化工廢水處理與科技創新

＊陳文林 于洋 周林成

（1.甘肅省工程設計研究院有限責任公司 甘肅 730099 2.蘭州大學化學化工學院 甘肅 730000）

1.科技創新引領化工產業“三化”發展

科技的進步和改革必定推動社會的發展，每一次的科技創新都將人類的生活推向更加文明、和諧便捷的領域。蒸汽機的發明使人類步入蒸汽時代；電力的廣泛使用進一步增強了人類的生產能力；計算機的普及則標志著人們步入了電子信息時代；當下，以人工智能、清潔能源、虛擬現實和生物技術為主的第四次工業革命，正在改變我們人類生活的方方面面。科技的發展給人類帶來的是經濟的發展、生活水平的提高，因此國家在不斷出臺政策，推動科技的創新與發展。從“中國要發展，離不開科學”“科學技術是第一生產力”“創新是國家發展的動力”到“科技創新的進步是國家長久發展的競爭關鍵”等都一次次在強調，科技創新發展關系到國家發展的核心。

化工產業在國民經濟中占比重大，是支柱產業，化工產業在創造經濟價值的過程中也帶來了很多污染問題。我國化工企業及園區大多沿江、沿海、瀕湖建立，加快發展的過程加大了對區域流域生態環境、群眾健康、社會穩定等諸多方面的壓力[1]。例如化工廢棄物、廢水、廢氣等，其中化工廢水的大量排放，給江河湖泊帶來了毀滅性的污染；同時由于我國化工廢水排放標準仍以COD等綜合指標為主，缺少生物毒性等質量標準，難以科學評估化工企業排水對生態環境和人類健康造成的危害程度。化工產業在科技創新領域面臨核心技術研發不足、產能過剩、高能耗、體系不完善及受限于國外知識產權等問題，導致整個產業穩固性不強，占領國際市場的份額非常受限，其最主要的原因創新能力不足。尤其是對大部分中小型化工企業而言，缺乏科技創新的投入和擁有轉化科技創新成果的能力，沒有形成濃郁的科技創新氛圍[2]，無法發揮科技創新作用，導致中小型化工企業調整轉型升級比較困難，多以維持穩定生產狀態為目標，因此形成了只能加工生產無法實現化工產業升級與轉型。依據發達國家的經驗和結合化工產業的市場導向，要切實發揮化工產業經濟的升級，就必須依靠科技創新進行技術升級和成果應用轉化，以此來推動化工產業的發展、提升、變革和優化。

“高端化、多元化、低碳化”的“三化”發展是化工產業的必經之路，也是產業高質量發展的必然選擇[3]，同時在“雙碳”“雙控”政策約束限制下，化工產業的發展必須加快步伐，實現突破性進展，提高資源利用效率，提升產品高端化，推進上下游產業鏈融合發展，打造化工廢料和生產污染近零排放的重大產業體系，形成技術研發、成果轉化和應用推廣的綜合多元化道路。科技創新是推動整個化工產業技術轉型、產業升級和向“三化”發展的核心動力來源。通過攻破核心關鍵技術的短板所在，在實踐中提升企業科技創新能力，大力開展生產系統的節能減排、優化改進等，實現產業技術源頭減排，降低產業污染和高能耗，助力企業升級轉型，保障綠色低碳發展道路的實施，因此科技創新的引領作用是提高化工產業經濟的關鍵環節所在。

2.化工廢水處理現狀與發展

化工廢水主要指化工企業所排放的工業廢水，通常情況下可分為石油化工廢水、合成化工廢水、紡織印染工業廢水、醫藥化工廢水及煤化工廢水等。化工廢水具有成分相對復雜、毒性強、難生物降解、BOD5及CODCr濃度高、pH值波動性較大、刺激性和色度高等特征，一般的污水處理工藝很難將化工廢水處理達標排放。根據國家生態環境統計數據，2021年在《排放源統計調查制度》確定的統計調查范圍內，全國工業源（含非重點）廢水中化學需氧量排放量為42.3萬噸，氨氮排放量為1.7萬噸，總氮排放量為10.0萬噸，總磷排放量為0.3萬噸，石油類排放量為2217.5噸，揮發酚排放量為51.8噸，氰化物排放量為28.1噸，重金屬（指總砷、總鉛、總鎘、總汞、總鉻排放量合計值）排放量為50.5噸。面對日益嚴峻的生態環境形勢，國家環保部科技標準司不斷地對化工廢水排放標準進行重新制訂及修訂，對于治污減排、生態保護提出了更加嚴格的規范措施。

