基于循环经济探索园区污水处理新思路

2020-04-10韩彩云王子英

环境与发展 2020年1期

韩彩云王子英

摘要：为响应国家节能减排和循环经济的理念，本文提出一种新的园区污水处理方式-以污治污：利用企业A废水中的碱性物质与消耗企业B废水中的氢离子，再向废水中投加石灰石去除多余的氢离子，投加液碱去除废水中的铜离子和锌离子。优化后的废水处理方式可减少盐酸、石灰石的使用量，从源头上减少了资源的浪费和排入外环境的污染物，对社会发展和生态环境均具有明显的正效益。

关键词：循环经济;节能减排;污水处理;优化方案;工业园

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）01-00-03

Abstract：In response to the energy conservation and emission reduction and recycling economy，we propose a new method of sewage treatment in the industrial park-use wastewater treat wastewater：utilizing alkaline substances in wastewater from enterprise A and consuming hydrogen ions in wastewater from enterprise B;then the Calcium carbonate is added to remove the excess hydrogen;at last，the liquid alkali is added to remove the copper ions and the zinc ions in the wastewater.The optimized method can reduce the amount of hydrochloric acid and Calcium carbonate，reduce the waste of resources and decrease pollutants discharged into the external environment from the source，and it has obvious positive benefits for social development and ecological environment.

Key words： Rcycling economy; The energy conservation and emission reduction; Wastewater treatment; The optimized method; Industrial area

水是重要的自然资源，是人类赖以生存和社会发展的必要资源[1]。随着社会经济的发展，各类水系统广泛应用于工业生产环节中[2]。我国人均水资源量为2300m3，约为世界人均水资源量的四分之一，位于世界第111位，属于严重缺水国家[3]。加之，近年来，水资源生态受到破坏，水污染事件频频发生，加重了我国水资源贫乏的现状。

为响应国家“节能减排”政策[4]以及“循环经济”理念，本文选取苏州某工业园，以园内企业A和企业B为研究对象，根据其生产废水水质和园区现有污水处理情况，探索一种新的园区污水处理思路。

1 工业园污水处理现状

工业园区是国家合理、有序管理企业的一种手段，最早出现在西方发达国家，我国在1984年在沿海地区建立了首批工业园区[5]。截至2015年9月，全国共有国家级经济技术开发区219家，内地每个省区均有分布，其中江苏省最多，有26家，其次是浙江省21家，山东省15家[6]。

随着生活水平的提高，人们对周边环境的质量要求越来越高，越来越多的高污染企业或新建工业项目必须“入园进区”，服从园区统一管理。同时，工业生产会消耗大量的水，产生大量的生产废水，不经有效处理排放会污染周边水环境。2014年4月16日，国务院印发“水十条”[7]，要求集中治理工业园区污水，工业园区内污水必须满足集中处理要求，强制污染性强的企业建设污水处理设施，污水达标后方可接入污水集中处理设施[8]。

本次选取的工业园现有污水处理方式为：废水经厂内污水处理设施预處理达到接管标准后，经市政管网统一接管至园区污水处理站进行深度处理，达标后排放。

2 企业污水处理现状

2.1 企业废水水质

企业A和企业B分别为园区内用水大户，生产废水有其各自的特点。企业A废水水质为弱碱性，有机物浓度低，且含有一定量的碳酸根、碳酸氢根和氯离子，产生量约为300t/d;企业B废水水质为强酸性，有机物浓度低，且含有大量的氯离子以及一定浓度的铜离子和锌离子，产生量约为3000t/d。企业A废水在进入园区污水处理站时，通过添加20%的盐酸调节废水中的pH，企业B通过投加石灰石去除废水中的氢离子，再添加液碱去除废水中的铜离子和锌离子。

为了进一步确定其废水水质，本研究分别采取企业A和B正常生产时以及经预处理后的废水，连续采样7天，每日3次，其废水水质指标平均值分别见表1和表2，园区废水相关指标接管标准见表3。

