蒽醌法制備雙氧水廢水治理工藝
雙氧水是一種綠色化工產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于制藥、軍工、紡織、化學(xué)品合成、農(nóng)業(yè)、電子生產(chǎn)等領(lǐng)域，但蒽醌法制備過程中會產(chǎn)生含有重芳烴、磷酸三辛酯、2-乙基蒽醌等污染物的生產(chǎn)廢水，會傷害皮膚黏膜、引發(fā)身體造血器官的損害。同時廢水中的磷酸鹽排入受納水體會引發(fā)水體富營養(yǎng)化的問題，對水環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此，雙氧水生產(chǎn)廢水的污染問題及處理工藝設(shè)計受到廣泛關(guān)注。
某產(chǎn)量為15×104t/a的雙氧水生產(chǎn)項(xiàng)目，采用2-乙基蒽醌法生產(chǎn)工藝。廢水主要來自雙氧水主裝置、雙氧水儲罐區(qū)和灌裝車間等工段。該公司的廢水處理裝置由除油處理單元、催化氧化單元、沉淀單元和生物處理單元組成，設(shè)計開工時間為8400h/a，廢水處理規(guī)模為600m3/d。通過一套設(shè)計合理、運(yùn)行效率高的工藝流程對雙氧水生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，保證出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978―1996）的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
1、設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)
該廢水處理工程設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。
廢水呈酸性（pH值=5~6），主要污染物為有機(jī)物，包括重芳烴、磷酸三辛酯、2-乙基蒽醌及其降解物，還含有少量過氧化氫。進(jìn)水COD約4000mg/L，BOD5約2500mg/L，SS約200mg/L，石油類約220mg/L。設(shè)計出水水質(zhì)需達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978―1996）的一級排放標(biāo)準(zhǔn)，即COD≤100mg/L，BOD5≤20mg/L，SS≤70mg/L，石油類≤5mg/L。
2、工藝流程
2.1 工藝設(shè)計
由于雙氧水生產(chǎn)廢水污染物濃度高，如果只采用物化法處理，只能將生產(chǎn)廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)移到泥渣中，并沒有真正降解掉廢水中的COD。高級氧化法雖然處理性能良好，但運(yùn)行成本過高。而傳統(tǒng)的活性污泥法難以處理含有高濃度污染物和難反應(yīng)重芳烴的雙氧水生產(chǎn)廢水。因此，目前國內(nèi)只能采用以上幾種技術(shù)聯(lián)合的工藝對雙氧水生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，即物理化學(xué)技術(shù)預(yù)處理與高級氧化法聯(lián)用，先實(shí)現(xiàn)難生物降解有機(jī)污染物的去除，之后再設(shè)置生物處理單元對廢水進(jìn)一步處理，使水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
目前國內(nèi)對雙氧水生產(chǎn)廢水的處理工藝各不相同，重力隔油+催化氧化+絮凝沉淀工藝流程略為簡單，只適用于處理COD為2000mg/L左右的雙氧水生產(chǎn)廢水，而處理COD較高的雙氧水生產(chǎn)廢水時達(dá)不到排放要求。由重力隔油+混凝氣浮+催化氧化+活性炭吸附的工藝流程不僅降低了催化氧化的處理負(fù)荷，也進(jìn)一步降低了廢水中的有機(jī)物，但由于沒有生物處理單元，處理雙氧水生產(chǎn)廢水時出水水質(zhì)不穩(wěn)定，同時有機(jī)物處理不徹底。重力隔油+混凝氣浮+催化氧化+絮凝沉淀+接觸氧化工藝添加了生物處理單元，能進(jìn)一步去除有機(jī)物，保證廢水達(dá)標(biāo)排放。但錢東等的研究表明，生物接觸氧化池對有機(jī)物的去除率有限。當(dāng)有機(jī)物濃度較高時會導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。本工程廢水中有機(jī)物濃度較高，設(shè)計進(jìn)水COD為4000mg/L左右，因此生物接觸氧化法并不是本次設(shè)計的最佳選擇。而曝氣生物濾池是集生物氧化和截留懸浮固體為一體的新工藝。Desbos等的研究結(jié)果顯示，曝氣生物濾池對SS的去除率能達(dá)到80%以上，而對COD的去除率也可達(dá)到70%以上。因此采用曝氣生物濾池代替生物接觸氧化池。
催化氧化單元采用芬頓氧化法。芬頓氧化法通過生成具有較強(qiáng)氧化能力的羥基自由基來氧化大多數(shù)有機(jī)物，從而降低廢水中有機(jī)污染物的濃度。芬頓氧化法處理效果較好且藥劑來源穩(wěn)定，因此采用芬頓氧化法對雙氧水生產(chǎn)廢水進(jìn)行催化氧化。
