汽車廠涂裝廢水處理工藝設計研究

漆文崗

（蘭州生產力促進中心/蘭州科技評估中心，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，我國汽車產業實現了跨越式發展，規模不斷擴大，給人們的出行帶來了極大的便捷[1]。在享受汽車工業快速發展帶來的好處的同時，人們也面臨著嚴峻的環境問題[2]。在汽車的生產制造過程中，會產生大量的高濃度污水[3-5]。如果未經處理直接排放到環境中，不僅會直接污染城區的飲用水，還會對下游河流的農作物和人民生活帶來嚴重危害。人類和生物賴以生存的生態環境日益受到威脅[6]。

汽車涂裝是生產汽車過程中不可或缺的工藝，與汽車的外觀以及使用壽命有關。相對于汽車生產的其他過程，汽車涂裝過程導致的環境污染問題較為突出[7-8]。該過程主要產生兩大類廢水：一是車身涂裝廢水，二是發動機乳化油廢水[9]。涂裝廢水由磷化廢水、電泳廢水、噴漆廢水等組成。脫脂、磷化等表面處理過程會產生含有乳化油、表面活性劑、磷酸鹽、重金屬離子等的磷化廢水[10]。電泳和噴漆廢水是在清洗附著在涂料上的浮漆和罐液過程中產生的，其成分包含水溶性樹脂、顏料、填料、助溶劑等[11-13]?？倯腋∥颯S（Suspended Solids）、化學需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）、磷酸鹽、表面活性劑、有機溶劑、油漆、顏料、涂料、石油類是涂裝廢水的主要污染物，通常COD 較高[14]。有的污水中可能還含有重金屬，比如大件磷化廢水，若未經處理直接排放將會嚴重污染受納水體，甚至污染地下水。

涂裝污水處理方法主要有液-固分離或液-液分離，包括絮凝沉淀法，上浮分離處理，實際上涂裝污水通常通過組合幾種方法來綜合處理[15-16]。目前，國內外處理方法主要分為單純物化法、物化-生化組合法。雖然物化處理方法簡單、投資少、占地面積小，但基于汽車涂裝廢水往往污染物濃度高、可生化性較差的特點僅僅使用物化法出水往往不理想，難以達標[17]。隨著排放標準的日益嚴格，采用物化-生化法進行處理涂裝廢水將成為主流方法。此法的主要機理是經過物化法預處理，獲得平衡穩定、污染負荷低的水質，然后通過生化法去除廢水中的大部分有機物，達到水質達標，出水穩定的效果[18]。實踐證明，物化-生化方法是處理汽車涂裝廢水非常有效的一種手段。

文章以湖南省長沙市某汽車廠涂裝生產車間為例，總計全年產生65.7萬t的工業廢水，濃度高且成分復雜，若未經妥善處理直接排放將帶來嚴峻的環境問題。設計旨在通過高效穩定、經濟可行的技術手段將高濃度涂裝廢水降解達標，三分之二的出水直接排放到城市污水處理廠進行后續處理，而三分之一的水進行循環利用，有效節約了水資源。

1 廢水處理工藝設計

1.1 設計依據

此設計廢水處理站總水量為1 800 m3/d（75 m3/h），回用的水量為600 m3/d（25 m3/h）。對站內廢水處理構筑物和必要的附屬建筑物進行工藝設計，主要包括格柵、混凝池、斜管沉淀池、序批式活性污泥法SBR 反應池（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）、污泥池等構筑物。本設計的進水水質設計參數見表1。

表1 涂裝廢水進水水質表 單位：mg/L（pH 除外）

1.2 設計原則

（1）可操作性強。盡量將結構組合起來，減少占地面積，達到管理簡單、操作方便的目的。

（2）處理效果好。根據本項目污水排放的實際情況，在考慮操作靈活性的同時，選用成熟、可靠、高效、先進的工藝和設備。同時考慮處理效果、長期連續運行情況，出水水質達標情況等因素。

（3）經濟可行。通過綜合考慮投資和運營成本，節省工程投資，實現經濟、社會和環境效益的最大化。

1.3 工藝比選

目前物化-生化組合法主要包括以下幾種工藝：

（1）混凝沉淀-Fenton 化學氧化法：該工藝對于組分復雜、難生物降解的噴漆廢水效果良好[19]。由于H2O2具有強氧化性和腐蝕性，易存在安全隱患。同時使用費用高，此法僅適合于處理量小、濃度低的廢水[20]。因此，在實際生產中混凝-化學氧化工藝的實用性并不高。

