某化工企业废水处理工程设计

王忠敏， 孙国亮， 周晟葆， 孙永军

（1.中冶华天工程技术有限公司， 南京 210019； 2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，南京 210012； 3.南京工业大学 城市建设学院 江苏省工业节水减排重点实验室， 南京 211800）

化工企业生产废水具有水质成分复杂、 有机污染物浓度高、 水质水量变化大、 难降解大分子有机物含量高等特性［1］， 处理难度较大。 目前， 国内外对该类废水主要采取分质处理原则， 并选用物化处理与生化处理相结合的处理方法［2］。 本文介绍了某化工企业生产废水的处理工艺流程及主要构筑的设计参数， 以期为同类废水的处理提供参考。

1 工程概况

某化工企业主要从事精细化工产品研发和生产， 包括医农药原料甲苯和羧酸等、 中间体庚烯酮以及除草剂烯草酮等。 废水主要由庚烯酮酸水、 洗甲苯水、 脱羧酸水、 烯草酮酸水以及厂区生活污水组成， 成分复杂， 芳环有机物浓度高， COD、 氨氮浓度高， 水力负荷大， 宜通过预处理来减轻后续处理单元的负荷。 经预处理工艺和生化处理工艺后，符合GB／T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》B 级标准， 达到园区污水管网的接管要求。

2 设计规模及水质

该项目的废水主要为生产废水和生活污水，预处理设计规模为400 m3／d， 包括一般废水约220 m3／d， 高氨氮废水约30 m3／d， 高盐废水约150 m3／d； 生化处理系统设计规模为1 000 m3／d。 出水水质要求达到GB／T 31962—2015 中B 级标准， 设计进出水水质如表1 所示。

由表1 可知， 该项目废水主要分为合成和脱羧工段的高氨氮酸水（约30 m3／d）、 高含盐的中间体酸水和洗甲苯水（约150 m3／d）以及水洗水等一般废水（约220 m3／d）。 这些废水具有COD 浓度高， 氨氮和TN 浓度大， 含盐量大， pH 值范围较广等特点， 普通一级A／O 工艺的处理效果难以满足排放要求， 因此需做强化处理。

表1 设计水量和水质Tab. 1 Design water quantity and quality

3 废水处理工艺

该项目废水的主要污染物有COD、 氨氮、 油、硫酸盐等， 处理手段应采取分类分质的形式。 庚烯酮酸水、 洗甲苯水、 合成酸水等均属于高盐废水，部分废水含盐量远远大于2%， 对废水中的微生物具有较强抑制作用， 宜采用蒸馏工艺析盐。 废水中的芳环有机物浓度高， 难降解， 本项目选用铁碳微电解结合Fenton 反应， 利用Fe－C 组成的无数微电池还原破坏废水中的芳环支链， 由于微电解过程产生Fe2＋， 催化H2O2生成强氧化性·OH［3］， 进而氧化破坏芳环； 经过上述工艺处理后， 废水COD 得到大幅削减， 可生化性提高， 但是废水中残留的Fe2＋和Fe3＋不利于后续生化处理， 利用混凝沉淀将其转化为沉淀并吸附去除。 针对该废水中污染物不易降解， 氨氮和TN 浓度均较高的特点， 考虑选用具有较好脱氮能力且耐冲击负荷能力强， 有利于系统稳定运行的工艺。 A／O 工艺具有高效的脱氮功能， 在实际应用中较为普遍， 有许多成功的案例［4-5］。 考虑到该废水中存在较多难降解大分子污染物， 采用水解酸化和IC 厌氧组合的工艺， 先利用水解酸化池中微生物将大分子有机物降解为小分子有机质［6］， 提高废水可生化性， 然后进入IC 厌氧反应器， 通过布水管路和厌氧污泥充分混匀， 在厌氧产甲烷菌的作用下， 降解废水中难降解有机质［7］， 再次提高废水可生化性， 降低后续处理的难度。 最后， 为保证整个处理系统出水达到排放标准， 选用Fenton 氧化工艺作为深度处理方法。 具体流程见图1。

