化工污水处理工艺优化及工程应用研究

黄光信1

（1海南汉地流体材料有限公司，海南 儋州 578101）

摘要

化工行业作为本国工业经济的支柱产业，生产过程中会产生大量成分复杂、污染物浓度高、可生化性差的工业废水，是工业水污染的主要来源之一。化工污水含有大量难降解有机物、氨氮、悬浮物及微量重金属污染物，直接排放会严重破坏水体生态、污染土壤环境，同时制约化工企业绿色可持续发展。为解决中小型精细化工企业污水超标排放、处理工艺效率低、运行成本高的问题，以某精细化工企业污水治理工程为研究对象，结合企业实际水质水量特征，采用调节均质+混凝沉淀+水解酸化+两级A/O生化+芬顿高级氧化+深度过滤组合工艺开展污水处理工程实践。工程设计处理规模为6000m³/d，通过连续90天稳定运行监测，系统进水CODcr均值4896mg/L、氨氮均值326mg/L、SS均值412mg/L、总磷均值8.9mg/L；处理后出水CODcr≤48mg/L、氨氮≤7.2mg/L、SS≤8mg/L、总磷≤0.4mg/L，所有指标稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准。实践表明，该组合工艺适配精细化工高浓度、难降解污水特性，抗冲击负荷能力强、运行稳定、运维便捷，单吨水处理运行成本2.38元，具备良好的环保效益与经济效益，可为同类化工企业污水治理工程提供参考依据。

关键词：化工废水；两级A/O工艺；芬顿氧化；废水处理工艺优化；水质监测；工程应用

Study on Process Optimization and Engineering Application of Chemical Wastewater Treatment

(1 Hainan Handi Fluid Materials Co., Ltd., Danzhou, Hainan 578101, China)

Abstract：The chemical industry serves as the pillar of China’s industrial economy. A large amount of industrial wastewater with complex components, high pollutant concentration and poor biodegradability is generated during production, which constitutes one of the primary sources of industrial water pollution. Chemical wastewater contains substantial refractory organic pollutants, ammonia nitrogen, suspended solids and trace heavy metals. Direct discharge will severely damage aquatic ecosystems and soil environments, and restrict the green and sustainable development of chemical enterprises. To solve the common problems of excessive wastewater discharge, low treatment efficiency and high operating costs existing in small and medium-sized fine chemical enterprises, this paper takes the sewage treatment project of a fine chemical enterprise as the research object. Combined with the actual water quality and water quantity characteristics of the enterprise, a combined process of homogenization regulation, coagulation sedimentation, hydrolytic acidification, two-stage A/O biochemical treatment, Fenton advanced oxidation and deep filtration is adopted for engineering practice. The designed treatment scale of the project is 6000 m³/d. After 90 consecutive days of stable operation and monitoring, the average influent concentrations of CODcr, ammonia nitrogen, SS and total phosphorus are 4896 mg/L, 326 mg/L, 412 mg/L and 8.9 mg/L respectively. The effluent indexes are stably controlled within CODcr ≤ 48 mg/L, ammonia nitrogen ≤ 7.2 mg/L, SS ≤ 8 mg/L and total phosphorus ≤ 0.4 mg/L, fully meeting the Class 1A discharge standard specified in Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB 18918-2002). Engineering practice verifies that the combined process is highly adaptable to high-concentration and refractory fine chemical wastewater. With strong impact resistance, stable operation and convenient maintenance, the process achieves a unit operating cost of 2.38 yuan per ton of wastewater. It delivers remarkable environmental and economic benefits, and provides a reliable reference for the wastewater treatment engineering of similar chemical enterprises.

Key words:chemical wastewater; two-stage A/O process; Fenton oxidation; process optimization; water quality monitoring; engineering application

作者简介：黄光信（1996-），男，本科生，助理工程师，主要研究方向为化工废水处理工艺优化与工程应用

引言

随着我国精细化工、石油化工、化工新材料产业规模化发展，化工生产流程不断细化，合成反应、提纯萃取、设备清洗等工序产生的污水排放量持续增加。不同于生活污水，化工污水具备污染物复杂、毒性强、可生化性差、水质水量波动大四大特点，废水中含有的苯系物、酚类、杂环化合物等有机物难以被微生物降解，同时伴随重金属、氮磷污染物，常规单一生化工艺无法实现达标排放，极易造成水体富营养化、地下水污染等环境问题。

近年来，国内生态环保管控标准持续升级，化工行业污水排放标准不断收紧，对化工企业污水处理系统的稳定性、深度处理能力提出了更高要求。目前多数中小型化工企业存在污水处理工艺老旧、设备老化、工艺组合不合理等问题，普遍出现生化系统瘫痪、出水指标波动大、超标排放等现象，不仅增加企业环保合规风险，也造成水资源浪费与生态污染。

