异辛酸和氯化胆碱生产废水处理工程实例

刘君， 孙殿寅， 刘圣鹏， 张存存， 张洁

（1.青岛蔚蓝赛德生物科技有限公司， 山东 青岛 266000； 2.泰安汉威集团有限公司， 山东 泰安 270014）

精细化工行业的废水属于高浓度有机废水， 其水质复杂， 难生物降解且具有毒性， 是废水处理的难点［1-3］。 精细化工废水一般采用高级氧化预处理＋生化处理的组合工艺。 常用的高级氧化技术主要有芬顿、 臭氧、 电解等方式， 根据不同项目的水质性质酌情选择。 某精细化工厂生产氯化胆碱和异辛酸， 氯化胆碱生产采用三甲胺、 盐酸、 环氧乙烷作为主要原料， 产生的废水主要为蒸发浓缩过程中产生的物料凝水， 主要污染物为乙二醇、 氯乙醇等，采用水解-AO 工艺进行处理； 异辛酸生产采用硫酸和异辛醇作为主要原料， 产生的废水主要为蒸发浓缩过程中产生的物料凝水， 主要成分为异辛醇、异辛酸等， 异辛酸废水为酸性， 属于难生化的水质， 采用电解-IC-水解-AO 工艺进行处理。

本文结合该企业氯化胆碱和异辛酸生产废水处理工程实例， 分析废水水质特征， 重点介绍废水处理工艺过程、 设计参数和工程运行效果， 为相关废水处理工程提供参考。

1 工程概况

某化工厂以三甲胺、 盐酸和环氧乙烷为原料合成氯化胆碱； 以硫酸和异辛醇为原料缩合反应生产异辛酸。 生产废水成分复杂， 污染物含量高， 可生化性差。 废水站分为预处理系统和生化处理系统，预处理系统采用直流电解-IC 反应器处理异辛酸生产废水， 预处理后汇入调节池和氯化胆碱生产废水、 设备洗涤废水、 园区生活污水混合， 之后由生化处理系统采用水解-兼氧-AO-MBR-混凝沉淀工艺进行处理， 出水达到接管要求后排放至当地市政污水厂管网。

2 设计水质、 水量

废水站设计处理规模为360 m3／d， 主要包括：60 m3／d 高 盐、 高COD 的 异 辛 酸 生 产 废 水， 200 m3／d 的氯化胆碱生产废水， 以及生产车间的设备洗涤废水、 清洁废水和园区生活污水等， 处理后的废水需达到当地市政污水厂管网的接管要求。 设计进出水水质、 水量如表1 所示。

表1 设计进出水水质、 水量Tab. 1 Design influent and effluent water quality and quantity

3 工艺流程

3.1 处理工艺选择

本项目的氯化胆碱生产废水属于可生化废水，可直接采用AO 生化法处理； 异辛酸生产废水COD 质量浓度约为10 000 mg／L， 含有较多的异辛醇、 异辛酸等污染物， 含盐量高， 可生化性差。 属于典型的精细化工废水。

针对精细化工废水， 常用的传统工艺有微电解、电化学氧化、 催化氧化等［4］。 参考已有精细化工废水处理工程案例以及本废水站实际情况， 异辛酸生产废水含盐、 高COD、 可生化性差且具有一定的生物毒性， 因此， 选择电解进行预处理， 通过在电极两端进行氧化还原反应， 降解毒性物质， 提升废水的可生化性， 减轻其对后续生化系统的冲击［5-6］。电解后出水采用深度厌氧工艺， 将COD 质量浓度降至约2 000 mg／L 后， 再用AO 工艺继续处理。

综上所述， 先将异辛酸生产废水进行预处理，再混合氯化胆碱生产废水后采用多级生化组合处理工艺。 主体工艺仍然使用AO， 保证其运行稳定和低运行成本； 氯化胆碱生产废水可生化性好， 直接经过调节池引入AO 系统； 异辛酸难生化， 需先进行电解絮凝-IC 预处理， 提高废水的可生化性， 避免对后端产生冲击， 该组合工艺既可节省投资成本和建设用地， 又能有效减少运行费用。

