氣化污水高效沉淀池技術改造案例淺析

王小軍,李成

(國能新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404)

某煤化工項目是以煤為原料生產180萬t/a甲醇,采用具有自主知識產權的SHMTO技術將甲醇轉化為烯烴并進一步生產聚乙烯、聚丙烯等最終產品的大型一體化煤制烯烴項目。項目包括煤氣化、凈化(含變換及酸性氣脫除)、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烴及烯烴分離、C4烯烴轉化、低密度聚乙烯、聚丙烯等8套工藝生產裝置和3套空分裝置以及配套的自備電站(含化水站)、凈水場、循環水場、污水處理場、罐區等公用工程、輔助設施及廠外工程等。本項目地處新疆,面臨水資源緊張和缺乏納污水體、排污受限的問題,因此項目實施了廢水“零”排放方案,以破解當地水資源和水環境承載力對企業可持續發展的矛盾問題[1]。該項目投產運行以來,取得了良好的經濟效益,隨著工廠運行時間延長,特別是自2018年以來,氣化裝置灰水預處理單元排水的懸浮物濃度經常超過設計控制指標要求,由于氣化灰水預處理系統結垢問題嚴重,需要經常性地對換熱器、脫氨塔進行清理,此時需要打開跨線直接將高懸浮物濃度氣化污水排入下游的污水生化處理系統,對污水生化處理系統造成沖擊,且因氣化污水懸浮物中無機組分濃度過高,導致生物處理活性污泥活性下降,運行能耗增加。此外,該項目因氣化用煤灰分含量高,所以氣化灰水的硅含量高,但由于氣化污水中鎂含量較低,因此灰水預處理通過加堿軟化澄清協同除硅的效果有限,進而導致污水處理場膜處理和蒸發單元發生硅污堵結垢的問題比較突出,從而造成回用水系統的處理能力、水回收率及膜使用壽命達不到設計要求,運行成本高,給工廠運行實現“近零排放”目標帶來壓力和挑戰。

污水生化處理裝置污水綜合罐設計進水懸浮物質量濃度小于100 mg/L。但全廠正常生產后,由于氣化污水中含部分煤泥等無機物質,加上后期雨水以及重力流污水含一些懸浮物,導致污水綜合罐出水懸浮物指標波動較大,經常出現懸浮物超過設計值的問題。污水綜合罐出水懸浮物增加后,大量的懸浮物進入到生化系統,使得生化系統污泥濃度增高,污泥中無機組分占比增加(已超過 50%),導致系統能耗增加,排泥量增加,并且不利于活性污泥微生物的活性發揮,系統通過被迫排泥會將污泥活性組分降低,進而影響A/O生物處理系統的處理效果以及處理穩定性。經過日常進水檢測數據分析,污水綜合罐懸浮物高的主要原因是氣化污水灰水預處理運行不正常時懸浮物含量過高。根據最近一年多的檢測數據,懸浮物質量濃度平均為350 mg/L,是設計水質的3.5倍,且波動很大,這是導致整個污水生化系統無機污泥過多的主要原因。另外,根據日常氣化污水硅含量檢測數據統計分析,氣化裝置灰氣灰水預處理出水的硅含量(以 SiO2計)平均為170 mg/L,最高質量濃度達到250 mg/L,是含鹽廢水膜處理裝置進水硅污染的主要來源。

上述水質問題,給下游污水處理場穩定運行操作帶來極大的壓力,特別是污水生化處理系統,一旦出現系統沖擊,極有可能導致出水水質不合格、倒逼生產裝置因排水受限降負荷運行情況發生,而且由于微生物培養馴化直至重新恢復正常所需的時間較長,因此會對工廠全年產量造成較大影響,由此帶來不必要的經濟損失。

為此,從基于提高污水生化處理裝置穩定達標運行的可靠性考慮,同時降低污水處理系統運行能耗及成本,減少污水處理運行風險,針對現有工廠系統存在的問題,該項目對污水生化處理裝置進行優化改造。

1 氣化污水系統改造

1.1 技術路線的比選

根據相關規范,氣化污水懸浮物及硅的去除可以通過輻流式初沉池、平流式沉淀池或高效澄清設施去除。但處理工藝需根據處理規模、進出水水質標準及當地的自然環境并結合當地的實際情況進行選擇,比選方案見表1。

表1 氣化污水改造比選方案表

根據表1備選方案的對比分析,并結合以往類似項目經驗,特別是考慮本改造項目用地緊張的因素,本項目按高效沉淀設施進行改造。高效沉淀技術在混凝高效沉淀中,將混凝、絮凝、沉淀和污泥濃縮功能集合與一體,結構及工作原理示意圖見圖 1。特殊的反應區和澄清區設計使其適用于水處理領域, 是替代傳統的混凝沉淀池、機械澄清池等的新型沉淀工藝[2]。由于反應池和沉淀池之間的低速配水不會破壞已形成的礬花顆粒,生成的礬花密集、結實,很好地保持了礬花的完整性,從而可獲得最佳的絮凝性能,可獲得較低濁度的出水。

