高濃度有機(jī)廢水處理及回用工程實踐研究

收稿日期：2023-11-22

作者簡介：呂小芳（1984—），女，江蘇泰州人，碩士，高級工程師。研究方向：環(huán)境管理及環(huán)保工程技術(shù)。

摘要：本文以某化工企業(yè)為例，采用“微電解-高級芬頓氧化-生物處理-砂濾-炭濾-反滲透-三效蒸發(fā)”的組合工藝，對其排放的高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行處理。工程實踐表明，系統(tǒng)維持相對穩(wěn)定時，出水指標(biāo)均可滿足企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求，實現(xiàn)廢水零排放。

關(guān)鍵詞：高濃度有機(jī)廢水；微電解；高級芬頓氧化；生物處理；回用；零排放

中圖分類號：X78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.050

Research on Engineering Practice of High Concentration Organic Wastewater Treatment and Reuse

LYU Xiaofang

（Suzhou Institute of Environmental Sciences， Suzhou 215123， China）

Abstract： Taking a chemical enterprise as an example， this paper adopts a combination process of “micro electrolysis-advanced Fenton oxidation-biological treatment-sand filtration-carbon filtration-reverse osmosis-three effect evaporation” to treat the high concentration organic wastewater discharged from it. Engineering practice has shown that when the system is relatively stable， the effluent indicators can meet the water quality requirements for internal production water in the enterprise， achieving zero discharge of wastewater.

Keywords： high concentration organic wastewater; micro electrolysis; advanced Fenton oxidation; biological treatment; reuse; zero emissions

某化工企業(yè)的主要產(chǎn)品為高分子材料，生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量中間體廢水，生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量約為50 t/d，廢水主要含有醇類、甲苯、二甲苯等污染物，毒性較大，有機(jī)物濃度高，可生化性較差。該新建項目位于太湖流域，按照《太湖流域管理條例》《江蘇省太湖水污染防治條例》的要求，應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)含氮磷生產(chǎn)廢水的零排放。因此，本項目需要合理選用工藝對含氮磷生產(chǎn)廢水進(jìn)行深度處理，達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)后，尾水全部回用。項目設(shè)計進(jìn)水及出水水質(zhì)如表1所示。主要監(jiān)測指標(biāo)有化學(xué)需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、甲苯、二甲苯和pH。該項目于2021年12月開始設(shè)計，然后進(jìn)行施工和調(diào)試，歷時12個月，2022年12月完成廢水處理設(shè)施的環(huán)保驗收。

1 廢水處理工藝流程

該化工企業(yè)生產(chǎn)廢水成分復(fù)雜，有機(jī)物濃度高，含鹽量高，毒性大，可生化性差，若采用傳統(tǒng)的生物處理法，則很難達(dá)到企業(yè)的回用要求[1-3]。鐵炭微電解法是一種成本低廉、操作維護(hù)和運行管理方便、處理效果較佳的廢水處理方法，近些年在石化廢水、染料廢水和制藥廢水的預(yù)處理方面取得較好的效果。采用微電解-芬頓氧化法作為生產(chǎn)廢水的主要預(yù)處理方案，預(yù)處理可使有機(jī)物的可生化性大大提高[4-5]。

經(jīng)過前期的小型試驗和水質(zhì)檢測，確定該處理工藝的主要流程。生產(chǎn)廢水經(jīng)車間內(nèi)廢水收集管網(wǎng)直接排放至污水處理站，因原水懸浮物（SS）含量較低，首先進(jìn)行預(yù)曝氣，使廢水勻質(zhì)勻量，再利用調(diào)整池調(diào)節(jié)pH（加酸調(diào)節(jié)pH到酸性），然后廢水進(jìn)入鐵炭反應(yīng)池；鐵炭反應(yīng)池出水進(jìn)行芬頓反應(yīng)后，再次調(diào)節(jié)pH至堿性，使水中的金屬離子形成沉淀，再投加絮凝劑，形成大顆粒絮體后沉降析出；沉淀池的出水再次加入酸性物質(zhì)，回調(diào)pH至中性。

