C-RAG模型在砷污染场地中的修正及应用研究
Research on Modification and Application of C-RAG Model in Arsenic Contaminated Site
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摘要: 为了解我国基于人体健康《建设用地土壤污染风险评估技术导则》（Chinese Risk Assessment Guide，C-RAG）在矿区场地中的分析模式及应用情景，以青海某废弃矿区场地为例，在结合矿场未来规划的基础上，通过对C-RAG模型参数的修正和改进，研究了该场地的风险状况及修复目标值，为污染地块适度修复提供了借鉴依据。结果表明，以砷污染为主的矿区场地，在修正暴露途径、土壤摄入量、暴露频率和PM10后，致癌风险水平普遍降低为原来的1/4。综合考虑污染物的可给性、风险水平与修复投入之间的平衡关系以及工程可行性后，确定以引入生物可给性的致癌风险控制值21.1 mg·kg-1为最终修复目标值。Abstract: In this study, an abandoned mining site in Qinghai Province was studied to explore the application of Chinese Risk Assessment Guide (C-RAG) in mining-contaminated soil and to provide a reference for moderately contaminated soil remediation. Based on the future planning of the mining area, the risk grade and remediation target value of the site was explored through the correction and improvement of the parameters of the C-RAG model. The results showed that the carcinogenic risk level was significantly reduced to 1/4 through the modification of exposure pathway, soil intake, exposure frequency and PM10. After comprehensively evaluating the accessibility of contaminants, the balance between the risk level and the remediation investment, and the engineering feasibility, the final remediation target value is determined to be 21.1 mg·kg-1 for the carcinogenic risk control value after the introduction of bioavailability.
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Key words:
- heavy metals /
- mining area /
- health risk /
- evaluation model /
- repair target
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我国是肉类生产和消费大国。近年来，我国规模化畜禽养殖业发展迅猛，相关企业的生产规模和技术水平都有显著提高，畜禽养殖业已成为我国农业中主要支柱产业[1-2]。
规模化畜禽养殖在降低养殖成本、提高畜禽产量的同时，产生了大量养殖废水。畜禽养殖废水有机污染物及悬浮物浓度高，同时含有氮、磷等富营养化元素[3-4]，如不妥善处理，直接排入自然水体中，会引发水体黑臭，造成持久性有机污染[5]；另外，养殖废水易滋生蚊蝇，并含有大量病原微生物，严重危害人畜健康安全[6]。
文章以某雏鸡孵化场废水处理工程为实例，对其所采用的工艺和运行结果进行分析总结，旨在为畜禽养殖废水的处理提供参考。
1. 工程概况
国内某大型肉制品加工企业为满足生产需要，在豫中地区建设了5 000万只肉鸡养殖项目，项目采用国际先进、成熟的“一条龙”产业发展模式，从种鸡育雏、产蛋、孵化、商品鸡饲养一条龙”分段养殖模式，最终达到年出栏5 000万只肉鸡的生产规模。其中孵化场项目占地30 000 m2，主要建设孵化车间及配套辅助生产设施，年出雏5 000万只，与5 000万只肉鸡养殖项目配套。孵化场废水主要来源：种蛋周转筐、出雏筐、孵化蛋盘等的冲洗水、运输物流车辆的冲洗废水及少量的生活废水。废水中主要污染物为碎蛋壳、少量蛋液、雏鸡粪和绒毛，悬浮物浓度及有机物含量相对较高。
