UASB厌氧工艺在三羟甲基丙烷废水处理中的工程应用

2023-12-27叶陆仟全宏冬杨秀国李鸿雁杨立方李小鹤窦亚军

化工技术与开发 2023年12期

叶陆仟，徐富，全宏冬，杨秀国，李权，李鸿雁，杨立方，李小鹤，窦亚军

（1.赤峰瑞阳化工有限公司，内蒙古赤峰 024076；2.苏州苏沃特环境科技股份有限公司，江苏苏州 215129；3.内蒙古自治区多元醇化工新材料企业重点实验室，内蒙古赤峰 024076）

三羟甲基丙烷是一种重要的精细化工原料，广泛应用于合成润滑剂、增塑剂及油墨等，产量呈逐年递增的趋势[1]。目前工业上主流的生产工艺，是康尼扎罗缩合法和加氢还原法[2]。

赤峰某化工有限公司主要采用加氢还原法生产三羟甲基丙烷。正丁醛和甲醛在三乙胺的催化作用下，发生逐级缩合反应，反应混合物再经过蒸馏、精制，得到三羟甲基丙烷[3]。生产过程中产生的废水无色透明，有强烈的刺激性气味，且含有高浓度的有机物、甲醛、醇类等物质，属于高浓度、高毒性废水[4]。若不对该废水进行预处理，去除部分有机物和甲醛，将对整个污水处理站及后续的生化系统产生恶劣影响。

目前，国内对三羟甲基丙烷废水处理的相关研究较少，通常是将该废水与其他生产废水混合后进行综合处理[5]。但三羟甲基丙烷的生物毒性常会导致综合处理生化系统崩溃，出水水质变差。本实验采用“中和调节+UASB厌氧反应器+沉淀”工艺，对三羟甲基丙烷废水进行脱毒处理。UASB厌氧反应器能有效降低废水的生物毒性，提高其生化性。同时结合工程经验，对UASB厌氧反应器进行改良，在罐体中设置组合生物填料，以保证反应器污泥的稳定性和生物多样性，对提高甲醛去除率起到了至关重要的作用。经该工艺预处理后，废水COD从原来的8000mg·L-1降低到3200mg·L-1，甲醛浓度从2000mg·L-1降低至300 mg·L-1以下，大大减轻了后续综合生化处理的压力，为整个污水厂的稳定达标运行提供了保障。

1 生产概况

正丁醛和甲醛在三乙胺的催化作用下发生羟醛缩合反应，得到2-2二羟甲己丁醛，对2-2二羟甲己丁醛进行催化加氢反应，即得到TMP（三羟甲基丙烷）[6]。某化工厂年产1万t三羟甲基丙烷，废水产生量为11.2 m3·(t产品)-1，即废水量为336m3·d-1。本废水处理工程采用24h连续运行，设计处理量为14 m3·h-1。

2 工艺设计

2.1 进、出水水质

依据厂方提供的原水水样和数据确定进水水质指标，对厂区污水站的参数及运行状况进行分析后，确定预处理的出水水质指标，以确保预处理出水并入厂区污水处理站后，不会对整个污水站的运行产生影响。具体的进、出水水质指标要求见表1。

表1 设计进、出水水质表

2.2 工艺流程

三羟甲基丙烷废水处理的工艺流程见图1。先在中和调节池收集生产废水，加液碱中和废水的pH值为7～9，并调节废水的水质和水量。出水则泵入厌氧反应器内。

图1 三羟甲基丙烷废水的处理工艺流程图

在UASB厌氧反应器中，经驯化成熟、特殊的微生物菌群附着在固定的生物载体上，按照特定的工艺运行参数，并加入可维持生物活性的生物强化剂，就能够快速、经济地处理含生物毒性的三羟甲基丙烷废水。具体过程为：将污水处理系统中不同类型的厌氧、兼氧和好氧微生物引入厌氧反应器中，利用生物固定填料强化微生物与填料的固定，维持厌氧池较高的生物量浓度，达到生物强化的目的，利用微生物对污染物的降解及吸附能力，实现COD浓度降低60%、甲醛浓度降低85%的目标。

厌氧出水自流入沉淀池中，在沉淀池中实现泥水自然分离，出水进入后续的生化处理系统。污泥一部分回流至中和调节池内，再次经过厌氧反应器的进水系统，回流至厌氧反应器。厌氧处理后的污泥经沉淀和污泥回流后，可以提高厌氧系统的抗冲击能力，确保厌氧污泥的浓度。剩余污泥排至污泥处理系统。

3 各构筑物设计参数

3.1 中和调节池

中和调节池设计尺寸L×W×H=11.5m×4.0m×7.5m，1座，有效液位4.5m，有效容积200m3，停留时间14h，全地上式钢筋混凝土结构。池内设厌氧提升泵2台，为耐腐蚀卧式离心泵，1用1备，Q=30m3·h-1，H=20m，N=4kW；中和循环泵2台，为耐腐蚀卧式离心泵，1用1备，Q=50m3·h-1，H=15m，N=4kW。液碱投加装置1套，3m3PP材质储罐1台，加药泵2台。硫酸投加装置1套，3m3PP材质储罐1台，加药泵2台。厌氧提升泵电磁流量计、内循环泵流量计、温度计、液位计、pH计各1台。

3.2 UASB厌氧反应器

反应器设计尺寸D×H=Ф11.5m×24m，1座，有效容积2400m3，停留时间7.1d，容积负荷1.12 kgCOD·(m3·d)-1，碳钢防腐外加岩棉保温。每座罐体内设强制内回流泵2台，为耐腐蚀卧式离心泵，1用1备，Q=50 m3·h-1，H=15 m，N=4kW。罐体内配备2套三相分离器，1套进水布水装置，1套泥水分离包(D×H=Ф1.2m×1.5m)，1套水封(D×H=Ф1.2m×1.5m)。每座罐体设温度计2台，pH计1台。反应器内设置SS304填料支架，高度5.8 m；采用PVDC组合填料，600 m3。

3.3 沉淀池

设计尺寸L×W×H=4.0m×4.0m×4.5m，1座，有效液位4.0m，有效容积64m3，表面负荷0.875 m·(m2·h)-1，全地上式钢筋混凝土结构。沉淀池内设污泥泵2台，为耐腐蚀卧式离心泵，1用1备，Q=30 m3·h-1，H=15 m，N=3kW。设置中心导流筒及出水堰1套，PP材质。

4 运行效果分析

4.1 UASB厌氧反应器的运行效果分析

本实验采用的厌氧设备为上流式UASB厌氧反应器。UASB的污泥产率低，无需曝气等额外动力消耗，能承受较高的有机物容积负荷，且厌氧微生物在长期不进料的情况下，仍能保持其厌氧活性[7]。厌氧反应器主要由布水器、三相分离器、泥水分离器、强制循环装置及组合填料等构成。以厂区现有厌氧塔内的厌氧污泥为接种菌种，初始接种量为15g VSS·L-1，厌氧污泥含水率为95%，约800m3。初始启动时，COD负荷从0.2 kgCOD·(m3·d)-1开始，当COD去除率达到80%以上时，提高负荷。采用此工艺处理3～4个月后，COD从原水的8000mg·L-1降低到3200mg·L-1左右，甲醛从原水的2000mg·L-1降低到300mg·L-1左右。原水的COD和甲醛浓度指标均会随时间出现波动，因此出水指标也会产生相应的变化，但在调试后期，COD和甲醛的去除率，可分别稳定在60%和85%左右。COD的进出水浓度随时间的变化情况见图2，甲醛的进出水浓度随时间的变化情况见图3。