3.2处理工艺流程

该工程废水处理工艺流程如图1 所示。

图1 废水处理工艺流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

异辛酸生产废水首先进入到电解絮凝一体机进行第一步预处理， 在强电流的作用下， 将废水中的大分子、 难生化的有机污染物降解成小分子、 可生化的污染物， 便于微生物降解； 同时投加硫酸和PAM， 将因电解升高的pH 值调至中性， 混凝沉淀电解析出物。 电解出水进入IC 反应器， 在厌氧反应器中去除大部分COD［7-9］。 IC 反应器出水进入到调节池， 在调节池中混合氯化胆碱生产废水、 设备洗涤废水、 清洁废水和生活污水等， 均匀水质水量。随后出水进入水解酸化池， 降解大分子有机物， 废水可生化性得到提高［10］。 水解酸化池出水进入兼氧池， 在微氧条件下进一步提升废水可生化性并完成部分污染物的降解［11］。 兼氧池出水依次进入沉淀池、缺氧池、 好氧池， AO 处理工段不仅具有降解有机污染物功能， 还具有脱氮除磷效果， 此外AO 工艺还具有投资少、 处理效率高等优势［12］。 AO 出水进入MBR 生化系统， 在活性污泥的作用下进一步降解污染物， 获得更好的固液分离效果［13］。 MBR 出水进入混凝反应池， 通过外加化学药剂进行深度除磷， 以确保出水达到排放标准。

沉淀池污泥回流至兼氧池， MBR 池污泥可回流至缺氧池和好氧池， 生化系统的剩余污泥和终沉池除磷污泥一同进入污泥浓缩池， 污泥浓缩池污泥经脱水机脱水后运送至有资质单位处置。

4 主要设计单元及参数

（1） 电解絮凝一体机。 1 座， 电解区尺寸为1.5 m × 1.0 m × 2.5 m， 絮凝沉淀区尺寸为1.5 m ×1.0 m×2.5 m， 有效水深2.0 m。 电解区采用碳钢聚脲防腐， 絮凝沉降区采用碳钢环氧煤沥青漆防腐。采用铸钢极板， 极板总面积为10 m2。 工作电压为12 V， 电流设置为0 ～800 A， 平均工作电流为400 A。 设计停留时间为2.4 h， 电解区和絮凝沉淀区的停留时间分别为1.2 h。 PAM 絮凝剂投加量控制在5 mg／L 左右。 配套12V-800A 设备主机1 套， 碳钢聚脲防腐材质； 硫酸加药装置1 套， 0.55 kW 搅拌机1 台， 0.37 kW 计量泵1 台； PAM 加药装置1套， 0.55 kW 搅拌机1 台， 0.37 kW 计量泵1 台。

（2） IC 反应器。 1 座， 尺寸为φ5.0 m×12.0 m， 停留时间为86.4 h； 第一反应室容积为137 m3，容积负荷取3.17 kg［COD］／（m3·d）； 第二反应室容积为78 m3， 容积负荷取1.4 kg［COD］／（m3·d）。 外循环泵上升流速设置在3.0 m／h 左右， 系统运行温度 维 持 在35.0 ～37.0 ℃， pH 值 控 制 在6.5 ～7.5。系统处理量设计为60 m3／d， 实际运行过程处理量为30 m3／d。 配套配水罐1 个， 尺寸为φ2.0 m ×3.0 m， 碳钢防腐材质； WL10-16-1.5 废水泵2 台（1 用1 备）； pH 值、 温度等在线检测系统1 套。

（3） 水解酸化池。 1 座， 尺寸为8.0 m×8.0 m×5.0 m， 有效水深为4.5 m， 设计停留时间为19.2 h，采用半地上钢砼结构。 配套复合生物材料（PP 或合成纤维）125.0 m3， 1.5 kW 潜水搅拌机1 台。

（4） 兼氧池。 1 座分2 组， 每组尺寸为10.0 m×4.0 m×5.0 m， 有效水深为4.5 m， 设计总停留时间为24 h， 钢砼结构。 MLSS 为4 000 mg／L， 设计污泥负荷为0.05 ～0.15 g［BOD5］／（g［MLSS］·d）， 污泥回流比为100%， DO 质量浓度约为0.5 mg／L。 配套0.75 kW 回流泵2 台， DN 65 mm 可提升曝气管。

