典型煤化工園區生產廢水處理工程案例

劉孟博

(維爾利環保科技集團股份有限公司,江蘇 常州 213000)

煤炭焦化是一種煤的轉化工藝。在工業上,煤炭經950 ℃左右的高溫干餾轉化為煤氣、焦炭、焦煤油以及其他化工產品,在煤煉焦、煤氣凈化、化工產品回收和化工產品精制過程中產生了大量毒性高,難降解的有機類廢水[1-2]。

山西某煤化工工業園區以煤基合成油、焦爐煤氣制甲醇烯烴、煤制乙二醇聚酯建材、煤制芳香烴及延伸加工等作為主要產業鏈條,園區內規劃重點項目包括甲醇制烯烴項目、山西潞安集團高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范區項目、煤制乙二醇項目、焦化項目、丙烯酸項目、碳酸二甲酯項目、熱電聯產項目[3]。該園區在生產過程中產生的廢水主要包含主要污染因子包括pH值、CODCr、BOD5、氨氮、酚類、氰化物、石油類等,其中部分污染物濃度嚴重超標,必須進行有效處理。

1 進水水質及排放標準

該工業園區生產廢水日排放量達到10 000 m3,生產廢水在經處理后將于后續含鹽廢水進行合并處理。根據設計,污水出水水質要求達到《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050—2007)規定的指標,生產廢水水質處理目標見表1。

表1 生產廢水水質處理目標表

2 工藝流程及介紹

2.1 工藝流程

針對該工業園區所排放生產廢水水質的特點,采用的處理工藝為“初沉池+水解酸化池+A/O生化池+二沉池+混凝沉淀池+多介質過濾+超濾+反滲透”。本項目本著零排放、廢水資源化回用的目的,生產廢水的出水回用至園區,反滲透濃水將與后續含鹽廢水工藝合并處理。

2.2 工藝介紹

2.2.1 預處理工藝

煤化工廢水因其污染物濃度高,因此處理難度較大,需設計預處理工藝以降低后續工藝的負荷。本項目所設計的預處理工藝如下:

調節池及提升泵房:調節池主要功能是調節水質、水量,各企業排污周期和排污水質均有所差異,通過調節池的均質水質水量的作用,確保后續處理工段進水水質水量穩定,保證處理效率[4]。

提升泵房的主要功能是提升污水,使污水能夠按照流程進入后續的污水處理裝置。

初沉池:進水懸浮物濃度較高,通過初沉池降低污水中的懸浮物,減輕后續處理單元的負荷。初沉池投加PAC和PAM,加速懸浮物的混凝沉淀,增加去除率。

水解酸化:本項目進水為經預處理后的化工廢水,可生化性較差,設置水解酸化池增加污水的可生化性,有利于后續生化處理工藝的高效運行[5]。二沉池污泥回流至水解酸化池,剩余污泥在水解酸化池排出。

2.2.2 生物處理工藝

根據本項目接納污水水質情況,選用A/O法作為生化處理工藝。

A/O法是脫氮除磷的工藝,它是將厭氧水解技術用為活性污泥的前處理,所以A/O法是改進的活性污泥法。

A/O工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯在一起,A段DO不大于0.2 mg/L,O段DO約為2～4 mg/L。在缺氧段異氧菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸,使大分子有機物分解為小分子有機物,不溶性的有機物轉化成可溶性有機物,從而提高污水的可生化性;當這些經缺氧水解的產物進入好氧池進行好氧處理時,提高氧的效率,進而提高有機物的處理效果;在好氧段,異氧菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化游離出氨,在充足供氧條件下,自養菌的硝化作用將氨氮NH3-N氧化為NO3-;通過回流控制硝化液返回至A池,在缺氧條件下,異氧菌的反硝化作用將NO3-還原為分子態氮(N2),完成C、N、O在生態中的循環,實現污水無害化處理[6]。

缺氧池在前,污水中的有機碳被反硝化菌所利用,可減輕其后好氧池的有機負荷,反硝化反應產生的堿度可以補償好氧池中進行硝化反應對堿度的需求,降低運營成本。

好氧在缺氧池之后,可以使反硝化殘留的有機污染物得到進一步去除,提高出水水質。

該工藝的主要優點:

