茶多酚废水的处理

摘要：

茶多酚是存在于茶叶中的一类多酚物质，具有明显的抗菌、防衰老、消除体内过剩的自由基和抑制癌细胞等作用，在食品加工、医药和日用化工等方面有广泛的应用前景。

茶多酚生产中产生的废水中有机物浓度高、色度大、多环大分子芳香类化合物含量高、处理难度大，目前在国内外尚无成熟的处理工艺，作者通过对某实际工程的设计及调试得出一套可行的处理方案。

无锡某公司主要从事绿茶提取物和茶多酚的生产，由于在生产过程中产生含茶多酚的污水，此类污水若直接排入城市污水管网，将对城市污水处理厂的正常运行带来影响，甚至会对城市污水处理后的受纳水体造成污染。该公司原有一套处理设施，但一直未投入使用，因此，作者为该公司设计一套了污水处理设施对原处理设施进行改造，出水执行《污水排入城市下水道水质标准》（CJ3082-99），排入城市下水道。

采用混凝沉淀-水解酸化-接触氧化的组合工艺处理茶多酚生产废水，其最终出水COD≤250mg/L。

关键词：茶多酚废水；水解酸化；接触氧化；混凝沉淀。

正文：

无锡某公司主要从事绿茶提取物和茶多酚的生产。由于在生产过程中会产生含茶多酚的污水，而此类污水具有有机物浓度高、色度大、多环大分子芳香类化合物含量高等特点，若直接排入城市污水管网，将对城市污水处理厂的正常运行带来影响，甚至会对城市污水处理后的受纳水体造成污染。该种污水目前在国内外尚无成熟的处理工艺，作者通过对该工程的设计及调试得出一套可行的处理方案。采用混凝沉淀-水解酸化-接触氧化的组合工艺处理茶多酚生产废水，其最终出水COD≤250mg/L。

该公司原有一套处理设施，但一直未投入使用，因此，作者为该公司设计一套了污水处理设施对原处理设施进行改造，出水执行《污水排入城市下水道水质标准》（CJ3082-99），排入城市下水道。

一、处理工艺的选择

设计进水水量及水质

本工程的设计进水水量及水质情况如下：

设计水量： 1000 m3/d

设计水质：

COD 2500 mg/L

BOD 700～1300 mg/L

茶多酚 0.53 mg/L

pH 4～7

色度 ≥80

设计出水水质

处理出水主要指标须达到《污水排入城市下水道水质标准》（CJ3082-99）：

COD≤500 mg/L

BOD≤300 mg/L

pH6~9

色度≤80

污水水质分析

该种污水原水中的主要污染物质是茶多酚、有机酸、大分子有机物以及无机的酸、碱等。

由于原水中的茶多酚对细菌（包括厌氧、好氧及兼性细菌）有很强的抑制作用，原水直接进入好氧生化处理是不可行的，这与原水的B/C=0.3～0.5所显示的较好的可生化性并不一致。因此应在进入生化处理前去除大部分茶多酚，使其不致影响后续的生化处理。

污水中的茶多酚在一定的pH值下会和金属离子（如Al3+、Ca2+等）反应生成难溶化合物，和某些过渡金属离子（如Fe2+、Fe3+）会发生显色反应，为避免色度的产生，可选择投加聚合氯化铝（PAC）和Al2(SO4)3，一方面这两种物质可与茶多酚生成难溶化合物，另一方面通过絮凝作用去除水中呈胶体和微小悬浮状态的有机和无机物质，减小生化处理的负荷。但考虑到投加Al2(SO4)3会导致水中硫酸盐含量的升高，引入了新的污染离子，因此本工程中选择PAC作为混凝剂。由于原水偏酸性，考虑投加Ca(OH)2，一方面可调节废水的pH值，另一方面Ca(OH)2也和茶多酚反应生成难溶化合物，进一步减少水中茶多酚的含量，为后续生化处理的顺利进行提供了条件。

由于原水中含有大分子有机物，采用水解酸化可使水中的高分子物质在产酸菌的作用下分解为小分子，减少好氧处理的负荷，同时在厌氧条件下也可使废水中残留的茶多酚得到部分降解。好氧处理采用复合生化法，微生物附着在填料上不易流失，保证了污水处理的效果。

原水经过预处理和生化处理后水质得到明显改善，但出水仍不能达标，尤其是色度较大，分析其原因，主要是由于水中的部分在预处理中尚未沉淀下来的茶多酚在生化处理时很难被降解，只能被空气氧化，由酚类变成醌类、茶红素等物质而呈现红色，为此考虑在生化处理后增加一道后处理工艺。去除色度可选择的方法有化学氧化法、活性炭吸附法和混凝沉淀法，化学氧化法可采用NaClO为氧化剂量，活性炭吸附法可采用粉末活性炭，混凝沉淀法可采用聚合氯化铝（PAC）为混凝剂，但由于前两者投药量过大，会引起运行成本的升高，因此选择混凝沉淀法进行后处理。

