聚酯化纤废水处理工程设计方案.docx
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聚酯化纤废水处理工程设计方案
1总论
1.1工程概况
江苏某公司是一家以聚酯生产为主业的企业，聚酯生产时主要有原料脱水过程中排放的冷凝水、酯化反应过程中排放的酯化水、真空泵强制抽出冷凝水、水环真空泵排水、循环冷却系统排水、生活污水等。
它具有成分复杂、浓度较高、来水不稳定，有时夹带油剂、浆料、重油等成分，水体氮、磷成分少，可生化性差的特点。
为了保护当地环境和实施可持续发展，集团决定实施污水集中处理，总体规划日处理能力为10000m3/d，分期实施，一期按日处理能力5000吨设计。
1.2设计目的、依据及原则
1.2.1设计目的
对废水处理系统工艺单体进行详细优化设计，提出主要设备材料表，据此编制投资估算。
1.2.2设计依据
（1）委托单位提供的水质、水量及排放要求；
（2）《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/T1072—2007）；
（3）《室外排水设计规范》（GB50014—2006）
（4）《污水综合排放标准》（GB8978-1996）
（5）《水处理设备制造技术条件》（JB293286）
（6）《水处理设备油漆、包装技术条件》（ZBJ9800387）
（7）《机械设备安装工程施工及验收规范》（GBJ231—75）
（8）《建筑给水排水设计规范》（GBJ1588）
（9）废水处理工艺设计规范、手册；
（10）同类废水的水质情况；
1.2.3设计原则
（1）执行国家环境保护的政策，符合国家和地方有关的法规、规范及标准，污水经处理后达标排放并部分回用尾水。
（2）根据企业规划和实际情况，以便于运行管理，充分发挥工程投资效益。
（3）在平面布局上尽可能安排紧凑，节约用地，为将来的发展、尾水回用处理等保留可用土地，同时在保留足够的绿化用地。
（4）尽量提高去除率，减少投资和运行费用。
（5）操作管理方便，经常性运行费用低，操作人员的劳动强度低，达标率高。
（6）充分考虑尾水的回收利用要求，为尾水回用打下基础。
2聚酯生产工艺、污水源分析
2.1聚酯生产工艺
2.1.1聚酯简单介绍
以二元或多元醇和羧酸为原料，经过缩聚反应合成的聚酯，通常分为饱和和不饱和两大类，不饱和聚酯分子结构中含有非芳香烃的不饱和键，它们可以被引发交联生成具有网状（体型）结构的热固性高聚物材料；饱和聚酯分子结构中不含非芳烃的不饱和键，是一种线型热塑性高聚物材料。
饱和聚酯分类方法通常是根据组成、结构、性能和用途来命名。
如按组成和结构有共混聚酯、共（聚）聚酯、结晶聚酯、液晶聚酯、环型聚酯等，如按性能有着色、阻燃、抗静电、吸湿、抗起球、增白、低熔点、增粘（高粘）、增强、阻燃增强聚酯等，如按用途有纤维级、薄膜级、瓶级（瓶用）、塑料级、涂料级、粘合级聚酯等。
同时，各种分类之间还有综合相交叉。
如按组成和结构分类的共混聚酯、液晶聚酯，按性能分类的阻燃聚酯、抗静电聚酯通称为改性聚酯；通常纤维级聚酯按其中消光剂TiO2含量又可分为（全）消光、半消光、有光、大有光，还包括着色、阻燃、抗起球、吸湿聚酯等；同样抗静电聚酯又包括纤维级、薄膜级等。
聚酯纤维制造方法按其使用原料状态的不同，可以分为切片纺丝（间接纺丝）和直接纺丝两类；按纺丝速度的不同，可分为常规纺丝和高速纺丝：
按纤维品种的不同又可分为长丝纺丝和短纤维纺丝。
在短纤维的纺丝过程中，根据楼层高度和设备布置的不同，分为传统纺丝和短程纺丝（又称紧凑纺丝）。
切片纺丝也称间接纺丝，包括切片干燥、熔融、纺丝和后加工等过程。
直接纺丝所使用的原料是局聚物熔体，所以不必进行干燥和熔融，而其纺丝和后加工过程与切片纺丝完全—样。
聚酯工程塑料，广义讲应包括不饱和和饱和两大类。
前者应用于增强塑料领域即所谓“玻璃钢”；后者指热塑性聚酯树脂及其塑料制品。
