某煤氣化高氨氮廢水處理工程案例分析

＊王虹 魏興民

（1.北京新源智慧水務(wù)科技有限公司 北京 100044 2.北京昊智設(shè)計有限公司 北京 101199）

“富煤、貧油、少氣”是我國能源結(jié)構(gòu)的基本特征[1]，以煤炭為主的資源稟賦是我國的基本國情，煤氣化可以有效實現(xiàn)煤炭的清潔使用。在煤氣化過程中，不同的煤氣化爐，產(chǎn)生的廢水水質(zhì)差異性很大。煤氣化廢水主要含有有機物、氨氮、氰化物、酚類等[2-3]。煤氣化廢水成分復(fù)雜含有對微生物有毒有害物質(zhì)、處理難度大，實際水質(zhì)和設(shè)計之初預(yù)測水質(zhì)可能偏差很大，廢水處理達標(biāo)成為煤氣化企業(yè)面臨的一大難題。

1.金項概況

某大型煤制天然氣項目，采用循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)和氣化飛灰焚燒發(fā)電技術(shù)，在煤氣化過程不產(chǎn)生焦油和酚類物質(zhì)，主要污染物質(zhì)為氨氮。設(shè)計水質(zhì)中有機物含量高，但實際運行水質(zhì)有偏差，導(dǎo)致藥劑費用增高。

2.污水處理廠水量水質(zhì)分析

(1)設(shè)計水量

污水處理站接收廢水：煤氣化污水、蒸氨裝置污水、生活污水、地面沖洗水、初期污染雨水、化學(xué)清洗廢液、火炬污水。經(jīng)過核算多股廢水的排放量及排放周期，確定廢水設(shè)計水量為210m3/h。

(2)設(shè)計水質(zhì)

進水水質(zhì)根據(jù)多股廢水的水質(zhì)進行加權(quán)平均后，確定按照下表進行工藝設(shè)計計算。

表1 設(shè)計進水水質(zhì)（單位：mg/L，除pH外）

經(jīng)污水處理站處理后，設(shè)計出水水質(zhì)要求達到當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S接管標(biāo)準(zhǔn)要求（氰化物、硫化物、揮發(fā)酚執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求），其他指標(biāo)執(zhí)行《GB/T 31962污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》B級指標(biāo)的要求。設(shè)計出水水質(zhì)主要控制指標(biāo)如表2。

表2 設(shè)計產(chǎn)水水質(zhì)（單位：mg/L，除pH外）

(3)水質(zhì)特性分析

有機物指標(biāo)CODcr和BOD5含量高，去除率分別為75%和72.7%。總氮和氨氮去除率指標(biāo)分別為86%和88.9%。

進水水質(zhì)中BOD5為1100mg/L，CODcr為2000mg/L，B/C比為0.55，該值大于0.25，說明該水質(zhì)適用于用生化處理。BOD5/TN=1100/500=2.2，判斷運行過程中碳源不足，因此設(shè)置碳源投加裝置，防止由于碳源不足影響系統(tǒng)脫氮率。

(4)處理重點及難點分析

水中石油類、氰化物、硫化物會對微生物產(chǎn)生生化抑制作用，在預(yù)處理段主要對油、氰化物、硫化物、懸浮物進行處理。

原水總氮500mg/L，出水要求總氮≤70mg/L，去除率達86%?？偟娜コ?jīng)過氨化、硝化、反硝化三個過程。氨化過程較容易發(fā)生。硝化過程發(fā)生在生化好氧池內(nèi)，在硝化菌的作用下，將氨氮硝化為硝態(tài)氮。反硝化過程發(fā)生在生化缺氧池內(nèi)，在反硝化菌的作用下，將硝態(tài)氮反硝化為氮氣。在好氧池設(shè)計時，要保證硝化菌的長污泥齡。