2.2 工藝流程
經(jīng)過上述工藝比選，最終采用平流隔油池+豎式氣浮池+芬頓氧化池+斜管沉淀池+曝氣生物濾池的廢水處理工藝方案。
針對該廢水的特點(diǎn)，先利用重力分離法隔油去除大部分浮油（粒徑>100μm）和分散油（粒徑為10~100μm），然后加入混凝劑去除乳化油（<10μm）和懸浮顆粒，再由氣浮設(shè)備進(jìn)行浮選。經(jīng)過隔油+混凝氣浮預(yù)處理后，將減輕后續(xù)處理的壓力。浮選后的廢水用過氧化氫催化氧化法打開苯環(huán)，降解大部分的芳香烴類有機(jī)物。經(jīng)過混凝沉淀處理之后，再通過曝氣生物濾池去除有機(jī)物，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。該工藝能較好地處理高COD的雙氧水生產(chǎn)廢水，并且能在保證出水水質(zhì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上減少工程投資，降低成本。
污泥處理采用濃縮+機(jī)械脫水主體工藝。產(chǎn)生的污泥經(jīng)重力濃縮后進(jìn)入貯泥池，接著通過注泥泵注入脫水機(jī)房，在帶式壓濾機(jī)的作用下進(jìn)行脫水，最終形成泥餅外運(yùn)。
廢水處理工藝流程如圖1所示。
2.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備
①提升泵房
設(shè)1座提升泵房，與進(jìn)水井合建，半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)2臺潛水排污泵（Q=25m3/h，H=100kPa，N=3.0kW，轉(zhuǎn)速為1430r/min），1用1備。設(shè)電動單梁懸掛起重機(jī)。提升泵房尺寸（L×B×H）=6m×6m×8m，進(jìn)水井尺寸（L×B×H）=6m×2m×6.5m。
②平流式隔油池
設(shè)1座平流式隔油池，2格，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隔油池中油珠設(shè)計上浮速度0.103mm/s，廢水在隔油池中的水平流速0.6mm/s，隔油池表面積的修正系數(shù)為1.37。隔油池單個隔間尺寸（L×B×H）=16m×3m×2m，長寬比為5.33。隔油池表面積68m2，過水?dāng)嗝婷娣e12m2。
③混凝氣浮池
設(shè)1座混凝氣浮池，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括2格機(jī)械混合池、2格旋流式絮凝池、1格豎式氣浮池。機(jī)械混合池直徑1m，水深0.64m，攪拌器葉數(shù)2個，攪拌器直徑0.5m，寬0.1m，層數(shù)為1層，攪拌機(jī)功率0.2kW。旋流式絮凝池直徑1.6m，池深2.1m。進(jìn)水管噴嘴直徑50mm，噴嘴流速2m/s。出水口管徑150mm，出口流速0.3m/s，水頭損失為3.43kPa。豎式氣浮池分離室停留時間10min，反應(yīng)時間6min。試驗(yàn)時溶氣罐壓力0.3~0.35MPa，溶氣水量占25%~30%，填料罐過流密度3000m3（/m2?d）。氣浮池直徑2.7m，水深1.2m。集水系統(tǒng)采用4根均勻分布的支管，支管直徑25mm，出水總管直徑125mm。氣浮所需空氣量為0.011m3/min，選用標(biāo)準(zhǔn)直徑300mm的壓力溶氣罐1臺。
④芬頓氧化池
設(shè)1座芬頓氧化池，防腐材質(zhì)。池前設(shè)1座機(jī)械混合槽，投加H2SO4調(diào)整廢水的pH值為3左右。設(shè)計處理能力600m3/d，反應(yīng)時間為0.5h，混合槽的有效容積為12.5m3，池體尺寸（L×B×H）=2.5m×2.5m×2.3m。池后設(shè)1座pH調(diào)節(jié)槽，氧化反應(yīng)結(jié)束后，廢水仍為酸性，需投入一定堿劑進(jìn)行中和反應(yīng)，使pH值達(dá)到6.5；設(shè)計投加堿劑NaOH，反應(yīng)時間0.5h，混合槽的有效容積為12.5m3，池體尺寸（L×B×H）=2.5m×2.5m×2.3m。芬頓氧化池水力停留時間4h，池容100m3。依次投入硫酸亞鐵和雙氧水，FeSO4投加量為60kg/d，雙氧水960kg/d。
⑤斜管沉淀池
設(shè)1座上向流斜管沉淀池，半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池寬2.1m，池長2.0m，池深3.9m，斜管區(qū)高1.04m。顆粒沉降速度為0.4m/s，上升流速為2.5mm/s，采用60°傾角的蜂窩六邊形的斜管，斜管長1.2m。沉淀池采用配水槽進(jìn)水、淹沒孔集水槽出水。
⑥曝氣生物濾池
