维生素生产废水处理
某维生素有限公司在生产过程中产生的大量废水可分为两类。一类为高浓废水，COD浓度约33000mg/l，并含有25%左右的氯化氨，pH≈5，偏酸性，排放水量200t/d左右。第二类为清洗水和水洗水，COD浓度较低，约为1500mg/l，pH≈5~6，水量也为200t/d左右。厂区废水经处理后要求厂区所在地污水厂接管标准，主要指标为：COD≤1000mg/l，BOD≤500mg/l。
某维生素有限公司相当重视环境保护。公司领导决定建设污水处理设施，对厂区污水进行综合治理，以确保厂区污水经处理后出水达到厂区所在地污水厂接管标准、
为此，某维生素有限公司委托我公司进行该项目污水处理工艺方案的设计。我公司根据某维生素有限公司提供的基础资料和相关设计规范、标准，本着保证稳定达标、最大限度地考虑投资效益和处理成本的原则，提交本污水处理工艺方案供有关领导及专家决策参考。
维生素生产废水处理：设计范围
1.某维生素有限公司污水处理工程工艺设计。包括：工艺、结构、电气等主要专业的详细设计、设备选型和说明等技术文件。
2.工程投资概算等。
3.工程的安装、调试及操作人员的上岗培训等。
维生素生产废水处理：设计依据
1.某维生素有限公司提供的废水水量水质情况及其它有关资料;
2.某人民政府关于废水处理的相关文件。
3.同类型污水处理设施设计、运行的成功经验。
污水处理工程设计水量
污水处理工程主要功能为：接纳并有效处理厂区内的生产废水，确保出水达到污水厂接管标准。根据化工废水处理设计相关规范和同类型污水处理设施设计、运行经验，本方案确定处理系统设计处理水量、时平均流量、运行方式等参数如下：
处理水量：400m3/d;
时平均流量：Qh=16.7m3/h;
运行方式：24小时连续运行。
维生素生产废水处理：2.2污水处理工程设计水质
根据提供的资料，污水处理系统进水水质主要指标如下表：
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污水处理系统进水水质主要指标 |
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水质指标 |
水量 |
CODcr |
BOD5/CODcr |
NH3-N |
SS |
PH |
硫化物 |
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m3/d |
(mg/L) |
(mg/L) |
(mg/L) |
（ mg/L ） |
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第一类进水 |
200 |
33000 |
5 |
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第二类进水 |
200 |
1500 |
5~6 |
||||
维生素生产废水处理：2.3出水排放标准
根据当地有关化工废水排放标准和相关的设计规范，废水经处理后，必须达到当地污水厂接管标准，因此本污水处理工程出水水质主要考核项目及指标如下表所示：
出水水质主要考核指标
|
水质指标 |
CODcr （ mg/L ） |
BOD5 （ mg/L ） |
NH3-N （ mg/L ） |
SS （ mg/L ） |
pH |
|
出水水质 |
≤ 1000 |
≤ 500 |
6~9 |
处理工艺选择及确定
维生素生产废水处理：3.1工艺设计原则、依据
维生素生产废水处理：3.1.1污水处理工艺设计原则
根据进水水量、水质特点和出水排放标准的要求，采用国内外成熟、先进，高效、实用，经济合理的处理工艺，确保出水达到当地污水厂接管标准。
全面规划，合理建设，最大限度减少改建投资，更好地发挥投资效益。
