UASB接触氧化法处理石化废水设计.docx
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UASB接触氧化法处理石化废水设计
毕业设计（论文）中文摘要
UASB-接触氧化法处理石化废水设计
摘要：
高浓度、高甲醛含量的有机废水，水质复杂，且可生化性较差，如果直接进行常规的生化处理会影响其正常运行和处理效果。
采用UASB加好氧处理的联合工艺，废水首先通过UASB进行生物降解，把复杂的有机物降解转化为简单的、小分子有机物，提高了废水的可生化性，UASB对有机物的去除率为80%-90%，再通过接触氧化池得到净化，使出水达标排放。
UASB内污泥浓度高，平均污泥浓度为20－40gVSS/L，有机负荷高，水力停留时间短，无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动，污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵塞问题，UASB内设三相分离器，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，可以不设沉淀池和污泥回流设备。
接触氧化法具有有机负荷高、处理效果好、能耗少、滤料不结团、不堵塞、传质效率高、安装管理方便等优点。
关键词：
石化废水UASB接触氧化
毕业设计（论文）外文摘要
ProcessDesignofUASB-contactoxidationforpetrochemicalWastewater
Abstract:
Organicwastewaterwithhighdensityandhighformaldehydecontentwillbepossessionofcomplexityandpoorbiodegradability.Onconditionthatdirectingconventionalandbiologicaltreatmentwouldhaveeffectonitsnormaloperationanddisposalimpact.UASBaerobictreatmentincreasesthejointprocess:
thewastewaterfirstgetacrossintheUASB,whichhavehighbiodegradability,thencomplicatedorganiccompoundwilldecompoundsintoordinary,smallorganicmolecules,andthisstepwillarisethebiodegradabilityofthewastewater,theremovalrateofUASBis80%-90%.Afterwardtheordinary,smallorganicmoleculeswillgetthroughcontactoxidationpoolstopurifyusingwaterdischargestandard.SludgeintheUASBhavehighconcentrations,andtheaverageconcentrationwillbe20-40gVSS/L.UASBisprovidedwithhighorganicburthen,andhydraulicretentiontimeisshort,withnomixer,theincreasedmovementatthedepartmentofsludgesuspendedstateisproducedbythefermentationprocessonmarshgas,thelowerlayerofsludgeisalsoacertaindegreeofagitation.Thesludgebedwithnocarrierwillsavecostsandavoidtroublesarousedbywadjam.UASBhavethree-phaseseparatorinside,sludgeseparatedbysedimentationareareturntothereactorzoneofsludgebed,andnosedimentationareaandreturningequipmentisrequired.Contactoxidationmethodhaveadvantagesuchas,highorganicburthen,admirableimpact,lowenergyconsumption,sievewithnocommix,noplug,transferefficaciously,constructandmanageeasily.