預(yù)處理后的廢水進(jìn)入主廢水處理工段。首先，廢水直接排入升流式厭氧污泥床（UASB）進(jìn)水池，UASB進(jìn)水池設(shè)置加熱裝置，然后廢水進(jìn)入?yún)捬跆幚硌b置，厭氧處理裝置采用高效厭氧UASB反應(yīng)池，在UASB反應(yīng)池中，水中難生化處理的有機(jī)污染物可實現(xiàn)降解，厭氧出水經(jīng)UASB沉淀池后進(jìn)入?yún)捬鹾醚酰ˋO）反應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)過好氧反應(yīng)，水中的有機(jī)污染物進(jìn)一步降解，通過污泥回流和硝化液回流進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)，AO反應(yīng)系統(tǒng)出水經(jīng)泥水分離后通過砂濾器、炭濾器、保安過濾器以及反滲透（RO）系統(tǒng)進(jìn)一步深度處理，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)后全部回用。其中，RO濃水通過三效蒸發(fā)器或低溫蒸發(fā)器等處理設(shè)備蒸發(fā)結(jié)晶，結(jié)晶濃縮液進(jìn)行離心脫水，脫水后的蒸發(fā)殘液作為危險廢物委托有資質(zhì)單位處置，清液循環(huán)蒸發(fā)處理。三效蒸發(fā)器或低溫蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽冷凝液回到缺氧工段。具體處理工藝流程如圖1所示。

2 主要處理構(gòu)筑物與設(shè)備

2.1 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池用于收集生產(chǎn)廢水，可以起到均質(zhì)均量的作用。設(shè)提升泵兩臺，1用1備，配備空氣動力攪拌系統(tǒng)進(jìn)行廢水的均質(zhì)均量。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為5 000 mm×

5 000 mm×4 500 mm，水力停留時間為48 h。

2.2 pH調(diào)整池1

在調(diào)整池內(nèi)加入酸性物質(zhì)，調(diào)節(jié)pH至酸性（pH取3～4），配備機(jī)械攪拌設(shè)施1套、pH在線控制器1套和自動加酸裝置1套。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為1 200 mm×

1 200 mm×2 000 mm，水力停留時間為0.5 h。

2.3 鐵炭進(jìn)水池

pH調(diào)整后的廢水排入鐵炭進(jìn)水池，該池設(shè)有

1個3 m3的聚乙烯水箱，配備提升泵2臺，1用1備，水力停留時間為1.4 h。

2.4 鐵炭反應(yīng)池

鐵炭反應(yīng)池是電化學(xué)法的一種廢水預(yù)處理設(shè)施，多用于工業(yè)廢水的處理，特別是色度大、苯環(huán)等難以生化降解的高濃度廢水。鐵炭微電解過程是pH較低的廢水與固定床填料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在水流通過的狀態(tài)下，填料中陰陽電極間的微電流流動使得污染物中的部分官能團(tuán)發(fā)生改變，從而影響污染物的特性，降低廢水色度，進(jìn)一步提高廢水的可生化性。池體設(shè)計直徑為1 600 mm，深度為3 000 mm，材質(zhì)為鋼襯膠，鐵炭填料容積為4 m3，水力停留時間為2 h。

2.5 芬頓反應(yīng)池

在芬頓反應(yīng)池中加入一定量的氧化劑（濃度30%的H2O2），該池配備機(jī)械攪拌設(shè)施1套、氧化還原電位（ORP）在線控制器1套和氧化劑投加裝置

1套。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為1 200 mm×1 200 mm×2 000 mm，

水力停留時間為0.5 h。

2.6 pH調(diào)整池2

在調(diào)整池中加入氫氧化鈉，調(diào)節(jié)pH至8左右，該池配備機(jī)械攪拌設(shè)施1套、pH在線控制器1套和氫氧化鈉投加裝置1套。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為1 200 mm×

1 200 mm×2 000 mm，水力停留時間為0.5 h。

2.7 絮凝沉淀池

在絮凝沉淀池向廢水中投加高分子絮凝劑，并攪拌混合，使顆粒物凝聚后加速沉淀從而實現(xiàn)分離。該池配備機(jī)械攪拌設(shè)施1套和絮凝劑投加裝置1套。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為1 200 mm×1 200 mm×2 000 mm，水力停留時間為0.5 h。

2.8 物化沉淀池

采用斜板沉淀池，該池具有去除效率高、停留時間短、占地面積小等優(yōu)點。采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯采用玻璃鋼作為防腐材料，設(shè)計尺寸為1 200 mm×2 400 mm×

