HBF工藝包在高氨氮煤化工廢水處理中的應(yīng)用

徐曉茵

(上海泓濟(jì)環(huán)保科技股份有限公司，上海 200091)

我國(guó)是煤炭大國(guó)，不僅儲(chǔ)量豐富、產(chǎn)量大，而且煤種齊全，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，煤炭的深度加工和利用對(duì)于社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。我國(guó)煤化工的所在地，多為水資源匱乏及生態(tài)脆弱地區(qū)，如何解決水污染問(wèn)題成為制約煤化工行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

煤化工廢水以高濃度煤氣洗滌廢水為主，含有大量酚、氰、油、氨氮等有毒、有害物質(zhì)[1]。由于煤制以及工藝的不同，不同化工廠(chǎng)的廢水水質(zhì)存在很大差別[2]總體來(lái)說(shuō)，煤化工廢水具有高COD高氨氮低C/N的特點(diǎn)[3]。

1 HBF工藝

結(jié)合煤化工生化段水質(zhì)特點(diǎn)和處理要求，泓濟(jì)公司開(kāi)發(fā)了HBF(high performance biofilm & floatation Reaction)工藝包用于煤化工高氨氮廢水的處理，即在傳統(tǒng)的AO工藝及SBR技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的污水處理工藝，其實(shí)質(zhì)是兩級(jí)AO工藝后接序批分離，并在O1、O2池及序批池內(nèi)增加固定床平板填料。該方法為各種優(yōu)勢(shì)微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件和水力條件，使高難度有機(jī)物的降解、氨氮的硝化、反硝化等生化過(guò)程均保持高效反應(yīng)狀態(tài)，有效提升生化效率。該方法采用組合式聯(lián)體結(jié)構(gòu)，占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥量少。

1.1 工藝流程

HBF工藝流程如圖1所示，污水進(jìn)入HBF池的前置缺氧區(qū)，并與回流污泥及硝化液混合，進(jìn)行反硝化反應(yīng)。前置缺氧池出水進(jìn)入好氧池，在曝氣作用下完成脫碳過(guò)程及硝化反應(yīng)，由于平板填料的存在還實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化反應(yīng)，有超過(guò)80%的總氮在第一段AO得以去除。前置好氧出水再進(jìn)入后置缺氧區(qū)，剩余的硝態(tài)氮在此處進(jìn)行反硝化反應(yīng)得到去除。出水進(jìn)入后置好氧區(qū)，進(jìn)一步對(duì)剩余有機(jī)物進(jìn)行降解。后置好氧區(qū)出水流入序批沉淀池1或序批沉淀池2，如果序批沉淀池1作為沉淀池出水，則序批沉淀池2處于曝氣好氧或沉淀狀態(tài)。序批沉淀池的污泥通過(guò)污泥泵回流到前置缺氧區(qū)，污泥回流用于強(qiáng)化整個(gè)系統(tǒng)的反硝化效率及污泥濃度的平衡，根據(jù)所要求的反硝化效率，可通過(guò)變速調(diào)節(jié)回流泵改變系統(tǒng)的回流量。剩余污泥從序批沉淀池排出直接送入生化污泥池。其兩組序批反應(yīng)分離池的工作階段周期如表1所示。

圖1 HBF(兩級(jí)復(fù)合AO)工藝流程原理圖Fig.1 Schematic Diagram of HBF Technology

表1 序批反應(yīng)分離池工作周期示意表Tab.1 SBR Working Cycle

1.2 工藝特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的活性污泥法和SBR工藝相比，HBF工藝具有以下幾個(gè)方面的特征和優(yōu)點(diǎn)[4]。

(1)工藝流程簡(jiǎn)單，土建和投資低，無(wú)二沉池，自動(dòng)化程度高。在生物池中微生物總量由懸浮態(tài)的活性污泥及附著生物的生物膜組成，污泥濃度可達(dá)6 000 mg/L以上，在生物負(fù)荷不增加的情形下，使系統(tǒng)可以承受更高的容積負(fù)荷，故池容與傳統(tǒng)的生化處理系統(tǒng)相比更低，使得土建占地及投資遠(yuǎn)低于現(xiàn)有生化處理工藝。