Keywords:
petrochemicalwastewater;UASB;contactoxidation
1引言
石油化学工业是现代化能源及国民经济的重要组成部分。
石油化学工业是以石油为原料，以裂解、精炼、分馏、重整、合成等工艺为主的一系列有机物加工过程，生产中产生的废水是一种高浓度的有机废水，废水水量大、成分复杂，而且水中污染物多是有害的有机物，对环境污染严重。
随着陆地和海洋中石油及天然气的地质勘探、采集开发，石油炼制加工、石油化学工业的发展，废水的排放量也相应逐渐增加，石化废水污染防治技术也越来越受到人们的重视。
石油化学工艺的过程复杂，产品品种多，所用的化工原料也比较多，有些化工原料是以水溶液的方式被使用，其化学反应过程也需要在水相中进行。
化学反应过程包括了溶解、萃取、洗涤、精馏、吸收、干燥等单元操作，整个生产过程都可能使水质受到污染。
由于所需原料和采用的工艺不同，使得石油化学工业废水成分比较复杂，除含油外，有的还含有各种醇、醛、酸、酮等有机物，还有的含金属盐类，且排水量大，有机物浓度高，酸碱性也变化比较大，如不处理对环境的影响大。
其主要污染表现在以下五方面：
（1）有毒化学物质的污染：
酚、胺类、多环芳烃、有机氯化物等
（2）营养物的污染：
脂肪、蛋白质、氨、磷等。
造成藻类繁殖过剩、鱼类大量死亡等现象，即富营养污染。
（3）油类的污染：
阻碍氧气进入水体；填塞鱼的鳃部引起窒息死亡；污染水生生物。
（4）酸碱污染。
（5）热污染。
（6）色、味、臭污染：
硫化物、亚硫酸盐、某些还原性无机物。
1961年前后发生于日本四日市的四日市哮喘病事件，就是由于石油化工和工业燃烧重油排放的废气严重污染大气，引起居民呼吸道病症剧增，尤其是使哮喘病的发病率大大提高，50岁以上的老人发病率约为8%，死亡10多人。
1953～1956年发生于日本熊本县水俣市的水俣病事件，同样是石油化工厂排放含汞废水，人们食用了被汞污染和富集了甲基汞的鱼、虾、贝类等水生生物，造成大量居民中枢神经中毒，死亡率达38%，汞中毒者达283人，其中60多人死亡
当前,石油化工（包括炼油）废水治理技术的发展动向可以概括以三句话：
加强预处理,提高二级处理,配套后处理。
本次设计采用UASB和接触氧化法的联合工艺来处理石化废水，该方法工艺简单，需要的成本低，能较好应用于高浓度、高甲醛的石化废水的处理。
目前高效的厌氧反应器有很多，但最为经济的是UASB厌氧反应器，该反应器的处理效率一般都可以达到85%以上，造价却在20万元以下。
生物氧化池的造价也不高，处理效率一般达90%以上。
本次设计的主要任务是计算各构筑物的基本尺寸，并在此基础上绘制设计图纸，同时对该处理工程进行工程概算，得出基本的投资成本，以便石化厂构建污水处理设施。
2工艺方案的选择
2.1石化废水处理技术介绍
2.1.1含酚废水的处理技术
酚的毒性较大，且涉及水生生物的生长和繁殖，污染饮用水水源。
国家对含酚废水的排放有严格的规定，一般条件下，规定饮用水中含挥发性酚的浓度为0.001mg/L。
（1）高浓度废水的处理
①溶剂萃取法
对高浓度废水较常采用的酚的回收方法是用与水不相溶的有机溶剂萃取废水中的酚。
表2-1列出已工业化的酚回收方法，表2-2为其他溶剂萃取酚的结果。
表2-1酚回收方法
方法
进水浓度/（mg/L）
出水浓度/（mg/L）
方法
进水浓度/（mg/L）
出水浓度/（mg/L）
苯-碱脱酚法
波德比尔尼克逆流萃取器
脉冲法萃取器
3000
2000
2200
210～240
100
30
Phenosolvan脱酚法
Koppers轻油萃取工艺
IFAWOL脱酚法
1573
1465
4000
4.5
9.6
40
表2-2溶剂萃取酚的结果
工业
溶剂
酚浓度（mg/L）
回收率/%
工业
溶剂
酚浓度（mg/L）
回收率/%
进口
出口
进口
出口
有机化学
异丁烷
68
66
3
有机化学
异丁烷
580
160
72
有机化学
异丁烯
67
63
6
无机化学
异丁烯
23000
9600
58
工业上常用的萃取设备主要有离心萃取机、旋转萃取器、对流多级萃取器、填料萃取塔、振动板式萃取塔、圆板型萃取塔、回转圆板型萃取塔等，脱酚效率为95%以上。
常用的萃取剂、醋酸丁酯、汽油、苯酚溶剂、一丁基甲基酮、硝基苯、苯乙酮、磷酸三甲酯、丁醇、异丙醚、轻芳香油等[1]。