3 500 mm，表面負(fù)荷為0.72 m3/（m2·h），水力停留時間為3.9 h。

2.9 UASB進(jìn)水池

UASB進(jìn)水池用于厭氧反應(yīng)器的配水，同時配套蒸汽加熱裝置，在氣溫較低時對廢水進(jìn)行加熱處理（通常35～37 ℃），以保證厭氧過程的處理效率。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為2 000 mm×2 000 mm×

3 500 mm，水力停留時間為5.8 h。

2.10 UASB反應(yīng)池

物化處理后的廢水進(jìn)入UASB反應(yīng)池，在各類厭氧微生物的作用下，生產(chǎn)廢水中的有機(jī)污染物發(fā)生厭氧反應(yīng)，生成甲烷、二氧化碳等混合氣體，再經(jīng)三相分離器進(jìn)行固相、液相、氣相的分離。UASB反應(yīng)池采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)環(huán)氧瀝青防腐材料，設(shè)計有效容積為100 m3，水力停留時間為2 d，設(shè)計直徑為

4 000 mm，深度為8 000 mm。為確保沼氣安全排放，配套設(shè)置二級水封裝置（設(shè)計直徑600 mm，深度

1 500 mm）。另設(shè)溫度控制系統(tǒng)3套，用于測定不同高度的反應(yīng)器溫度。

2.11 UASB沉淀池

經(jīng)三相分離器實現(xiàn)固、液、氣分離后，會有少量的污泥排出。設(shè)置UASB沉淀池，UASB反應(yīng)池的出水進(jìn)入該沉淀池，泥水混合物在池內(nèi)再次進(jìn)行固液分離，部分污泥回流到UASB反應(yīng)池，部分污泥直接排放至污泥濃縮池。UASB沉淀池采用豎流式，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計直徑為3 000 mm，深度為5 000 mm。

2.12 缺氧池

溶解氧含量為0.0～0.5 mg/L時，廢水中的難降解大分子有機(jī)污染物逐漸降解為小分子物質(zhì)，增強(qiáng)污染物的可生化性，反硝化細(xì)菌在缺氧條件下進(jìn)行反硝化反應(yīng)。池內(nèi)設(shè)高效生物脫氮填料（高度3 m），池內(nèi)設(shè)置2臺潛水?dāng)嚢铏C(jī)，實現(xiàn)污泥與廢水的充分混合。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為2 000 mm×

3 000 mm×3 500 mm，水力停留時間為8 h。

2.13 好氧池

缺氧反應(yīng)后，廢水進(jìn)入好氧池，好氧池溶解氧含量一般維持在4 mg/L左右，在各種好氧微生物的作用下，廢水中大量有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2和H20，從而達(dá)到降低CODCr的目的，好氧池中活性污泥的濃度維持在4 000 mg/L左右。設(shè)2臺混合液回流泵（1用1備），混合液回流比為150%～200%。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計尺寸為3 000 mm×6 000 mm×3 500 mm，水力停留時間為24 h。

2.14 二次沉淀池

二次沉淀池采用豎流式，好氧反應(yīng)后的廢水進(jìn)入二次沉淀池，在重力作用下進(jìn)行泥水分離。其中，上清液回流至中間水池，沉淀后的污泥直接排入污泥濃縮池。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)2臺污泥回流泵（1用1備），設(shè)計直徑為3 000 mm，深度為5 000 mm。

2.15 中間水池

沉淀后的廢水排放至中間水池儲存，中間水池配備一個2 m3水箱和2臺提升泵（1用1備），水力停留時間為1.0 h。

2.16 自動砂濾器

生產(chǎn)廢水在砂濾器內(nèi)被深度過濾，懸浮物和膠體等得到進(jìn)一步去除，通過石英砂濾料的截留、沉降和吸附作用達(dá)到凈水目的。石英砂過濾器一般有兩種反洗方式，一種為氣水反洗，另一種為水反洗。氣水反洗是利用空氣氣泡和石英砂濾料相互摩擦，再利用石英砂濾料顆粒間的摩擦力，最后利用石英砂濾料和水相沖的摩擦力，相互作用后可最大限度地增加反沖洗效果，經(jīng)反水洗后石英砂濾料可實現(xiàn)再次充分過濾。砂濾器直徑為600 mm，深度為1 500 mm，過濾速度為7.5 m/h，反洗頻率為一天一次，反洗歷時

