光伏废水处理

近年来我国光伏产业发展迅速，光伏废水处理日益受到关注。光伏废水主要来源于硅棒在切断、磨削、切片以及硅片在研磨、腐蚀、抛光等过程产生的助剂废液和清洗废水，其处理难点主要包括：有机物（主要是聚乙二醇等）、悬浮物（主要是硅粉、碳化硅）浓度高，并含有氟离子及酸碱（主要是氢氟酸、硝酸及其他缓冲酸）等污染物。

浙江某阳光能源有限公司成立于2005 年，主要从事太阳能电池用单晶硅片、多晶硅片等产品的生产、销售。企业共分4 个厂区，其中二厂区设计产能为年产350 MW 太阳能电池用多晶硅片（仅具备切片、研磨能力）。二厂区原有2 套废水处理设施（一期、二期），由于处理能力不足、设备老化、出水长期不达标等问题，已不能满足生产要求，亟待改造。

1 处理设施现状及问题
 
1.1 废水来源
 
二厂区主要生产工艺为： 多晶硅棒—线开方—切断—磨面—切片—预清洗—检查—硅片清洗—包装。生产废水主要包括：（1）切磨废水。开方硅锭经少子寿命测试后，截断无效部分，对断面磨光打平，产生研磨废水，废水主要成分为硅粉。（2）预清洗废水。硅锭切片后，用水枪将硅片表面切削砂浆（由切削液和金刚砂配制，主要成分为聚乙二醇和碳化硅）和硅粉喷洗干净，产生预清洗废水。预清洗废水水量大、有机物浓度高，是硅片生产废水中最难处理的一股废水。（3）硅片清洗废水。检查合格的硅片采用柠檬酸等浸泡进一步去除表面金属等杂质，该股废水有机物浓度高，但水量较小。（4）超声波清洗废水。酸洗后硅片采用超声波技术用大量超纯水清洗，该股废水水量大，污染较小。二厂区目前生产废水约1 000m3/d，已接近满负荷生产。

1.2 现有处理设施
 
二厂区现有处理设施两套（一期、二期），两套设施独立进水，共用一个总排水口。一期是物化处理设施，设计处理规模600 m3/d；二期是物化加生化处理设施，实际处理能力不超过400 m3/d。一期、二期主要工艺流程见图 1、图 2。

图 1 一期处理设施工艺流程

图 2 二期处理设施工艺流程  

1.3 存在问题分析
 
现有设施主要存在以下问题： 一是工艺路线不合理，一期处理设施仅采用物化工艺，对预冲洗废水中有机物的去除效果差，且超负荷运转，不能达标排放；二是处理能力不足，二期处理设施好氧池实际负荷（以BOD5/MLSS 计）达0.3 kg/（kg·d），负荷较高，处理水量超400 m3/d 后出水基本不达标； 三是设施功能蜕化，对进水高浓度硅粉等颗粒物预估不足，车间排放口预沉池偏小、处理站无预沉设施，导致调节池淤积大量污泥，有效调节容积减少70%；四是单元处理技术不合理，废水中切磨砂浆自身比重较大，混凝反应后气浮效果很差；五是设备老化严重，好氧池微孔曝气系统管道堵塞、膜片破损，导致好氧池曝气极不均匀，局部缺氧；六是站区布局混乱，污水处理设施并未和厂区生产设施同步规划设计，而是被动地为满足厂区不断增长的生产要求而建设，造成废水排放多一点、处理设施扩建一点的不利情况，且污水处理站范围内各种管线纵横交错、设备布置分散，布局混乱，日常管理十分不便。

2 改造方案设计
 
2.1 水量水质
 
二厂区满负荷生产情况下日均污水量约1 100 m3，考虑20%不可预见水量，设计处理水量按1 320 m3/d算。废水经处理后纳入市政污水管网，出水水质执行《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）三级标准，设计进出水水质见表 1。

2.2 工艺流程
 
水解酸化/厌氧—好氧工艺在光伏废水〔1, 2, 3〕和聚酯废水〔4〕等高浓度有机废水处理中应用较多。针对该企业废水特点，结合小试研究和现场条件，改造后采用物化沉淀—水解酸化—MBR 工艺，具体工艺流程见图 3。