(1)污泥沉降性好,無污泥膨脹問題;出水水質好,并具有一定的耐沖擊負荷能力,運行穩定,管理簡便。

(2)采用鼓風曝氣,氧利用率高,耗電量較低。

(3)碳源利用合理。

(4)設計水深較大,可減少曝氣池占地。

(5)系統可操作性強,可嚴格控制出水水質。

(6)運行、管理經驗成熟。

該工藝的主要缺點:

(1)碳源不足導致氮的去除率不高,需額外投加碳源,提高運營成本。

(2)機械設備相對較多。

A/O池:AO工藝主體部分由缺氧和好氧的生物處理單元組成,二沉池的污泥回流至水解酸化池,好氧池的出水直接進入二沉池,好氧池硝化液回流至缺氧池反硝化,最終實現脫氮的目的。

供氧曝氣采用微孔曝氣方式。本設計所用鼓風微孔曝氣的方式是通過自下而上的流路來實現的,風機送風至曝氣頭釋放后,氣泡經歷的過程是以池底至水面的全過程,池越深其在水中的停留時間越長,氣泡與水體接觸的歷程較長,氧氣的利用率較高。

2.2.3 物化處理工藝

二次沉淀池:二沉池的作用是對生化處理后的混合液進行固液分離,以保證出水水質;排放的污泥一部分作為回流污泥回流到生化池中,另一部分以剩余污泥的形式從系統中排出。

混凝沉淀池:混凝沉淀池的作用是進一步去除水中的懸浮物質,降低水中的溶解性磷酸鹽,同時對水中的COD有一定的去除作用。

混凝的主要機理為向水中加入強氧化劑——次氯酸鈉,通過藥劑的混凝、氧化、吸附等作用進一步去除水中的有機物、磷酸鹽及懸浮物。

中間水池:多介質過濾器進水池及反洗水池。

多介質過濾器:過濾器可以對經過絮凝的污水進行過濾,去除水中的懸浮類、膠體類及含磷絮體等,可以進一步降低污水中的COD、SS(懸浮物)等,從而保證超濾進水水質。

超濾產水池:超濾出水暫存、超濾反洗及一級反滲透進水池。深度處理車間:生產廢水超濾及反滲透裝置,對生化出水進行深度處理,確保出水滿足回用水水質指標。

3 主要構筑物及設計參數

本工藝的主要構筑物及設計參數如下:

(1)調節池及提升泵房。鋼筋混凝土結構,地下式,1座,調節池平面尺寸為40 m×35 m,有效水深為6.0 m,設1套穿孔曝氣系統。提升泵安裝于調節池頂。

(2)初沉池。鋼筋混凝土結構,全地上式,2座,直徑18 m,總高4.5 m。池邊水深為4.2 m,單座設計流量為0.5萬 m3/d,表面負荷為0.75 m3/(m2·h)。每座池上設置1套半橋式中心傳動刮泥機,1.1 kW。

(3)水解酸化池。鋼筋混凝土結構,全地上式,2座,單座構筑物尺寸為25 m×20 m×7.2 m,有效水深6.7 m,每座設計流量為0.5萬 m3/d;水力停留時間為16h。設低速水下推進器,12臺;剩余污泥泵4臺(2用2備);鑄鐵鑲銅圓閘門,2座;指型集水槽,6.5 m×0.25 m×0.5 m,16只。

(4)A/O池。鋼筋混凝土結構,半地上式,2座。每座缺氧區25 m×13 m×6.7 m,2座,有效水深6.2 m;好氧區25 m×40 m×6.7 m,2座,有效水深6 m;設計流量5 000 m3/d,缺氧段停留時間:9.6 h;好氧段停留時間:28.8 h;污泥回流比:100%;混合液回流比:100%～400%。設低速水下推進器,8臺;內循環泵,6臺(4用2備);盤式微孔曝氣器,8 000只。

(5)二沉池。鋼筋混凝土結構,半地上式,2座。每座直徑18 m,總高4.5 m,有效水深4.2 m;每座設計流量0.5萬 m3/d;表面負荷:0.75 m3/(m2·h)。設周邊傳動刮吸泥機,共2臺;排渣斗,2套,與吸泥機配套;污泥回流泵,Q=110 m3/h,H=8.0 m,N=5.5 kW,3臺(2用1備)。