2.1.2聚酯生产反应方程式
聚酯（PET和PBT）合成在生产工业中主要以精对苯二甲酸（PTA）或中纯度对苯二甲酸（MTA）与乙二醇（EG）/l，4—丁二醇（BG）为原料的直接酯化法[3]（又称PTA法）和以对苯二甲酸二甲酯（DMT）与EG/BG为原料的酯交换法（又称DMT法）。
以PTA法和DMT法合成聚酯，又各具有间歇和连续两种工艺，一般采用PTA法的连续生产工艺。
直接酯化法：
PAT/MTA+EG/BG→PET
酯交换法：
DMT+EG/BG→PET
PTA法连续生产工艺以对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）为原料，以Sb2O3为催化剂，经过连续酯化、连续缩聚生成聚酯（PET）。
酯化反应方程式如下：
HOOC——COOH+2HOCH2CH2OH
HOCH2CH2OOC——COOCH2CH2OH+2H2O
酯化反应主要副反应为乙二醇合成乙二醇醚、乙二醇分解成乙醛，副反应方程式如下：
2HOCH2CH2OH→HOCH2CH2—O—CH2CH2OH+H2O
HOCH2CH2OH→CH3CHO+H2O
酯化反应生成的对苯二甲酸乙二酯（BHET）缩聚反应方程式：
nHOCH2CH2OOC——COOCH2CH2OH
HO[CH2CH2OOC——COO］nH+n1HOCH2CH2OH
由于PTA不溶于EG，但可溶于酯化物（BHET）中，因此，PTA和EG（乙二醇）悬浮物（浆液）进入酯化反应釜后，很快由非均相反应转化为均相反应。
在酯化反应的同时，还有少量缩聚反应，当酯化率达到约96.5%时，进入缩聚反应器。
在锑催化剂存在和真空条件下，随着不断抽走反应生成的小分子EG，缩聚反应不断向正反应方向进行，聚合的分子链不断加大，成为具有一定特性粘度的聚酯熔体。
PTA法生产聚酯的物料平衡见表2-1。
表2-1PTA法生产聚酯的物料平衡表
序号
名称
单耗（kg/t产品）
备注
1
精对苯二甲酸PTA
857
2
乙二醇EG
333
3
二氧化钛TiO2
3.5
消光剂
4
三醋酸锑Sb（Ac）3
0.37
催化剂
2.1.3生产工艺流程图
在聚酯的生产过程中，由原料聚酯反应得到聚酯熔体，然后经过纺丝后加工得到涤纶纤维，具体的聚酯生产工艺流程见图2-1。
图2-1聚酯生产工艺流程图
2.2污染源分析
生产中主要有原料脱水过程中排放的冷凝水、酯化反应过程中排放的酯化水、真空泵强制抽出冷凝水、水环真空泵排水、循环冷却系统排水、生活污水等。
2.2.1聚酯车间废水
废水主要为物料发生物理、化学反应中的几种产物：
酯化反应生成的副产物水和乙醛，还有缩聚过程中生成的乙二醇以及热解副产物乙醛。
酯化过程产生的废水及真空泵抽出冷凝水COD浓度较高，且废水中含有少量的醛类和低聚合物质，B/C都较低，可生化性较差，属高浓度难降解有机废水。
废水中的醛类物质和其他有毒物质对生化系统内微生物有毒害作用，从而对生化系统的有效运行造成一定的影响，故该部分废水需经汽提塔吸收，回收乙二醇及吸收废水中乙醛等，以去除废水中的部分醛类和醇类物质，可以有效降低废水的浓度，降低后续处理设施的投资费用。
根据同类工程实践[6]，该类废水中含有大量的醛类、醇类（包括新戊二醇、杂醇）、呋喃类、小分子低聚物等，还有少量的酚类，COD浓度达到2.8～3.6万mg/L，该部分水需经过汽提处理后再进入污水处理系统，不同厂的汽提塔运行效果和运行状况不同，集团应加强清洁生产水平，使汽提塔高效、稳定运行，为废水处理设施稳定运行、达标回用提供保障。
汽提后该股废水的COD浓度约为3000～5000mg/L，目前该类废水水量约为60m3/h。
2.2.2纺丝油剂废水
该类废水主要是纺丝拉伸工序中的水浴、油浴等产生的含油废水，该类废水COD浓度约为2000～3000mg/L，目前该类废水水量约为2.5~3m3/h。
2.2.3清洗废水