针对所处理废水的水质水量特点和处理要求，力求做到所选先进处理工艺与厂区污水水质特性的有机结合、协调统一。因此，必须进行各种高效处理设施的优化组合，以达到占地面积少，适用性强的目的，节省投资和降低运行管理费用。
根据技术成熟、经济合理、操作运行方便、维修简易的原则进行总体设计和单元构筑物设计，并充分注意节能，力求减少动力消耗，以节约能源，降低处理成本及运行费用。同时，工艺设计时充分考虑冬季低温等不利因素下污水处理系统稳定运行要求。
设计中充分考虑环境问题，设计新颖美观，布局合理，并尽量采取措施减少对周围环境的影响，合理控制噪声，气味及固体废弃物，防止二次污染。做到噪声低，基本无异味，不影响周围环境。
专用设备的选型进行充分比选，寻求性能价格比最优的产品。设备应运行稳定可靠，效率高，管理方便，维护维修工作量少，价格适中。
所选用的仪器、仪表及设备等在立足于主要选用质量稳定可靠，售后服务好的国内产品的同时，力求吸收国外的先进技术，适当选用性能优良，价格适中的国外产品。
处理工艺运行安全可靠，操作简单，调节灵活，管理方便;同时工艺设备充分考虑冬季保温。站内设置必要的监控仪表，运行管理应结合实际，尽量考虑自动化，以提高管理水平，减少人员编制。监控仪表和自动化设备应运行稳定，维修维护方便。
工程建设完成后，达到社会效益，环境效益、经济效益的最佳统一。
总之，采用的工艺技术必须具有实用性、高效性、可靠性、稳定性和自动化程度高等特点。
维生素生产废水处理：3.1.2污泥处理设计原则
污水处理产生的污泥，其处理及处置工艺根据污泥量、污泥性质综合确定，并充分考虑资源的再利用等因素。
污泥处理按照环卫部分的要求，应因地制宜采取经济合理的方法进行资源化处理。
维生素生产废水处理：3.1.3污水处理工程位置
根据业主提供的项目委托书，污水处理工程位于现有厂区内。由于规划用地在现有厂区用地内部，环境功能并不复杂，故污水处理工程对外部环境影响也较小。
维生素生产废水处理：3.2系统处理工艺比选
维生素生产废水处理：3.2.1 维生素生产污水水质特点分析
从维生素生产流程和相关资料分析可知，维生素生产废水成分比较复杂，有机物浓度非常高，且可能含有部分难降解污染物，PH值相差较大，废水带有颜色和异味。根据某维生素有限公司提供的有关资料和本公司处理同类废水的相关经验，在进行本污水处理工程设计时需充分考虑如下几方面因素：
1、厂区第一类和第二类污水COD浓度、pH等水质特征相差极大，且第一类污水含有高浓度的氯化氨。故应考虑分开进行预处理。
2、应考虑先有效降低第一类高浓度污水污水中的氯化氨浓度，以利用后序的生化处理，提高生化处理的效率。
3、采用先进、成熟的生化处理工艺作为两类污水全并后综合污水的处理工艺，确保最终出水能稳定达到当地污水厂接管标准。
4、充分研究、分析维生素生产污水的水质、水量特点，并据此进行方案选择和工艺详细设计;尽量减小污水处理工程投资和系统日常运行成本。
维生素生产废水处理：3.2.2 脱氮工艺比选
含氮废水的超标排放是造成水体污染的主要原因之一，其对水体带来的危害主要表现在：1、造成水体的富营养化现象。对一些静止型水体，如湖泊和水库，当其含有过量氮是时会导致蓝藻和蓝绿藻的过度繁殖，发生水华现象;氮排入近海则会发生赤潮。大量藻类同时死亡时会耗去水中的氧，从而引起鱼类的大量死亡。2、还原态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量氧，引起水体溶解氧不足，造成水体黑臭。一个氨态氮氧化成硝态氮需耗去4个氧。按重量比，耗氧量为氨态氮重量的4.57倍。大量氨氮废水排入水体不仅引起水体富营养化、造成水体黑臭，而且将增加给水处理的难度和成本，甚至对人群及生物产生毒害作用。
氨氮废水对环境的影响已引起环保领域和全球范围的重视，近20年来，国内外对氨氮废水处理方面开展了较多的研究。其研究范围涉及生物法、物化法的各种处理工艺。如生物方法有生物硝化、反硝化及藻类养殖等;物理方法有反渗透、蒸馏、土壤灌溉;化学法有离子交换法、氨吹脱、化学沉淀法、折点氯化、电化学处理、催化裂解等。