②活性炭法和液膜分离技术活性炭法也可成功的处理高浓度含酚废水，该法通过化学絮凝和过滤处理后，可使废水中的酚从起始浓度2235mg/L降低到1950mg/L，活性炭的进一步处理可使酚浓度低于0.1mg/L。
（2）中等浓度含酚废水的处理浓度范围为5～500mg/L的含酚废水为中等浓度废水，在无高等浓度有毒物质或预先脱出有毒物质的情况下，对中等浓度废水来说，生物处理是应用最广的一种方法。
处理工艺包括氧化塘、氧化沟、生物滤池、及活性污泥法等。
①活性碳吸附-生物处理法除酚除酚率为95%，COD去除率只有26.9%。
②活性污泥法除酚采用两段曝气活性污泥处理工艺。
酚类在活性污泥中的微生物分解下，氧化成二氧化碳和水。
这些细菌还能氧化其他芳香族化合物，如粗苯类等。
③吸附法此法采用吸附剂除酚。
处理含酚废水的吸附剂有活性炭、炉灰、煤粉、半焦炭、硅藻、硫化碳、煤渣、二氧化硅、木粉以及氢氧化铝等，多数采用活性炭作为除酚吸附剂，但是吸附饱和量降低，同时还存在吸附剂脱附的问题，处理效果较差，一般不采用。
④化学氧化法脱酚采用的氧化剂为高锰酸钾、氯、NaClO、臭氧以及过氧化氢等。
高锰酸钾处理初始酚浓度为125mg/L的废水时，脱酚效率为62%。
对于氯氧化物，要提高投加浓度才可使酚完全氧化。
但高锰酸钾需要固体进料装置，且单元氧化能力的消耗较大，产生的污泥不与其他氧化剂结合。
臭氧、过氧化氢也是较好的氧化剂。
臭氧氧化的能力是氯的2倍，杀菌力为氯的数百倍，用它来处理含酚废水时无恶臭物产生，但需购置臭氧发生器等设备，投资较高。
（3）低浓度含酚废水处理苯酚对微生物的毒性很大，但某些细菌不但能经受一定浓度的酚，并能把它分解和同化。
生物处理含酚废水时应首先使微生物得到驯化，待微生物能适应含酚废水时，在进行生物处理。
在生物处理前应进行预处理以破坏或除去其中的二硝基苯酚和氨基化合物，如采用加氯氧化、萃取和离子交换法。
酚的生物处理的原理是酚被微生物氧化分解为二氧化碳和水，成为无害物质，同时微生物在生物化学转化过程中，合成了微生物的新细胞，其反应可简单示意为：
△H是生化反应过程中放出的能量。
去除酚可以采用曝气池，也可采用滴滤池、氧化塘、氧化沟等生物生化方法。
生物处理难于分解多元醇，但有时可将多元醇分解为其他一些中间产物[2]。
废水酚浓度低于5mg/L，生物处理通常能把酚降解到0.5-1mg/L。
为节省处理费用，对于低浓度含酚废水的处理一般用化学法或物理法。
2.1.2石油裂解生产废水处理
石油裂解制烯烃的工业生产中，排放的水污染物主要包含油和焦油的急冷水、蒸汽锅炉排污水、压缩机的含油冷却水、干燥器排水以及从酸气洗涤塔排出的废碱液和乙炔加氢时生成的焦油状聚合物——绿油等。
而石油裂解生产中水污染防治，主要是对急冷水、废碱液和裂解冷凝水的处理[3]。
对急冷水的常用处理方法是利用苯、二甲苯等芳香烃产物作为溶剂，萃取急冷水中的油类和其他碳氢化合物，烃溶剂与油水乳浊状急冷水的比例为1:
（15-30）。
废碱液常用氧化方法有汽提、氧化和碱法再生等。
（1）汽提除去废碱液中的硫化氢和氨。
对挥发性不大的物质如酚类，采用此法是不经济的。
（2）氧化的原理是向高硫化合物的废碱液中通入空气，使硫化物氧化成硫代硫酸盐，并从废液中除去，反应如下：
部分硫代硫酸盐可以进一步氧化成硫酸盐：
（3）碱法再生是向废碱液中加石灰乳使其再生。
此法可除去碳酸盐和硫化物，再生碱液可循环使用，操作费较汽提和酸中和法低，缺点是会生成钙盐的废渣[4]。
裂解冷却水中的污染物主要是油类、酚类和硫化物等，可采取密闭循环的方法，简要流程图如2-1所示：
图2-1裂解冷凝水密闭循环流程
除油采用气浮法，是向废水中加入活性白土、凝聚剂和压缩空气。
油类被活性白土吸附，并被凝聚剂所凝聚，同空气形成泡沫浮到水的表面而被除去。
除油时，油、活性白土和阴离子型凝聚剂的比例为1:
1:
0.1。
对裂解冷凝水中的挥发物质，可用蒸汽汽提脱除，同时还能脱除约20%到50%的酚。
其他污染物质如蒸汽锅炉排污水、干燥器排水等均排入下水系统并处理。
绿油、焦油和其他聚合物则进行焚烧处理。
压缩机的含油冷却水经除油后可循环使用[5]。
2.1.3酚醛树脂生产废水处理
苯酚与甲醛缩合生成酚醛树脂，每生成1t树脂排除缩合水0.61m3，冷却水中约93%循环使用。
废水可采用萃取法或生物处理法回收酚和甲醛。
图2-2为采用生物法脱酚处理的流程。
图2-2含甲醛废水生物处理流程
2.1.4含氮废水处理
按脱氮反应的机理，一般可分为化学法、物理法和生物法[6]。
（1）化学法主要有湿式催化氧化法和折点加氯法。