（2）混凝（Fenton）沉淀-混凝（聚氯化鋁PAC（Poly Aluminium Chloride）、聚丙烯酰胺PAM（Polyacrylamide））氣浮-砂濾-碳濾：此工藝對重金屬、SS、油的去除效率均超過90%，對COD 的去除率達到80%以上[21]。在節省加藥量、減少污泥產量方面都具有很大的優勢。并且，此法既可以擁有穩定達標的出水水質，又可以減少運行費用。雖然目前應用不廣泛，但從技術和經濟角度來看都是合理可行的。

（3）混凝氣?。ㄊ?PAC（混凝劑）+PAM（助凝劑））-水解酸化-生物接觸氧化法：該工藝具有較普遍的應用價值是因為其高效經濟、簡單易操作、無二次污染[22]。但由于生物接觸池濾料易破損、堵塞，并且二沉池出水中常含有脫落的生物膜的影響，降低了出水水質。

（4）混凝氣浮-加壓生化（鋁鹽和鈣鹽除磷）處理：該工藝具有COD 去除率高、除磷效果明顯、水力停留時間短、工藝流程簡單等特點，適用于處理高濃度噴漆廢水。該加壓生物反應器遠遠優于傳統好氧生物法，在微生物質量濃度、活性、有機物降解速率等方面尤其明顯。然而，低濃度有機廢水的處理效果并不顯著。

（5）氣?。然X及燒堿-生化法，A2/O，Anaerobic-Anoxic-Oxic）：通過氣浮預處理，可大大提高COD的去除率，同時大大減輕后續生化處理系統的負荷，為達到最終的排水標準提供有利條件。該技術處理效果穩定，抗沖擊，占地少，消耗低，效率高，管理方便，維護簡單。為處理典型涂料生產綜合廢水提供了一種合理有效的解決方案。但其需要混合大量生活污水提高水質的可生化性，在考慮生活污水的情況下適用。

（6）SBR生化降解-物化混凝法：SBR工藝簡單，能同時脫氮除磷，處理效率高。另外，還具有抗有機負荷能力強、泥齡短、活性高的優點，能夠良好地適應水質水量的波動。出水水質往往可達到設計的要求和效果。

該工程生產廢水合計1 800 m3/d，由新建污水處理站處理。根據進水水質分析，污染物主要是磷、有機污染物和懸浮物。此外，還含有少量的表面活性劑LAS（Linear Alklybezene Sulfonates）、油脂、氨氮等污染物。根據本項目涂裝混合廢水的特點，采用物化與生化相結合的方法進行處理。物化法以混凝沉淀為主要工藝，生化法采用SBR 工藝。污水處理站設計中的磷化廢水、電泳廢水、噴漆廢水等高濃度有機廢水經預處理后達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）（見表2）的三級標準（具體設計參數見表3）。大部分出水通過城市管網進入城市污水處理廠進行處理。其他需回用的污水再經SBR生化處理和消毒工藝處理，出水水質達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準，最大限度地減少對周邊環境的影響，確保污水站周邊環境質量，具體設計參數見表4。由于食堂污水和生活污水的污染物濃度低于《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）的三級標準，直接排放到城市污水廠進行后續處理。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 汽車廠涂裝廢水處理工藝流程圖