清洗废水主要有聚酯芯清洗废水、纺丝组件清洗废水、地面冲洗水等。
3设计水量、水质、设计范围及排放标准
3.1设计水量、水质
项目服务对象为该区域内的居民及工业企业、超市、酒店、园区管委会以及单位企业。
工业园区目前废水排放源为聚酯废水、纺丝废水及镇区、园区的生活污水。
根据园区发展规划，园区将建设集中污水处理厂，并在达标排放的基础上进行全部回用。
目前各个排污单位的水质水量情况见表3-1。
表3-1各个排污单位的水质水量情况统计表
序号
项目
水量
水质
废水类别
小时水量
（m3/h）
日水量
（m3/d）
COD
（mg/L）
SS
（mg/L）
pH
1
聚酯废水
60
1440
3000~5000
300~500
5~6
2
生活污水
62.5
1500
250~350
150~250
6~9
3
全混合废水
1500~2500
200~350
6~9
说明：
工业园区、镇区等职工、流动人口、商贸、集镇等人口按10000人来预测，以人均生活污水排放量0.15m3/d来估算。
（1）设计水量
构成污水处理厂进水量的有：
工业废水，商业和公共事业污水，居民、职工生活污水，渗入管网系统的地下水及其他废水等。
工业废水包括聚酯废水、纺丝油剂废水和清洗废水及其经过脱硫塔后的脱硫废水，和其他企业排放的废水；生活污水包括工业园区的企业、酒店、超市、园区管委会、商业和公共事业等生活污水；其他水包括污水管网的渗漏和初期雨水等。
工业园区废水水量现状及预测水量见表3-2。
序号项目设计水量
废水类别
现状水量
（m3/d）
预测水量
（m3/d）
1
聚酯废水
1440
3000
2
3
生活污水
1500
1500
地下水渗入和初期雨水
500
500
4
总水量
表3-2工业园区废水水量现状和预测表
说明：
聚酯废水排放量的现状水量已含发展的余量，考虑行业发展趋势和国民经济增长，以9%来考虑现状的发展速度。
考虑到工业园区有一定的企业增长率及现有企业的发展，工业废水和生活污水会随之增加，一期工程实施3~4年后，到第四年污水量为5000m3/d，故一期的设计规模为5000m3/d。
规划远期设计规模为10000m3/d，分两期实施，一期和二期设计规模分别为5000m3/d。
目前一期工程设计水量Qd=5000m3/d，Qh=210m3/h，Qhmax=220m3/h，
（2）设计水质
污水处理厂进水水质是污水处理厂设计的重要基础资料。
①商业、共用事业、居民职工等生活污水水质
生活污水有部分地下水渗漏进入及雨水进入，故水中有机物浓度应较一般生活污水低些，设计考虑的水质情况如表3-3：
表3-3生活污水设计水质情况单位：
mg/L
项目
名称
pH
BOD5
COD
SS
NH3-N
TP
进水水质
设计水质
6～9
6～9
100～200
150
250～300
300
150～200
200
30～40
35
1～2
2
②接管企业、单位的污水水质
参照相关地区污水处理厂水质要求，结合太湖地区的水质情况，参考《污水排入城市下水道水质标准》（CJ30821999），对排入城市下水道的工业废水有明确的水质指标规定，主要水质指标见表3-4：
表3-4排入城市下水道的工业废水水质指标规定
项目
CODCr
NH3-N
BOD5
SS
pH
要求
≤500mg/L
≤35mg/L
≤300mg/L
≤400mg/L
6～9
其中第一类污染物必须经过预处理后达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）表1的要求方可排入工业园区集中污水处理厂。
表3-5聚酯废水设计水质
名称项目
pH
COD（mg/L）
SS（mg/L）
进水水质
设计水质
5～6
5～6
3000~5000
4500
300～500
500
③聚酯废水水质
经过汽提塔后的聚酯废水水质，具体指标见表3-5。
④现状水质监测数据
现状水质监测数据见表3-6.