(2)單格序批沉淀池是間斷進(jìn)水，但對(duì)于整座序批沉淀池，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)、出水，使整個(gè)工藝出水連續(xù)均勻，操作管理更方便。

(3)池內(nèi)水位基本恒定，好氧區(qū)處于常曝氣狀態(tài)，增加了池子容積利用率，提高了設(shè)備的利用率；鼓風(fēng)機(jī)壓力穩(wěn)定、效率高；空氣氧轉(zhuǎn)化利用率高，容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷高。填料填充可對(duì)射流曝氣所釋放的氣泡起到二次剪切及防止并聚的作用，這延長(zhǎng)了空氣與水、微生物的傳質(zhì)時(shí)間。同時(shí)，填料攔截所形成的紊流水力剪切，使氣泡高度細(xì)化并均勻分散，使系統(tǒng)內(nèi)空氣氧的轉(zhuǎn)化利用率大幅度提高。足夠的溶解氧是保證好氧生物處理系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行的條件，這也是HBF工藝的優(yōu)勢(shì)所在。

(4)固液分離效果好，剩余污泥產(chǎn)量較少，污泥處理與處置費(fèi)用降低。剝落的生物膜污泥所含原生動(dòng)物成分較多、比重較大，且污泥顆粒個(gè)體較大，因而具有良好的污泥沉降性能，易于固液分離。由于生物膜中食物鏈較長(zhǎng)，剩余污泥量明顯減少，特別是平板填料的生物膜較之傳統(tǒng)的生物膜法更厚，內(nèi)部的厭氧菌能夠分解掉部分好氧反應(yīng)合成的剩余污泥，從而使總剩余污泥量大大減少。

(5)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。HBF工藝進(jìn)水期間相當(dāng)于一個(gè)完全混合式反應(yīng)器，具有強(qiáng)大的稀釋功能，因而有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷和耐毒物能力；沉淀期間屬于靜止沉淀，沉淀?xiàng)l件好，反應(yīng)器內(nèi)可積累較高的污泥濃度，因此無(wú)需設(shè)二沉池。

(6)良好的脫氮性能。生化反應(yīng)區(qū)填充固定床平板填料，反應(yīng)器內(nèi)存在不同菌種的穩(wěn)定立體生態(tài)位組合，硝化和反硝化過(guò)程可有機(jī)結(jié)合并同時(shí)進(jìn)行，從而能降低系統(tǒng)在硝化、反硝化過(guò)程中發(fā)生的pH變化，減少脫氮過(guò)程對(duì)碳源和堿度的需求，脫氮程度高、效果穩(wěn)定。同時(shí)，工藝通過(guò)專(zhuān)門(mén)的缺氧反應(yīng)區(qū)加強(qiáng)了反硝化過(guò)程，另外，序批沉淀池非曝氣階段沉淀污泥床也有一定反硝化作用，從而使系統(tǒng)有良好的脫氮效果。

(7)根據(jù)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，采用多池串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，使污水在反應(yīng)器的流動(dòng)呈現(xiàn)出整體推流，而在不同區(qū)域內(nèi)為完全混合的復(fù)雜流態(tài)，這不但保證了處理效果的穩(wěn)定，而且提升了容積利用率。

(8)HBF工藝在序批沉淀池后端出水區(qū)增加傾斜式(60°～75°)平板填料，用以過(guò)濾出水、增加分離池分離面積，從而降低出水池的分離表面負(fù)荷，保證較低的出水SS。

(9)序批池專(zhuān)利裝置可靈活控制出水，有效防止表面浮渣及其他懸浮固體進(jìn)入出水管道。出水懸浮固體量的降低是保證較高出水水質(zhì)的重要前提。

2 項(xiàng)目概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文所述項(xiàng)目為山東晉煤明水化工集團(tuán)有限公司采用潔凈煤氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)項(xiàng)目配套污水處理工程，項(xiàng)目由上海泓濟(jì)環(huán)保科技股份有限公司承包。污水來(lái)源為車(chē)間生產(chǎn)廢水及生活污水，處理規(guī)模為260 m3/h，處理后水質(zhì)達(dá)到《山東省小清河流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/656—2006)重點(diǎn)保持區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和《山東省氮肥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(座談會(huì)稿)DB 37—2014》中最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)(其中CODCr、NH3-N執(zhí)行《濟(jì)南市人民政府辦公廳關(guān)于提高部分排污企業(yè)水污染物執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的通知》)。