由表1可知，企业A废水中氯离子浓度为13471mg/L，碳酸根碱度为19695mg/L，碳酸氢根碱度约为11514mg/L;经盐酸中和预处理后，氯离子浓度为21227mg/L，碳酸根碱度为7272mg/L，碳酸氢根碱度为23432mg/L。企业A废水经预处理后，氯离子浓度上升7756mg/L。以废水产生量300t/d计算，预计消耗盐酸（20%）12t/d，氯离子排放2.33t/d。

由表2可知，企业B预处理前，其废水水质pH为1.33，为强酸性废水，氯离子浓度为5802mg/L，钙离子浓度为922mg/L，铜离子浓度为6.52mg/L，锌离子浓度为1.55mg/L;经预处理之后，其废水水质pH为7.03，氯离子浓度为5555mg/L，钙离子浓度为2287mg/L，铜离子浓度为0.94mg/L，锌离子浓度为1.24mg/L。预处理前后废水中氯离子浓度基本保持不变，钙离子浓度上升了1365mg/L，铜离子浓度下降了5.58mg/L，锌离子浓度下降了0.31mg/L。以3000t/d的废水量计算，预计消耗10.25t/d的石灰石，排入外环境中的钙为4.10t/d。

2.2 企业现有处理方式存在的问题

企业现有废水处理方式为企业A和B废水经预处理后，接管至园区污水处理厂。预处理后的废水中，A含有一定浓度的碳酸根离子，B含有一定浓度的钙离子，二者在调节池中混合后，重新生成碳酸钙。由于碳酸钙为不溶于水的物质，可能会堵塞污水处理管网、曝气头等。同时，由于企业A和企业B分别通过添加盐酸和石灰石进行预处理，现有处理方式会向外环境中排放更多的氯和钙。

3 园区污水处理方式新思路

3.1 原理

根据企业A和B废水水质，结合园区实际情况，本文提出一种园区污水处理方式新思路——以污治污，优化现有废水处理方式。具体为：利用企业B废水中的氢离子消耗企业A中的碱性物质，再向反应后的废水中投加适量的石灰石去除废水中多余的氢离子，投加液碱去除废水中的铜离子和锌离子。废水优化方案原理如下：

3.1.1 酸碱中和

废水酸碱中和原理是利用中和作用处理废水，使之净化的方法[9]。其基本原理是：酸性废水中的H+与外加OH-，或使碱性废水中的OH-与外加的H+相互作用，生成弱解离的水分子，同时生成可溶解或难溶解的其他盐类，从而消除它们的有害作用。反应离子方程式为：H ++OH -=H2O

3.1.2 碳酸盐与酸反应

碳酸盐是金属元素阳离子和碳酸根相化合而成的盐类，分为正盐M2CO3、酸式盐MHCO3及碱式碳酸盐M2（OH）2CO3（M为金属）三类[10]。本次废水优化方案涉及的碳酸盐类为正盐M2CO3和酸式盐MHCO3。碳酸盐与过量的酸反应会生成无污染的二氧化碳和水，主要反应的离子方程式如下：

2H ++CO32-=CO2↑+H2O

H ++HCO3 -=CO2↑+H2O

CaCO3+2H +=Ca2++CO2↑+H2O

3.1.3 化学沉淀

化学沉淀处理法是通过向废水中投加可溶性化学药剂，使之与其中呈离子状态的无机污染物发生化学反应，生成不溶于或难溶于水的化合物沉淀析出，从而使废水净化的方法[11]。其原理是通过化学反应使废水中呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物，通过过滤和分离使沉淀物从水溶液中去除。根据沉淀剂的不同，常用的化学沉淀法有氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法以及钡盐沉淀法[12]。本次优化方案主要是利用氢氧化物沉淀法来去除废水中的铜离子和锌离子，主要的离子反应方程式如下：

Cu2++2OH -=Cu（OH）2↓

Zn2++2OH -=Zn（OH）2

废水优化方案具体流程如下图1所示：将企业A废水通过专有管道引入企业B废水反应池中，利用企业B废水中过量的氢离子去除废水中的碳酸根和碳酸氢根，产生无污染的二氧化碳和水;混合反应后的废水中剩余的氢离子，通过投加石灰石进一步反应去除;反应后的废水通过管道进入废水调节沉淀池，通过向池中投加液碱去除废水中的铜离子和锌离子。经处理后的废水进入园区污水处理站进行深度处理。