圖1 高密度澄清池結構與工作原理示意圖

1.2 改造的工藝流程

在污水處理場內增設高效沉淀池一臺,氣化廢水中硅含量較高,為減少回用水裝置的處理負荷,在高效澄清池前增加除硅反應池,投加除硅藥劑反應后再進入沉淀池,經絮凝、沉淀后,去除大部分的懸浮物、濁度、膠體等物質,出水進入場內生化系統處理。

本項目新增96%含水率的無機污泥約32 m3/h,折合干泥量約30.78 t/d。無機污泥利用現有設施進行處理,如板框壓濾機、脫水機等進行處理。高效澄清設施所需配套加藥管線可利用原有的磷鹽投加線進行改造。新增除硅加藥系統一套。其工藝流程參見圖2。

圖2 氣化污水改造工藝流程圖

氣化污水懸浮物濃度波動范圍大、濃度高;硅含量高,但硬度低。進水pH值可控制在6～9 ,平均為8.3。故在高效沉淀池前段設置除硅反應池,投加偏鋁酸鈉溶液與水中的溶解硅反應形成硅鋁酸鹽沉淀物,達到除硅的目的[3]。除硅反應池出水進入高效沉淀池混合區,混凝藥劑采用聚合硫酸鐵 PFS,混合區設置快速攪拌機,使投加的混凝劑與進水充分混合,對進水中的懸浮顆粒進行脫穩,并使除硅反應池生成的硅鋁酸鹽固體通過混凝作用增大絮體顆粒粒徑。經過混凝后的水流至絮凝區圓形導流筒底部,進水、回流污泥和助凝劑PAM由導流筒內的攪拌槳由下至上混合均勻。絮凝礬花慢速進入沉淀區后,在沉淀區下部匯集成污泥并濃縮,底部刮泥機的連續刮掃促進了污泥的濃縮。斜管設置在沉淀池的上部,用于去除多余的礬花,保證出水水質。部分濃縮污泥由回流污泥泵從污泥濃縮區送至絮凝區,進行連續的泥渣回流,增加了礬花的密度和沉淀性能,從而提高了絮凝效果[4]。另一部分剩余污泥由污泥泵抽出,送至現有污泥池處理。高效沉淀池出水經集水槽流入提升水池,經污水提升泵提升至原有污水調節罐內。

1.3 設計處理能力

氣化污水設計排水水量正常300 m3/h,最大360 m3/h,實際操作數據與設計值基本一致。綜合考慮氣化排水水量波動情況,新建氣化污水高效沉淀池預處理單元設計處理能力確定為400 m3/h。

1.4 設計進水水質

該項目在上游氣化裝置設置了灰水預處理單元, 通過加堿軟化反應-機械加速澄清池-多介質過濾-氨汽提組合工藝對氣化灰水進行除硬和脫氨預處理。根據GE工藝包設計出水水質,綜合工廠實際運行歷史監測數據,本次基礎工程設計確定設計進水水質指標見表2。

表2 高效沉淀池單元設計進水水質

1.5 設計出水水質

增建氣化污水高效沉淀池目的是去除上游氣化裝置非正常工況排水時的高懸浮物,同時通過投加化學藥劑協同對氣化污水中的硅污染物進行高效去除,以滿足后續生化處理系統和膜處理系統穩定運行的需要。 根據設計要求,結合下游處理工藝的實際需要和類似工程處理技術的可達性與經濟合理性,確定本處理單元的設計出水水質見表3。

表3 高效沉淀池單元設計出水水質

1.6 處理構筑物設計

考慮本項目處理水量較小(處理能力400 m3/h),設計采用單系列,設置一組高密度澄清池,年操作時間8 000 h。當高效沉淀池故障檢修時,氣化污水經管廊上原有跨線按送入原污水調節罐內。

根據業主提供的資料,本項目不在老廠周邊相鄰裝置的防爆區域影響范圍內,且氣化廢水原設計中并無可燃性氣體及可燃性液體設計內容,且考慮到本次在水池頂均設置了VOCS加蓋收集措施,故本裝置不按防爆區域考慮。

1.6.1 除硅反應池

單座鋼筋混凝土水池,防腐防滲。總平面尺寸約5.5 m×6 m×7 m(H),水力停留時間約30 min,有效容積約200 m3。

池內設攪拌機1臺,變頻運行,水下部分采用不銹鋼316L。反應池中投加偏鋁酸鈉溶液。

1.6.2 高效沉淀池和污泥泵房

高效沉淀池分為混合區、絮凝區、沉淀區、污泥回流系統和剩余污泥排放系統。水池均采用鋼筋混凝土結構,防滲防腐。

1.6.2.1 混合區

平面尺寸約1.8 m×1.8 m×7 m(H)。池內安裝混合攪拌機,水下部分采用不銹鋼316L,水力停留時間約2 min。混合區內投加混凝劑聚合硫酸鐵PFS,通過攪拌機的快速強力攪拌,使藥劑與水體充分混合,生成小顆粒礬花。