2023年2月，國家生態環境部發布，今年將重點提升水生態環境治理體系和治理能力現代化水平，包括健全法規標準體系，研究制修訂化工、印染、電鍍等行業水污染物排放標準等；2022年全國主要水污染物排放量繼續下降，劣Ⅴ類水質斷面比例為0.7%，同比下降0.5個百分點；化學需氧量、氨氮排放總量同比分別降低2.1%、6.8%。目前很多地區在化工廢水治理方面也取得了顯著成效。如蘭州新區綠色化工園針對制藥、農藥等精細化工企業多，廢水成分復雜、處理難度大等特點，堅持“分類收集、分質處理、減排優先”原則，按廢水濃度高低采用雙重保障工藝全流程設計，其中高濃廢水預處理系統采用“鐵碳+芬頓氧化工藝+厭氧工藝聯用”，低濃廢水則采用鐵碳微電解+反應沉淀后與高低濃廢水一并進入“水解酸化+兩級A/O+二沉淀池+高效沉淀池”的生化處理系統，最后經“一級臭氧+MBBR+二級臭氧+曝氣生物濾池”深度處理后，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準，且其中一大部分被用于城市綠化灌溉，形成廢水循環綜合利用。

盡管化工廢水處理目前取得了一定的成效，但仍然面臨諸多瓶頸制約和挑戰，存在不少亟待解決的突出問題，例如復雜性、高濃度的廢水從根本上消除難度較大，廢水處理成本高，廢水治理能力有待提升，化工企業廢水污染突發事件的發生等。尤其是對于染料、醫藥、農藥中間體及助劑等精細化工產品所產生的高濃度有機廢水，其生物毒性大，無法直接采用生物法處理，尋求新的工藝解決高濃度難降解化工廢水對微生物的毒性科學問題，使化工廢水處理過程更簡單、能耗低、投資省、運維成本低廉，將是未來化工廢水處理技術的發展的趨勢之一。同時，化工廢水對生物體的健康也具有嚴重威脅，對生態環境也會造成一定影響，其處理是國內外污水處理界公認的難題。

3.化工廢水處理技術

目前化工廢水處理的方法從原理上主要有物理，化學和生物法，物理法主要包括格柵、沉淀、過濾、吸附和萃取等；化學法是對含重金屬及酸和堿的物質廢水進行處理的主要方式，也可以實現對污水內包含的膠體及溶解物的有效處理，主要包括電化學氧化法、化學混凝法及化學氧化法等；生物法是利用微生物的新陳代謝，將廢水中的有機物質作為能力來源，實現對有機污染物的有效分解，主要包括好氧生物處理法和厭氧生物處理法。物理法一般應用在廢水處理工藝的前端預處理中，實現分離處理，其操作簡單，但無法從根源上清除污染物；化學法是目前化工廢水處理工藝中應用較多，并且處理效率也較高的方法，但與此同時其處理成本較高，同時會帶來二次污染的后續問題；生物法因其環保性較強，污染物去除較為徹底而逐漸成為化工廢水處理的重點工藝[4-5]。化工廢水成份的復雜性和污染物的多樣性，導致單一的廢水處理工藝無法實現，因此一般采用多種工藝聯合處理。

我國長期重視化工行業的廢水治理，每年化工廢水的排放量很大，但是目前缺少高效、經濟、環保的治理技術，是我國水污染控制的難點和重點。雖然很多化工企業處理過后的廢水符合相關排放標準，但由于化工廢水中的污染物較多，因此其后續的深度處理也存在很大困難。隨著環境與質量的持續發展，信息技術的發展，環境管理水平、環境執法能力地提升，化工廢水的排放較過去更加公開透明，大部分地區要求化工企業安裝在線監測設備，實時動態監控，確保化工廢水的排放監管到位，因此化工廢水處理技術也在不斷創新，涌現了很多新型的處理工藝[6]。新工藝技術的轉化落地要在保證處理效果的前提下必須降低能耗和成本，保證企業的經濟效益，否則昂貴的運行成本使其無法轉換落地，實現大規模推廣。

