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)

我國是煤炭大國，不僅儲量豐富、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于社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。我國煤化工的所在地，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，不同化工廠的廢水水質(zhì)存在很大差別[2]總體來說，煤化工廢水具有高COD高氨氮低C/N的特點[3]。

1 HBF工藝

結(jié)合煤化工生化段水質(zhì)特點和處理要求，泓濟(jì)公司開發(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，其實質(zhì)是兩級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)勢微生物的生長繁殖創(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、運行費用低、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程及硝化反應(yīng)，由于平板填料的存在還實現(xiàn)了同步硝化反硝化反應(yīng)，有超過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污泥泵回流到前置缺氧區(qū)，污泥回流用于強(qiáng)化整個系統(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

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

(1)工藝流程簡單，土建和投資低，無二沉池，自動化程度高。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，但對于整座序批沉淀池，實現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)、出水，使整個工藝出水連續(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，這延長了空氣與水、微生物的傳質(zhì)時間。同時，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)荷運行的條件，這也是HBF工藝的優(yōu)勢所在。

(4)固液分離效果好，剩余污泥產(chǎn)量較少，污泥處理與處置費用降低。剝落的生物膜污泥所含原生動物成分較多、比重較大，且污泥顆粒個體較大，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，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，沉淀條件好，反應(yīng)器內(nèi)可積累較高的污泥濃度，因此無需設(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，硝化和反硝化過程可有機(jī)結(jié)合并同時進(jìn)行，從而能降低系統(tǒng)在硝化、反硝化過程中發(fā)生的pH變化，減少脫氮過程對碳源和堿度的需求，脫氮程度高、效果穩(wěn)定。同時，工藝通過專門的缺氧反應(yīng)區(qū)加強(qiáng)了反硝化過程，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)動力學(xué)原理，采用多池串聯(lián)或并聯(lián)運行，使污水在反應(yīng)器的流動呈現(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 項目概況

2.1 項目簡介

本文所述項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)實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級項目配套污水處理工程，項目由上海泓濟(jì)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰境邪?。污水來源為車間生產(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)計水量水質(zhì)

本項目污水處理規(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，已有類似工程表明，廢水通過生化作用可使出水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)，但其濃度過高會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，出水氨氮可穩(wěn)定在低于2 mg/L的濃度，滿足排放要求。雖然本系統(tǒng)進(jìn)水氨氮濃度較高，但通過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

石油類主要來自生產(chǎn)區(qū)地面沖洗水、庫存罐區(qū)沖洗水以及壓縮機(jī)含油水，該部分污水水量較大，由于其排放時間較短，如不預(yù)處理會對后續(xù)的生化系統(tǒng)造成沖擊，影響微生物的絮凝及吸氧過程，降低生物反應(yīng)效率。根據(jù)已有工程運行經(jīng)驗，可將這類廢水先投入隔油池，經(jīng)簡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，長期運行將造成惰性物質(zhì)包裹活性物質(zhì)(微生物)，使處理效果出現(xiàn)周期性波動。當(dāng)廢水中惰性物質(zhì)累積量超過活性物質(zhì)自身增殖能力時，一些長泥齡的微生物在系統(tǒng)內(nèi)將會隨著排泥而流失。而對于本系統(tǒng)，脫氮所需硝化菌屬于長泥齡微生物，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)及相似廢水運行經(jīng)驗看，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)垢會造成管道有效過水流量降低，增加運行阻力，從而增加運行能耗。同時，如果對硬度沒有進(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

硫化物對微生物具有一定的毒性，但同時又是較強(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，綜合廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)前，通過設(shè)置混凝沉淀預(yù)處理也能去除大部分硫化物。剩余硫化物不會對生化系統(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

本項目廢水中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，對出水總氮要求較高，本項目采用泓濟(jì)環(huán)保特有的兩級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 運行結(jié)果

2.4.1 出水水質(zhì)

項目通水后，水質(zhì)、水量逐步達(dá)到設(shè)計值，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對污染物的去除率如圖3所示。

圖3 HBF對污染物去除率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 實際出水水質(zhì)Tab.3 Measured Effluent Water Quality

2.4.2 廢水處理費用

整套工藝運營成本為2.62元/m3，包含污泥脫水費用，不包含人工成本。其中，電費為1.24元/m3，藥劑費用為1.38元/m3，含軟化藥劑費。

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)及運行費用較低的特點。

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

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

[3]俞彬,陳廣升,王玉慧,等.A/O+BAF工藝處理高氨氮煤化工廢水[J].中國給水排水,2013, 29(6):81-84.

[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)計與應(yīng)用[C].上海市化學(xué)化工學(xué)會2013年度學(xué)術(shù)年會,2013.