现阶段化工污水处理主流工艺包含生化处理法、化学氧化法、物理沉淀法、吸附法等，单一工艺存在明显局限性。物理法仅可去除污水中悬浮物与大分子颗粒物，无法降解溶解性有机污染物；传统单一A/O生化工艺脱氮降解能力有限，难以处理高浓度化工污水；高级氧化法单独使用运行成本过高，不适用于规模化污水处理工程。因此，结合污水水质特征，采用多工艺耦合的组合处理技术，是当前化工污水治理的核心发展方向。

本文依托某精细化工企业污水处理改造工程，针对企业染料中间体生产废水水质复杂、浓度高、难降解的特点，优化设计多级组合处理工艺，通过长期运行监测获取实测数据，分析工艺运行效果、系统稳定性及运行成本，总结工艺运行痛点并提出优化方案，为同类化工污水处理工程设计与运维提供实践参考。

1 工程概况与水质特征

1.1 工程基本概况

本次研究对象为华东地区某精细化工企业污水处理改造工程，企业主要生产染料中间体、精细化工助剂，生产工序包含合成、精馏、洗涤、过滤等，日均污水排放量稳定在5800-6200 m³，本次工程设计处理规模为6000 m³/d，24 h连续运行。原有污水处理系统仅采用“混凝沉淀+单一A/O”工艺，出水CODcr常年维持在120-200 mg/L、氨氮20-35 mg/L，无法满足一级A排放标准，存在严重超标风险。本次改造在原有构筑物基础上，新增水解酸化池、二级A/O生化池、芬顿氧化系统与石英砂深度过滤系统，优化整体工艺组合，提升污水深度处理能力与抗冲击负荷能力。

1.2 污水水质指标

该企业化工污水来源分为生产工艺废水、设备清洗废水、厂区地面冲洗废水与少量生活污水，其中生产工艺废水占比85%以上，是主要污染来源。通过连续30天取样检测，统计进出水设计水质与实测原水水质，具体指标如下表1所示。

表1 污水处理系统进出水水质指标（mg/L）

Table 1 Water quality indicators for wastewater treatment system inflow and outflow (mg/L)

检测指标 原水实测均值 设计进水指标 出水标准限值 备注

CODcr 4896 ≤5000 ≤50 化学需氧量

NH₃-N 326 ≤350 ≤8 氨氮

SS 412 ≤450 ≤10 悬浮物

TP 8.9 ≤9.5 ≤0.5 总磷

pH 4.2-9.1 4.0-9.5 6-9 酸碱度

BOD₅ 826 ≤850 ≤10 五日生化需氧量

由水质数据可知，该企业化工污水具备三大特征：一是有机物浓度极高，原水CODcr均值接近5000 mg/L，远超常规工业废水；二是氮磷污染严重，氨氮、总磷浓度超标幅度大，水体富营养化风险高；三是水质波动大，pH值波动范围广，污水可生化性B/C比值仅为0.17，属于典型的难生化降解高浓度化工污水，必须采用物理预处理+生化降解+化学深度氧化的多级组合工艺处理。

2 污水处理工艺设计

2.1 工艺方案对比选型

结合该化工污水高COD、高氨氮、低可生化性的特点，本次工程初步拟定三种主流化工污水处理工艺，从处理效果、建设成本、运行费用、运维难度四个维度进行对比筛选，各工艺对比情况如下表2所示。

表2 污水处理工艺方案对比

Table 2 Comparison of Wastewater Treatment Process Solutions

工艺方案 处理效果 建设成本 运行成本 运维难度

单一芬顿氧化工艺 有机物去除率高，脱氮效果差 中等 高（药剂消耗量大） 较高，需精准调控药剂配比

传统单级A/O生化工艺 脱氮一般，难降解有机物无法去除 低 低 低

多级组合工艺（预处理+水解酸化+两级A/O+芬顿氧化） 有机物、氨氮、磷同步去除，达标稳定性强 中等 适中 中等，自动化运维便捷

综合对比分析，单一化学氧化工艺运行成本过高，仅适用于小水量应急处理；传统单级生化工艺无法降解难降解有机物，出水难以达标。因此本次工程最终选用调节均质+混凝沉淀+水解酸化+两级A/O生化+芬顿高级氧化+石英砂过滤+消毒组合工艺，兼顾处理效果、经济性与稳定性，适配企业规模化污水处理需求。

