王昊文(中石化上海工程有限公司,上?!?00120)
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AO-MBR工藝在石化污水深度處理中的應(yīng)用
王昊文
(中石化上海工程有限公司,上海200120)
摘 要針對某石油化工企業(yè)污水處理車間外排污水量大且出水水質(zhì)無法達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)的問題,通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)論證及方案比選,選定以缺氧-好氧(A / O)+ 膜生物反應(yīng)器(MBR)為主體的工藝技術(shù)對低鹽石化污水進(jìn)行深度處理。工程投產(chǎn)運(yùn)行后證明:經(jīng)過以A/O+MBR為主體的工藝單元處理,最終出水COD≤60 mg/L,氨氮≤10 mg/L,總氮≤15 mg/L,懸浮物≤10 mg/L,滿足污水回用于循環(huán)冷卻水的水質(zhì)要求,對用地緊張的石化企業(yè)的節(jié)能減排工作具有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞缺氧-好氧工藝; 膜生物反應(yīng)器; 污水深度處理
某石油化工股份有限公司位于華東地區(qū),于上世紀(jì)70年代開始建設(shè),經(jīng)多次改造,現(xiàn)為一家原油綜合加工16 000 kt/a、乙烯845 kt/a的大型石油化工企業(yè)。公司污水處理車間由2套除油預(yù)處理裝置、3套污水生化處理裝置組成,經(jīng)車間處理后的外排污水量約1.1×105m3/d,水質(zhì)滿足污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因外排污水量較大,對環(huán)境有一定影響,公司本著環(huán)境友好的理念,決定對部分外排污水進(jìn)行深度處理并作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水回用。
通常石化企業(yè)優(yōu)先選擇較容易處理的低鹽污水處理后回用,根據(jù)《煉化企業(yè)節(jié)水減排考核指標(biāo)與回用水質(zhì)控制》(QSH 0104—2007)中對污水回用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)要求,COD、氨氮、石油類、懸浮物、氯離子、電導(dǎo)率等污染因子均為判定處理后污水能否回用的重要指標(biāo)。
對于COD、氨氮、石油類等常規(guī)污染物,采用生物降解工藝處理是當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)且可靠的方式,但生化處理對污水中的鹽類或電導(dǎo)率則無任何去除效果。鑒于污水回用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)中對氯離子、電導(dǎo)率的明確限值要求,工程前期先對企業(yè)生產(chǎn)過程中排放的污水水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查,優(yōu)先考慮采用低鹽污水作為回用污水水源。通過調(diào)查,來自芳烴部、儲(chǔ)運(yùn)部、烯烴部、煉油部、精細(xì)化工部、塑料部的部分生產(chǎn)裝置或車間排放的污水電導(dǎo)率較低,目前與生活污水混合后進(jìn)入1#除油預(yù)處理裝置及3#污水生化處理裝置處理,詳細(xì)排污情況見表1。
1#除油預(yù)處理裝置采用渦凹+溶氣氣浮工藝,3#污水生化處理裝置采用硝化+反硝化+曝氣工藝,裝置處理水量約2.4×104m3/d。通過定期監(jiān)測,3#污水生化處理裝置出水水質(zhì)情況如表2所示。
分析表2中的3#污水生化處理裝置出水水質(zhì),存在COD超出污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的情況,因此無法直接排放。目前車間運(yùn)行中3#污水生化處理裝置出水送至1#污水處理裝置與高鹽污水混合后再進(jìn)行一次生化處理,出水雖達(dá)標(biāo),但處理流程的加長導(dǎo)致了運(yùn)行費(fèi)用的增加。3#污水生化處理裝置出水中的其他污染物濃度均較低,可滿足污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但距離污水回用指標(biāo)尚有一定差距。需特別指出的是出水中氯離子及電導(dǎo)率滿足《煉化企業(yè)節(jié)水減排考核指標(biāo)與回用水質(zhì)控制》(QSH 0104—2007)中污水回用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo),若考慮對此污水進(jìn)行深度處理回用,則無需額外增設(shè)除鹽設(shè)施。
綜上所述,3#污水生化處理裝置的低鹽低濃度出水可考慮作為污水深度處理回用的水源。
表1 裝置或車間排污情況Tab. 1 Effluent summary in production
表2 3#污水處理裝置出水水質(zhì)一覽Tab. 2 Quality of effluent from 3# WWTP