表3-6现状水质监测数据
序号
项目
pH
COD（mg/L）
电导率（us/cm）
TDS（mg/L）
盐度（ppt）
1
2
3
4
5
6
7
汽提塔出水
纺丝油剂废水
清洗废水
脱硫废水
蒸馏水
自来水
河水
5
5
8
7
7
7
7
2675
3554
1894
3417
——
——
——
107.3
265
259
4880
1.2
320
429
53.7
132.5
129.5
2440
0.61
160.3
214
0
0.1
0.1
2.9
0
0.1
0.2
说明：
TDS为总溶解性固体，以上数据为2015年11月6日取样数据。
3.2设计范围
废水处理系统设计从集水井进水法兰开始，到系统出水口管为止，从聚酯厂和化纤厂废水的管道输送不在此设计范围，具体如下：
（1）废水从污水处理系统的集水井开始，到系统出口为止；
（2）电器系统从污水处理系统进口的上接线柱，到系统出口为止。
（3）污泥从沉淀池开始，到离心分离脱水为止；
（4）沼气从厌氧塔水封到系统输气管止。
3.3排放标准
根据《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/T1072—2007）》中的要求，经过处理后的废水主要具体指标要求如下：
CODCr≤60mg/L
NH3-N≤5mg/L
总氮≤15mg/L
TP≤0.5mg/L
pH6～9
3.4回用水质要求
循环冷却水的水质标准应根据换热设备的结构形式、材质、工况条件、污垢热阻值、腐蚀率以及所采用的水处理配方等因素综合确定。
根据集团聚酯分厂回用水主要用在冷却塔冷却用水，提出回用水质要求，具体回用水质指标见表3—7。
表3-7聚酯生产循环冷却水回用水质指标
水质项目
单位
出水指标要求
备注
CODcr
mg/L
≤60
江苏太湖地区排放标准
pH
/
7.0～8.0
江苏太湖地区排放标准
总磷
mg/L
0.5
江苏太湖地区排放标准
总氮
mg/L
15
江苏太湖地区排放标准
氨氮
mg/L
5
江苏太湖地区排放标准
电导率
µS/cm
<500
回用水指标
总硬度
asCaCO3，mg/L
<200
回用水指标
总碱度
asCaCO3，mg/L
<150
回用水指标
氯离子
mg/L
<80
回用水指标
二氧化硅
mg/L
<40
回用水指标
总铁
mg/L
<0.1
回用水指标
浊度
NTU，mg/L
<10
回用水指标
细菌总数
cfu/ml
<1000
回用水指标
4污水处理系统完善工艺分析
4.1工艺选择原则
（1）设计方案严格执行环境保护有关规定，污水处理后必须保证出水主要指标均达到江苏省地方标准。
（2）采用简单、成熟、稳定、实用、经济合理的处理工艺，保证处理效果，减少投资及运行管理费用。
（3）处理系统运行有一定的灵活性和调节余地，以适应水质水量的变化；
（4）设备有通用性和先进性，处理稳定可靠、效率高、管理方便，维修、维护工作量小，价格适中。
（5）尽量减少污泥产生量，力求在系统内消化污泥，以减少污泥处理的投资及运行费用。
（6）布局科学合理，与外界环境协调，满足绿化要求。
（7）尽可能减少对周围环境的影响，合理控制噪声，妥善处理固体废弃物，避免二次污染。
（8）工程建设完成后力争达到社会效益、经济效益、环境效益的最佳统一。
4.2工艺设计中特别考虑的事情
4.2.1生产废水的复杂性[7]
聚酯和化纤厂内目前生产废水为聚酯废水、纺织油剂废水和清洗废水。
聚酯废水经过汽提塔汽提[13]后，醛类等有毒有机物被大幅度去除，出水温度为60~70度，聚酯废水为蒸馏的产物，缺乏营养物质，特别是氮、磷和其他一些微量元素[16]，但COD等有机污染物浓度高。
纺织油剂废水含有一定的油份，含有C16、C18等有机物，需要加药剂破乳除油。