1.6.2.2 絮凝區

平面尺寸約4 m×4 m×7 m(H),絮凝區內安裝絮凝攪拌機和導流筒,水力停留時間約15 min。在混合區出水口投加助凝劑PAM,以提高泥水分離效果。高濃度活化污泥通過絮凝區和混合區池底的外部連通管道進入,經整流后進入絮凝區。攪拌機變頻運行,在絮凝區內形成低強度大流量的循環,生成大顆粒礬花。

1.6.2.3 過渡區/沉淀區

水流由絮凝區經過過渡區(推流式反應區)慢速進入沉淀區進行泥水分離,沉淀區包括清水區、斜管布水區和污泥濃縮區三個部分。清水由池頂集水槽收集,泥渣在濃縮區濃縮,濃縮泥渣部分通過污泥回流泵回流至前混合區,剩余部分污泥經剩余污泥泵送至現有污泥池處理。沉淀區平面尺寸約4 m×4 m×7 m(H)。水池底部安裝帶柵條刮泥機,將污泥刮在中心錐底處排放,可提高污泥的濃縮度。刮泥機直徑12 m。

沉淀采用蜂窩斜管沉淀設備,乙丙共聚六邊形蜂窩管,斜管長度為1 000 mm,管壁厚1.0 mm,內切圓d=100 mm,水平斜角60°,表面負荷3.8 m3/(m2·h)。

集水采用不銹鋼集水槽,三角出水堰,材質為不銹鋼316L,單池設集水槽10根,單根尺寸為5 300 mm×150 mm×300 mm,出水堰的負荷不大于1.7 L/(s·m)。

沉淀區設超聲波污泥液位計,作為污泥排放的參考。

1.6.2.4 污泥泵房

沉淀區池底污泥濃縮區設置回流污泥管和外排污泥管送至污泥泵房。回流污泥泵和剩余污泥泵均采用螺桿泵,安裝在污泥泵房內。該廠房為戊類廠房,平面尺寸為9 m×5 m,凈高4.5 m。回流污泥泵變頻運行。

1.6.3 提升水池

單座鋼筋混凝土水池,防腐防滲。總平面尺寸約6.4 m×6 m×7 m(H),水力停留時間約36 min,有效容積約240 m3。

提升水泵采用臥式離心泵,1用1備,安裝在加藥間內。

1.6.4 加藥間

加藥間與相鄰水池共壁合建,房間凈高約6.5 m,戊類廠房。

1.6.4.1 偏鋁酸鈉投加

偏鋁酸鈉投加量按與二氧化硅的質量投加比為2∶1設計,即投加量為340～400 mg/L,偏鋁酸鈉投加質量濃度為10%,按照一天配置兩次,則偏鋁酸鈉投加量為3 264～3 840 kg/d。

加藥間內設置鋁劑溶解池2座,單座鋁劑溶解池為2.6 m×2.6 m×2 m,池內設攪拌機。配鋁劑加藥泵2臺,Q=2 000 L/h,1用1備,加藥泵組為廠家成套提供。

1.6.4.2 PFS投加

PFS投加量為10～30 mg/L,投加濃度5%,按照一天配置一次,則PFS投加量為96～288 kg/d。

加藥間內設置PFS溶藥池1座,尺寸為2.6 m×2.6 m×2 m,池內設攪拌機。配PFS加藥泵2臺,Q=500 L/h,1用1備,加藥泵組為廠家成套提供。

1.6.4.3 PAM投加

PAM投加量為0.5～1 mg/L,投加濃度0.2%,按照一天配置一次,則PFS投加量為4.8～9.6 kg/d。

加藥泵組為廠家成套提供,1箱2泵,采用全自動泡藥機。藥箱容積5 m3,箱內設攪拌機。加藥泵2臺,Q=500 L/h,1用1備。

高效沉淀池單元主要設備見表4。

表4 主要設備一覽表

2 實施效果

該改造項目實施后,經過對高效沉淀池進出水水質分析,處理效果見圖3。

圖3 高效沉淀池進出水水質分析表

從圖3可以明顯地看到,高效沉淀池出水的懸浮物和硅含量明顯優于設計值,達到了預期效果。該項目實施后,有效改善了后續生化系統活性污泥組成,由于進水硅含量被有效去除,含鹽膜系統硅對反滲透膜的污堵也大大降低,反滲透膜的化學清洗頻次由每月一次降低為每三個月一次,阻垢劑的加藥量為原來的50%,膜的運行壽命在原有基礎上會延長一倍。通過增加氣化污水除硅降濁預處理設施,為工廠實現“安、穩、長、滿、優”運行起到了保駕護航的作用。

該改造項目具有良好的社會效益和經濟效益,可供那些硅含量、懸浮物含量較高的污水處理項目借鑒。