設(shè)1座曝氣生物濾池，半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，6格，4用2備，單格尺寸（L×B×H）=4.5m×3m×5.5m。容積負(fù)荷為3.0kgBOD5（/m3濾料?d），實(shí)際水力停留時間為2.16h，濾速為1.16m/h。采用陶粒濾料，粒徑為5mm，填料層厚2.5m。濾池內(nèi)平均溶解氧濃度冬季為10.27mg/L，夏季為8.55mg/L，實(shí)際總需氧量為1295.8kgO2/d，單池供氣量為3.75m3/min，曝氣管為DN150。曝氣鼓風(fēng)機(jī)獨(dú)立供氣，設(shè)三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)7臺，6用1備，每臺風(fēng)量約4m3/min，風(fēng)壓50kPa。
濾池采用氣-水聯(lián)合反沖洗系統(tǒng)，反沖洗工序：氣沖-氣水聯(lián)用-水沖。氣沖歷時8min，氣水聯(lián)用歷時10min，水沖歷時12min，工作周期為24h，氣沖洗強(qiáng)度為15L/（m2?s），水沖洗強(qiáng)度為6L/（m2?s）。氣沖系統(tǒng)選用三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺，1用1備，每臺風(fēng)量約13m3/min，風(fēng)壓50kPa。水反沖洗管道和空氣反沖洗管道均采用DN300的鋼管。
⑦污泥處理單元
設(shè)2座重力濃縮池，半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑5.5m，總深3.0m。設(shè)2座貯泥池，半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池體尺寸（L×B×H）=4m×2.5m×1.3m。污泥脫水車間尺寸（L×B）=13m×7.5m，選用2臺滾壓帶式壓濾機(jī)，1用1備，壓濾機(jī)帶寬1m，L×B×H=4620mm×1580mm×2380mm。每天工作8h，以4h為一個周期。污泥泵房設(shè)2臺潛水排污泵，1用1備，單臺泵設(shè)計流量25m3/h。泵房設(shè)1臺電動單梁懸掛起重機(jī)。污泥泵房尺寸（L×B×H）=6m×4m×8m。
3、廢水處理效果
廢水處理廠建成投產(chǎn)后，經(jīng)過3年的調(diào)試和運(yùn)行，各處理單元均正常運(yùn)行，進(jìn)水水質(zhì)較為穩(wěn)定。出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，該工藝對廢水中有機(jī)物去除效果明顯，COD實(shí)際處理效率達(dá)到90%以上，BOD5實(shí)際去除效率達(dá)到95%以上。出水SS約60mg/L，平均去除率為97%。石油類濃度約為4mg/L，平均去除率為98%。出水水質(zhì)優(yōu)于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978―1996）的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
2020年2月―6月系統(tǒng)進(jìn)、出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2。
4、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
①工程投資
本工程總投資為212.87萬元，其中土建16.27萬元，設(shè)備及安裝166萬元，工程設(shè)計12.5萬元，調(diào)試4.2萬元，其他費(fèi)用13.9萬元。
②直接運(yùn)行成本
廢水處理廠運(yùn)行期間投加工業(yè)硫酸鋁60kg/d，合計36.0元/d；投加聚丙烯酰胺（PAM）9.0kg/d，合計135.0元/d；投加NaOH48.0kg/d，合計128.0元/d；投加H2SO430.0kg/d，合計24.0元/d；投加FeSO460kg/d，合計36.0元/d；投加雙氧水960kg/d，合計360元/d。藥劑費(fèi)共計719元/d。用電量為2586kW?h/d，電價按0.6元（/kW?h）計，則電費(fèi)為1551.6元/d。不計人工費(fèi)、污泥處置費(fèi)及設(shè)備折舊費(fèi)。
本工程調(diào)試和運(yùn)行期間的直接運(yùn)行成本為2270.6元/d，污水處理費(fèi)為3.78元/m3。
5、結(jié)論
采用平流式隔油池+豎式氣浮池+芬頓氧化池+斜管沉淀池+曝氣生物濾池工藝處理雙氧水生產(chǎn)廢水，平流式隔油池可去除大部分浮油和分散油，豎式氣浮池可對懸浮顆粒進(jìn)行浮選。浮選后的廢水用芬頓氧化法打開苯環(huán)，降解大部分芳香烴類有機(jī)物，再通過曝氣生物濾池去除水中的有機(jī)物，COD去除率達(dá)到90%以上，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，可為類似化工廢水處理提供參考。（來源：長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，洞庭湖水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南化工設(shè)計院有限公司）