（5） AO 池。 1 座分2 组， 每组A 池尺寸为4.0 m×4.0 m×4.7 m， O 池尺寸为10.0 m×4.0 m×4.7 m， 有效水深为4.2 m， 设计总停留时间为32 h， 其中A 池停留时间9 h， O 池停留时间23 h， 采用半地上钢砼结构。 A 池DO 质量浓度控制在0.5 mg／L以 下， O 池DO 质 量 浓 度 控 制 在2.0 ～4.0 mg／L；MLSS 约为6 000 mg／L， 温度为15.0 ～35.0 ℃， pH值为7 ～8； 控制污泥负荷在0.10 ～0.15 g［BOD5］／（g［MLSS］·d）范围内； 污泥回流比为100%， 硝化液回流比为100%。 配套生物填料60 m3； 1.5 kW潜水搅拌机2 台； DN 65 mm 可提升曝气管； 5.5 kW 罗茨风机2 台（1 用1 备）； 0.75kW 回流泵2 台（1 用1 备）； pH 值、 DO 等在线检测系统1 套。

（6） MBR。 1 座， 尺寸为5.0 m×5.0 m×4.5 m，有效水深为4.0 m， 停留时间为6.7 h， 钢砼结构。MLSS 为5 000 mg／L。 MBR 启 动 时 先 进 行 污 泥 培养， 当MLSS 达到3 000 mg／L 时启动进水， 控制进出水水量为额定值的1／3 ～1／2， 当MLSS 达到6 000 mg／L 时， 且水质达标后逐步提高进水水量至额定值。 配套MBR 模块4 组（共1 700 m2）， 材质为PVDF 中空纤维膜， 膜通量为12 L／（m2·h）； MBR 膜系统产水8 min， 反冲洗2 min， 每天累计运行约20 h； 当跨膜压差达到0.025 MPa 时， 进行化学清洗。罗茨风机与好氧池共用。

（7） 混凝反应池。 1 座分4 格， 每格尺寸为2.0 m×2.0 m×2.5 m， 有效水深为2.0 m， 钢砼结构， 做三油两布玻璃钢防腐。 设计停留时间为2.1 h。 除磷药剂为聚合氯化铁、 PAM， 铁盐投加量为40 g／m3， PAM 投加量为5 g／m3。 配套药剂储罐2套； 米顿罗加药计量泵4 台， 50 ～500 L／h。

5 处理效果及运行费用

5.1 处理效果

自2019 年7 月15 日至8 月20 日调试结束后，系统一直运行稳定， 进出水水质见表2， 表中数据为月度平均值。

表2 稳定运行后进出水水质Tab. 2 Influent and effluent water quality after stable operation

异辛酸预处理的进水COD 质量浓度为9 000 ～10 000 mg／L， 经过电解絮凝后， 废水的B／C 值从0.19 提升至0.28， 废水可生化性得到显著提高， 之后经过IC 反应器的处理， 废水COD 质量浓度降至800 mg／L 左右， 预处理系统对异辛酸废水COD 质量浓度去除率可达90% 以上。 经调节池混合后COD 质量浓度在2 800 mg／L 左右， 氨氮质量浓度在150 mg／L 以下， 总氮质量浓度在200 mg／L 以下， 后续处理系统稳定运行后COD 去除率可达95% 以上， 氨氮去除率在98% 左右， 总氮去除率在80%以上。 出水稳定且符合该厂出水指标要求。

5.2 费用分析

该项目投资费用约800 万元； 直接运行费用为4.27 元／m3， 其中药剂费为1.19 元／m3， 电费为1.60 元／m3， 人工费为1.48 元／m3。

6 工程特点

（1） 将难处理的异辛酸生产废水经直流电解和IC 厌氧处理后， 与氯化胆碱生产废水混合， 进行常规生化处理， 可以减少设备投资和运行费用。

（2） 生化处理采用水解酸化-兼氧-AO-MBR的组合工艺， 对COD、 氨氮、 总氮都有很好的处理效果， 该工艺运行简单、 处理效率高、 投资和运行费用低。

（3） MBR 膜系统可维持较高的污泥浓度， 有利于提高有机污染物的去除能力。

（4） 末端增加混凝沉淀处理环节， 在除磷剂的作用下去除总磷， 增加保障措施， 以保证出水达标排放。

7 结语

（1） 针对异辛酸生产废水COD 浓度高， 可生化性差的特点， 采用电解絮凝-IC 工艺进行预处理， 可将COD 质量浓度从9 060 mg／L 降至800 mg／L， 去除率达到90%以上， 废水的生物毒性明显降低， 保证了后续生化系统的稳定运行。

（2） 预处理后的异辛酸生产废水混合氯化胆碱生产废水等低浓度废水， 采用水解酸化-兼氧-AO-MBR-混凝沉淀的组合工艺进行处理， COD 去除率可达95% 以上， 氨氮去除率达98% 以上， 总氮去除率在80% 左右， 出水水质满足当地市政污水厂的纳管标准。