图1 废水处理系统工艺流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment system

来自厂区的一般废水、 高氨氮废水和高盐废水分别进入调节池1、 调节池2 和调节罐， 以调节水质水量， 保证后续处理系统的水量均匀、 水质稳定以及工艺安全稳定运行； 调节池1 的废水进入隔油气浮池进行油水分离， 调节池2 的废水经两级氨氮吹托塔将氨吹出， 投加PAC 辅助氨氮的去除， 以上过程需要投加碱调节pH 值， 调节罐出水经油水分离后进入蒸发釜， 处理后的残盐作为危废进一步处理， 冷凝液和其他2 种废水汇入调节池3； 调节池3 的废水依次进入pH 调节反应釜、 铁碳微电解反应釜、 Fenton 反应釜、 稳定罐、 pH 中和反应釜、混凝槽和沉淀罐进行预处理， 降解有机物， 提高废水的可生化性， 减少对后续处理单元的冲击负荷。废水经沉淀池泥水分离后进入综合调节池， 与生活污水一起调节水量水质， 出水进入水解酸化池， 利用水解酸化菌的水解酸化作用将部分大分子有机物降解为小分子， 提高废水的可生化性， 处理后的废水排入沉淀池1 进行泥水分离， 出水进入两级IC厌氧反应器， 污泥流入污泥池； IC 厌氧反应器反应器出水自流进入缺氧池1 与好氧池1 回流混合液混合， 缺氧池1 内反硝化细菌利用废水中的有机物做碳源， 将好氧池1 回流混合液中带入的大量NO3-－N 和NO2-－N 还原为N2释放至空气， 降低BOD5及NO3-－N 浓度， 减轻好氧池1 的有机负荷， 减少好氧池1 有机物氧化和硝化的需氧量。 好氧池1 出水自流进入缺氧池2 与好氧池2 回流混合液混合， 去除有机物和氨氮， 好氧池2 出水自流进入二沉池， 在二沉池实现泥水分离； 出水自流进入尾水排放反应池中， 氧化剂（H2O2）、 催化剂（Fe2＋）与废水经螺旋状流态旋转前进， 良好的均质效果极大地提升了氧化剂的利用效率。

沉淀罐、 沉淀池1、 两级IC 厌氧反应器和二沉池的污泥经回流泵送至污泥池， 污泥通过自流进入污泥调节池， 通过投加PAM 增加污泥絮凝效果，污泥调节池中的污泥最终经过叠螺式污泥脱水机处理后产生泥饼并外运， 压滤出水回流调节池。

4 主要构筑物及设计参数

（1） 调节池。 3 座， 钢筋混凝土结构。 调节池1的设计进水量为220 m3／d， 尺寸为8.5 m×6.0 m ×4.5 m， 有效水深为4.0 m， 水力停留时间为22.3 h，设潜水搅拌机2 台， 功率为1.5 kW； 电磁流量计1台； 污水提升泵2 台， 流量为10 m3／h， 扬程为12 m， 功率为0.75 kW。 调节池2 的设计进水量为30 m3／d， 尺寸为4.0 m × 2.0 m × 4.5 m， 有效水深为4.0 m， 水力停留时间为25.6 h， 设潜水搅拌机1台， 功率为0.75 kW； 电磁流量计1 台； pH 在线仪1 台； 桨式搅拌机1 台， 功率为0.55 kW； 污水提升泵2 台， 流量为2 m3／h， 扬程为12 m， 功率为0.75 kW。 调节池3 的设计进水量为400 m3／d，尺寸为10.5 m× 3.5 m×4.5 m， 有效水深为4.0 m，水力停留时间为8.9 h， 设潜水搅拌机2 台， 功率为1.5 kW； 电磁流量计2 台； 污水提升泵3 台，流量为10 m3／h， 扬程为12 m， 功率为0.75 kW。

（2） 调节罐。 碳钢衬塑结构， 设计进水流量为150 m3／d， 尺寸为10.0 m × 3.0 m × 3.0 m， 有效水深为2.7 m， 水力停留时间13.0 h。 设潜水搅拌机1台， 功率为0.75 kW； 电磁流量计1 台； pH 在线仪1 台； 污水提升泵2 台， 流量为10 m3／h， 扬程为15 m， 功率为0.75 kW。