清洗废水含有有机物和清洗剂。
聚酯废水为弱酸性，与清洗废水、纺丝油剂废水等一起进入电厂的脱硫塔中，脱硫采用投加约为30%的液碱，脱硫废水中的杂质主要来源于烟气和脱硫剂。
由于煤中含有包括重金属元素在内的多种元素，如F、C1、Cd、Hg、Pb、Ni、As和Cr重金属等，这些元素在燃烧过程中产生了多种化合物，这些化合物一部分随炉渣排出炉膛，另外一部分随烟气进入脱硫装置吸收塔，溶解于吸收浆液中。
脱硫废水呈现pH值高、有机物浓度高、电导率高、悬浮物高的特点，但颗粒细小，主要成分为粉尘，同时还含有可溶性的氯化物和氟化物、硝酸盐等。
脱硫塔出水COD浓度约为3000～4500mg/L，pH在10~13之间。
脱硫废水在脱硫塔中循环，使废水综合利用，大大减少自来水的使用量和废水排放量。
采用物化法针对不同种类的污染物，分别创造合宜的理化反应条件，使之予以彻底去除，加入碱液或酸液，调整废水pH值，在调整酸碱度的同时，为后续处理工艺环节创造适宜的反应条件，使废水中的大部分重金属形成沉淀物沉淀和大部分悬浮物。
4.2.2生活污水的收集问题
集团目前生活污水进入雨水管道，没有将生活污水与雨水分流，集团应该将厂内的生活污水单独收集，集中进入污水处理厂，一是处理了厂内的污染源，二是生活污水因氮、磷等营养物质及微量元素丰富，可以作为聚酯废水的营养源，减少了聚酯废水处理过程中投加营养盐的费用，同时降低废水处理的难度。
从集团清洁生产和可持续发展以及环保要求来看，也应将生活污水单独收集，集中处理。
建议在废水工程项目实施的过程中，应同时实施生活污水收集、输送的配套工程。
脱硫塔的废水、纺织油剂废水、厂区的生活污水和工业园区的生活污水分别用不同的管道输送至污水厂相应的调节池，再进行合适调配，达标处理后排放或回用。
4.2.3厌氧运行的温度问题
（1）温度是影响厌氧生物处理工艺的重要因素
温度主要是通过对厌氧微生物细胞内某些酶的活性的影响而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率，这样就会影响到废水厌氧生物处理工艺中污泥的产量、有机物的去除速率、反应器所能达到的处理负荷；温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度，因而可能会影响到沼气的产量和成分等；另外温度还可能会影响剩余污泥的成分与性状。
在废水厌氧生物处理装置和设备的运行中，要维持—定的反应温度又与能耗和运行成本有关。
所谓最适温度，是指在此温度附近参与厌氧消化的微生物能达到其最大的生物活性，具体的衡量指标可以是产气速率或者是有机物的消耗速率。
这是由于一般认为温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一，对厌氧微生物及厌氧消化的影响尤为显著。
温度主要通过酶的活性来影响微生物的生长速率与基质的代谢速率，因而与有机物的处理效率与污泥产生量有关。
厌氧处理[19][15]工艺一般分为常温（10～20℃）、中温（35～40℃）、高温（50～55℃）3种。
由于中温菌（特别是产甲烷菌）种类多，易于培养驯化、活性高，因此厌氧处理常采用中温消化。
（2）温度平衡的措施
a、与冷却后的废水换热
脱硫塔出来的废水温度在30度左右，通过水泵输送至两公里之外的污水处理厂，由于季节差异，废水温度降低的程度不同。
采用与冷却塔的出水进行换热，所换热的程度取决于冷却塔出水的水温，如果温度达到45度以上，可以通过板式换热器换热来提高输送污水的温度。
设计考虑脱硫塔出水的日水量为Qd=3000m3/d，最大小时水量为Qh=125m3/h，可采用1套200m2的板式换热器与冷却塔出水进行间壁换热，同时也降低了循环水池的水温，便于冷却塔提高效率。