4.化工廢水處理新技術—非均相Fenton耦合固定化微生物工藝

蘭州大學化學化工學院針對化工廢水行業水質特點及生物難降解共性，通過非均相Fenton高級氧化工藝破壞有機污染物結構、降低毒性和提高可生化性；利用固定化高效微生物技術提高微生物對化工廢水耐沖擊性和處理效率，突破了傳統生物法處理化工廢水的極限，將非均相Fenton技術和固定化微生物技術進行有機組合，成功地開發出高效穩定、低成本、運行管理簡單的有機化工廢水處理新工藝—非均相Fenton耦合固定化微生物工藝。

該技術成功的應用于白銀科技企業孵化器（50m3/d）、蘭州凱博藥業（10m3/d）和江蘇明德立達作物科技有限公司（5m3/d）等多家化工企業的高濃度化工廢水處理中，通過處理后，出水指標（COD、氨氮、TN、TP等）達到園區和企業的排放標準。以白銀科技企業孵化器高濃度化工廢水處理項目為例，自建立運行以來，已處理復雜化工廢水近4000m3，處理效果顯著，進水COD濃度在50000～180000mg/L之間，出水COD穩定在440mg/L以下，氨氮在6～35mg/L之間，達到園區排放標準；2018年分別在當地新聞以“蘭白自創區奮進路綠色科技助力我市經濟高質量發展”和甘肅網絡廣播電視臺以“蘭白自創區：蘭大神器進企業每天處理廢水50噸”報道宣傳。對比其它化工廢水處理工藝，該耦合工藝具有以下明顯的創新：（1）適應性強，適應各種復雜成分、毒性強的有機化工廢水，突破傳統生物法處理化工廢水的極限；（2）反應效率高，污泥產量小，投資及運行成本低；（3）耐沖擊性強，微生物增值快、密度高；（4）工藝操作簡便、管理方便；（5）對配套設施或設備材料要求低，無需高溫高壓；（6）整個工藝可定制外加模塊，進行提升改造。目前該工藝技術已申請并獲得多項專利，并建立小試、中試應用示范裝置，在化工企業推廣應用過程中，以試驗數據和結果展現其處理效果，充分論證科研成果的實現。

以自主研發的化工廢水處理新技術為核心，在高濃度有機化工廢水處理領域，找準發力點，科學精準的破解廢水治理難題，促進化工產業科技創新，推動化工企業綠色低碳發展。通過不斷提升自主創新能力，以高效、環保、品質和實用的技術持續深入化工廢水治理任務中，將該化工廢水新技術進一步地完善和發展，并在全國的化工園區進行推廣和應用，創造出更多更好的成果，同時研發團隊將進一步推動有機化工廢水處理與資源化技術的研發和成果轉化，以穩定、高效的處理效果開展技術研究與工程示范，實現產業化推廣，為化工產業高質量發展盡一份微薄之力。

5.總結

化工企業的可持續發展影響到國民經濟的持續提高，而化工企業又涵蓋到環保、安全及健康等層面的問題，化工廢水的治理無論是資金投入還是設備硬件較先前都有了很大地提高，一些環保新技術和新設備也得到了廣泛的應用[7]。通過有效的工藝處理，最終實現化工廢水的零排放，不僅能夠緩解我國當前較為緊張的水資源，而且促使水資源的有效合理再利用。

化工企業的廢水成份各不相同，新的工藝技術能否長久應用，其關鍵核心就是滿足企業客戶的需求。如何保持其實用性和全面性，需要研發團隊及時、準確的了解其應用情況和缺陷，并針對問題提供專業性的技術服務，從而解決問題。因此化工廢水的處理要從實際出發，多層次多維度的為企業解決問題，就需要提高科技創新效率，為創新成果的產生提供基礎。與此同時，根據廢水變化情況不斷對工藝進行改進，更新工藝技術和裝備，使工藝技術更加完善，形成科研成果和實踐應用的互通體系，促使化工廢水處理新技術的應用落地；從而充分發揮環保科技創新的引領作用，加快推動技術創新能力。