2.2 設(shè)計(jì)水量水質(zhì)

本項(xiàng)目污水處理規(guī)模為260 m3/h，進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。

表2 進(jìn)水水質(zhì)表Tab.2 Influent Water Quality

2.3 水質(zhì)分析及主體工藝選擇

2.3.1 廢水水質(zhì)分析

(1)化學(xué)需氧量及生物需氧量

本廢水中的有機(jī)物主要為甲醇、乙酸、丙酮等易降解有機(jī)物，可生化性較好，已有類(lèi)似工程表明，廢水通過(guò)生化作用可使出水CODCr<40 mg/L，故本廢水CODCr出水達(dá)標(biāo)應(yīng)有足夠的保證。

(2)氨氮及總氮

本廢水中總氮主要以氨氮形式存在，其氨氮濃度平均約300 mg/L。由于出水要求較為嚴(yán)格，這就要求生化系統(tǒng)具備較高的氨氮降解率及總氮脫除率。

氨氮并非難降解物質(zhì)，但其濃度過(guò)高會(huì)影響廢水中硝化菌的活性，導(dǎo)致其降解效率下降，甚至失去活性。在適當(dāng)條件時(shí)，出水氨氮可穩(wěn)定在低于2 mg/L的濃度，滿(mǎn)足排放要求。雖然本系統(tǒng)進(jìn)水氨氮濃度較高，但通過(guò)有效的回流能使生化池內(nèi)廢水氨氮濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微生物抑制濃度，從而保障微生物降解效率。此外，由于氣化污水溫度較高，即便在冬季也可保證好氧池水溫高于25 ℃，因此通過(guò)生化作用可使出水氨氮穩(wěn)定低于2 mg/L，甚至更低。

另一方面，單級(jí)AO系統(tǒng)要達(dá)到較高的反硝化脫氮率較為困難，常需要設(shè)置后置脫氮系統(tǒng)，最大限度脫氮，以保證出水總氮達(dá)標(biāo)

(3)石油類(lèi)

石油類(lèi)主要來(lái)自生產(chǎn)區(qū)地面沖洗水、庫(kù)存罐區(qū)沖洗水以及壓縮機(jī)含油水，該部分污水水量較大，由于其排放時(shí)間較短，如不預(yù)處理會(huì)對(duì)后續(xù)的生化系統(tǒng)造成沖擊，影響微生物的絮凝及吸氧過(guò)程，降低生物反應(yīng)效率。根據(jù)已有工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可將這類(lèi)廢水先投入隔油池，經(jīng)簡(jiǎn)單隔油后再與其他廢水混合調(diào)節(jié)，再進(jìn)行后續(xù)處理。

(4)懸浮物

本污水站中所接納的懸浮物以惰性無(wú)機(jī)物質(zhì)為主。盡管招標(biāo)文件中所給進(jìn)水懸浮物濃度低于100 mg/L，但已有的氣化污水處理設(shè)施運(yùn)行結(jié)果表明，氣化灰水中夾帶的粉煤灰等惰性物質(zhì)含量較高，且易于與微生物結(jié)合，影響微生物的傳質(zhì)及代謝，長(zhǎng)期運(yùn)行將造成惰性物質(zhì)包裹活性物質(zhì)(微生物)，使處理效果出現(xiàn)周期性波動(dòng)。當(dāng)廢水中惰性物質(zhì)累積量超過(guò)活性物質(zhì)自身增殖能力時(shí)，一些長(zhǎng)泥齡的微生物在系統(tǒng)內(nèi)將會(huì)隨著排泥而流失。而對(duì)于本系統(tǒng)，脫氮所需硝化菌屬于長(zhǎng)泥齡微生物，未經(jīng)預(yù)處理的廢水直接進(jìn)入生化系統(tǒng)，將導(dǎo)致硝化能力周期性下降。故本廢水經(jīng)調(diào)節(jié)后，須對(duì)懸浮物進(jìn)行有效的預(yù)處理。