湿式催化氧化法主要是经催化反应，使污水中的氨氮、有机物被氧化分解，最终生成N2、CO2等。
从水中除去。
折点加氯法则是向水中加入足够量的氯，是氨氮转化为氨气并从水中除去。
（2）物理化学法可调节污水的pH值，将污水中的NH4+转化为游离氨，然后通过蒸汽或空气进行汽提，将污水中的氨转入气相，从水中除去。
通常在工业上还需采用廉价的天然离子交换物——沸石进行脱氮。
沸石经活化处理后，具有较高的阴离子交换容量及对NH4+离子的选择性吸附性能。
（3）生物法常用有两种方法，硝化反硝化法是在自养菌的作用下，使氨氮硝化生成硝酸盐；然后在异养菌的作用下进行反硝化，使硝酸盐还原成气态氮除去。
氧化塘法则是利用人工或天然水塘中生成的微生物，藻类和水生植物（如凤眼莲）对污水中的氮进行处理。
虽然还有多种方法除氨氮，但一般来说，化学法和物理法所需要的费用较高，也无法利用原有的废水处理构筑物，因此生物脱氮技术已在生产实践中越来越多的得到运用。
生物脱氮流程可分为3类[7]：
A．多级污泥系统处理流程如图2-3所示。
在此流程中去除BOD与氨化、硝化和反硝化过程分别在3个池中进行，并各有独立的回流污泥系统。
曝气池和硝化池维持好氧条件，反硝化池在缺氧条件下运行，用搅拌器使污泥呈悬浮状态，使废水充分得到混合。
图2-3多级污泥系统脱氮流程
此流程的优点是有良好的去除率和脱氨效果。
缺点是流程长，构筑物多，外加甲醇作为碳源后增加出水BOD。
B．单级污泥系统通常被称为前置反硝化脱氮流程，又称A/O流程，如图2-4所示。
图2-4A/O生物脱氮工艺流程
A/O工艺流程的特点是，原废水先经厌氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合液和沉淀池的污泥同时回流到厌氧池。
C．生物膜脱氮系统将A/O工艺中的厌氧池和好氧池改为固定生物膜反应器，即形成生物膜脱氮系统。
系统中有混合液回流，以便给厌氧反应器提供硝酸盐，但不需污泥回流。
在厌氧好氧反应器中保留了适应于反硝化和好氧氧化及硝化反应的两个污泥系统。
2.2本设计工艺的选择
UASB内污泥浓度高，平均污泥浓度为20－40gVSS/L；有机负荷高，水力停留时间短，采用中温发酵时，容积负荷一般为10kgCOD/m3.d左右；无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动；污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵塞问题；UASB内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。
接触氧化法具有有机负荷高、处理效果好、能耗少、滤料不结团、不堵塞、传质效率高、安装管理方便等优点。
本设计废水属于高浓度、高甲醛含量的有机废水，水质复杂，且可生化性较差，如果直接进行常规的生化处理会影响其正常运行和处理效果。
为此，决定采用UASB加好氧处理的联合工艺，废水首先通过UASB进行生物降解，把复杂的有机物降解转化为简单的、小分子有机物，提高了废水的可生化性，UASB对有机物的去除率为80%-90%，再通过好氧处理而得到净化，使出水达标排放。
好氧部分进水为UASB的出水，其水质指标为：
COD约1000～2000mg/L，甲醛约10mg/L。
设计时按最高冲击负荷，以COD为2000mg/L考虑。
对于好氧部分考虑多种工艺的选择，BAF生物曝气滤池工艺简单、停留时间短、能耗低、出水好，但考虑到如进水COD长期在2000mg/L时，运行反冲洗将会很频繁[8]，因此不合适；氧化沟工艺停留时间较长，能耗大，而且在运行过程中容易出现污泥膨胀等暂不考虑；生物接触氧化池，一般用于小规模的污水处理厂，能耗小，不产生污泥膨胀问题，要有泥水分离设备。
本设计采用氧化池工艺。
图2-5工艺流程图
3工艺计算
3.1设计基础资料
3.1.1废水的来源
石油化工生产要消耗大量的水，每吨产品要消耗十几吨甚至几百吨水。
其中，除间接冷却水可循环使用外，其余都作为工业废水排放[9]。
排放的废水按其与物料接触的情况主要可分为两大部分：
与物料直接接触的工艺废水，与物料间接接触的非工艺废水。
3.1.1.1工艺废水
工艺废水的来源有以下几种情况：
（1）原料带水有些化工原料是以水溶液形式存在的，如液体烧碱、盐酸、含水酒精等，有时水本身就是化工生产的原料，例如以环氧乙烷制乙二醇。
（2）化学反应生成水在某些化工生产过程中，化学原料通过反应生成产物的同时也生成一定量的水，例如尿素的合成。