图 3 改造后工艺流程

二期废水提升后和一期废水一道经过栅间距2 mm 的细格栅进入预沉池，沉淀硅粉等颗粒物后进入调节池。调节池出水经泵提升进入一体化反应池，经投加废碱pH 调节、投加PAC 混凝、投加PAM 絮凝后重力流入斜管沉淀池。沉淀池出水进入1# 水解酸化池，由于原构筑物间存在3.2 m 高差，1# 水解酸化池出水需经泵提升后进入2# 水解酸化池。2# 水解酸化池出水靠重力流入好氧池，再流入MBR 池进一步降解有机物。MBR 出水部分储存在回用水池备回用，其他出水排放。

预沉池污泥用气动隔膜泵输送至污泥池； 斜板沉淀池污泥靠重力排入污泥池；MBR 池剩余污泥部分通过回流泵支路排入污泥池，部分排入水解酸化池，既可补充水解酸化泥量，也起到通过厌氧酸化消解剩余污泥的作用。污泥池污泥经板框压滤机脱水后外运处置。

2.3 工艺特点
 
（1）工艺针对性强，节约用地、节省投资。在处理站前端增加预沉池，有效去除进水中硅粉、金刚砂等颗粒物，减少颗粒物淤积影响；采用MBR 工艺，可大幅提高好氧池容积负荷，减少占地面积；改造后原有混凝土构筑物全部得到利用，仅新增钢结构设备1 座，最大限度地利用了原有设施、设备，节省了投资。

（2）处理效果稳定可靠，协同处理作用显著。水解酸化停留时间达30 h 以上，充分改善进水可生化性。后续采用MBR 工艺，提高反应池污泥浓度，有利于高浓度有机物的充分降解。MBR 近年来广泛应用于工业废水处理〔5〕，本项目MBR 采用中空纤维膜组件，主要有以下特点：中空纤维膜技术成熟、出水稳定、价格低廉，在工业水处理中应用广泛；MBR 能高效地进行固液分离，大幅提高活性污泥浓度和反应池容积负荷，减少水力停留时间，减少池容需求，并可省去二沉池，且出水水质更好，从而节省占地面积及土建投资；MBR 将微生物完全截留在生物反应器内，实现水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）全分离，有利于硝化菌的生长，在降解有机物的同时，对氨氮也有较好去除效果，为应对今后更高的排放标准留有余地； 自动化程度高，采用在线清洗，可有效降低膜污染，便于维护管理。

（3）产泥量少，减少二次污染。MBR 使好氧池形成高容积负荷、低污泥负荷的运行状态，从根本上减少剩余污泥的产生；MBR 产生的剩余污泥有相当部分排入水解酸化池，通过厌氧消解减少污泥量。因此，整个系统生物段剩余污泥排放量很少，可有效降低污泥处理、处置费用。

2.4 主要构筑物及设备
 
（1）集水池。由于原二期处理站进水标高较低，无法自流入改造后的预沉池，故保留原二期处理站集水池。新增潜污泵2 台，Q＝75 m3/h，H＝10 m。增加穿孔曝气管，不定时曝气，防止积泥。

（2）预沉池、调节池。由原一期处理站综合废水池改造。清淤后分隔改造为3 部分：细格栅井，新增机械细格栅1 台，栅间距2 mm；预沉池，对进水中硅粉等颗粒物预沉淀，水平流速3.5 mm/s，有效水深1.2 m，设2 只泥斗，配排泥气动隔膜泵2 台，Q＝3.5m3/h，H＝70 m； 调节池，HRT=12.3 h，新增自吸泵2台，Q＝55 m3/h，H＝15 m，氟塑料衬里。增加穿孔曝气管，不定时曝气，防止积泥。

（3）一体化反应池。新增钢结构设备，含pH 调节、混凝、絮凝、沉淀4 个单元。pH 调节、混凝HRT均为6.7 min，絮凝HRT 为18 min，新增搅拌机4台，转速分别为80、15、10 r/min； 沉淀池表面负荷0.75 m3/（m2·h）。

（4）1# 水解酸化池。由原二期处理站调节池清淤后改造，HRT=8.3 h。由于和2# 水解酸化池存在高差，新增提升潜污泵2 台，Q＝75 m3/h，H＝10 m；新增尺寸为D 150 mm×80 mm 组合填料240 m3； 增加穿孔曝气管，间歇开启防止积泥。

（5）2# 水解酸化池。由原二期处理站UASB 池、兼氧池以及好氧池的前两格改造，HRT 共计23.3 h。新增尺寸为D 150 mm×80 mm 组合填料730 m3；增加穿孔曝气管，间歇开启防止积泥。

（6）好氧池。由原二期处理站好氧池后两格、沉淀池改造，HRT 共计14.5 h，MLSS=7 g/L，污泥负荷（以BOD5/MLSS 计）达0.1 kg/（kg·d）。新增EDI 曝气器（尺寸为D 91 mm×1 000 mm）68 根，曝气量12.1m3/h。

