牛磺酸被广泛应用于医药、食品添加剂、饲料、表面活性剂及增白剂等领域,且应用范围日趋扩大,近年来一直处于供不应求的状态。但其生产废水含有高浓度COD、NH4+-N、有机氮及硫酸铵或氯化铵等盐类。国内对牛磺酸生产废水处理做了许多研究工作,如电渗析、液膜法、废水资源化等处理技术[1]。但是由于这些技术处理成本高、耐冲击负荷差、出水水质达不到要求,在工程应用中受到限制。因此,对废水分别收集处理然后采用生化法综合治理的技术路线是处理牛磺酸生产废水的首选。某食品添加剂生产厂原有废水处理工艺采用厌氧/两级好氧,由于进水负荷较高,处理效果差,导致出水COD、NH4+-N严重超标。为了企业生产和环保的需要对原有工艺进行改造,改进后的工艺为催化内电解/水解酸化/UASB/AO,并采用强化耦合絮凝技术对生化出水进行深度处理,出水水质达到《污水 综合排放标准》(GB 8978-1996)一级标准。
1 工程概况
江苏省某食品添加剂公司拥有万吨级牛磺酸产品标准化生产规模。工艺流程为：环氧乙烷与亚硫酸氢钠反应制备2-羟基乙磺酸钠，其在加热加压的条件下与氨反应得到2-氨基乙磺酸钠，再用硫酸酸化制得牛磺酸(2-氨基乙磺酸)〔2〕。生产过程产生200 m3/d综合废水，包括50 m3/d高氨氮废水(氨氮质量浓度8 000~12 000 mg/L)，经吹脱后和150 m3/d废水混匀进入处理系统。原废水处理工艺为厌氧/两级好氧，系统出水难于达到一级排放标准，故进行提标改造工程。设计进、出水水质如表 1所示。
2 废水处理流程
2.1 工艺流程
牛磺酸生产废水及污泥处理工艺流程如图 1所示。
图 1 牛磺酸生产废水及污泥处理工艺流程
综合废水经催化内电解反应器和混凝沉淀后，进入水解酸化池，再进入UASB系统。A/O工艺现阶段比较成熟，能较好地去除废水中的COD和氨氮，工程采用在此基础上改进的催化内电解/厌氧/A/O工艺使其对牛磺酸生产废水更有针对性。建立专门的水解酸化单元厌氧池，与反硝化单元缺氧池相独立。好氧池末端混合液回流至缺氧池进行反硝化，中沉池部分污泥回流至水解酸化池和缺氧池以补充污泥浓度。工艺中短程硝化-反硝化生物脱氮和全程硝化反硝化生物脱氮及同步硝化反硝化同时存在，微生物以兼性厌氧型为主，好氧型和厌氧型并存。再用氧化耦合絮凝技术对生化出水进行深度处理，使出水水质达到排放标准。
2.2 主要构筑物及设计参数
(1)调节池。用于调节水量和水质。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，池内设有搅拌系统，尺寸为10 m×8 m×4 m的有效容积280 m3，配有2台(1用1备)扬程为10 m的50ZZB-10型无堵塞自吸泵。
(2)催化内电解反应器。采用PP成套反应塔，新建，内置同济大学研发专利填料(CN101704565A)。利用压缩空气铁和炭发生氧化还原反应，生成高活性的Fe2+、新生态H和·OH，能与废水中的有机物发生氧化还原反应，破坏其形态和结构〔3〕。主体尺寸为D 2.2 m×6.6 m，有效容积24 m3，停留时间3 h。配有W-1.2/10型空压机1台，气水比1∶10。
(3)混凝沉淀池。采用PP成套设备，新建，尺寸为7.5 m×2.5 m×3.5 m。混凝区采用折板式，设三格，第一格投加Ca(OH)2，第二格投加PAM。沉淀区采用斜板沉淀，有效沉淀面积18 m2，有效水深2.0 m，表面水力负荷4 m3/(m2·h)，水力停留时间2.2 h。设有两个泥斗，容积3.0 m3。采用静水压排泥，排泥间隔12 h。
(4)水解酸化池。主要是将废水中的氨基酸、反应中间产物等难降解的大分子有机物转化为易降解的小分子有机物。采用钢板成套设备，新建，容积负荷1.1 kg/(m3·d)，水力停留时间10 h，有效容积80 m3，设三格，每格设1台功率为4 kW的QJB40/6-E5型潜水搅拌推流器。
(5)USAB。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，内置弹性立体填料。主体尺寸为D 5 m×6 m，有效容积96 m3，停留时间12 h。厌氧塔采用穿孔管方式均匀布水，上升流速为0.25 m/h。配有2台(1用1备)扬程为10 m的管道离心泵，用于厌氧塔的循环搅拌。
(6)缺氧池。用于反硝化生物反应。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，尺寸为5.0 m×5.0 m×4.5 m，有效容积96 m3，水力停留时间12 h，反硝化填料容积负荷为0.76 kg/(m3·d)。池内设有D 200×80型80 m3纤维束组合填料，设有2台功率为4.0 kW的QJB40/6-E5型推流器。