2.2 整体工艺流程

污水首先进入调节池，均衡水质水量、缓冲水质波动，通过曝气搅拌防止污染物沉降；随后提升至混凝沉淀池，投加聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）与氢氧化钠药剂，去除污水中大部分悬浮物、胶体颗粒与部分大分子有机物、磷酸盐；预处理出水进入水解酸化池，通过厌氧微生物水解发酵，破碎难降解有机物分子结构，提升污水可生化性，将B/C比值提升至0.35以上；之后依次进入一级A/O、二级A/O生化池，通过缺氧、好氧交替环境，完成微生物硝化、反硝化反应，高效去除污水中有机物、氨氮与总氮；生化出水进入芬顿氧化池，利用羟基自由基氧化降解残留的难降解微量有机物；最后经过石英砂深度过滤、次氯酸钠消毒后达标排放，系统产生的污泥统一排入污泥浓缩池，经板框压滤机脱水后外运处置。完整工艺流程：生产污水→调节池→混凝沉淀池→水解酸化池→一级A/O池→二级A/O池→芬顿氧化池→石英砂过滤池→消毒池→达标排放。

2.3 核心构筑物设计参数

结合6000 m³/d处理规模，各核心构筑物设计参数如下：

2.3.1 调节池：有效容积1800 m³，水力停留时间7.2 h，配备潜水搅拌机4台、曝气系统1套，实现水质均质调节，缓冲生产工序启停带来的水质水量冲击。

2.3.2 混凝沉淀池：分为反应区与沉淀区，总有效容积650 m³，水力停留时间2.6 h，PAC投加量80 mg/L，PAM投加量3 mg/L，配套加药装置2套、污泥回流泵2台。

2.3.3 水解酸化池：有效容积2400 m³，水力停留时间9.6 h，内置弹性立体填料，填充率70%，富集厌氧水解微生物，破解难降解有机物。

2.3.4 两级A/O生化池：单级A/O池有效容积3200 m³，总水力停留时间25.6 h，缺氧池溶解氧控制在0.2-0.5 mg/L，好氧池溶解氧控制在2.0-3.0 mg/L，污泥浓度4000 mg/L，污泥回流比100%，混合液回流比200%，保障脱氮除碳效果。

2.3.5 芬顿氧化池：有效容积480 m³，水力停留时间1.92 h，双氧水投加量120 mg/L，硫酸亚铁投加量60 mg/L，反应pH控制在3.0-4.0，高效降解残留难降解污染物。

2.3.6石英砂过滤池：有效容积220 m³，填料层厚度1.2 m，截留微量悬浮物与残留胶体，进一步净化水质。

3 工程运行结果与数据分析

本次工程完成调试后，连续稳定运行90天，每日定时取样检测进出水CODcr、氨氮、SS、总磷、pH等核心指标，统计日均数据，分析各处理单元的污染物去除效率，验证工艺可行性与稳定性。

3.1 各单元污染物去除效果

通过对各处理单元出水指标统计，各工序污染物去除效果如下表3所示。

表3 各处理单元污染物去除效果（mg/L）

Table 3 Pollutant removal efficiency of each treatment unit (mg/L)

处理单元 CODcr 氨氮 SS 总磷 COD去除率

系统进水 4896 326 412 8.9 -

混凝沉淀池出水 3218 298 58 2.1 34.3%

水解酸化池出水 2156 265 42 1.6 33.0%

两级A/O出水 186 6.8 15 0.65 91.4%

芬顿+过滤出水 48 7.2 8 0.4 74.2%

数据分析可知，各处理单元分工明确、协同增效。混凝沉淀预处理单元主要去除悬浮物与胶体态污染物，同步去除部分磷与大分子有机物，SS去除率高达85.9%，有效降低后续生化系统污染负荷；水解酸化单元通过微生物厌氧水解，打破难降解有机物分子链，大幅提升污水可生化性，为后续生化处理奠定基础；两级A/O生化单元是脱氮、降解有机污染物的核心单元，对CODcr、氨氮去除效果显著，是系统达标核心工序；芬顿高级氧化单元针对性去除生化残留的顽固性有机物，弥补生化工艺短板，保障出水稳定达标。整体系统CODcr总去除率99.0%、氨氮总去除率97.8%、SS总去除率98.1%、总磷总去除率95.5%，污染物去除效果优异。

3.2 系统稳定性分析

在90天运行周期内，企业生产负荷存在小幅波动，污水进水CODcr波动区间4200-5000 mg/L，氨氮波动区间280-350 mg/L。监测数据显示，在水质波动冲击下，系统出水指标无明显波动，出水CODcr稳定在38-48 mg/L，氨氮5.2-7.2 mg/L，全部优于一级A排放标准，证明该组合工艺抗冲击负荷能力强、运行稳定性高，可适配化工企业间歇性生产带来的水质波动问题。同时系统pH值始终稳定在6.8-8.2之间，微生物生存环境稳定，生化系统无污泥膨胀、菌群死亡等异常问题。