虽然以上很多方法都能部分去除水中的氮，但都存在着一些不足。如去除率不高、处理设施投资大、运行成本高等，很难在有效性、经济性、可行性方面同时满足工程需求，有效地运用于工程实践。正因为此，有效去除污水中的氨氮是本工程设计的一个要点，相应的脱氮工艺的选择就成为本工程设计的一个关键点和难点。对此，我们必须加以充分分析污水中氨氮的去除机理、影响因素和比较各种脱氮工艺的优劣。
水中的氨氮，大多以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)保持平衡的状态而存在。其平衡关系式如下：
(1)
氨与氨离子之间的百分分配率可用下式进行计算：
(2)
式中： Ka—— —氨离子的电离常数;
Kw—— —水的电离常数;
Kb—— —氨水的电离常数;
C—— —物质浓度。
式(1)受pH 值的影响，当pH值高时，平衡向右移动，游离氨的比例较大，当pH 值为11 左右时，游离氨大致占90%。
由式(2)可以看出，pH 值是影响游离氨在水中百分率的主要因素之一。另外，温度也会影响反应式(1)的平衡，温度升高，平衡向右移动。表1 列出了不同条件下氨氮的离解率的计算值。表中数据表明，当pH值大于10 时，离解率在80%以上，当pH 值达11时，离解率高达98%且受温度的影响甚微。
表1 不同pH、温度下氨氮的离解率%
|
pH |
20 ℃ |
30 ℃ |
35 ℃ |
|
9.0 |
25 |
50 |
58 |
|
9.5 |
60 |
80 |
83 |
|
10.0 |
80 |
90 |
93 |
|
11.0 |
98 |
98 |
98 |
游离态氨易于从水中逸出，因此用石灰或NaOH等作为碱剂将污水pH提高到10.8 ~ 11.5左右时，经吹脱塔可以有效地将污水中的氨氮吹脱去除。
吹脱法用于脱除水中氨氮，即将气体通入水中，使气液相互充分接触，使水中溶解的游离氨穿过气液界面，向气相转移，从而达到脱除氨氮的目的。常用空气作载体(若用水蒸气作载体则称汽提)。
氨吹脱一般采用吹脱池和吹脱塔2 类设备，但吹脱池占地面积大，而且易造成二次污染，所以氨气的吹脱常采用塔式设备。
吹脱塔常采用逆流操作，塔内装有一定高度的填料，以增加气—液传质面积从而有利于氨气从废水中解吸。常用填料有拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。废水被提升到填料塔的塔顶，并分布到填料的整个表面，通过填料往下流，与气体逆向流动，空气中氨的分压随氨的去除程度增加而增加，随气液比增加而减少。
维生素生产废水处理：3.2.3 厌氧水解的必要性及厌氧工艺选择
(一)、厌氧水解的必要性
由前面分析可知，维生素生产污水成分比较复杂，有机物浓度非常高，COD浓度高达33000mg/l，且可能含有部分难降解污染物，PH值相差较大，废水带有颜色和异味。因此，本工程中第一类高浓度污水经汽提脱氮处理后，污水中的氨氮得到了有效的去除，COD浓度也有部分降低，但污水的有机污染物并没有太大的变化，污水中难降解污染物依然存在，对后序生化处理工艺造成很大难度。
因此，若在汽提反应之后增加厌氧水解反应工艺，通过厌氧水解作用，使污水的COD浓度进一步降低，并有效提高污水的可生化性，将大大降低后序生化反应阶段的负荷，提高生化反应的效率。
厌氧微生物生化反应过程的四阶段发酵理论：
水解发酵阶段(第一阶段)：参与细菌为水解性和发酵细菌。水解性细菌主要起水解大分子有机物为小分子水解产物的目的。发酵型细菌将水解性比较细菌的水解产物发酵生成有机酸、醇等。水解和发酵性细菌有专性厌氧的，也有兼性厌氧的。
产氢产乙酸阶段(第二阶段):参与细菌为产甲烷细菌。它们将第一阶段的产物有机酸、醇转化成乙酸。
产甲烷阶段(第三阶段)：参与细菌为产甲烷细菌。甲烷的生成有两种主要途径：①、将乙酸直接转变为CH4和CO2;②、将H2与CO2转化成CH4和H2O。其中，途径①为主要途径，有72%的甲烷来自这种途径。28%的甲烷由途径②产生。