3.2 可行性论证

为了论证该废水优化方案的可行性，需要对优化方案进行可行性论证。

3.2.1 实验理论可行性

该废水优化方案是根据酸碱中和原理、碳酸盐与酸反应以及化学沉淀原理提出的。为了论证其在实际运行过程中的可行性，需要对其进行污水处理站运行模拟实验，具体方案如下：

①取一定量的企业A生产废水;②取一定量的企业B生产废水;③企业A生产废水按照300t/d计算，与企业B生产废水按照3000t/d计算，将企业A与企业B废水混合，即以1：10的比例混合，参考现场停留时间曝气30min，再与过量石灰石曝气反应5min，用液碱调节pH至8左右;④模拟未优化的现有废水处理工艺流程，取企业B废水，与过量石灰石曝气反应至pH至3左右，用液碱调节pH至7左右;

檢测以上四类水样各项参数，实验数据如表4所示。

通过对比表4中的①、②、③的实验数据，可以得出：企业A废水先与企业B废水混合后再处理，废水中氯离子的含量基本保持不变，钙离子、铜离子、锌离子以及混合后水质的电导率均降低。

通过计算，企业A废水和企业B废水以1：10混合后氯离子理论浓度为6499mg/L，而实际混合后测量的氯离子浓度为6191mg/L，氯离子浓度略有下降，可能是生成的沉淀去除部分氯离子。

该废水优化方案通过将企业A生产废水引入企业B废水反应池中先混合处理，混合后通过添加过量的石灰石和适量液碱调节混合后废水水质的pH以及去除水中的铜离子和锌离子，减少了企业A盐酸的使用量，从源头上减少了氯离子的使用量;同时，两者混合后生成了无污染的二氧化碳和水，从而减少了碳酸钙的产生，减少了污泥的产生量;企业B废水中的部分氢离子根被A废水中的碱性物质消耗，减少了液碱的使用量。对比③、④数据可以得出：单独处理企业B废水，相对于优化后的废水处理方式，水质中钙离子浓度由811mg/L上升至2287mg/L，预计排入环境中的钙离子增加4.43t/d。单独处理企业B废水会消耗较多的石灰石，增加水中的钙的含量，增加处理成本和后期污水处理过程中结垢堵塞的风险。同时，优化方案对铜离子和锌离子的处理效果也优于现有处理方式。

企业B以3000t/d计算，实施废水优化方案处理企业B和企业A废水后，预计会减少排入外环境中钙离子的量为4.18t/d。

从实验室模拟效果来看，废水优化方案不仅可以从源头上减少水质中氯离子和钙离子的含量，同时，对废水中铜离子和锌离子的去除率也优于企业B废水现有处理方式。

3.2.2 实验重复性分析

同时，为了验证实验的可重复性，还需要对上述实验进行了重复实验，实验数据如表5所示。

根据表5数据，可以看出，实施优化方案后，钙离子浓度显著低于企业B废水现有处理方式，对企业B废水中的铜离子和锌离子的去除效率也优于其现有处理方式。通过计算，使用优化方案后，预计排入废水中的钙离子的量为4.22t/d。重复实验所得结果和现象相同。

综上，从实验室模拟数据以及实验重复性上来看，该优化方案可行。

4 优化方案实施效果

利用企业B废水中的氢离子去除企业A中废水中的污染物，对混合后的废水再依次投加石灰石和液碱，废水优化方案实施后，可产生以下效果：

4.1 可明显降低水质中钙硬度

实施优化方案后，企业B废水预处理出水的钙离子浓度由2287mg/L降至811mg/L，钙离子浓度降低了65%。钙离子浓度的降低，减少了后续生化系统的结垢风险，预计最终排入自然水体的出水钙硬度降低30%～40%。

4.2 降低水质中氯离子浓度

根据前文对企业A喷淋废水预处理前后的实验数据，投加盐酸预处理后，氯离子浓度由13471mg/L上升至21227mg/L，氯离子浓度升高了7756mg/L。废水处理系统优化后，企业A废水无需再添加盐酸进行预处理，从源头上减少了氯离子的含量，进而减少进入环境中氯离子的含量。预计最终排入自然水体的氯离子可减少2.4t/d。