3.3 运行成本分析

本次污水处理系统运行成本主要包含药剂费、电费、设备运维费、污泥处置费四大板块，按日均处理污水6000m³计算，具体成本核算如下：

3.3.1 药剂费用：主要包含PAC、PAM、双氧水、硫酸亚铁、酸碱调节剂，日均药剂消耗费用2862元，单吨药剂成本0.477元。

3.3.2 用电费用：系统水泵、曝气、搅拌、加药设备日均耗电量1260kW·h，工业电价0.85元/kW·h，日均电费1071元，单吨电费0.178元。

3.3.3 运维与污泥处置费用：设备日常检修、耗材更换及污泥外运处置日均费用920元，单吨成本0.153元。

综合核算，该污水处理系统单吨水处理总成本2.38元，相较于同类高级氧化主导工艺3.5-4.5元/吨的运行成本，经济性优势显著，适合企业长期稳定运行，具备极高的工程推广价值。

4 系统运行问题与工艺优化策略

4.1 运行现存问题

在长期运行监测中，该污水处理系统存在两处典型问题。第一，低气温环境下（冬季温度低于12 ℃），生化系统微生物活性下降，两级A/O池脱氮效率小幅降低，出水氨氮指标存在轻微上浮趋势，最大上浮幅度1.2 mg/L。第二，芬顿氧化单元药剂人工配比精准度不足，偶尔出现药剂过量或投加不足的情况，药剂利用率偏低，造成少量药剂浪费与污泥增量问题。第三，水解酸化池填料长期运行易附着生物膜残渣，易出现堵塞现象，影响水解反应效率，需要定期人工清理，增加运维工作量。

4.2 针对性优化策略

针对低温脱氮效率下降问题，在两级A/O生化池增设恒温辅助加热系统，将生化池水温稳定维持在15-28 ℃的微生物适宜生长区间，保障低温环境下硝化、反硝化菌群活性，稳定脱氮效果。同时适当提高冬季污泥回流比，提升系统抗低温冲击能力。

针对芬顿药剂配比精度不足问题，替换全自动智能加药系统，搭载在线水质监测探头，根据实时出水COD指标自动调节双氧水、硫酸亚铁投加量，精准控制药剂配比与反应pH值，提升药剂利用率，减少药剂浪费与污泥产量，预计可降低12%左右的药剂运行成本。

针对水解酸化池填料堵塞问题，将原有固定式弹性填料替换为悬浮球形填料，增大水流通过率，减少污染物附着堆积，同时增设定期曝气冲洗装置，自动清理填料表面残留生物残渣，降低人工运维成本，保障水解酸化单元持续高效运行。

5 结论与展望

5.1 结论

本文以6000 m³/d精细化工污水处理工程为研究载体，针对化工污水高浓度、难降解、水质波动大、氮磷含量高的特点，采用预处理+水解酸化+两级A/O生化+芬顿高级氧化+深度过滤组合工艺开展污水治理工程实践，通过90天连续运行监测与数据分析，得出以下结论：

（一） 该多级耦合组合工艺适配精细化工污水水质特征，各处理单元协同运作、优势互补，预处理单元高效去除悬浮物与胶体污染物，水解酸化单元提升污水可生化性，两级A/O单元实现高效脱氮除碳，芬顿氧化单元深度降解顽固性有机物，整体系统污染物去除效率优异。稳定运行后出水CODcr≤48 mg/L、氨氮≤7.2 mg/L、SS≤8 mg/L、总磷≤0.4 mg/L，全部指标满足GB 18918-2002一级A排放标准。

（二） 工艺系统抗冲击负荷能力强，可有效应对化工企业间歇性生产带来的水质水量波动，运行稳定性高，设备故障率低，运维便捷，适配中小型精细化工企业污水处理需求。

（三）工程单吨水处理运行成本2.38元，相较于传统高级氧化工艺经济性显著，兼顾环保效益与企业经济效益，可有效解决化工企业污水超标排放难题，具备极强的工程推广价值。

（四） 系统存在低温生化效率下降、药剂配比精度不足、填料易堵塞等问题，通过增设恒温系统、智能加药装置、更换新型填料等优化方案，可有效提升系统运行效率、降低运维成本。

5.2 展望

当前我国化工行业绿色低碳转型持续推进，污水排放标准日趋严格，传统单一污水处理工艺已无法满足行业发展需求，生化+高级氧化耦合的多级组合工艺将成为化工污水处理的主流发展方向。未来化工污水处理工程不仅需要实现污染物达标排放，更需要朝着节能降耗、资源化利用、智能化运维方向升级。后续可在现有工艺基础上，增设中水回用系统，将达标出水用于厂区设备清洗、绿化补水，实现水资源循环利用；同时全面搭建智能化在线监测与自控系统，实时监控水质指标、设备运行状态与药剂消耗数据，实现污水处理系统全自动精准运维，进一步降低能耗与运行成本，助力化工企业实现绿色、低碳、可持续发展。

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