原水水质：COD 1 230 mg/L，BOD5 268 mg/L，NH3-N 22 mg/L，SS 456 mg/L，pH 6～9。废水量200 m3/d，废水处理设施按照每天运行20 h，废水瞬时处理量为10 m3/h。因孵化场所处位置没有二级城市污水处理厂，废水直接排放进入项目附近的幸福渠，因此，废水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准:GB 18918—2002》[7]一级A标准，即：COD≤50 mg/L、BOD5≤10 mg/L、NH3-N≤5 mg/L、SS≤10 mg/L。
2. 污水处理工艺流程
2.1 工艺流程叙述
结合孵化场废水的特点及排放指标要求，本项目主要采用物化预处理+生化处理的污水处理工艺。物化预处理：由于废水中SS相对较高，且废水中含有碎蛋壳等，因此在废水的预处理段设粗格栅和水沥筛，对废水中的部分污染物进行拦截。经水沥筛拦截处理后出水进入毛发收集器，对废水中的小鸡绒毛进行拦截。由于废水中具有过于细碎的蛋壳及少量沙粒物质，为了使废水中的悬浮物和沙粒等物质不至于影响后续生物处理，在废水进入生化系统前，需对废水中比重较大的物质进行沉淀去除。生物处理：由于废水中氨氮及有机物浓度相对较高，生物处理采用水解酸化-MBR组合工艺。与单独的MBR工艺相比，水解酸化-MBR法具有较多优势：①水解酸化可对进水负荷的变化起到缓冲作用，可为MBR处理创造较为稳定的进水条件；②水解酸化的产泥量远低于好氧工艺（仅为好氧工艺的1/10～1/6)，并已高度矿化，易于处理；③水解酸化阶段可大幅度去除污水中悬浮物及部分有机物，其后续MBR工艺的污泥量可得到有效减少，从而设备容积也可相应缩小；④水解酸化可提高废水的可生化性，为MBR好氧工艺提供优良的进水水质条件，提高MBR处理的效能，同时可利用产酸菌种类多、生长快及对环境条件适应性强的特点，以利于运行条件的控制；⑤水解酸化运行费用极低，且其对污水中有机物的去除也可节省MBR的需氧量，从而节省整体工艺的运行费用。
2.2 工艺流程图
废水处理工艺见图1。
2.3 各工艺单元处理原理及设计参数
2.3.1 格栅机
格栅机采用机械式循环齿耙清污机，根据格栅渠前水深自动运行。格栅机的主要作用是拦截污水中大的悬浮物及漂浮杂物，降低废水中的SS负荷，另外，格栅机可有效保护一级提升泵，防止叶轮堵塞。格栅机的参数：高4.8 m，宽400 mm，间隙3 mm。
2.3.2 集水调节池
因孵化场存在较为集中的排水，水质水量都会存在不均衡性波动，池内安装有曝气搅拌装置，因此，集水调节池起到了缓冲水量、调节水质的作用，为后续污水处理设施24 h连续运行提供了基本条件，集水调节池规格尺寸：7 000 mm×6 000 mm×5 000 mm，水力停留时间24 h。
2.3.3 水沥筛
经过格栅机过滤以后，废水中仍含有细碎的蛋壳、雏鸡绒毛，需对进一步处理，水沥筛的作用就是用于过滤废水中颗粒相对较小的悬浮物、漂浮物和沉淀物等，以减轻后续工序的处理负荷。水沥筛规格尺寸为：栅间隙1.0 mm。
2.3.4 毛发收集器
因雏鸡绒毛比较细碎，经过格栅机、水沥筛出后的废水中仍然含有少量绒毛存在于废水中，因此，需要毛发收集器进一步将其去除，避免细碎绒毛在后续的水解酸化池填料表面及MBR反应器膜表面长期沉积而影响处理效果。毛发收集器规格型号：孔隙0.1 mm。
2.3.5 平流沉淀池
废水经过前段处理后，废水中的大颗粒杂物、雏鸡绒毛基本去除完毕，但是废水中仍含有大量的悬浮物，包括更为细碎的蛋壳、小鸡绒毛、颗粒小的沉淀物和固态胶体物质，因此，需要做进一步的沉淀处理。平流沉淀池的规格尺寸：10 800 mm×2 500 mm×1 800 mm，有效水深1.3 m，表面负荷0.37 m3/（m2·h），水力停留时间3.5 h。
2.3.6 二次提升池
主要用于水解酸化池的进水，二次提升池规格尺寸为：2 000 mm×3 000 mm×5 500 mm。
2.3.7 水解酸化池
废水经过预处理后进入水解酸化池，水解酸化池内设置组合填料（Ø150 mm，共计54 m3），厌氧、兼氧菌富集在填料上，废水中的高分子、长链和难降解的有机物在其作用下进行水解酸化反应，经过水解酸化处理后，一方面提高了废水的可生化性，同时，一定程度的降低后续的负荷。水解酸化池规格尺寸：10 500 mm×3 000 mm×3 500 mm，有效水深3.2 m，水力停留时间10 h。
2.3.8 MBR反应池
废水经过水解酸化处理后进入好氧MBR工序，COD和氨氮在MBR反应池内得到充分降解，再通过膜过滤，悬浮物可以得到有效去除。与传统的好氧生化水处理技术相比，MBR具有以下主要特点：活性污泥截留能力强、污泥浓度高、污染物去除效率高、出水水质好、设备占地面积小、全机自动控制。MBR反应池规格尺寸：11 000 mm×3 000 mm×3 500 mm，有效水深3.0 m，水力停留时间10 h。
2.3.9 消毒池
