O-AO-MBR 組合工藝處理煤化工綜合廢水

徐 斌，徐冰潔

（1.中石化九江分公司，江西九江 332004；2.九江學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，江西九江 332005）

我國煤炭資源豐富，以煤為原料的化工產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，特別是以煤氣化為龍頭的煤制甲醇、煤制烯烴及煤制天然氣等新型煤化工項目高速發(fā)展〔1-2〕。然而，煤化工裝置在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢水，這些廢水具有高氨氮、高COD、高含鹽量及難生物降解等特點〔3-4〕，須妥善處理。

鄂爾多斯某煤炭深加工示范項目以煤炭為原料，將水煤漿氣化后合成甲醇，進一步合成烯烴。生產(chǎn)裝置區(qū)排放的廢水主要有煤氣化廢水、煤制烯烴（S-MTO）凈化廢水及全廠其他廢水（包括烯烴裝置生產(chǎn)廢水、酸性氣廢水和生活污水）。煤氣化廢水水量較大，污染物組成復(fù)雜且含量較高，特別是廢水中氨氮及懸浮物（SS）含量較高，須在煤氣化裝置內(nèi)對氣化廢水進行汽提脫氨、混凝沉降預(yù)處理。另一股水量較大的廢水為S-MTO裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的凈化廢水，該廢水COD 高，且含有少量不易降解的醛類、酮類、有機酸等大分子有機物，須經(jīng)過厭氧生化、氣浮除油及水解酸化預(yù)處理將大分子污染物長鏈打斷，提高其可生化性。這2 股大水量廢水經(jīng)預(yù)處理后與全廠其他廢水一起排入廢水處理裝置，并采用O-AO-MBR 組合工藝處理，產(chǎn)水達標(biāo)后送至深度處理單元，經(jīng)除硬、除濁、脫鹽后回用至循環(huán)水場，產(chǎn)生的高濃鹽水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶單元處理，實現(xiàn)了廢水的零排放。

1 設(shè)計進出水水質(zhì)和水量

該裝置設(shè)計最大進水水量為1 300 m3/h，主要設(shè)計進、出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進、出水水質(zhì)Table 1 Design influent and effluent quality

2 工藝設(shè)計及主要構(gòu)筑物

2.1 工藝設(shè)計

污水的生化處理技術(shù)是目前普遍采用且比較經(jīng)濟的處理方法，但傳統(tǒng)生化處理工藝由于工藝機理上的限制，普遍存在COD 和NH3-N 去除效率低且不穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響大、抗沖擊負荷能力弱等特點〔5-6〕。隨著污水處理標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)生化處理一般都需要增加后續(xù)深度處理工藝才能滿足出水指標(biāo)要求，容易造成工藝流程長、占地面積大、工程投資高等一系列問題。

本裝置進水水質(zhì)、水量波動大，具有一定的沖擊性，在AO 生化段前增加一級好氧池作為預(yù)處理，以提高裝置的抗沖擊能力；由于裝置出水需送至深度處理單元，經(jīng)超濾（UF）、反滲透（RO）等裝置處理后回用，對出水懸浮物的含量要求較高，故選用膜生物反應(yīng)器（MBR）來保證高質(zhì)量產(chǎn)水〔7-8〕，最終形成以O(shè)-AO-MBR 組合工藝為主體的工藝。

O-AO-MBR 工藝將生化處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合，O-AO 工藝可以實現(xiàn)高效除碳和脫氮〔9〕，MBR 技術(shù)以超濾膜分離過程取代傳統(tǒng)生化處理過程中的泥水重力沉降分離過程，固液分離效果遠好于傳統(tǒng)沉淀池，出水懸浮物和濁度接近于零；MBR技術(shù)將微生物完全截留在MBR 池內(nèi)，有利于增殖緩慢的硝化細菌、反硝化細菌的生長和繁殖，可提高系統(tǒng)的硝化、反硝化效率，具有微生物濃度高、生物種群多樣性好、耐沖擊負荷等優(yōu)點〔10〕；MBR 技術(shù)還實現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離，運行控制更加靈活穩(wěn)定。

2.2 工藝流程

圖1 為廢水處理的工藝流程。

圖1 廢水處理工藝流程Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

如圖1 所示，正常情況下來水直接進入調(diào)節(jié)池，異常時先進入事故罐暫存。經(jīng)混合、均質(zhì)后的煤化工綜合廢水首先在一級好氧池內(nèi)進行好氧曝氣處理，利用微生物的同化作用，將部分有機污染物碳化，使污染物得到一定降解。一級好氧池出水進入A/O 池，通過硝化、反硝化去除氨氮、降低總氮，并降低有機污染物濃度。污泥混合液進入MBR 池后，固液被高效分離，難降解的大分子有機物被截留，產(chǎn)水進入后續(xù)深度處理單元。