（3）化学过程所必须投加的水如氯化乙烯通过水相悬浮聚合法，制聚乙烯；乳液或悬浮法生产合成橡胶等，都需要把单体分散在水中才能进行聚合反应。
（4）原料的预处理和产品的后处理必须使用的水 许多化工原料在使用前、化工产品在出厂前需要用水或含有水的化学药剂进行溶解、萃取、精馏、吸收、干燥等操作。
有时还要用水或蒸汽对化工物料进行直接加热或冷却[10]。
3.1.1.2非工艺废水
非工艺废水主要来自以下几个方面[11]：
（1）厂区生活污水一般来说厂区生活污水性质和城市生活污水近似。
（2）间接冷却水这种水一般未受化学污染，但因温度较高，排入水体可造成热污染。
（3）地面冲洗水和雨水因石油化工厂存在着跑冒滴漏等现象，特别是在检修或发生事故时，冲洗水含有大量的化学污染物。
3.1.2废水的特点
由于石油化工产品繁多，工艺过程复杂，因此决定了其废水具有如下几个明显的特点。
（1）废水排放量大，波动也大。
（2）化学污染物种类繁多，其含量变化很大。
石油化工生产涉及数千种原料，产品及中间产品，副反应还会生成各种副产品，使得废水中的污染物数不胜数。
（3）毒性大。
（4）pH值范围很宽。
3.1.3设计参数
设计年工作天数为320天，原水参数见表3-2。
表3-2原水水质参数浓度单位：
mg/L
水量/（m3/d）
COD
BOD
SS
pH
甲醛
甲醇
NH3-N
温度/℃
130
10800
2000
1000
酸性或碱性
1500
2000
230
30
出水水质要求如下：
处理后水质达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级排放标准，具体指标见表3-3。
表3-3《污水综合排放标准》生物制药工业二级排放标准浓度单位：
mg/L
参数
COD
BOD
SS
NH3-N
甲醛
甲醇
pH
浓度
≤100
≤30
≤70
≤15
≤1.0
≤8.0
6～9
3.1.4自然条件
该地区处暖温带的南缘，属向亚热带过渡的季风海洋性气候地带，四季分明，气候宜人。
其主要气象要素简述如下：
（1）气温
全年平均气温14℃
全年有223天以上日均温不低于10℃。
最高气温38.5℃
最低气温-10.4℃
相对湿度70%
（2）降雨量
历年平均降水量852.8mm
无霜期平均为215天。
（3）风
年平均风速3.4m/s
年主导风向SE
3.1.5设计依据及设计目标
3.1.5.1设计依据
（1）《中国环境保护技术政策》；
（2）《污水综合排放标准》（GB8978-96）；
（3）《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）；
（4）《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）；
（5）《生活饮用水水源水质标准》（CJ3020-93）。
3.1.5.2设计目标
（1）废水经处理后确保达标排放；
（2）设计工艺应该考虑经济效应；
（3）污水站环境美观，与厂区总体规划相协调；
（4）绘制出施工图纸。
3.2构筑物及设备的设计和计算
3.2.1混合池的设计
用于混合各类废水，正常情况下废水经混合池后直接流至均质池，当COD超标时，由旁路进入事故池。
混合池中设折流板。
设水力停留时间为1.1h。
混合池数量为1座。
①有效容积V有效=130×1.1=143（m3）取150m3
②尺寸：
设池深h=3m；池面积S=V有效/h=150/3=50；取池宽b=5m，池长l=S/b=50/5=10（m）
③实际容积取池超高h1=0.5m；池总高H=h1+h=0.5+3=3.5（m）
3.2.2均质池的设计
因废水进入的COD，pH值等变化较大，甲醛含量最高可达到1000mg/L。
所以均质池可以起调节水量，均衡水质，调节pH值的作用，使进入处理单元的水质水量相对比较稳定，以提高整个系统的抗冲击负荷，保证整个处理工艺的稳定[12]。
均质池为地上式结构，内设折流板和空气搅拌系统。
设总水力停留时间为11h；数量为1座。
①有效容积V有效=130×11=1430（m3）
②尺寸设池深h=5m；池面积S=V有效/h=1430/h=286（m2）；取池宽b=15m；池长
≈19.1（m），取19.3m。
③实际容积取池超高h1=0.5m；池总高H=h1+h=0.5+5=5.5（m）。
总容积V=19.3×15×5.5=1592.25
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