根据《畜禽养殖业污染治理工程技术规范:HJ497—2009》[8]，畜禽养殖废水向水体排放或回用的，应进行消毒处理，且《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》[7]一级A标准要求粪大肠菌群数不得大于1 000个/L，孵化场采用二氧化氯消毒方式。MBR反应池出水经消毒后，达标排放。消毒池规格尺寸：3 000 mm×2 000 mm×1 500 mm，有效停留时间0.5 h。
2.3.10 污泥浓缩池
该污水处理站中的沉淀池、水解酸化池和MBR反应池产生的物化污泥和生化污泥排入污泥浓缩池进行浓缩，浓缩上清液回流至污水站进水口，浓缩后污泥通过污泥输送泵进入叠螺式污泥脱水机进行脱水后外运。因本工程产生的污泥中存在大量的碎蛋壳、雏鸡绒毛，以滤布/带过滤形式的脱水设备，如带式脱水机和板框压滤机存在滤布/带堵塞问题，因此选择叠螺式脱水机可克服此问题，碎蛋壳和雏鸡绒毛强度不大，设备运行过程中对脱水机影响很小。污泥浓缩池规格尺寸：3 200 mm×2 400 mm×3 500 mm。
2.4 各工序设备配置
各处理单元的设备配置及附件参数见表1。
表 1 各处理单元的设备配置及参数工艺设施 配置设备 格栅机 齿耙格栅机1台，宽度400 mm，栅间隙3 mm，功率0.55 kW 集水调节池 提升泵2台，流量20 m3·h−1，扬程12 m，功率1.5 kW 水沥筛 2台，单台处理能力20 m3·h−1，栅间隙1 mm；反冲洗水泵2台，流量10 m3·h−1，扬程15 m，功率2.5 kW 毛发收集器 1台，流量20 m3·h−1，过滤孔直径0.1 mm 平流沉淀池 行车式刮泥撇渣机1台，宽度2.8 m，功率1.5 kW；污泥泵1台，流量20 m3·h−1，扬程15 m，功率2.5 kW 二次提升池 提升泵2台，流量8 m3·h−1，扬程12 m，功率1.5 kW 水解酸化池 潜水搅拌机1台，MA2.5/8−400−740型，功率：2.5 kW（安装于距离池底500 mm的位置，水平角度调节范围0～90°，作用是充分搅拌酸化池内的生物菌种，使其和物料充分、有效混合，提高污染物去除率）；组合填料54 m3，Ø150 mm型 MBR反应池 球冠状曝气头150套，直径200 mm，氧利用率：≥25%；MBR膜组件1组：膜池平面净尺寸：9.3 m×3.0 m，瞬时处理水量15 m3；自吸式污泥泵2台，GMP35−80型，流量15 m3·h−1，扬程15 m，功率3.7 kW；自吸水泵2台，GMP35−80型，流量15 m3·h−1，扬程15 m，功率3.7 kW；罗茨风机4台，GRB−50型2台，风量2.94 m3·min−1，风压53.9 kPa、功率5.5 kW；GRB−50型2台：风量3.32 m3·min−1，风压49 kPa、功率5.5 kW 消毒浓缩池 二氧化氯发生器1台，有效氯产生量为100 g·h−1 污泥池 空气搅拌装置1套；风机2台，风量1.3 m3·min−1，风压4 900 mmAq、功率2 kW；污泥泵2台，流量5～10 m3·h−1，扬程20～30 m，功率3.0 kW 污泥脱水机 叠螺式污泥脱水机1台，每小时绝干污泥产量50～70 kg | Show Table
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3. 处理效果与经济指标分析
3.1 运行效果
该项目2017年12月设计，2018年8月开工建设，2019年5月竣工。经过近4个月的工程调试，孵化场废水处理系统实现了稳定达标排放，各处理单元水质监测结果见表2。
表 2 各处理单元水质监测结果mg·L−1 监测点 COD BOD5 NH3-N SS 格栅进水口 1 230 268 22 456 平流沉淀池出水口 492 210 19 117 酸化池出水口 268 163 20 88 MBR出水管口 43 7.0 4.1 7.2 总排口 41 6.8 3.8 6.5 注：表中数值为2019年10月项目竣工环保验收监测数据平均值。 | Show TableDownLoad:
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表2可知，最终处理出水主要指标满足文献[7]一级A标准，可以达到直接排入地表水体要求。
3.2 主要经济技术指标
1)该项目总投资273万元。其中：设备费135万元；材料及安装费：35万元；建筑工程费88万元；技术服务费15万元。
2)吨处理费用1.06元/t。其中：水费0.05元/t；电费0.45元/t；药剂费0.16元/t；人员工资0.27元/t；维修费0.13元/t。
4. 结论
水解酸化-MBR组合工艺抗冲击能力强，可以有效降解COD等污染物浓度，去除氨氮效果好。该工艺用于处理雏鸡孵化场废水，具有占地面积小、操作简单、投资少和运行费用低等特点，运行费用仅为1.06元/t，经处理后的出水水质能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准：GB 18918—2002》[7]一级A标准，具有较好的环境效益和社会效益。
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