一級好氧池、中間沉淀池及A/O 池均為4 個系列并聯(lián)運行，MBR 池為8 個系列并聯(lián)運行。

2.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

2.3.1 一級好氧池

一級好氧池設(shè)計停留時間為12 h，池底均勻鋪設(shè)直徑65 mm、長度1 m 的管式曝氣管2 600 根，由離心風(fēng)機輸送的壓縮空氣通過曝氣管通入池底，池內(nèi)DO 達到2～3 mg/L，污泥回流比控制在50%～150%，污泥質(zhì)量濃度控制為3 000～5 000 mg/L。

通過好氧曝氣處理，來水中的有機污染物在池內(nèi)得到一定程度的降解。同時，一級好氧池可兼作生物軟化池，當(dāng)來水水質(zhì)較差、Ca2+和Mg2+含量較高、氣化廢水混凝沉淀預(yù)處理效果不能滿足要求時，可利用碳化有機污染物生成的CO2和壓縮空氣中的CO2與Ca2+、Mg2+反應(yīng)生成CaCO3、MgCO3，通過排泥降低硬度，防止結(jié)垢，保證后續(xù)工段的穩(wěn)定運行。

2.3.2 A/O 池

A池采用氧化溝式池型，設(shè)計停留時間為18 h；為防止污泥沉積、增加缺氧生物與污水接觸面積、提升脫氮效果，在池內(nèi)共設(shè)置16 臺低轉(zhuǎn)速潛水?dāng)嚢杵鳎∟=56 r/min），硝化液回流比控制在300%～500%。O 池采用推流式池型，設(shè)計停留時間為28 h，池底鋪設(shè)與一級好氧池同規(guī)格的管式曝氣管6 500 根，池內(nèi)DO 控制在2～4 mg/L，污泥質(zhì)量濃度控制為4 000～6 000 mg/L。

A池的主要功能是反硝化脫氮，同時兼具一定的水解酸化作用，以改善廢水的可生化性、提高后續(xù)好氧處理效率。O 池的主要功能是進行碳化和硝化反應(yīng)，去除廢水中的有機污染物及氨氮，通過硝化液回流形成充分的硝化-反硝化作用。

2.3.3 MBR 池

MBR 池共設(shè)計8 座，每座設(shè)置10 個膜組件，采用淹沒式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維簾式超濾膜，膜的截留孔徑為0.1 μm。每座膜池裝填膜面積16 000 m2（20 m2/簾×80 簾/膜組件×10 個膜組件），膜通量為10.3 L/（m2·h），由自吸泵間歇抽吸出水，抽停時間比為7 min/1 min。池內(nèi)污泥質(zhì)量濃度控制為6 000～10 000 mg/L，相比一般活性污泥法（3 000～5 000 mg/L）高 很 多。設(shè) 置3 臺Q=90 Nm3/min、H=58 kPa 的離心鼓風(fēng)機為活性污泥供氧并實現(xiàn)對膜面污染物的擦洗。同時，設(shè)置了污泥回流泵，回流比控制為300%～500%，可根據(jù)來水水質(zhì)變化及處理程度分別回流至A 池和O 池，提高脫氮降碳效率。

主要構(gòu)筑物參數(shù)見表2。

表2 主要構(gòu)筑物參數(shù)Table 2 Main structures parameters

3 裝置運行及處理效果

3.1 裝置運行中出現(xiàn)的問題及優(yōu)化措施

3.1.1 來水水質(zhì)、水溫波動大

因預(yù)處理設(shè)施運行不穩(wěn)定，裝置來水中氣化廢水水質(zhì)波動大，有時氨氮高達903 mg/L、SS高達739 mg/L，遠超設(shè)計指標(biāo)，導(dǎo)致生化段頻受沖擊。微生物在生物處理過程中最適宜的溫度為20～35 ℃，超過37 ℃時處理效率顯著下降〔11〕，而氣化廢水及S-MTO 廢水預(yù)處理設(shè)施換熱器結(jié)垢頻繁，運行周期短，廢水水溫高，尤其是夏季氣溫疊加，生化段水溫高達42～44 ℃，影響裝置處理效率。