（7）MBR 池。由原一期处理站回收池改造，内部分隔出膜清洗池一座，敞开半地下式，HRT=9.8 h，MLSS= 7 g/L，污泥负荷（ 以BOD5/MLSS 计） 达0.1kg/（kg·d）。新增10 套中空纤维膜膜组件，每套组件含膜片1 320 片；膜材质聚丙烯，膜孔径0.1 μm，孔隙率40%~50%，单片膜面积16 m2，单片膜通量1.2~2.0 m3/d；配自吸泵3 台，Q＝30 m3/h，吸程13 m，2 用1 备，每运行10 min 停2 min；配反洗泵1 台，Q＝26m3/h，H=25 m，每运行24 h 后对各组膜组件分别单独反洗3 min，每组组件间隔30 min 清洗。膜池配污泥回流泵3 台，Q＝60 m3/h，H=15 m。

（8）鼓风机房。1# 鼓风机房是原有机房，内有3台风机，Q＝18 m3/min，H＝8 m，经核算满足改造后好氧池、水解酸化池等供气需求，故保留。2# 鼓风机房由原二期备料房改建，配有2 台MBR 风机，Q＝19.8m3/min，H＝5 m；2 台调节池风机，Q＝15 m3/min，H＝5 m。

（9）污泥池及脱水设施。利用原污泥池改造，有效容积近45 m3，可贮泥约4 d。处理站现有板框压滤机4 台，板框面积分别为60、80、100、300 m2。经核算，仅使用后3 台脱水机完全满足要求，配套气动隔膜泵利用原有设备。

2.5 处理效果
 
改造后，处理站出水水质显著提高。2011 年7月，当地环保部门对该工程进行了水质监测，结果见表 2。

由表 2 可以看出，改造后不仅有机物处理效果好，对氨氮、总磷也起到了协同处理作用。此外，还在2011 年12 月—2012 年2 月对该工程在冬季低温条件下对有机物的处理效果进行了监测，结果显示：期间进水COD 在2 000～4 000 mg/L，平均2 882 mg/L，出水COD 平均58 mg/L，基本能保持在100 mg/L 以下，COD 总体去除率达到95%以上，其中物化沉淀去除率12%～14%，水解酸化去除率10%～30%，MBR去除率50%～75%，处理效果稳定，出水水质优良。

2.6 技术经济
 
本项目工程总投资455 万元，单位处理水量投资3 447 元。改造后处理站运行电耗2 kW·h/m3，工业废碱投加质量浓度0.08 kg/m3，PAC 投加质量浓度0.15 kg/m3，PAM 投加质量浓度2 g/m3，吨水处理费用（仅电耗、药耗）约1.8 元。.

3 总结
 
（1）本项目工业废水主要包括硅棒切磨废水、硅片预冲洗废水、清洗废水、超声波清洗废水等，主要特征污染物包括： 由切削液中的聚乙二醇和清洗废水中的柠檬酸等有机酸产生的高浓度有机物； 由硅棒磨面、硅片切割产生的硅粉、碳化硅等高浓度颗粒物；清洗过程中产生的酸碱污染。

（2）现有处理设施存在工艺路线、单元技术不合理、处理能力不足、布局混乱等六大问题。结合本项目进水水质特点和现场改造条件，提出物化沉淀—水解酸化—MBR 改造工艺，改造后现有混凝土构筑物全部得到利用，处理能力由原不足1 000 m3/d 提升至1 320 m3/d，节约用地、节省投资，处理效果稳定可靠。

（3）本项目MBR 采用中空纤维膜组件，具有技术成熟、出水稳定、价格低廉，应用广泛等特点。MBR 大幅提高污泥浓度和容积负荷，无需二沉池，节约用地；采用在线清洗，便于维护管理。冬季低温条件下进水COD 为2 000~4 000 mg/L 时（平均2 882mg/L），出水COD 平均58 mg/L，基本能保持在100mg/L 以下，出水水质稳定可靠，同时对氨氮具有明显的协同处理作用，为应对今后更高的排放标准留有余地。

（4）改造项目总投资455 万元，单位处理水量投资3 447 元。改造后处理站运行电耗2 kW·h/m3，工业废碱投加质量浓度0.08 kg/m3，PAC 投加质量浓度0.15 kg/m3，PAM 投加质量浓度2 g/m3，吨水处理费用（仅电耗、药耗）约1.8 元。