化工废水处理与科技创新

＊陈文林 于洋 周林成

（1.甘肃省工程设计研究院有限责任公司 甘肃 730099 2.兰州大学化学化工学院 甘肃 730000）

1.科技创新引领化工产业“三化”发展

科技的进步和改革必定推动社会的发展，每一次的科技创新都将人类的生活推向更加文明、和谐便捷的领域。蒸汽机的发明使人类步入蒸汽时代；电力的广泛使用进一步增强了人类的生产能力；计算机的普及则标志着人们步入了电子信息时代；当下，以人工智能、清洁能源、虚拟现实和生物技术为主的第四次工业革命，正在改变我们人类生活的方方面面。科技的发展给人类带来的是经济的发展、生活水平的提高，因此国家在不断出台政策，推动科技的创新与发展。从“中国要发展，离不开科学”“科学技术是第一生产力”“创新是国家发展的动力”到“科技创新的进步是国家长久发展的竞争关键”等都一次次在强调，科技创新发展关系到国家发展的核心。

化工产业在国民经济中占比重大，是支柱产业，化工产业在创造经济价值的过程中也带来了很多污染问题。我国化工企业及园区大多沿江、沿海、濒湖建立，加快发展的过程加大了对区域流域生态环境、群众健康、社会稳定等诸多方面的压力[1]。例如化工废弃物、废水、废气等，其中化工废水的大量排放，给江河湖泊带来了毁灭性的污染；同时由于我国化工废水排放标准仍以COD等综合指标为主，缺少生物毒性等质量标准，难以科学评估化工企业排水对生态环境和人类健康造成的危害程度。化工产业在科技创新领域面临核心技术研发不足、产能过剩、高能耗、体系不完善及受限于国外知识产权等问题，导致整个产业稳固性不强，占领国际市场的份额非常受限，其最主要的原因创新能力不足。尤其是对大部分中小型化工企业而言，缺乏科技创新的投入和拥有转化科技创新成果的能力，没有形成浓郁的科技创新氛围[2]，无法发挥科技创新作用，导致中小型化工企业调整转型升级比较困难，多以维持稳定生产状态为目标，因此形成了只能加工生产无法实现化工产业升级与转型。依据发达国家的经验和结合化工产业的市场导向，要切实发挥化工产业经济的升级，就必须依靠科技创新进行技术升级和成果应用转化，以此来推动化工产业的发展、提升、变革和优化。

“高端化、多元化、低碳化”的“三化”发展是化工产业的必经之路，也是产业高质量发展的必然选择[3]，同时在“双碳”“双控”政策约束限制下，化工产业的发展必须加快步伐，实现突破性进展，提高资源利用效率，提升产品高端化，推进上下游产业链融合发展，打造化工废料和生产污染近零排放的重大产业体系，形成技术研发、成果转化和应用推广的综合多元化道路。科技创新是推动整个化工产业技术转型、产业升级和向“三化”发展的核心动力来源。通过攻破核心关键技术的短板所在，在实践中提升企业科技创新能力，大力开展生产系统的节能减排、优化改进等，实现产业技术源头减排，降低产业污染和高能耗，助力企业升级转型，保障绿色低碳发展道路的实施，因此科技创新的引领作用是提高化工产业经济的关键环节所在。

2.化工废水处理现状与发展

化工废水主要指化工企业所排放的工业废水，通常情况下可分为石油化工废水、合成化工废水、纺织印染工业废水、医药化工废水及煤化工废水等。化工废水具有成分相对复杂、毒性强、难生物降解、BOD5及CODCr浓度高、pH值波动性较大、刺激性和色度高等特征，一般的污水处理工艺很难将化工废水处理达标排放。根据国家生态环境统计数据，2021年在《排放源统计调查制度》确定的统计调查范围内，全国工业源（含非重点）废水中化学需氧量排放量为42.3万吨，氨氮排放量为1.7万吨，总氮排放量为10.0万吨，总磷排放量为0.3万吨，石油类排放量为2217.5吨，挥发酚排放量为51.8吨，氰化物排放量为28.1吨，重金属（指总砷、总铅、总镉、总汞、总铬排放量合计值）排放量为50.5吨。面对日益严峻的生态环境形势，国家环保部科技标准司不断地对化工废水排放标准进行重新制订及修订，对于治污减排、生态保护提出了更加严格的规范措施。