(5)硬度

從所給水質(zhì)及相似廢水運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，氣化污水硬度較高，極易在污水處理系統(tǒng)及管道內(nèi)結(jié)垢。管道內(nèi)結(jié)垢會(huì)造成管道有效過(guò)水流量降低，增加運(yùn)行阻力，從而增加運(yùn)行能耗。同時(shí)，如果對(duì)硬度沒(méi)有進(jìn)行預(yù)處理，在有粉煤灰等細(xì)小惰性物質(zhì)存在的情況下，更易于包裹活性物質(zhì)而降低生化系統(tǒng)傳質(zhì)效率。

(6)硫化物

硫化物對(duì)微生物具有一定的毒性，但同時(shí)又是較強(qiáng)的還原性物質(zhì)，易于氧化去除或與金屬鹽進(jìn)行化學(xué)沉淀。本工程混合廢水的硫離子濃度為10 mg/L，而排放到站區(qū)的氣化污水硬度較高并含有一定鐵鹽，故與硫化廢水混合后可去除一部分硫化物。同時(shí)，綜合廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)前，通過(guò)設(shè)置混凝沉淀預(yù)處理也能去除大部分硫化物。剩余硫化物不會(huì)對(duì)生化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用，從而確保了出水硫離子的安全達(dá)標(biāo)排放。

2.3.2 工藝路線(xiàn)

本項(xiàng)目廢水中C/N約2.3，且進(jìn)水硬度高，因此氣化廢水經(jīng)冷卻降溫后與其他壓力流及集水井的重力流廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)充分混合，之后需要先通過(guò)軟化混凝沉淀，再進(jìn)入生化處理階段。由于廢水氨氮含量較高，對(duì)出水總氮要求較高，本項(xiàng)目采用泓濟(jì)環(huán)保特有的兩級(jí)AO工藝(HBF)。生化出水后進(jìn)入混凝沉淀去除SS，進(jìn)一步去除CODCr，如圖2所示。

圖2 主工藝流程圖Fig.2 Main Process Diagram

2.4 運(yùn)行結(jié)果

2.4.1 出水水質(zhì)

項(xiàng)目通水后，水質(zhì)、水量逐步達(dá)到設(shè)計(jì)值，出水水質(zhì)穩(wěn)定，CODCr去除率達(dá)90%以上，氨氮去除率達(dá)98%以上，HBF對(duì)污染物的去除率如圖3所示。

圖3 HBF對(duì)污染物去除率Fig.3 Removal Rate of Pollutants by HBF

穩(wěn)定后的出水水質(zhì)如表3所示，出水均達(dá)到《山東省小清河流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/656—2006)重點(diǎn)保持區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和《山東省氮肥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(座談會(huì)稿)DB 37—2014》中最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)(其中CODCr、NH3-N執(zhí)行《濟(jì)南市人民政府辦公廳關(guān)于提高部分排污企業(yè)水污染物執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的通知》)。

表3 實(shí)際出水水質(zhì)Tab.3 Measured Effluent Water Quality

2.4.2 廢水處理費(fèi)用

整套工藝運(yùn)營(yíng)成本為2.62元/m3，包含污泥脫水費(fèi)用，不包含人工成本。其中，電費(fèi)為1.24元/m3，藥劑費(fèi)用為1.38元/m3，含軟化藥劑費(fèi)。

3 結(jié)論

綜上所述，以泓濟(jì)公司自主研發(fā)的HBF工藝包為主導(dǎo)的生化工藝，工藝流程簡(jiǎn)單，土建和投資低，具有良好的脫氮性能和耐負(fù)荷沖擊能力，對(duì)于處理粉煤氣化/水煤漿氣化廢水具有出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)及運(yùn)行費(fèi)用較低的特點(diǎn)。

[1]李強(qiáng),孫愛(ài)國(guó).煤化工廢水處理技術(shù)發(fā)展概況[C].無(wú)錫:2013工業(yè)用水與廢水處理技術(shù)及工程應(yīng)用交流會(huì),2013:39-42.

[2]聶水源,祝群力,朱明巍.兩級(jí)A/O融合工藝處理高氨氮煤化工廢水[J].中國(guó)給水排水,2015, 31(20): 68-70.

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[4]王文標(biāo).混合生物固定膜工藝在煤化工廢水處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[C].上海市化學(xué)化工學(xué)會(huì)2013年度學(xué)術(shù)年會(huì),2013.