同型产乙酸阶段(第四阶段)：参与细菌为同型产乙酸细菌，它们将H2和CO2转变为乙酸。
上述四个阶段，其中产甲烷阶段的产甲烷功生长缓慢，对温度、pH的变化敏感，且为专性厌氧菌。故产甲烷阶段主要限制着整个厌氧发酵过程。在实际应用中，应努力提高产甲烷阶段的速率。
由上述分析可知：将厌氧反应控制在水解、产酸阶段，使水解水解性、发酵细菌和产酸菌(包括产氢产乙酸菌)在厌氧条件下，将复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，使污水COD浓度进一步降低的同时，有效提高污水的可生化性，将大大降低后序生化反应阶段的负荷，提高生化反应的效率。
维生素生产废水处理：(二)、厌氧水解反应器选择
厌氧生化反应器有普通消化池、升流式厌氧污泥床反应器、厌氧生物滤池等多种类型。
升流式厌氧污泥床(UASB)反应器是荷兰学者Lettinga等人在20世纪70年代初开发的。由于这种反应器结构简单，不用填料，没有悬浮物堵塞等问题，因此一出现便立即引起了广大废水处理工作者的极大兴趣，并很快被广泛应用于工业废水和生活污水的处理中。到1990年9月止，国外生产性规模的UASB反应器在处理各种有机废水时，反应器内一般情况下均能开成厌氧颗粒污泥，而厌氧颗粒污泥不仅具有良好的沉降性能，而且有较高的比产甲烷活性。由于UASB反应器设有三相分离器，使得反应器内的污泥不易流失，所以反应器内能维持很高的生物时，平均浓度可达80gss/l左右。同时，反应的SRT很大，HRT很小，这使反应器有很高的容积负荷率和处理效率以及运行稳定性。
我公司在对UASB厌氧处理工艺进行深入研究的基础上，积累了丰富的工程实践经验。我公司UASB厌氧污水处理工艺的主要特点有：
(1)、结构特点
与传统的厌氧反应器相比，结构上优点主要表现在以下几个方面：
反应器结构简单，基建成本低。
反应器同时具有水解反应与沉淀双重功能。减少了基建投资和运行管理难度。
反应器可以具有很大的高径比。一般的厌氧水解池池深均在5米以下，为了确保足够的水力停留时间，不仅需要较大的占地面积，而且水中的气流行程过短，造成气液传质效率低下。本池则不增加原有气压动力，而是充分利用进水水泵的富余压能，同时充分利用水流喷射造成的对流，以及气流失能后的上升动力，构成了水流的循环，达到搅动污泥，使污泥与污水有机污染物充分接触，从而有效提高厌氧水解反应效率的目的。
本池池型构造能使各个部位的功能得到理想的发挥。第一，底部楔型断面上的斜坡既保证了污泥的顺利下滑，也保证了底部面积不致过大而造成污泥的沉积。第二，居于池中部的沉淀区的倾斜底板不仅确保污泥的下滑及浓缩，而且与下部的水解反应区构成了一个与水流循环对流形状相吻合的空间，避免了死角的产生。第三，池面形成一个狭窄的上升通道，利于上升气泡流的密集。第四，本池型不会受到处理量大小的制约，既适用于小型处理，也适用于大型处理，仅需调节喷射器的数量及大小。第五，本池型可不受地形条件的限制，既可设计成矩形，也可设计成圆形，既可做成地面式也可做成地下式或半地下式。
(2)、工艺特点
活性污泥浓度高，耐冲击负荷能力强，能适合各种进水水质的有机废水处理。
固液分离效果好，剩余污泥量较少。系统中混合废水中的微生物菌团颗粒小，其沉降性能好，这是其显著特点之一。
处理费用低。机械设备总量减少，采用新技术设备效率高，节约了电能，增加了系统运行管理的可靠性。
维生素生产废水处理：3.2.4 好氧生化处理工艺选择
污水在经过前阶段的厌氧水解反应后， COD浓度得到进一步降低，污水的可生化性也得到了有效提高，从而大大降低生化反应阶段的处理难度，有效提高生化反应的效率。
好氧生化处理工艺是当前污水处理的典型工艺。好氧生化反应具有反应速度快、有机物去除率高、一次性工程投资较小等诸多优点。因此，本工程主体处理工艺采用好氧活性污泥生化处理工艺。