(7)好氧1池。用于有机物的降解和短程硝化反应。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，尺寸为6.5 m×6.5 m×4.5 m，有效容积180 m3，水力停留时间20 h，BOD5填料容积负荷1.1 kg/(m3·d)，硝化填料容积负荷0.71 kg/(m3·d)。池内设有D 200×80型180 m3纤维束组合填料，池底设有微孔曝气器，气水比为15∶1，设2台SSR-80型罗茨风机(1用1备)，风量2.0 m3/min。
(8)好氧2池。用于全程硝化反应。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，尺寸为5.5 m×5.5 m×4.5 m，有效容积128 m3，水力停留时间16 h，BOD5填料容积负荷0.87 kg/(m3·d)，硝化填料容积负荷0.46 kg/(m3·d)。池内设有D 200×80型128 m3纤维束组合填料，池底设有微孔曝气器，气水比为15∶1，设两台SSR-80型罗茨风机(1用1备)，风量2.0 m3/min。
(9)中沉池。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，有效容积32 m3，污泥斗有效容积8 m3。设有2台(1用1备)扬程为7 m的硝化液回流泵，2台(1用1备)扬程为22 m的污泥回流泵。
(10)氧化耦合絮凝池。用于絮凝药剂的混合反应，对生化出水进行深度处理。设两格反应池，每格有效容积8 m3，第一格投加氧化剂，第二格投加PAC。
(11)二沉池。用于实现泥水分离。利用旧有构筑物，钢筋混凝土结构，有效容积80 m3，有效水深3.5 m，表面水力负荷1.5 m3/(m2·h)，污泥斗有效容积12 m3，内设1台扬程为10 m的污泥泵。
3 运行处理效果
3.1 对COD、氨氮的去除效果
工艺连续运行数月，发现工艺对氨氮、总氮表现出优良的处理性能，对COD、BOD5的处理效果也非常优异。工艺稳定运行期间，一个月内COD、NH4+-N的去除情况如图 2、图 3所示。
图 2 工艺对COD的去除效果
图 3 工艺对NH4+-N的去除效果
3.2 稳定运行时各单元的去除效果参数
由上述可知，催化内电解工艺/水解酸化/UASB/AO/氧化耦合絮凝工艺具有较强的抗冲击负荷能力，但由于牛磺酸生产废水水质水量的多变性，如果要求牛磺酸生产废水能够得到有效的处理，稳定运行至关重要。结合长期运行参数，当进水COD不高于2 000 mg/L、氨氮不高于80 mg/L时，各工段稳定运行参数如表 2所示。
由表 2可见，在一定进水浓度范围内，各工段能够稳定运行，各种污染物去除效果良好，出水水质满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准。
3.3 经济效益分析
该工程设计规模为200 m3/d，工程总投资200万元，其中设备投资165万元，土建投资35万元;由于工艺的优化及催化内电解的使用，使得占地面积、日常运行都优于传统处理方法，直接运行成本4.5元/m3，其中电费1.75元/m3，药剂费2.75 m3。
4 问题及解决措施
4.1 进水水质波动大
由于牛磺酸生产工艺、生产设备、生产管理水平、生产线工人操作水平等因素的影响，会出现废水水量、水质的波动变化。为此，必须依据进水量和进水有机负荷调整工艺参数，如采用稀释水来稳定调节池的水质，控制进水浓度过高对生化系统所造成的影响。
4.2 碳氮比失衡和碱度过低
在调试过程中发现，UASB出水COD介于600~800 mg/L，TN介于150~250 mg/L，碳源不足，导致氨态氮转化为硝态氮不彻底，反硝化作用受到抑制，因此出水NH4+-N、TN难于达标。为此，在UASB出水中投加10%的葡萄糖溶液，使得缺氧池中反硝化细菌有足够有机物。另外，调试阶段好氧池pH介于6.5~7.5，硝化作用受到抑制，投加碳酸钠溶液补充碱度使得pH位于7.5以上。
4.3 污泥流失和上浮
在调试过程中发现有生化污泥流失现象，是由于进水电导率过高，微生物受到冲击导致生物膜脱落、污泥流失。因此，进水电导率过高时用水稀释。另外，中沉池污泥上浮，主要是排泥次数少，发生反硝化反应，沉淀池即时排泥即可消除上浮。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
5 结 论
(1)工程实践表明，采用催化内电解/水解酸化/UASB/AO/氧化耦合絮凝组合工艺处理牛磺酸生产废水具有处理效果好，操作管理方便，产泥量少等优点，出水达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)一级排放标准，对相关企业的废水处理具有一定参考价值。
(2)催化内电解在整个处理工艺中起着十分重要的作用，能够有效去除污染物、提高废水的可生化性，需控制好其运行条件，主要是进水pH控制在2.0~4.0。
(3)采用高效组合工艺，不仅运行效果稳定，而且费用经济，处理直接费用约为4.5元/m3。