（3） 两级氨氮吹脱塔。 碳钢衬塑结构， 尺寸为φ1.5 m × 7.5 m， 有效水深为7.0 m， 流量为30 m3／d。 一级氨氮吹脱塔pH 值调节为6 ～9， 二级调节pH 值为11， 气水比均取3 500， 吹脱40 min，均采用聚丙烯阶梯环填料， 填料高1.8 m。

（4） pH 调节反应釜。 2 座， 碳钢衬塑结构，每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 1.5 m ×5.0 m， 有效水深为4.7 m， 水力停留时间为4.0 h。设pH 在线仪2 台， 配套搅拌机。

（5） 铁碳微电解反应釜。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 3.0 m × 5.0 m， 有效水深为4.7 m， 水力停留时间为16.0 h。 设曝气装置2 套， 铁碳填料23 m3。

（6） Fenton 反应釜。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 3.0 m×5.0 m， 有效水深为4.7 m， pH 值调节为3～4， Fe2＋和H2O2的物质的量比为1 ∶10， 水力停留时间为16.0 h。 设配套搅拌机。

（7） 稳定罐。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 2.1 m×5.0 m， 有效水深为4.7 m， 水力停留时间为7.5 h。 设配套搅拌机。

（8） pH 中和反应釜。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 1.5 m×5.0 m， 有效水深为4.7 m， 水力停留时间为4.0 h。 设pH 在线仪2 台， 浆式搅拌机2 台， 功率为0.55 kW。

（9） 混凝槽。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 1.5 m×4.0 m， 水力停留时间为3.2 h。 设管式静态混合器2 台， 流量为14～28 m3／h， 管径为100 mm； 浆式搅拌机2台， 功率为0.55 kW。

（10） 沉淀罐。 2 座， 碳钢衬塑结构， 每座设计进水流量为200 m3／d， 尺寸为R 3.0 m × 4.0 m，有效水深3.5 m， 水力停留时间为11.5 h。 设配套中心筒。

（11） 综合调节池。 钢筋混凝土结构， 设计进水流量为1 000 m3／d， 分3 格， 单格尺寸为11.0 m×10.7 m×5.5 m， 有效水深为5.0 m， 水力停留时间为42.5 h。 设潜水搅拌机6 台， 功率为3.0 kW； 污水提升泵6 台， 流量为25 m3／h， 扬程为10 m， 功率为2.2 kW。

（12） 水解酸化池。 2 座， 钢筋混凝土结构，每座尺寸为15.5 m × 6.5 m × 5.5 m， 有效水 深为5.0 m， 组合填料500 m3， 污泥容积负荷为5.0 kg［COD］／（m3·d）。 设pH 在线仪2 台； 潜水推流器4台， 功率为3.0 kW； 配套填料支架400 m2。

（13） 沉淀池1。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座尺寸为5.0 m× 5.0 m×5.5 m， 有效水深为5.0 m，表面负荷为1.0 m3／（m2·h）， 水力停留时间为4.0 h。设污水提升泵4 台， 流量为12.5 m3／h， 扬程为25 m， 功率为3.0 kW。

（14） IC 厌氧反应器。 2 组4 台， 碳钢衬塑结构， 单台尺寸为R 8.2 m×24.0 m， 流量为1 200 m3／d， 进水温度为37 ℃， 第一反应室容积负荷为22.0 kg［COD］／（m3·d）， 第二反应室容积负荷为7.0 kg［COD］／（m3·d）， 组合填料1 200 m3。 设脉冲布水器4 套； 中间提升罐2 座， 每座尺寸为R 3.0 m × 3.0 m； 沼液分离器8 套； ORP 在线仪4 台； 污水提升泵4 台， 流量为23 m3／h， 扬程为35 m， 功率为4.0 kW； 污水回流泵8 台， 流量为30 m3／h， 扬程为20 m， 功率为4.0 kW。

（15） 缺氧池1。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座设计进水流量为500 m3／d， 尺寸为20.0 m×8.0 m×6.0 m， 有 效 水 深 为5.5 m， 污 泥 负 荷 为0.09 kg［COD］／（kg［MLSS］·d）， 水力停留时间为42.3 h，溶解氧质量浓度为0.25 mg／L。 设DO 在线仪2 台。