表2 《污水綜合排放標準》（G B 8978—1996）一級標準表 單位：mg/L（pH 除外）

表3 混凝沉淀后廢水出水水質表 單位：mg/L（pH 除外）

表4 回用廢水出水水質表 單位：mg/L（pH 除外）

該設計采用一道格柵，布置在調節池前，形狀為矩形。主要采用人工清渣的方式來清除可能堵塞水泵機組及管道閥門的粗懸浮物。由于車間產生的污水種類繁多，為了保證管渠和構筑物的正常工作，不受污水高峰流量或濃度變化的影響，在廢水處理設施之前設置調節池，方便后續構筑物更好地發揮自身作用。設計采用空氣攪拌調節池（矩形），空氣用量為1.5～3 m3/（m2·h）。設計采用平折板絮凝池，設置1 座，在助凝劑的作用下使乳化油、磷酸鹽、顏料等聚集成有明顯沉淀性能的絮凝體。在設計中，使用一個為水流向上的異向流斜管沉淀池[20]用于固液分離，上清水進入集水池，而污泥進入污泥濃縮池進行處理。SBR處理污水的機理與普通活性污泥法完全相同。不同的是，廢水不是按順序通過各個處理反應池，而是按時間順序直接排入單個反應池，依次進行進水、反應、沉淀、出水和待機五個基本過程[21]，循環反復。故而不再單獨配備處理活性污泥的裝置[22]。綜上所述，設計采用能同時脫氮除磷、穩定易操作的SBR生化處理法來處理回用污水。設計中主要涉及的污泥主要為斜管沉淀池、SBR 反應池內產生的剩余污泥。為了去除污泥顆粒間的間隙水，減少污泥體積，方便后續處理，進行污泥濃縮非常必要。本設計是根據污泥性質和經濟性方面，選取重力濃縮法[23]。由于本次設計污泥量較小，選用間歇式重力濃縮池，每天注入一次泥。從消毒藥品的價格、效果以及設備等方面考慮，本設計采用加氯消毒。構筑物具體參數見表5。

表5 主要構筑物一覽表

除了考慮廢水、污泥處理主要結構外，本設計還考慮了綠化空間、機修間、變電站等必要的附屬建筑物。為降低能耗，保證處理效果，還應設置集中控制室和單獨的儀表室，監測進出水流量、濃度及污泥濃度。建造一個獨立的變電站，其中有2 臺主變壓器，由一個35 kW電源供電，兩回路進線。當一臺設備出現故障時，另一臺替代使用，可保供75%的電量。為了將防爆報警及消防裝置與廢水處理區隔離，將其安裝在污泥處理區。根據一般地質條件考慮地基承載力和處理區內地下水位。主要處理結構為鋼筋混凝土結構，沼氣儲罐為鋼結構，輔助建筑為磚混結構，未考慮抗震設防。各設備及構筑物具體參數見表5、表6。

表6 主要設備一覽表

2 工程處理效果及經濟分析

結合汽車廠的實際廢水排放情況（表1），在未經處理前的進水口處，石油類的濃度≤5.0 mg/L，已達到排放標準。而經過處理，pH、SS 和二甲苯均容易達到排放要求。因此，對該廢水是以監測COD、BOD5和總磷項目為主。從表7的數據可以看出，經過混凝沉淀物化處理后，出水口處的COD 濃度為198.9 mg/L，去除率達到70%；BOD5濃度為104.4 mg/L，去除率為40%；總磷濃度為1.0 mg/L，去除率為80%；SS 濃度為36.45 mg/L，已經達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級排放標準要求；二甲苯濃度為0.9 mg/L，去除率為18.2%。而經過生化處理后（表8），出水口處的COD 濃度為21.88 mg/L，去除率為96.7%；BOD5濃度為20.88 mg/L，去除率為88%；總磷濃度為0.41 mg/L，去除率為91.8%；二甲苯濃度為0.39 mg/L，去除率為64.5%。綜合可知，本工藝經過物化處理系統以及生化處理系統處理后，COD、BOD5和總磷、二甲苯、pH均達到了設計目標，效果顯著，出水水質良好，優于國家標準。

表7 某汽車廠涂裝廢水混凝沉淀處理后監測結果

表8 某汽車廠涂裝廢水生化處理后監測結果

經過3個月試運行，廢水處理量為75 m3/h，回用的水量為25 m3/h，即三分之一的處理水可以進行循環回用，有效地節約了水資源。該工藝主要運行成本包括電費、藥劑費、人工費、自來水費、壓縮空氣費等5個方面，見表9。以水量1 800 m3/d計算，運行成本為3.06元/m3。

表9 涂裝廢水處理工程試運行費用

3 結論

文章根據該汽車廠汽車涂裝廢水的性質，對工藝進行選比優化，設計和介紹了具體工藝流程、運行效果，并對試運行階段的費用進行了經濟分析。本工藝可減少對生化系統的影響，降低涂裝廢水綜合處理的難度。經過物化+生化處理系統，廢水出水水質符合國家污水綜合排放三級標準，回用廢水可達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中的一級排放標準，用于生產和回用。它不僅節約了水資源，而且保證了生產的正常有序運行。結果表明，該工藝具有運行穩定、水質優良的特點，同時運行成本低，能產生良好的環境效益和社會效益。該工程未來應結合實際情況合理控制化學藥劑的使用量，進一步降低處理成本，確保處理系統穩定運行。