3.工藝流程

工藝流程如下圖1所示，蒸氨裝置污水、煤氣化污水和火炬污水先進入生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池進行水質(zhì)均衡和穩(wěn)定流量后提升進入混凝反應(yīng)沉淀池，通過混凝沉淀作用，去除水中毒性氰化物、硫化物，以及部分懸浮物。生活污水、地面沖洗水和化學(xué)清洗廢液先經(jīng)過粗格柵去除水中漂浮物，經(jīng)過生活污水調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后，與混凝沉淀池的出水混合后進入生化系統(tǒng)。生化系統(tǒng)采用三級A/O-MBR工藝?；炷磻?yīng)沉淀池和MBR膜池排泥排入污泥暫存池，經(jīng)污泥脫水后泥餅外運。

圖1 污水處理工藝流程圖

通過第三級A/O單元去除約大部分的有機氮及氨氮，保證了出水總氮的達標(biāo)。在第二級A池和三級A池加入乙酸鈉營養(yǎng)源保證反硝化反應(yīng)的正常進行。由于系統(tǒng)泥齡長，MBR系統(tǒng)不會產(chǎn)生污泥流失，因此系統(tǒng)內(nèi)有足夠的專性細菌（一般專性細菌世代時間長，需要較長的污泥停留時間），這些細菌能夠適應(yīng)難降解的有機污染物[4]。MBR系統(tǒng)將傳統(tǒng)生化反應(yīng)過程中的污染物水力停留時間與污泥停留時間分開，達到在有限的水力時間情況下有足夠的反應(yīng)時間將污染物降解。另外MBR膜采用改性PVDF中空纖維膜，膜孔徑為0.2μm，產(chǎn)水水質(zhì)好、渾濁度低，保證了水質(zhì)的達標(biāo)。

4.主要設(shè)計參數(shù)

(1)生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池

由于蒸氨裝置污水、煤氣化污水和火炬污水，排水周期不同，水質(zhì)水量波動很大，因此設(shè)置生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C，使來水中懸浮物保持混合狀態(tài)，同時達到均質(zhì)的目的。調(diào)節(jié)池有效容積6000m3，水力停留時間28.6h，潛水?dāng)嚢铏C4臺，功率11kW/臺。

(2)事故池

事故池池容6000m3，水力停留時間28.6h，潛水?dāng)嚢杵?臺，功率11kW/臺。

(3)混凝反應(yīng)沉淀池

設(shè)計水量210m3/h，混凝反應(yīng)沉淀池2座，混凝區(qū)停留時間5min，絮凝區(qū)停留時間20min，沉淀區(qū)停留時間1.14h。

(4)MBR生化池

MBR生化池采用三級AO工藝，A1池水力停留時間15h，O1池水力停留時間30h，A2池15h，O2池停留時間30h，A3池停留時間7h，O3池停留時間14h。生化鼓風(fēng)機設(shè)置數(shù)量：7臺（6用1備）流量Q=42m3/min、揚程H=68.6kPa、功率N=75kW。A1池潛水?dāng)嚢杵?臺，功率N=4kW、A2池潛水?dāng)嚢杵?臺，功率N=4kW，A3池潛水?dāng)嚢杵?臺、功率N=7.5kW。生化池污泥濃度（MLSS）為4～5g/L，BOD負荷0.035kg BOD5/(kgMLSS·d)，TN負荷為0.019kgTN/(kgMLSS·d)。

(5)MBR膜車間

MBR膜池，3列，單列膜池容積為260m3，設(shè)計凈通量9LMH，MBR膜箱18套；產(chǎn)水泵3臺變頻，流量Q=100～130m3/h，揚程H=10～15m；污泥回流泵2臺，流量Q=210m3/h，揚程H=15m；膜擦洗風(fēng)機，4臺，流量Q=39Nm3/h，揚程H=45kPa；配置反洗水箱、殺菌劑、酸維護加藥裝置等。

(6)污泥脫水系統(tǒng)

系統(tǒng)產(chǎn)生污泥量1203kg DS/day，設(shè)置2臺離心脫水機，1用1備，處理后污泥含水率80%。

(7)除臭系統(tǒng)

設(shè)置1套除臭系統(tǒng)，采用生物除臭的工藝對調(diào)節(jié)池、事故池以及生化池的氣體進行處理。設(shè)計臭氣處理量為Q=18000m3/h。

5.運行效果分析

(1)實際運行進出水水質(zhì)

