某煤氣化高氨氮廢水處理工程案例分析

＊王虹 魏興民

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

“富煤、貧油、少氣”是我國能源結構的基本特征[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煤炭的清潔使用。在煤氣化過程中，不同的煤氣化爐，產生的廢水水質差異性很大。煤氣化廢水主要含有有機物、氨氮、氰化物、酚類等[2-3]。煤氣化廢水成分復雜含有對微生物有毒有害物質、處理難度大，實際水質和設計之初預測水質可能偏差很大，廢水處理達標成為煤氣化企業面臨的一大難題。

1.金項概況

某大型煤制天然氣項目，采用循環流化床煤氣化技術和氣化飛灰焚燒發電技術，在煤氣化過程不產生焦油和酚類物質，主要污染物質為氨氮。設計水質中有機物含量高，但實際運行水質有偏差，導致藥劑費用增高。

2.污水處理廠水量水質分析

(1)設計水量

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、化學清洗廢液、火炬污水。經過核算多股廢水的排放量及排放周期，確定廢水設計水量為210m3/h。

(2)設計水質

進水水質根據多股廢水的水質進行加權平均后，確定按照下表進行工藝設計計算。

表1 設計進水水質（單位：mg/L，除pH外）

經污水處理站處理后，設計出水水質要求達到當地污水處理廠接管標準要求（氰化物、硫化物、揮發酚執行《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級排放標準要求），其他指標執行《GB/T 31962污水排入城鎮下水道水質標準》B級指標的要求。設計出水水質主要控制指標如表2。

表2 設計產水水質（單位：mg/L，除pH外）

(3)水質特性分析

有機物指標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分別為86%和88.9%。

進水水質中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，因此設置碳源投加裝置，防止由于碳源不足影響系統脫氮率。

(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生生化抑制作用，在預處理段主要對油、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%。總氮的去除經過氨化、硝化、反硝化三個過程。氨化過程較容易發生。硝化過程發生在生化好氧池內，在硝化菌的作用下，將氨氮硝化為硝態氮。反硝化過程發生在生化缺氧池內，在反硝化菌的作用下，將硝態氮反硝化為氮氣。在好氧池設計時，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廢水調節池進行水質均衡和穩定流量后提升進入混凝反應沉淀池，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、地面沖洗水和化學清洗廢液先經過粗格柵去除水中漂浮物，經過生活污水調節池調節后，與混凝沉淀池的出水混合后進入生化系統。生化系統采用三級A/O-MBR工藝。混凝反應沉淀池和MBR膜池排泥排入污泥暫存池，經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。在第二級A池和三級A池加入乙酸鈉營養源保證反硝化反應的正常進行。由于系統泥齡長，MBR系統不會產生污泥流失，因此系統內有足夠的專性細菌（一般專性細菌世代時間長，需要較長的污泥停留時間），這些細菌能夠適應難降解的有機污染物[4]。MBR系統將傳統生化反應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，產水水質好、渾濁度低，保證了水質的達標。

4.主要設計參數

(1)生產廢水調節池

由于蒸氨裝置污水、煤氣化污水和火炬污水，排水周期不同，水質水量波動很大，因此設置生產廢水調節池。調節池內設置潛水攪拌機，使來水中懸浮物保持混合狀態，同時達到均質的目的。調節池有效容積6000m3，水力停留時間28.6h，潛水攪拌機4臺，功率11kW/臺。

(2)事故池

事故池池容6000m3，水力停留時間28.6h，潛水攪拌器4臺，功率11kW/臺。

(3)混凝反應沉淀池

設計水量210m3/h，混凝反應沉淀池2座，混凝區停留時間5min，絮凝區停留時間20min，沉淀區停留時間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。生化鼓風機設置數量：7臺（6用1備）流量Q=42m3/min、揚程H=68.6kPa、功率N=75kW。A1池潛水攪拌器4臺，功率N=4kW、A2池潛水攪拌器4臺，功率N=4kW，A3池潛水攪拌器2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，設計凈通量9LMH，MBR膜箱18套；產水泵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

系統產生污泥量1203kg DS/day，設置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

設置1套除臭系統，采用生物除臭的工藝對調節池、事故池以及生化池的氣體進行處理。設計臭氣處理量為Q=18000m3/h。

5.運行效果分析

(1)實際運行進出水水質

表3 實際運行進出水水質（單位：mg/L，除pH外）

實際運行中，正常運行狀態下，來水CODcr、氰化物、硫化物、石油類、揮發酚污染物較少，主要污染物為氨氮，這是煤氣化采用循環流化床煤氣化技術和氣化飛灰焚燒發電技術的水質特點。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的，也無法通過小流量逐步提升進入生化系統處理，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的管線，事故水經過蒸氨系統處理達標后，再進入生化系統。

生化系統設計三級AO多點進水系統，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，導致多點進水設置沒有發揮作用。生化O池內的硝化作用很徹底，出水氨氮基本上≤10mg/L，總氮的去除主要是受到碳源的影響，在保證出水水質達標的情況下，適當的減少碳源投加可節省藥劑費用。

MBR系統的出水懸浮物基本在1mg/L，實現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。通過監測MBR膜的跨膜壓差值（TMP）表征膜的污染情況。當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恢復到-20kPa左右，MBR膜的過濾性能表現穩定。（由于MBR產水是負壓抽吸過程，因此TMP采用負數表示）。

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。現場運行過程中采用顯微鏡觀察生化池內的活性污泥，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工藝運行穩定，出水TN低于70mg/L，水質滿足排放要求。

（2）本項目水質高氨氮含量低CODcr導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的泵及管線對于系統運行是有利的。