物設計去除效果見表2。
4、運行效果及技術經濟分析
4.1 運行效果
高效生物脫氮反應器啟動前需進行污泥接種。接種顆粒污泥來自同類廢水的反硝化顆粒污泥，接種比例為60%。接種完成后緩慢進水、逐步提升負荷，直至滿負荷運行。整個調試期大致可以分為3個階段：第一階段進水負荷為30%，此時可以觀察到進、出水pH上升，這是反硝化過程產生堿度所致，說明反硝化過程逐步成為主要生化反應，同時伴隨進、出水硝態氮和COD去除，最終歷時約1周，待穩定后進入下一階段；第二階段進水負荷為60%，歷時約2周，待穩定后進入下一階段；第三階段進水負荷為100%，歷時約2周。系統啟動后，污泥顏色逐漸轉變為褐色。
該工程改造后已經穩定運行超過一年，二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝出水水質滿足《電池工業污染物排放標準》（GB30484—2013）的間接排放標準。其中，反硝化顆粒污泥反應器作為最主要的脫氮環節，其進、出水水質見表3。
4.2 技術經濟分析
該項目總投資為2150萬元，其中設備投資1900萬元，土建工程大部分為利舊改造，投資較少（250萬元）。
運行費用主要包括藥劑（脫氮、除氟）、電、污泥處理費用等。除氟藥劑包括石灰、PAC、PAM等。脫氮藥劑包括碳源（甲醇、葡萄糖）、微量元素等。總運行費用為25.2元/m3，比改造前降低20%。
5、技術特色
①反硝化顆粒污泥高效脫氮反應器可有效實現顆粒污泥的培育和持留。內置三相分離器模塊在有效分離產生的氮氣的同時可將顆粒污泥保留在反應器中，具有良好的氣液分離效果，可有效促進反硝化顆粒污泥的形成，進而大大提高反應器的污泥濃度。外循環系統提高了傳質效果，特別是在啟動初期進水量不足的情況下，可以通過外循環提供需要的傳質動能。
②反硝化顆粒污泥技術脫氮負荷高、占地少，適合于建設用地不足的項目改造。反硝化負荷取決于反硝化細菌脫氮活性和微生物量。顆粒污泥脫氮比活性高達1.6gNO3--N/（gVSS·d），同時反應器內污泥含量高，污泥濃度可達17g/L，是傳統反硝化工藝的5~10倍，從而大大提高了系統脫氮負荷，減少了反應器容積。反應器采用較大的高徑比，進一步節約了占地面積。
③反硝化顆粒污泥技術碳源利用率高、外加碳源消耗量低、無需外源菌劑投加、剩余污泥產量低，具有良好的技術經濟性。高效脫氮反應器利用顆粒污泥完成反硝化反應，碳源利用率高，消耗碳氮比可達到3∶1，非常接近于反硝化理論用量（2.86∶1），低于傳統A/O工藝的碳源消耗（約5∶1），同時考慮到光伏廢水中有機物含量低的特性，節省了碳源外部投加的成本，同時也相應避免了產生大量剩余污泥。此外，反應器啟動后無需外源菌劑的持續投加，節省了菌劑費用。
6、結論
①江蘇某光伏廢水處理工程設計規模為6000m3/d，原有工藝無法滿足排放要求，通過反硝化顆粒污泥技術改造，提升了系統整體脫氮能力。采用二級除氟+反硝化顆粒污泥+A/O工藝可以實現高硝氮、高氟光伏廢水的穩定達標處理。
②高效生物脫氮反應器可以有效實現顆粒污泥的培育和持留，具有良好的脫氮負荷和穩定性，脫氮比活性高達1.6gNO3--N/（gVSS·d），污泥濃度可達17g/L。
③該工程改造調試運行以來，處理效果良好，出水水質穩定達到《電池工業污染物排放標準》（GB30484—2013）的間接排放標準，總運行費用比原來降低20%。（來源：上海碧州環保能源科技有限公司，同濟大學環境科學與工程學院）