表3 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)一覽Tab. 3 Water quality of design influent and effluent
2.1設(shè)計(jì)深度處理規(guī)模及能力
根據(jù)3#污水處理裝置出水情況,深度處理裝置設(shè)計(jì)規(guī)模定為1 000 m3/h,設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表3。
2.2工藝技術(shù)方案比選
2.2.1比選方案選擇
擬進(jìn)行比選的工藝方案如下,工藝流程見圖1、圖2。
方案一:采用A/O +膜生物反應(yīng)器(MBR)處理工藝,見圖1。
方案二:采用A/O+臭氧+曝氣生物濾池(BAF)+砂濾處理工藝,見圖2。
以上兩種方案均針對3#污水處理裝置出水水量穩(wěn)定、進(jìn)水B / C較差、污染物濃度不高的特點(diǎn)而選取,為最具有代表性的污水深度處理工藝技術(shù)路線,具有各自特色,總體上均符合以下幾項(xiàng)要求:
(1)工藝技術(shù)先進(jìn),高效節(jié)能,處理效率高,出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo);
(2)所選工藝需有較強(qiáng)的抗沖擊能力,從而保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo);
(3)由于在現(xiàn)有車間內(nèi)進(jìn)行建設(shè),提供場地有限,采用的工藝應(yīng)在滿足工藝要求的前提下盡可能少占地;
(4)鑒于深度處理后的污水需全部回用,回用水的得水率均較高;
(5)從操作角度考慮選擇易于操作管理的處理工藝。
圖1 方案一工藝主流程Fig. 1 Process flow diagram of proposal 1
圖2 方案二工藝主流程Fig. 2 Process flow diagram of proposal 2
2.2.2比選工藝方案特點(diǎn)
方案一:A / O+膜生物反應(yīng)器(MBR)作為處理系統(tǒng)的主體工藝,它結(jié)合了膜分離和生化技術(shù),并強(qiáng)化了生化處理效果。MBR因反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高、生物種群完備而具備膜分離不受活性污泥惡化、解體影響等特點(diǎn)[1]。工藝對COD、氨氮、總氮去除效果均佳,具有耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。雖然膜法不可避免存在一次性投資高、頻繁反洗等缺點(diǎn),但考慮到源水水質(zhì)較好,可適當(dāng)降低清洗頻率,膜壽命也可視使用情況而適當(dāng)延長。
方案二:臭氧+曝氣生物濾池(BAF)+砂濾的污水深度處理工藝在多地已經(jīng)有成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),其COD、氨氮去除效果很好,但考慮到本項(xiàng)目對出水中總氮控制,而曝氣生物濾池(BAF)去除總氮的能力又較差,因此需在前端增設(shè)A / O段,主要用于去除總氮。由于硝化菌及反硝化菌在A / O池中處于弱勢地位,為保證硝化反應(yīng)完全,需確保一定的停留時(shí)間,相應(yīng)的A / O池容積也將增加。曝氣生物濾池(BAF)及砂濾反洗時(shí)產(chǎn)生一定量的反洗廢水,可回到污水深度處理裝置前端自行處理。
2.2.3比選工藝方案組成
兩套方案的組成對比見表4。
通過表4可以看出,方案一組成內(nèi)容明顯較少,生化處理水池容積也較小。分析其原因,MBR工藝采用的超濾膜近乎百分之百的菌種隔離作用可使膜分離池中的污泥濃度達(dá)到7.5 g / L以上,前端A / O池內(nèi)污泥濃度也可達(dá)6 g / L,污泥中的微生物種群更加完善、豐富,不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力,出水更加穩(wěn)定不易受污泥惡化的影響,提高了A / O池的負(fù)荷能力,而且大大減少了所需的水池容積。同時(shí)超濾膜通過吸附、過濾作用將污泥以及大分子溶解性有機(jī)物截留,很高的污泥濃度外加很長的停留時(shí)間,較難降解的有機(jī)物也逐漸被氧化,最終使膜生物反應(yīng)器在末端無高級(jí)氧化處理的情況下也有著很高的出水水質(zhì)[2]。
相比較之下,方案二A / O池內(nèi)污泥補(bǔ)充來自于后段沉淀池,故其濃度僅可保持在3g / L上下。單純的A / O工藝很難降解大分子、長化學(xué)鏈的有機(jī)物質(zhì),需將污水送入臭氧接觸池與臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧進(jìn)行反應(yīng),將其中污染物氧化分解為易于生化的小分子、短鏈的有機(jī)物,氧化后的污水經(jīng)臭氧穩(wěn)定池將臭氧及氧化性中間產(chǎn)物基本分解后再提升至曝氣生物濾池(BAF)。曝氣生物濾池(BAF)出水中懸浮物濃度較高,流砂過濾器可將污水中的懸浮物截留,最終獲得合格的回用水[4]。同時(shí)曝氣生物濾池(BAF)及流砂過濾器反洗還會(huì)產(chǎn)生一部分廢水,送回至污水深度處理裝置前端進(jìn)行處理,無形中又加大了處理規(guī)模,因此該套工藝占地、能耗、投資均有所上升。