2023年2月，国家生态环境部发布，今年将重点提升水生态环境治理体系和治理能力现代化水平，包括健全法规标准体系，研究制修订化工、印染、电镀等行业水污染物排放标准等；2022年全国主要水污染物排放量继续下降，劣Ⅴ类水质断面比例为0.7%，同比下降0.5个百分点；化学需氧量、氨氮排放总量同比分别降低2.1%、6.8%。目前很多地区在化工废水治理方面也取得了显著成效。如兰州新区绿色化工园针对制药、农药等精细化工企业多，废水成分复杂、处理难度大等特点，坚持“分类收集、分质处理、减排优先”原则，按废水浓度高低采用双重保障工艺全流程设计，其中高浓废水预处理系统采用“铁碳+芬顿氧化工艺+厌氧工艺联用”，低浓废水则采用铁碳微电解+反应沉淀后与高低浓废水一并进入“水解酸化+两级A/O+二沉淀池+高效沉淀池”的生化处理系统，最后经“一级臭氧+MBBR+二级臭氧+曝气生物滤池”深度处理后，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，且其中一大部分被用于城市绿化灌溉，形成废水循环综合利用。

尽管化工废水处理目前取得了一定的成效，但仍然面临诸多瓶颈制约和挑战，存在不少亟待解决的突出问题，例如复杂性、高浓度的废水从根本上消除难度较大，废水处理成本高，废水治理能力有待提升，化工企业废水污染突发事件的发生等。尤其是对于染料、医药、农药中间体及助剂等精细化工产品所产生的高浓度有机废水，其生物毒性大，无法直接采用生物法处理，寻求新的工艺解决高浓度难降解化工废水对微生物的毒性科学问题，使化工废水处理过程更简单、能耗低、投资省、运维成本低廉，将是未来化工废水处理技术的发展的趋势之一。同时，化工废水对生物体的健康也具有严重威胁，对生态环境也会造成一定影响，其处理是国内外污水处理界公认的难题。

3.化工废水处理技术

目前化工废水处理的方法从原理上主要有物理，化学和生物法，物理法主要包括格栅、沉淀、过滤、吸附和萃取等；化学法是对含重金属及酸和碱的物质废水进行处理的主要方式，也可以实现对污水内包含的胶体及溶解物的有效处理，主要包括电化学氧化法、化学混凝法及化学氧化法等；生物法是利用微生物的新陈代谢，将废水中的有机物质作为能力来源，实现对有机污染物的有效分解，主要包括好氧生物处理法和厌氧生物处理法。物理法一般应用在废水处理工艺的前端预处理中，实现分离处理，其操作简单，但无法从根源上清除污染物；化学法是目前化工废水处理工艺中应用较多，并且处理效率也较高的方法，但与此同时其处理成本较高，同时会带来二次污染的后续问题；生物法因其环保性较强，污染物去除较为彻底而逐渐成为化工废水处理的重点工艺[4-5]。化工废水成份的复杂性和污染物的多样性，导致单一的废水处理工艺无法实现，因此一般采用多种工艺联合处理。

我国长期重视化工行业的废水治理，每年化工废水的排放量很大，但是目前缺少高效、经济、环保的治理技术，是我国水污染控制的难点和重点。虽然很多化工企业处理过后的废水符合相关排放标准，但由于化工废水中的污染物较多，因此其后续的深度处理也存在很大困难。随着环境与质量的持续发展，信息技术的发展，环境管理水平、环境执法能力地提升，化工废水的排放较过去更加公开透明，大部分地区要求化工企业安装在线监测设备，实时动态监控，确保化工废水的排放监管到位，因此化工废水处理技术也在不断创新，涌现了很多新型的处理工艺[6]。新工艺技术的转化落地要在保证处理效果的前提下必须降低能耗和成本，保证企业的经济效益，否则昂贵的运行成本使其无法转换落地，实现大规模推广。