b、尾水加热废水
集团聚酯和化纤项目共实施6台25t/h的导热油燃煤锅炉，产生一定量的烟气，烟气温度高，可以将烟气的热量传递到废水中，提高废水的温度。
建设一套尾气余热换热装置，采用汽水喷射式换热泵，形成热能循环利用。
c、蒸汽加热
脱硫塔出水的废水通过换热后，提高废水的温度，然后输送到污水站，因废水的pH值需要调整，对废水的水质、水量需要调节，以及长距离的输送，增加了废水温度控制的难度。
夏季基本上能保证废水进行厌氧处理的温度，冬季昼夜温差大，启动初期应采用蒸汽对废水进行加热，采用汽水喷射式换热泵进行换热，待厌氧塔稳定运行后，厌氧产生的沼气对废水进行补充加热，可以减少蒸汽的使用量。
综上所述，采用冷却塔出水对废水进行换热，建设尾气余热换热装置，废水进入污水厂调节池前进行换热，提高废水的温度至40~50℃左右，然后输送到污水厂。
废水经过调整pH初次沉淀后，进入厌氧塔前采用蒸汽的汽水喷射式换热泵进行换热，沼气燃烧补充加热。
4.2.4废水的酸度问题
厌氧处理中，水解菌与产酸菌对pH值有较大范围的适应性，大多数这类菌可以在pH值为5.0～8.5范围内生长良好，一些产酸菌对pH＜5时仍可生长，但是产甲烷菌对pH值适应性极差。
在厌氧体系中，其他非产甲烷菌如发酵细菌等对pH值的变化不如产甲烷菌敏感，在pH值发生较大变化时，这些细菌受到的影响较小，它们能继续将进水中的有机物转化为脂肪酸等，导致反应器内有机酸的积累、酸碱平衡失调，使产甲烷菌的活性受到更大抑制，最终导致反应器运行失败。
因此，在厌氧生物处理过程中，应特别注意反应器内pH值的控制，一般应维持在产甲烷菌的最适范围内，即6.5~7.5（最佳6.8~7.2）之间。
厌氧处理的这一pH值指的是反应区的pH值，而不是进液的pH，因为废水进入反应器内，生化过程和稀释作用可以迅速的改变进液pH值。
生产废水输送到污水厂调节池后通过投加硫酸来中和废水的pH值，废水经过沉淀后，可以去除废水中的金属离子。
厌氧塔进水的pH控制在6.5~8.0之间。
4.3废水处理工艺的确定
4.3.1聚酯废水厌氧工艺的确定
一种好的厌氧反应器若想获得高的处理效率、高负荷、高稳定性，必须具备如下两点：
a）产气和进水的均匀分布以及内循环回流，使底部的污泥呈“流化”状态，进水（底物）和活性污泥（菌种）形成了很好的接触，增大了相互间的传质效果；
b）多组三相分离器的保护，使污泥的流失量仅为UASB[17]的1/3以下，从而保证了反应器运行时有足够多的活性污泥，为反应器的稳定、高负荷运行提供安全保障。
IC内循环厌氧反应器是在第二代厌氧反应器（UASB）基础上开发出来的，从结构上可看成是由两个上下重叠的UASB反应器串联组成，利用厌氧反应所产生的沼气作为动力，将废水、污泥提升至反应器顶部的分离包，再从中心回流水管回流至反应器底部，实现了混合液的内循环，缓冲了底部进水对污泥的冲击，同时提高了反应器的水力负荷，保证泥水的充分混合，使废水获得稳定的处理效果。
IC反应器完全作到了以上两点，同时具备如下特点：
a）IC与第一、二代厌氧技术相比占地可减少1/2~1/3，池体容积可减少1/3~1/4，工程总投资也大幅度降低；
b）有专门的分离包，使沼气收集率高；
c）出水稳定，耐冲击负荷强；
d）内循环系统大大减少动力设备消耗及降低运行、维修费用；
e）解决进水系统最易引发的结垢堵塞的问题。
由于厌氧环节的设备是最主要的设备，考虑公司的实际操作、降低管理风险，建议采用较大体积的IC反应器，以确保厌氧出水COD足够低并且安全稳定可靠，中温运行。
4.3.2好氧工艺的选择[29]
活性污泥法是利用活性污泥
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