根据以上分析，本工程的处理工艺为：预处理+生化处理+后处理。

确定处理工艺流程

根据原水水质的特点，选用工艺流程如下：

原水经调节池后，投加混凝剂、Ca(OH)2在高密度沉淀池前端反应絮凝后，经沉淀后去除水中大部分的茶多酚。沉淀后的污泥排入污泥浓缩池。

絮凝沉淀后的污水进入水解酸化池，利用水解酸化菌的作用使高分子有机物断链成低分子，提高B/C比后，进入复合生化池进行好氧生化处理。

复合生化池采用“接触氧化+活性污泥”的处理方法，以保证出水效果。

经过生化处理后水质将得到明显改善，但出水仍不能达标，尤其是色度较大，为此在处理工艺的最后再次采用混凝沉淀进行后处理，主要是为了去除水中的色度。当再次投加混凝剂进一步去除水中的色度后，可达标排放。

由于投加了混凝剂和Ca(OH)2会产生一部分污泥，同生化处理后产生的污泥一同进入污泥浓缩池浓缩，经污泥脱水后泥饼外运。

二、各部分设计参数及调试结果

各构筑物的设计参数

由于本工程为改造工程，受原处理设施占地面积限制。以上工艺流程为方案阶段提出的，在经过对现场的实地考察后，对该方案进行了部分改动，以下是改动后、施工时各构筑物的设计参数：

调节池

调节池为改造池体，由于场地的限制，原有调节池的土建没有进行改动，其调节能力HRT约为2～2.5h。因来水通常为酸性（偶尔瞬时来水呈碱性），因此在调节池投加石灰调节pH值。

调节池设备增加2台提升泵（流量40m3/d，扬程10m）、1台潜水搅拌机（功率1.5kW）、1套石灰加药系统及1台在线pH计。石灰加药系统与在线pH计连锁。

高密度沉淀池

高密度沉淀池为新建构筑物，分为反应和沉淀两部分。

在调节池提升泵出口投加絮凝剂PAC，进入高密度沉淀池的反应部分进行充分反应，时间为10min。反应部分为5格，为使药剂和水充分混合，每格进出水采用对角上下进出水方式；为控制很好地产生絮体，每格出水控制一定的流速，第一格出口为0.5m/s，第二格0.4m/s，第三格0.3m/s，第四、五格均为0.2m/s。

PAC投加量为250mg/L，药液浓度12%。

沉淀部分采用斜板沉淀池，表面负荷2.76m3/(m2・h)。

水解酸化池

水解酸化池为改造池体，原池体平面尺寸不变，由于原池体容积停留时间不够，将池体加高1m，停留时间7.7h。

水解酸化池内设填料，以附着厌氧污泥。进水采用上向流形式，穿孔管布水，经核算，前端沉淀池与水解池液面高差无法达到穿孔管出水流速，因此将水解酸化池内隔出一个混合回流区，设置2台回流泵（流量100m3/d，扬程8m），沉淀池出水与水解池出水（由出水堰收集）由回流泵送回水解池，其余的水溢流至出水区，由提升泵送入下一构筑物。

复合生化池

复合生化池为新建构筑物，总停留时间为16h。前端为接触氧化法，后端为活性污泥法，停留时间各8h。这样设置是为了二沉池的污泥可以回流至活性污泥法池前端，而不致使污泥进入接触氧化部分。

接触氧化池为平行的2组，每组分3格，内设散流式曝气头（72套）；活性污泥池也为平行的2组，不分格，内设微孔曝气头（288套）。

鼓风机设3台（2用1备），风量7.77m3/min，风压5m。

二次沉淀池

二沉池为改造池体，为原有池体剩余的最后一部分，表面负荷0.89m3/(m2・h)，经过计算，二沉池达到设计负荷后，仍可剩余1m宽的池体部分，作为污泥回流池。池内设置2台污泥回流泵（流量25m3/d，扬程14m），泵出口一部分回流，另一部分去集泥池。

集泥池

集泥池为现场考察后增加的新建构筑物。集泥池位于高密度沉淀池和二沉池旁边。由于高密度沉淀池位置较高，其中的污泥可自流进入集泥池；而二沉池污泥由回流泵送入集泥池。集泥池内设置2台污泥泵（流量25m3/d，扬程14m）。

污泥浓缩池

污泥浓缩池为新建构筑物，设置在污泥脱水机房外，污泥由集泥池内的污泥泵送入。污泥池容积约40m3，理论计算污泥停留时间约20h。

污泥脱水系统

污泥脱水系统采用带式压滤机，带宽1m。

后处理

考虑到二沉池污泥需进行回流，若投加药剂对生化系统产生影响。由于又受到场地的限制，若再增加混凝沉淀池，占地不够。因此，在施工图设计时，将方案阶段的后处理部分去掉。而在实际运行中，也并未发生出水色度增加的现象。