表4 方案組成對比Tab. 4 Comparison table of components in proposal
2.2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比
兩個(gè)方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析見表5。因方案組成內(nèi)容不同,故兩個(gè)方案的占地、投資、經(jīng)營成本、用電情況均存在較大差異,以簡單緊湊的方案一更具有經(jīng)濟(jì)性。
表5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比Tab. 5 Comparison table of technology and economic
2.2.5工藝方案選定
通過對工藝特點(diǎn)的分析,兩套方案出水均可滿足回用標(biāo)準(zhǔn)要求且具有各自特點(diǎn),其綜合比較情況見表6。
根據(jù)表6可知,方案一具有先進(jìn)精簡處理工藝以及較小建設(shè)規(guī)模帶來的設(shè)備數(shù)量優(yōu)勢,使得其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上更勝一籌。同時(shí)項(xiàng)目實(shí)施還必須面對的一個(gè)問題是因建廠時(shí)間較早,污水處理車間內(nèi)可用場地已為數(shù)不多,方案一占地僅7 000 m2,其面積小的優(yōu)勢在項(xiàng)目實(shí)施可能性中得到了充分發(fā)揮。因此選定方案一 A / O+膜生物反應(yīng)器(MBR)處理工藝作為深度處理裝置的主體工藝方案。
3.1進(jìn)水池
地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1座,有效容積1 300 m3。
提升水泵3臺(tái)(2用1備),Q = 500 m3/ h,H = 15 m。
3.2缺氧池
半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1座,總有效容積3 200m3,水力停留時(shí)間3.2 h。
池中溶解氧0.2~0.3 mg / L;氧化還原電位- 60~100 mV;pH控制在6.5~7.5;污泥濃度MLSS 6 g / L;污泥負(fù)荷(COD/MLSS)0.037 5 kg /(kg ·d);容積負(fù)荷(COD)0.225 kg /( m3·d)。
3.3好氧池
半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1座,總有效容積5 400 m3,水力停留時(shí)間5.4 h。
好氧池曝氣量270 m3/ min;溶解氧2~4 mg / L;pH控制在6.5~8;污泥濃度約6 g / L;污泥負(fù)荷(COD/MLSS)0.044 kg / (kg·d);容積負(fù)荷(COD)0.267 kg /(m3·d)。
好氧池配4臺(tái)離心風(fēng)機(jī)(3用1備),單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量Q = 90 m3/ min,ΔP = 63 kPa。
3.4膜分離池
半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1座,總有效容積2 000 m3,分成8格并聯(lián)運(yùn)行。
膜分離內(nèi)污泥濃度約7.5 g / L,污泥負(fù)荷(COD /MLSS)0.048 kg /(kg·d);容積負(fù)荷(COD)0.36 kg /(m3·d)。
單套膜組件膜面積1 650 m2,共32套,總面積52 800 m2,運(yùn)行時(shí)膜通量為18.9 L / m2·h。
共12臺(tái)膜產(chǎn)水泵(8用4備),單臺(tái)泵流量Q = 200 m3/ h,H = 15 m。
表6 綜合對比Tab. 6 Comprehensive comparison
曝氣量300 m3/ min,膜組件自身底部裝有曝氣設(shè)施,由配套的4臺(tái)(3用1備)膜池風(fēng)機(jī)供風(fēng),單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量Q = 100 m3/ min,ΔP = 53 kPa。膜組件曝氣風(fēng)量目前控制在12 000 m3/ h(2臺(tái)風(fēng)機(jī)全開),根據(jù)隨著污泥濃度的提高、膜的運(yùn)行等情況,曝氣量將提高至14 000 m3/ h。
5臺(tái)污泥回流泵(4用1備),單臺(tái)泵流量Q = 500 m3/ h,H = 13 m,回流比根據(jù)調(diào)試情況控制在120% ~ 200 %。
3.5清水池
半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)1座,有效容積2 484 m3。
消毒采用濃度為10 %的次氯酸鈉溶液,投加量為120 L / h。
4.1工程調(diào)試