好氧生化工艺类型很多，常用的有：传统活性污泥法、接触氧化法、氧化沟等类型。对于好氧生化工艺，不管是传统活性污泥法还是氧化沟等其他形式各异的好氧工艺，都离不开曝气设备。可以说曝气是污水处理领域必备的重要的核心设备，曝气方式直接影响整个水处理工程。因此，曝气方式的选择是好氧工艺设计的一个关键所在。
(一)、传统曝气供氧方式的不足
传统的曝气方式目前仍在用的是鼓风曝气。鼓风曝气就是由鼓风机作为气源，通过复杂的输气管线，最后由各种曝气头等空气扩散装置把空气转移到水中，以达到向水中增加氧气满足微生物生长之需要。
但鼓风曝气存在诸多的缺点，随着污水处理行业的发展，他的缺点日益明显的表现出来。首先鼓风曝气要单独设鼓风机房，噪音大。其次鼓风曝气需要铺设复杂的曝气管道，使整个管道系统比较复杂，并且复杂的管线系统使损失在管线上的能量和气量增加，造成能源浪费，而且不易于污水处理系统的运行维护;传统曝气方式最大的缺点在于鼓风曝气不可缺少的空气扩散装置，空气扩散装置最常用的是曝气头(曝气管)。但曝气头容易堵塞、损坏(这个问题已经被几乎所有的污水处理厂家所证实)。曝气头堵塞、损坏后造成曝气效率下降、曝气不均匀，直接影响到污水处理系统的处理效果，如果不加以处理，甚至会造成系统处理效果恶化,导致整个系统的崩溃。但如果要更换被堵塞或损坏的曝气头时，势必要放空曝气池，这样做也会导致严重的后果：污水处理系统暂时停止运行(污水外排)，处理后重新运行时，因为系统的曾经停滞需要对微生物系统重新驯化调试。
所以，鼓风曝气带给人们的是处理系统的不稳定性和运行维护的艰巨性。找到行之有效的曝气方式是目前和以后环保产业界的一件重要的任务!。
(二)、射流曝气供氧特点
早在上世纪70年代，人们已经开始尝试鼓风曝气以外的其它曝气方式了，随后射流曝气应运而生。射流曝气不仅简化了曝气系统，而且还具有布置灵活(不像鼓风曝气的曝气头，安装的时候已经确定了位置不能轻易变化了)，可以根据需要随时改变安装方式、台数、角度等，可以安装在水面以上或者水面以下，可以实现带水安装检修;最关键的一点，运行维护简便，检修、安装时不用清空曝气池，不必停产作业，不会影响到系统运行的连续性。
我公司好氧用曝气器供氧系统的开发应用获得成功，是供氧系统高效化、节能化、无堵塞化方向的极大突破!
射流曝气器利用负压吸气原理，但产生负压的机理、方式完全采取一种全新的理念，其中间为供气管，外面的套管为锥行收缩的水管。无可动部分，无易损件，无堵塞的可能。表面上，它与其他厂商的射流器构造相似，然而它却将气、液管的位置进行了互换，由此带来了质的飞跃，优点如下：
1、充氧效率高：根据射流原理,采用大口径水利喷头, 在水泵驱动下自身产生负压吸取空气,空气与高速通过的水流同时进入气水反应腔,在气水反应腔内氧气通过高压原理迅速溶解到水体中。与传统射流设备相比,氧转移效率明显提高,氧气转移效率可达35%。
2、提高生化处理效果：我公司射流器的环外侧液流部分直接向池内液体传递能量，足已使搅动回流大为加剧，高速的喷射，足以冲碎原有胶团，使微生物的比表面积增大，增进了液体的接触传质与污染物质的被吸附,有利于生化处理效果的提高;
3、系统结构简单：充氧曝气不需鼓风机、复杂的空气管线、易坏的曝气头，仅靠水力驱动，设计简单、操作便捷、容易维护;
4、无噪音污染：高效射流曝气器没有一般充氧曝气机和鼓风机的噪音，大大降低了污水生化处理系统的噪音污染;
5、安装维修方便：可在污水处理系统正常运行的情况下完成带水安装过程，尤其适用于已有污水处理厂(站)在不能停产情况下的好氧曝气改造;
不易堵塞：与传统射流器相比，我公司射流曝气器采用大口径水力喷头，结构非常简单，正常运行的情况下几乎不会出现任何故障，更不会像传统水射器一样易堵塞;而且拆装方便，即使检修或更换也非常方便，不会影响污水处理系统的正常运行。
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