8～10 min，濾層高度為1.2 m。

2.17 炭濾器

炭濾器能夠吸附去除水中的余氯，還可吸附小分子有機(jī)污染物，且對水中的膠體、色素、重金屬離子等都有較明顯的吸附作用，從而實現(xiàn)對CODCr的進(jìn)一步去除。另外，可進(jìn)一步降低RO系統(tǒng)進(jìn)水的於塞指數(shù)，保證其小于5。炭濾器直徑為600 mm，深度為

1 500 mm，過濾速度為7.5 m/h，濾層高度為1.2 m。

2.18 保安過濾器

保安過濾器可以將水中殘存的微量懸浮顆粒、膠體、微生物等截留或吸附在濾芯表面和孔隙中，處理后可滿足RO系統(tǒng)對進(jìn)水水質(zhì)的要求。保安過濾器濾芯過濾精度為5 μm。

2.19 RO系統(tǒng)

RO系統(tǒng)主要由RO膜元件（2支）、加藥系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)以及可編程邏輯控制器（PLC）自控系統(tǒng)等組成。其中，RO膜元件采用聚酰胺抗污染反滲透膜，設(shè)計處理規(guī)模為1.0 m3/h，采取24 h連續(xù)運行，產(chǎn)水率約為60%。

2.20 三效蒸發(fā)器

三效蒸發(fā)器的原理是在真空低溫條件下對廢水進(jìn)行蒸發(fā)濃縮或蒸發(fā)結(jié)晶，將RO濃水通過蒸發(fā)方式加以濃縮，蒸發(fā)過程使得含雜質(zhì)溶液得以濃縮、結(jié)晶。設(shè)計處理規(guī)模為1.0 t/h，每天有效運行時間為20 h。

3 工藝控制要點和系統(tǒng)運行情況

本方案廢水中有機(jī)污染物濃度較高，可生化性較差。首先采用鐵炭微電解和芬頓強(qiáng)氧化預(yù)處理，將CODCr降低到7 255～8 162 mg/L，BOD5/CODCr比提高至0.10～0.15，然后采用生化處理系統(tǒng)（UASB厭氧反應(yīng)和缺氧好氧反應(yīng)）將CODCr降低到400 mg/L左右。

本工程自2022年3月進(jìn)水調(diào)試以來已穩(wěn)定運行近一年時間，從實際檢測結(jié)果可知，生化出水CODCr濃度基本能夠穩(wěn)定在362～402 mg/L，RO系統(tǒng)出水CODCr濃度穩(wěn)定在12～18 mg/L，其他主要污染物水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。最終的出水水質(zhì)完全可以達(dá)到該化工企業(yè)生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求，廢水回用率達(dá)100%，廢水實現(xiàn)全部回用。RO系統(tǒng)產(chǎn)水率為60%～65%，企業(yè)每天可節(jié)省30 t新鮮用水，節(jié)能減排效果尤其明顯。

4 廢水處理運行成本分析

項目運行近一年來，處理水量為50 t/d，該工藝方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有可行性。廢水處理成本主要包括4項。電費單價為2.61元/t，藥劑成本為6.64元/t，燃?xì)忮仩t的天然氣費用為128.6元/t，工作人員工資為2.25元/t。經(jīng)合計，噸水處理成本為140.1元/t。

5 結(jié)論

采用“微電解-高級芬頓氧化-生化處理-砂濾-炭濾-反滲透-三效蒸發(fā)”組合工藝處理高濃度有機(jī)廢水是可行的，出水指標(biāo)均可滿足企業(yè)生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求，達(dá)到含氮磷生產(chǎn)廢水零排放的目的。采用高級芬頓氧化工藝時，要明確控制要點。進(jìn)水pH控制在3.0～4.0，H2O2投加量為8～10 mL/L，芬頓氧化時間為0.5 h。該工程的生產(chǎn)廢水處理規(guī)模為50 t/d，設(shè)備總投資約為243萬元（未包括土建），一次性投資較大。

參考文獻(xiàn)

1 袁道迎.礦井高濃度有機(jī)廢水處理及其資源化回用技術(shù)[J].能源與環(huán)保，2022（12）：153-158.

2 李家珍.染料、染色工業(yè)廢水處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997：31-32.

3 何 豐，王三反，徐 靜.顏料廢水的脫色工藝實驗研究[J].北方環(huán)境，2011（1）：68-69.

4 常海榮，張振家，王欣澤，等.鐵屑還原法預(yù)處理糖精鈉廢水[J].中國給水排水，2004（2）：51-53.

5 王永廣，楊劍峰.微電解技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的研究與應(yīng)用[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002（4）：69-73.