调试结果

系统调试期间，进入处理站的平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 6.92～9.81 1240～3540 0.150～0.290

高密度沉淀池絮凝沉淀出水的平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 6.47～9.36 580～3000 0.050～0.120

水解酸化出水的平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 4.85～6.73 200～2340 0.003～0.084

复合生化的接触氧化池出水平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 6.46～8.15 203～1439 0.003～0.075

复合生化的活性污泥池出水平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 6.67～8.03 313～1536 0.006～0.133

二沉池出水平均水质如下：

项目 pH COD(mg/L) 茶多酚(mg/L)

数值 6.94～7.44 184～431 0.014～0.040

通过调试期间对各构筑物的连续检测，得出以上的数据。

在调试中发现该系统的一些问题，现小结如下：

调节池

调节池的主要问题是由于本改造工程的特殊性，调节池的停留时间较短，而来水水质极不均匀，因此，调节池未能达到调节水质的目的，对后续构筑物产生一定的冲击。

高密度沉淀池

在高密度沉淀池的前端加入了PAC作为絮凝剂，但由于铝盐的絮体较轻，不易沉淀，而沉淀池负荷也较高，因此，停留时间明显不够，部分絮体未沉淀就被带到下一构筑物。但该池对茶多酚的处理还是可以达到较好的效果。

水解酸化池

水解酸化池的处理效果较好，但由于进水中有部分铝盐的絮体，导致水解池内污泥量较大，一般需每天排泥。水解酸化池出水一般较稳定，出水效果好时，COD能达到200mg/L。

复合生化池

复合生化池在运行中发现停留时间过长，进水COD低于2000mg/L的时间较长时，造成生化末端营养不够，活性污泥段在某段时间有污泥上浮现象，并且活性污泥出水COD值超过接触氧化出水。

污泥脱水

由于前端为调节pH值投加了大量的石灰，造成系统产生的污泥量远大于理论计算出的污泥量。因此，导致污泥浓缩池的停留时间不足，未浓缩好的污泥进入脱水机造成脱水机的高负荷运转。

解决方法

对于以上出现的问题，经过现场烧杯实验，以及对各种现象的分析，提出以下的解决措施：

调节池

增大调节池的容积。在争取了厂方的意见后，拆除在处理站旁边一处废弃的锅炉房，新建一座调节池，停留时间10h。停留时间的增加，使原水在调节池内可充分地进行混合，减少石灰的投加量。

高密度沉淀池

通过以上分析高密度沉淀池产生的问题，一是停留时间不够，二是缺少助凝剂使絮体快速凝结成大颗粒。因此，作者在现场做了一系列的烧杯实验，分别采用粘土、二沉池污泥、浓缩池污泥、加PAM后的湿污泥、脱水机脱出的泥饼以及PAM为助凝剂，实验结果：PAM的效果最好，加PAM的湿污泥和脱水机脱出的泥饼效果较好。若采用PAM将增加运行费用，若采用污泥则管理较繁琐，粘土易得却较难溶解且易沉淀。

最后，选定的解决方法是：增加一座高密度沉淀池，并在前端加入PAM作为助凝剂。

复合生化池

原水COD较低时，为防止活性污泥段再次出现污泥上浮现象，采用间断曝气的方法，情况有所缓解。

污泥脱水

增加一座规模相同的污泥浓缩池，增加污泥浓缩的时间。

结论和建议

茶多酚对于生化处理存在较大的影响，当原水多酚含升高时，系统出水情况变差，因此，在预处理中去除多酚的措施是非常必要的。

投加PAC和Ca(OH)2对茶多酚废水进行预处理是一种经济可行的方法，对茶多酚的去除率可达到65%左右，但由于铝盐产生的絮体较轻不易沉淀，建议投加一定量的助凝剂（如PAM），以达到更好的效果。茶多酚的去除为后续生化处理的顺利进行提供了良好的先决条件。

水解酸化对茶多酚废水的COD去除率较好，运行稳定时可达到30%～60%；水解酸化对茶多酚的去除率较低，可达到30%左右。

好氧生化法停留时间不易过长，应根据进水的COD负荷进行计算。本工程好氧生化段共停留时间16h，COD去除率可达到80%左右。

茶多酚与某些金属离子反应具有可逆性，预处理产生的沉淀物可通过加酸处理而使茶多酚游离出来，且茶多酚的经济价值又很高，故建议在实际工程中考虑对茶多酚的回收利用，这样可减少污水处理的费用。

参考文献：

1.孟建平，张丹，王声东，范瑾初 .茶多酚生产废水的处理.中国给水排水，2002 (6)

2.王凯军，贾立敏 .城市污水生物处理新技术开发与应用 .北京：化学工业出版社，2001

3. 张自杰 .排水工程(下册) .北京：中国建筑工业出版社，1996

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