優(yōu)化措施：

（1）強化源頭管理，開展技術(shù)攻關(guān)，將合成氣凈化裝置的CO2引入混凝沉降設(shè)施，解決了Ca2+在汽提脫氨工序的沉積問題，改善了汽提脫氨的運行工況，減少了裝置的酸洗次數(shù)，提高了汽提脫氨效率，氣化廢 水 氨 氮、SS 分 別 穩(wěn) 定 在300 mg/L 和100 mg/L 以內(nèi)；同時充分利用公司其他裝置閑置的換熱器作為備用，為換熱器清洗創(chuàng)造條件，將排入廢水裝置的廢水水溫降低到40 ℃以內(nèi)。

（2）加強過程管控，將人工監(jiān)測與在線監(jiān)測相結(jié)合，對來水水質(zhì)、水溫實時監(jiān)控。崗位人員每隔2 h 取各股來水及調(diào)節(jié)池混合出水水樣，使用試紙檢測pH、氨氮，并與在線監(jiān)測結(jié)果比對，及時匯報、調(diào)整異常情況。

（3）優(yōu)化末端治理，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)池和事故罐的緩沖、均質(zhì)作用，改善生化段進水水質(zhì)。原設(shè)計調(diào)節(jié)池及事故罐為并聯(lián)運行，為增加調(diào)節(jié)池及事故罐調(diào)節(jié)水質(zhì)、水溫的靈活性，增加了調(diào)節(jié)池及事故罐串聯(lián)運行流程，可視來水情況采取串聯(lián)或并聯(lián)方式運行，確保后續(xù)工段進水穩(wěn)定。

3.1.2 A/O 池運行負荷低

經(jīng)統(tǒng)計，調(diào)節(jié)池出水COD 為450～900 mg/L，平均為655.6 mg/L，超出一級好氧池進水COD≤550 mg/L的指標(biāo)要求，造成一級好氧池處理負荷過高，甚至對一級好氧池造成沖擊。而經(jīng)一級好氧池處理后，出水COD 為92～467 mg/L，平均為264 mg/L，按最大處理水量1 300 m3/h 計算，A/O 池的平均COD 容積負荷僅為0.14 kg/（m3·d），處于低負荷運行狀態(tài)，不僅造成曝氣風(fēng)機等設(shè)備運行能耗浪費，還需補充大量碳源以提高A 池反硝化脫氮效率。

優(yōu)化措施：

（1）增加調(diào)節(jié)池出水至A/O 池進水流程，形成多點進水。根據(jù)調(diào)節(jié)池出水水質(zhì)及一級好氧池和A/O池的運行負荷，調(diào)整各工段進水水量，不僅降低了一級好氧池的運行負荷，還為A 池反硝化反應(yīng)提供了碳源，減少了碳源的補充量。

（2）將A/O 池4 系列同時進水運行改為3 系列運行和1 系列備用。備用系列停止進水和曝氣，使備用系列微生物處于休眠狀態(tài)，同時每月更換備用系列，保持污泥活性，不僅提高了3 個運行系列的處理效率，節(jié)約了設(shè)備運行能耗，降低了職工勞動強度，還可在異常情況下投用備用系列，穩(wěn)定裝置運行，確保裝置出水達標(biāo)。

3.2 裝置運行效果

2020 年6 月，該公司開展全廠大檢修，經(jīng)檢修后各裝置保持高負荷運行。2020 年7 月12 日至2020 年12月31日共173 d的運行時間里，該廢水處理裝置歷經(jīng)夏季高溫（30～35 ℃）和冬季嚴寒（-20～-10 ℃），來水量為1 000～1 100 m3/h，A/O 池保持3 系列運行1 系列備用狀態(tài)，其余運行參數(shù)均控制在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)。經(jīng)裝置處理后，平均出水COD、氨氮、SS 均達到了裝置設(shè)計出水水質(zhì)指標(biāo)要求。

3.2.1 COD 去除效果

圖2 顯示了該廢水處理裝置對煤化工綜合廢水COD 的去除效果。

圖2 O-AO-MBR 組合工藝對COD 的去除效果Fig.2 The removal effect of COD by O-AO-MBR process

從圖2 可以看出，系統(tǒng)進水COD 基本在450～900 mg/L，平均為655.6 mg/L，超出裝置設(shè)計進水COD 指標(biāo)，但無論進水COD 如何波動，出水COD 基本穩(wěn)定在＜30 mg/L，平均出水COD 為27.2 mg/L，平均COD 去除率達95.9%。O-AO-MBR 組合工藝可以有效去除煤化工綜合廢水中的有機污染物，使整個系統(tǒng)保持較高的COD 去除率。