4.化工废水处理新技术—非均相Fenton耦合固定化微生物工艺

兰州大学化学化工学院针对化工废水行业水质特点及生物难降解共性，通过非均相Fenton高级氧化工艺破坏有机污染物结构、降低毒性和提高可生化性；利用固定化高效微生物技术提高微生物对化工废水耐冲击性和处理效率，突破了传统生物法处理化工废水的极限，将非均相Fenton技术和固定化微生物技术进行有机组合，成功地开发出高效稳定、低成本、运行管理简单的有机化工废水处理新工艺—非均相Fenton耦合固定化微生物工艺。

该技术成功的应用于白银科技企业孵化器（50m3/d）、兰州凯博药业（10m3/d）和江苏明德立达作物科技有限公司（5m3/d）等多家化工企业的高浓度化工废水处理中，通过处理后，出水指标（COD、氨氮、TN、TP等）达到园区和企业的排放标准。以白银科技企业孵化器高浓度化工废水处理项目为例，自建立运行以来，已处理复杂化工废水近4000m3，处理效果显著，进水COD浓度在50000～180000mg/L之间，出水COD稳定在440mg/L以下，氨氮在6～35mg/L之间，达到园区排放标准；2018年分别在当地新闻以“兰白自创区奋进路绿色科技助力我市经济高质量发展”和甘肃网络广播电视台以“兰白自创区：兰大神器进企业每天处理废水50吨”报道宣传。对比其它化工废水处理工艺，该耦合工艺具有以下明显的创新：（1）适应性强，适应各种复杂成分、毒性强的有机化工废水，突破传统生物法处理化工废水的极限；（2）反应效率高，污泥产量小，投资及运行成本低；（3）耐冲击性强，微生物增值快、密度高；（4）工艺操作简便、管理方便；（5）对配套设施或设备材料要求低，无需高温高压；（6）整个工艺可定制外加模块，进行提升改造。目前该工艺技术已申请并获得多项专利，并建立小试、中试应用示范装置，在化工企业推广应用过程中，以试验数据和结果展现其处理效果，充分论证科研成果的实现。

以自主研发的化工废水处理新技术为核心，在高浓度有机化工废水处理领域，找准发力点，科学精准的破解废水治理难题，促进化工产业科技创新，推动化工企业绿色低碳发展。通过不断提升自主创新能力，以高效、环保、品质和实用的技术持续深入化工废水治理任务中，将该化工废水新技术进一步地完善和发展，并在全国的化工园区进行推广和应用，创造出更多更好的成果，同时研发团队将进一步推动有机化工废水处理与资源化技术的研发和成果转化，以稳定、高效的处理效果开展技术研究与工程示范，实现产业化推广，为化工产业高质量发展尽一份微薄之力。

5.总结

化工企业的可持续发展影响到国民经济的持续提高，而化工企业又涵盖到环保、安全及健康等层面的问题，化工废水的治理无论是资金投入还是设备硬件较先前都有了很大地提高，一些环保新技术和新设备也得到了广泛的应用[7]。通过有效的工艺处理，最终实现化工废水的零排放，不仅能够缓解我国当前较为紧张的水资源，而且促使水资源的有效合理再利用。

化工企业的废水成份各不相同，新的工艺技术能否长久应用，其关键核心就是满足企业客户的需求。如何保持其实用性和全面性，需要研发团队及时、准确的了解其应用情况和缺陷，并针对问题提供专业性的技术服务，从而解决问题。因此化工废水的处理要从实际出发，多层次多维度的为企业解决问题，就需要提高科技创新效率，为创新成果的产生提供基础。与此同时，根据废水变化情况不断对工艺进行改进，更新工艺技术和装备，使工艺技术更加完善，形成科研成果和实践应用的互通体系，促使化工废水处理新技术的应用落地；从而充分发挥环保科技创新的引领作用，加快推动技术创新能力。