項(xiàng)目于2015年1月初竣工,隨后進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)試階段。工程調(diào)試重點(diǎn)為缺氧好氧及膜組件的運(yùn)行調(diào)試。因膜組件不可長時(shí)間暴露于空氣,因此調(diào)試工作將在缺氧好氧池及膜分離池中同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)各單元特點(diǎn),將調(diào)試工作劃分為污泥培養(yǎng)、膜組件抽吸調(diào)試、膜清洗調(diào)試。
(1)污泥培養(yǎng)
缺氧好氧池及膜分離池的污泥培養(yǎng)采用接種污泥法,接種污泥取自鄰近1#污水生化處理裝置氧化溝,每座池體接種污泥的數(shù)量約為單池有效容積的30 %,污泥接種完畢后注入主要由低濃度生產(chǎn)污水及生活污水勾兌而成的混合污水并進(jìn)行曝氣處理,悶曝時(shí)間約2 d。培養(yǎng)初期,每2 d停止一次曝氣,排出1 / 3的上清液后補(bǔ)充混合污水再開始悶曝。對排出的上清液進(jìn)行分析,通過其中的COD、氨氮的去除率初步判斷池內(nèi)微生物的生產(chǎn)狀況。通過約3周的培養(yǎng),并通過生物相跟蹤鏡檢,發(fā)現(xiàn)微生物增長已從對數(shù)期過渡至穩(wěn)定期,補(bǔ)充的營養(yǎng)物質(zhì)滿足微生物的增值需要,同時(shí)微生物的衰亡速度也逐漸與增長速度持平,整個(gè)生化系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定,污泥培養(yǎng)工作至此基本完成。
(2)膜組件調(diào)試
與膜組件運(yùn)行有關(guān)的所有設(shè)備均需接入至PLC,由電腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。膜組件的運(yùn)行方式采用間歇運(yùn)行方式,即產(chǎn)水-停歇-產(chǎn)水-停歇-產(chǎn)水……膜組件安裝入池后即開始加入清水浸泡,24 h后可進(jìn)行抽水調(diào)試,回用水抽吸過程運(yùn)行7~10 min,膜產(chǎn)水泵啟動(dòng)時(shí),相應(yīng)氣動(dòng)閥開啟,清水通過管路抽出,管路上設(shè)有壓力變送器、氣動(dòng)閥、流量計(jì)、濁度儀,連續(xù)運(yùn)行7 min后,膜產(chǎn)水泵停止運(yùn)行40~60 s,關(guān)閉真空系統(tǒng)氣動(dòng)閥及膜出水管路上氣動(dòng)閥,此時(shí)進(jìn)行膜反洗,反洗之后再進(jìn)行到產(chǎn)水過程,如此重復(fù)運(yùn)行。格膜分離池內(nèi)的膜組件先單條產(chǎn)水線進(jìn)行調(diào)試,并記錄產(chǎn)水量,最后再進(jìn)行整體調(diào)試,同時(shí)通過流量計(jì)計(jì)量總出水量,根據(jù)設(shè)計(jì)水量要求適當(dāng)緩慢提高運(yùn)行時(shí)間,最終使出水量達(dá)到1 000 m3/ h。
(3)膜清洗調(diào)試
膜組件反洗使用清水池內(nèi)的清水,通過PLC組態(tài)對膜反洗泵、氣動(dòng)閥門進(jìn)行自控控制,每15~20 min反洗1次,每次30~45 s,反洗流量200 ~ 250 m3/ h。
運(yùn)行中膜組件定期進(jìn)行維護(hù)性清洗,通過PLC組態(tài)對膜反洗泵、氣動(dòng)閥門、次氯酸鈉加藥裝置、檸檬酸加藥裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,反沖洗用的清水中加入藥劑。加藥頻率次氯酸鈉2 d 1次,檸檬酸7~8 d 1次,調(diào)試階段每天進(jìn)行4個(gè)池的次氯酸鈉維護(hù)性清洗和1個(gè)池的檸檬酸維護(hù)性清洗。維護(hù)性清洗采用停曝氣、低水量(140 ~ 150 m3/ h)加藥(60~80 s)、短暫浸泡(5~8 min),如此自動(dòng)循環(huán)4~6次。
在膜運(yùn)行中需控制跨膜壓差控制在小于30 kPa左右,如壓差升的比較快,需檢查原因,如考慮調(diào)整維護(hù)性清洗的藥劑濃度及時(shí)間。
4.2工程運(yùn)行結(jié)果
污水深度處理裝置試運(yùn)行2個(gè)月后,正式交付給車間,由其負(fù)責(zé)運(yùn)行生產(chǎn)。經(jīng)監(jiān)測機(jī)構(gòu)檢測,裝置出水中的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到且優(yōu)于《煉化企業(yè)節(jié)水減排考核指標(biāo)與回用水質(zhì)控制》(QSH 0104—2007)中污水回用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)。經(jīng)過近8個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行,目前整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)參數(shù)無明顯異常波動(dòng)。外排污水深度處理裝置實(shí)際出水情況見表7。
4.3工程投資與運(yùn)行費(fèi)用
項(xiàng)目工程總投資約7.318×107元,項(xiàng)目建成后年總成本費(fèi)用為2.067 36×107元 / a,折2.36元 / t污水,其中藥劑采購及外購燃料動(dòng)力費(fèi)用1.302 5×107元,折合1.49元 / t污水。折舊、維修、其他費(fèi)用等7.648 6×106元,折合0.873元 / t污水。年經(jīng)營成本1.506 72×107元。