（16） 好氧池1。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座设计进水流量为500 m3／d， 尺寸为25.0 m×20.0 m×6.0 m， 有 效 水 深 为5.0 m， 容 积 负 荷 为0.09 kg［COD］／（m3·d）， 水力停留时间为120 h， 混合液污泥质量浓度为3 000 mg／L， 溶解氧质量浓度为4.0 mg／L， 污泥回流比为100%， 混合液污泥回流比控制在200%～300%， 组合填料2 000 m3。 设DO 在线仪2 台； MLSS 在线仪2 台； 微孔曝气系统3 840套； 内回流泵4 台， 流量为65 m3／h， 扬程为15 m，功率为5.5 kW。

（17） 缺氧池2。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座设计进水流量为500 m3／d， 尺寸为20.0 m×4.0 m×6.0 m， 有 效 水 深 为5.5 m， 容 积 负 荷 为0.09 kg［COD］／（m3·d）， 水力停留时间为21.2 h， 溶解氧质量浓度为0.25 mg／L。 设DO 在线仪2 台； 潜水推流器2 台， 功率为3.0 kW。

（18） 好氧池2。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座设计进水流量为500 m3／d， 尺寸为20.0 m×9.5 m×6.0 m， 有 效 水 深 为5.0 m， 容 积 负 荷 为0.09 kg［COD］／（m3·d）， 水力停留时间为45 h， 混合液污泥质量浓度为3 000 mg／L， 溶解氧质量浓度为4.0 mg／L， 污泥回流比为75%， 混合液回流比控制在200%～300%， 组合填料760 m3。 设DO 在线仪2台； MLSS 在线仪2 台； 微孔曝气系统1 440 套；内回流泵4 台， 流量为65 m3／h， 扬程为15 m， 功率为5.5 kW。

（19） 二沉池。 2 座， 钢筋混凝土结构， 每座尺寸为6.0 m×5.0 m×6.0 m， 池边水深为5.5 m， 表面负荷为0.80 m3／（m2·h）。 设污泥泵4 台， 流量为5.0 m3／h， 扬程为15 m， 功率为0.75 kW， 斜板填料44 m3。

（20） 尾水排放池。 2 格， 碳钢衬塑结构， 单格尺寸为20.0 m×3.0 m×6.0 m。 设废水排放泵2 台，流量为45 m3／h， 扬程为20 m， 功率为3.7 kW。

5 工程设计特点

（1） 废水预处理采用蒸馏、 铁碳微电解、Fenton 氧化和混凝沉淀工艺， 提高了废水的可生化性， 保证了后续生化处理系统的稳定运行。

（2） 生化处理采用以水解酸化池、 IC 厌氧反应器和两级A／O 为主的处理工艺， 对有机物、COD、 氨氮以及总氮具有较高的去除率。 其中A／O工艺好氧池分为3 格， 容积比为1 ∶2 ∶3， 可根据实际情况， 将后一级好氧池改建为MBBR 工艺，该工艺耐冲击负荷能力强， 系统运行安全稳定， 工程案例较多， 且运行费用低。

（3） 深度处理利用尾水预排放池， 尾水排放池设置反应池与稳定池。 反应池可利用氧化剂（H2O2）和催化剂（Fe2＋）的作用进一步地将有机物氧化分解为小分子， 达到进一步净化水质的目的， 稳定地实现固液分离， 上清液自流出水， 达标排放。

6 工程运行效果

本工程自2018 年7 月运行后， 系统运行可靠，耐冲击负荷， 自动化程度高， 各项出水水质达到GB／T 31962—2015 中B 级标准要求。 实测综合调节池和系统排水水质如表2 所示。

本工程总投资约4 217 万元， 总运行成本（电费、 药剂费、 维护费、 人工费）为9.97 元／m3。

表2 实测进出水水质Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

7 结论

（1） 该工程实践表明， 采用蒸馏、 铁碳微电解、Fenton 反应和混凝沉淀预处理和生化处理（水解酸化池-两级厌氧-两级A／O）工艺处理高盐、 高氨氮、高COD 化工废水是有效可行的， 出水符合GB／T 31962—2015 中B 级标准， 达到园区污水管网接管要求。 该工艺运行稳定可靠， 耐冲击负荷， 自动化程度高。

（2） 该化工企业生产废水的含盐量、 氨氮和COD浓度均较高， 且水质水量变化大， 因此， 调节池应设计有足够容积， 保证达到调节水质水量的要求。