(6)混凝沉淀池。鋼筋混凝土結構,半地上式,1座。混凝段17.0 m×5.0 m,總高4.0 m,有效水深3.5 m;沉淀區直徑21 m,總高4.5 m。有效水深4.2 m;設計流量為1.0萬m3/d;混凝區停留時間:42 min;沉淀池表面負荷:1.2 m3/(m2·h)。設混合攪拌器,2臺;絮凝攪拌器,1臺;中心傳動刮泥機,1臺;剩余污泥泵,2臺(1用1備)。

(7)中間水池。鋼筋混凝土結構,半地上式,1座。構筑物尺寸:7.0 m×7.0 m,總高4.5 m,有效水深4.0 m。多介質過濾器進水泵,5臺(4用1備);多介質過濾器反洗水泵,2臺(1用1備)。

(8)多介質過濾器。鋼制,地上式,單套直徑3.5 m,總高4.0 m,10套,8用2備;設計流量為580 m3/h;設計流速為8 m/h;反洗流量為315 m3/h;單次反洗水量為78.75 m3。多介質過濾器進水泵,10套。

(9)超濾產水池。鋼筋混凝土結構,地上式,1座。產水池尺寸:7.0 m×7.0 m,總高4.5 m,有效水深4.0 m。設超濾反洗水泵,Q=79 m3/h,H=30 m,N=7.5 kW,2臺(1用1備);反滲透進水泵,Q=125 m3/h,H=120 m,N=45 kW,5臺(4用1備)。

(10)深度處理車間一。框架結構,地上式,1座。車間尺寸為50 m×25 m,梁底凈高6.5 m;設計超濾系統設計產水量Q=500 m3/h,設計通量50 m3/h,濃水率10%,反洗周期60 min;反滲透系統產水量7500 m3/d,系統回收率:75%。主要包括超濾系統中空纖維外壓式膜組件,4套,單套44支,共計176支,配套反洗水及反洗氣系統;反滲透系統膜組件4套,膜殼96個,共計576支膜元件;配套增壓泵及藥劑清洗系統。

4 工藝去除效果及運行成本

本工藝的調試由維爾利環保科技集團股份有限公司主導負責完成,自調試完成后,正常運行,各處理單元出水水質見表2。從數據可見,COD在經A/O池處理后,降低了73.7%,最終出水的COD去除率達92%,低于出水水質目標。同時,BOD5、SS、NH3-N、TN、TP的去除率分別高于96%,97%,98%,98%和91%,具有不錯的效益。

表2 各單元出水水質

值得注意的是,在A/O池之前,廢水中的氨氮、總氮和總磷沒有明顯降低,在此之后大幅下降。經分析,在初沉池工藝中投加了絮凝劑和混凝劑,以此來促進廢水中懸浮物的沉降作用,對氮磷的影響較小。此外,水解酸化工藝中,水解菌和酸化菌將不溶或難溶性大分子分解成可溶性的小分子,主要以破壞有機大分子的結構為主,這與常規結論相符[7-8]。在經水解酸化后,廢水進入A/O池,分別經過厭氧和好氧菌的硝化和反硝化作用,含氮磷的污染物被消耗,達到降解的目的。

運行成本估算見表3,根據計算結果,運行成本為3.86元/t。根據表中數據,整個工藝運行過程中,產生的主要費用為電費以及人工費,共占總成本的43%;工藝中所使用的所有藥劑費用共為1.60元/t,占比41.53%。該工程每年運行成本約1 408.9萬元。

表3 運行成本估算

5 結論

本文展示的典型煤化工工業園區生產廢水在經“初沉池+水解酸化池+A/O生化池+二沉池+混凝沉淀池+多介質過濾+超濾+反滲透”工藝處理后,出水水質可以達到《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050—2007)所規定的指標,滿足后續含鹽廢水處理的進水水質需求,該工藝為工業水零排放夯實了前期處理基礎,為煤化工、煤焦化等多種領域上的廢水資源化回收利用提供了廣闊思路。