3.2.2 氨氮去除效果

圖3 顯示了該廢水處理裝置對煤化工綜合廢水氨氮的去除效果。

圖3 O-AO-MBR 組合工藝對氨氮的去除效果Fig.3 The removal effect of NH3-N by O-AO-MBR process

由圖3 可知，系統(tǒng)進水氨氮基本在90～300 mg/L之間變化，平均進水氨氮為169.9 mg/L。雖然進水氨氮存在較大波動，但出水氨氮基本＜2 mg/L，平均出水氨氮為0.99 mg/L，平均氨氮去除率達99.5%，說明該工藝具有良好的氨氮去除效率，且具有較強的耐沖擊負荷特性。

3.2.3 總氮去除效果

圖4 是該廢水處理裝置對總氮的去除情況。

圖4 O-AO-MBR 組合工藝對總氮的去除效果Fig.4 The removal effect of TN by O-AO-MBR

由圖4 可知，系統(tǒng)進水總氮為107～329 mg/L，平均為178.3 mg/L。經(jīng)處理后，出水總氮均小于80 mg/L，且平均出水總氮為49.5 mg/L，平均總氮去除率為72.2%。因MBR 出水至廢水深度處理單元對總氮未作要求，在運行過程中為節(jié)約能源消耗，降低了對反硝化碳源的投加量及MBR 膜池污泥回流比，故雖然該系統(tǒng)已表現(xiàn)出良好的總氮去除效果，但還有進一步提升的空間。

3.2.4 SS 去除效果

圖5 顯示了系統(tǒng)進水和MBR 膜過濾出水的SS變化以及對SS 的去除效果。

圖5 O-AO-MBR 組合工藝對SS 的去除效果Fig.5 The removal effect of SS by O-AO-MBR

由圖5 可知，系統(tǒng)進水SS 基本在30～160 mg/L范圍內(nèi)，平均為72.6 mg/L。經(jīng)處理后，MBR 出水平均SS 為6.3 mg/L，平均去除率為91.3%。該工藝對廢水中的SS 具有較好的去除效果。SS 的去除率存在一定的波動，主要原因為該裝置已投運近5 a，MBR 膜絲存在一定程度的斷絲現(xiàn)象，對產(chǎn)水SS 造成一定影響。

4 運行成本分析

經(jīng)統(tǒng)計，2020 年7 月12 日至2020 年12 月31 日期間，裝置運行電耗為2.43 kW·h/m3，其中O-AO 生化處理單元占59.6%，MBR 單元占21%，污水均質(zhì)提升單元及污泥處理單元等占19.4%，較聶水源等〔12〕利用兩級A/O 融合工藝處理煤化工廢水電耗（2.72 kW·h/m3）低0.29 kW·h/m3。電價為0.3 元/（kW·h），運行電費約為0.73 元/m3，甲醇、液堿及膜清洗藥劑費用合計約為0.93 元/m3，人工成本為0.73 元/m3，合計直接運行成本為2.39元/m3（不含設(shè)備折舊及脫水污泥委外處置費用）。

徐曉 妮等〔13〕對A2/O 與MBR 工藝在同規(guī)模城鎮(zhèn)污水廠中的工藝占地面積進行了對比，MBR 工藝占地面積比A2/O 工藝減少28.8%～42.5%。該廢水處理裝置主體工藝O-AO-MBR 實際構(gòu)筑物占地面積合計14 400 m2，設(shè)計最大進水量為1 300 m3/h（即31 200 m3/d），則該組合工藝單位處理水量占地面積為0.46 m2·d/m3。

5 結(jié)論

（1）采用O-AO-MBR 組合工藝處理煤化工綜合廢水，出水水質(zhì)穩(wěn)定，處理效率高，經(jīng)裝置處理后平均出水COD、氨氮、總氮、SS 分別為27.2、0.99、49.5、6.3 mg/L，平均去除率分別為95.9%、99.5%、72.2%、91.3%，達到了裝置設(shè)計的出水水質(zhì)指標(biāo)要求。

（2）O-AO-MBR 組合工藝提高了系統(tǒng)的污泥濃度，具有較強的耐沖擊負荷特性，即使裝置進水COD、氨 氮 分 別 在450～900 mg/L 及90～300 mg/L 范圍內(nèi)波動，仍能實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

（3）根據(jù)裝置運行負荷，將部分高濃度廢水引入A 池并調(diào)整A/O 池運行模式，可提高裝置運行效率，降低裝置運行成本。

（4）O-AO-MBR 組合工藝解決了傳統(tǒng)活性污泥處理工藝占地面積大、處理效率不穩(wěn)定等問題，在煤化工綜合廢水處理方面具有良好的應(yīng)用前景。