表3 實際運行進出水水質(zhì)（單位：mg/L，除pH外）

實際運行中，正常運行狀態(tài)下，來水CODcr、氰化物、硫化物、石油類、揮發(fā)酚污染物較少，主要污染物為氨氮，這是煤氣化采用循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)和氣化飛灰焚燒發(fā)電技術(shù)的水質(zhì)特點。實際來水中CODCr約在150mg/L左右，而pH和氨氮含量受到前端蒸氨運行系統(tǒng)的影響，波動比較大，pH會在4～11波動，氨氮一般會在300～500mg/L。事故情況下排放的氨氮值最高可達到6000mg/L，這種極高的氨氮廢水是無法直接進入生化系統(tǒng)的，也無法通過小流量逐步提升進入生化系統(tǒng)處理，因此后期增加了將事故情況下的高氨氮廢水提升返回前端蒸氨系統(tǒng)的管線，事故水經(jīng)過蒸氨系統(tǒng)處理達標(biāo)后，再進入生化系統(tǒng)。

生化系統(tǒng)設(shè)計三級AO多點進水系統(tǒng)，原多點進水是為了充分利用原水中的有機物起到脫氮的作用，由于實際來水中CODcr/TN量差距太大，導(dǎo)致多點進水設(shè)置沒有發(fā)揮作用。生化O池內(nèi)的硝化作用很徹底，出水氨氮基本上≤10mg/L，總氮的去除主要是受到碳源的影響，在保證出水水質(zhì)達標(biāo)的情況下，適當(dāng)?shù)臏p少碳源投加可節(jié)省藥劑費用。

MBR系統(tǒng)的出水懸浮物基本在1mg/L，實現(xiàn)了生物固體平均停留時間與HRT（水力停留時間）的分離，有利于生物反應(yīng)器中的細菌種群的多樣性，世代時間長的硝化菌能夠生長保證了氨氮的去除。

(2)MBR膜過濾性能

本項目的MBR膜過濾采用了恒流量的過濾方式，運行9min，反洗1min。通過監(jiān)測MBR膜的跨膜壓差值（TMP）表征膜的污染情況。當(dāng)TMP值＜-45kPa時，進行維護性清洗，維護性清洗周期為三月一次。從圖2中看出：膜運行過程中，TMPmax=-45kPa TMPmin=-10.2kPa，維護清洗后TMP恢復(fù)到-20kPa左右，MBR膜的過濾性能表現(xiàn)穩(wěn)定。（由于MBR產(chǎn)水是負壓抽吸過程，因此TMP采用負數(shù)表示）。

圖2 MBR膜運行中TMP的變化值

(3)藥劑實際投加量

運行藥劑投加量如表4所示。

表4 運行藥劑投加量匯總表

(4)活性污泥的鏡檢觀察

在顯微鏡下觀察活性污泥，顯現(xiàn)褐色的絮狀物，可以觀察到大量的細菌、真菌、以及原生動物和后生動物等[5]。原生動物是表征污水處理運行效果的重要指示性生物?，F(xiàn)場運行過程中采用顯微鏡觀察生化池內(nèi)的活性污泥，如圖3所示，污泥中存在較多活性較好的累枝蟲，該原生動物的存在說明水質(zhì)處理效果良好。

圖3 活性污泥的鏡檢觀察照片

6.投資及成本分析

本項目工程投資建設(shè)費用約3000萬元，本工程的直接運行成本為3.5元/噸水，其中電費為0.75元/噸水，藥劑費用為2.75元/噸水，其中乙酸鈉1.6元/噸水。

7.結(jié)論

（1）本項目廢水為高氨氮廢水，總氮達500mg/L，采用混凝沉淀+多級AO生化MBR工藝運行穩(wěn)定，出水TN低于70mg/L，水質(zhì)滿足排放要求。

（2）本項目水質(zhì)高氨氮含量低CODcr導(dǎo)致脫氮的運行費用高，乙酸鈉和堿度消耗量大，可考慮采用其它碳源代替乙酸鈉降低運行成本。

（3）設(shè)置1座單獨接收事故情況下的蒸氨裝置污水的事故池，并配置將該股廢水返回蒸氨系統(tǒng)的泵及管線對于系統(tǒng)運行是有利的。