4.3 减少企业B预处理产生的危险废物量

废水处理系统优化后，企业B废水中的氢离子部分用于中和企业A废水的碱度，氢离子浓度的降低，减少了石灰石使用量，从而减少了水质中钙离子浓度，后续沉淀时污泥量会减少，危险废物产生量也相应的减少。

4.4 有利于废水处理系统稳定运行

进入园区污水处理站后期深度处理时，废水中钙离子浓度和氯离子浓度的降低，减少了废水处理站后期运行结垢风险，降低了设备腐蚀速率，有利于废水处理系统的稳定运行。

4.5 减少运行成本和能源消耗

实施优化方案后，每天可减少约10t的盐酸和12.5t石灰石使用量。物料使用量的减少，成本也相应降低，节约能源，对环境造成的影响也随之降低。

5 小结

本方案从节能减排和循环经济的理念出发，将化工园的水污染控制视为一个复杂的系统工程，通过梳理园区内各企业废水情况，利用系统管控层面的协同效应，协调系统内部，结合园区污水处理现状，探索出园区资源循环化发展的新思路。

5.1 对生态环境具有明显的正效益

通过将企业A生产废水引入位于企业B废水预处理池混合，对混合后的废水再投加石灰石和碱液进行中和沉淀反应来优化现有企业A和企业B的废水处理方式。实施废水处理优化方案后，可减少盐酸使用量约10t、石灰石12.5t，减少的氯离子排放量约2.4t/d，钙离子4.2t/d。钙离子排放量减少，预计最终排入自然水体的出水钙硬度可降低30%～40%，对生态环境具有明显的正效益。同时，钙离子及氯离子含量的减少，可降低污水处理厂后续生化系统的结垢风险，提高园区水污染防治系统的稳定性，从内部优化整体系统的抗风险能力。

5.2 符合园区资源循环化发展思路

基于循环经济理念以及节能减排政策，该园区将“减量化、再利用、资源化”原则为核心，以化工园为核心载体，针对区域的资源环境条件和产业结构特征，将资源节约和废物循环利用贯穿于各个过程中，全面推动区域循环经济的发展。

（1）企业A生产废水，为碱性废水，而企业B废水为强酸性废水，含有大量的氢离子。将企业A和企业B废水先混合后，可中和废水中的部分氢离子。从园区整体系统考虑，实现废物循环利用的最大化，可减少盐酸、石灰石和液碱的使用量，符合循环经济发展的资源节约理念。

（2）本方案减少了石灰石的使用量，从源头上降低了后续处理工艺中钙离子浓度，进而减少了后续废水处理过程中产生的污泥量，可以从源头控制污染物的产生，减少污染物排放，提升绿色发展水平，进一步推动园区循环经济发展。

6 展望

本文从循环经济的理念出发，采取以污治污的园区污水处理新思路，一方面减少最终排入外环境中的氯离子、钙离子，另一方面，减少了石灰石、盐酸和液碱的使用量，从源头上减少了资源的浪费和排入外环境的污染物，对社会发展和生态环境均具有明显的正效益。但该废水优化方案只针对特定的废水水质，还需进一步探索园区其他废水处理方式。

参考文献

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[5]贺晟晨，李若芸.工业园区水污染防治技术与管理政策需求分析[J].中国环保产业，2013（10）：61-65.

[6]中华人民共和国商务部[引用日期2014-06-21].

[7]国务院印发《水污染防治行动计划》[J].环境保护与循环经济，2015，35（04）：21.

[8]中國环境报.水污染防治行动计划[J].中国环保产业，2015（5）：4-12.

[9]中国化工防治污染技术协会组织编写.化工废水处理技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

[10]徐青龙. Lysinibacillus sp. GW-2和Arthrobacter sp. MF-2诱导碳酸盐矿物的形成及机理[D].南京：南京农业大学，2015.

[11]https：//baike.baidu.com/item/废水化学处理法/1694999