隨著工程的建成運(yùn)行,每年可為該石化企業(yè)增加提供8.76×107kt的回用水,減少了用于循環(huán)水場補(bǔ)水的工業(yè)水消耗,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益;另一方面,該企業(yè)每年將減少8.76×107kt的污水排放,減輕了污水外排對環(huán)境造成的污染,具有良好的社會(huì)效益。
表7 實(shí)際出水水質(zhì)一覽Tab. 7 Quality of effluent in reality
(1)工程實(shí)例說明缺氧 / 好氧(A / O)+膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝應(yīng)用于石化污水深處處理是可行的。石化企業(yè)排放的低鹽污水經(jīng)過一級(jí)生化處理后可生化性一般,通過A / O + MBR工藝進(jìn)行深度處理,水中較難降解的溶解性有機(jī)物被微生物攝取、分解代謝后,污水再通過膜生物反應(yīng)器截留大分子有機(jī)物及懸浮物,同時(shí)持續(xù)進(jìn)行生化處理,最終使出水水質(zhì)滿足回用要求。
(2)工程驗(yàn)證了MBR工藝污泥濃度高、水力停留時(shí)間短、污泥停留時(shí)間長的突出優(yōu)點(diǎn)。其高效性及低占地對用地緊張的石化企業(yè)節(jié)能減排工作具有一定的指導(dǎo)及推動(dòng)作用。絕大部分易降解的有機(jī)物被A / O系統(tǒng)中的微生物降解;MBR系統(tǒng)中的膜則通過吸附、過濾作用將污泥以及大分子溶解性有機(jī)物截留,很高的微生物濃度外加很長的污泥停留時(shí)間,較難降解的有機(jī)物也逐漸被氧化,最終使膜生物反應(yīng)器有著很高的出水水質(zhì)[3]。
(3)部分考慮污水提標(biāo)排放的現(xiàn)有工廠可考慮采用該工藝。根據(jù)建成的深度處理裝置實(shí)際運(yùn)行情況,出水已能夠達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)基本控制項(xiàng)目最高允許排放濃度一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)于設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行的《煉化企業(yè)節(jié)水減排考核指標(biāo)與回用水質(zhì)控制》(QSH 0104—2007)中污水回用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)。
(4)MBR中膜可有效截留硝化細(xì)菌,保護(hù)了處于弱勢的硝化菌種,從而在有限的容積內(nèi)確保了較好的硝化反應(yīng),相比水力停留時(shí)間較長的AO段,有限停留時(shí)間的MBR對NH3-N的去除效率仍可保持較高水平[3]。
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Wang Haowen
(SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120)
Abstract:For the purpose of recycling the wastewater discharging from petrochemical plant, the technology by using Anoxic/Oxic + Membrane Bio-Reactor was applied in further treatment. It has been proved from production practice that after being treated with the process in which A/O+MBR is used as main technology, in the finally discharged water, COD ≤ 60 mg/L, NH3-N ≤ 10 mg/L, TN ≤ 15 mg/L and SS ≤ 10 mg/L, which reaches the requirement for cycle used cooling water from waste water. The technology mentioned herein may be used in energy saving and emission reduction for petrochemical enterprises there is short of ground.
Keywords:anoxic/oxic; membrane Bio-Reactor; advanced waste water treatment
作者簡介:王昊文(1983—)男,工程師,主要從事石油化工污水處理工程設(shè)計(jì)工作。
收稿日期:2015-08-18
中圖分類號(hào):TQ 085+.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):2095-817X(2015)06-0061-000