12 000 m3/d煤制油廢水處理及回用項目一期工程設(shè)計探討和實踐

王浩

上海泓濟環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?上海 200433)

步入新世紀(jì)，溫室氣體治理、節(jié)能[1]、清潔能源開發(fā)與利用、污染治理得到更多共識和更大支持。作為煤清潔利用的手段，現(xiàn)代煤制油產(chǎn)業(yè)對提高我國部分地區(qū)空氣質(zhì)量優(yōu)良率、保護人民健康具有非常重要的作用。我國煤化工產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅猛，環(huán)保問題尤其是廢水處理問題日益成為焦點和對煤化工產(chǎn)業(yè)的制約點[2]，亟待更好的解決方案和經(jīng)驗。

1 煤制油廢水處理進展概況

煤制油廢水指經(jīng)汽提、脫酚裝置處理后的出水，主要包括煤液化、加氫精制、加氫裂化及硫磺回收等裝置排出的含硫、含酚廢水，主要特點是化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(無機氨為主)質(zhì)量濃度較高[3]。考察近年國內(nèi)外針對煤制油廢水和煤化工廢水的不同處理單元組合、新工藝開發(fā)和參數(shù)優(yōu)化等方面的部分研究[4-8]，目前煤制油廢水處理主要包括以下單元：

(1)預(yù)處理。主要是將廢水中的油性物質(zhì)分離出來，包括懸浮油和乳化油的分離。這一環(huán)節(jié)的效果直接影響后續(xù)的生化處理。主要的預(yù)處理方法多為隔油、沉淀，但隔油效果并不好，無法做到回收利用，過量的乳化油影響生化單元的運行安全。近年來氣浮法使用有所增加，澄清和混凝也開始受到關(guān)注。

(2)生化處理。有機物和氮的去除主要基于生物方法，通常采用活性污泥法；傳統(tǒng)工藝往往停留時間過長，容易出現(xiàn)污泥膨脹和流失的問題。此外，氨氮去除也是大問題。因此開始探索厭氧處理法、厭氧－好氧聯(lián)合處理法，相應(yīng)的設(shè)計經(jīng)驗和組合創(chuàng)新特別重要，出現(xiàn)了對生物活性炭法(PACT)、固定床生物膜反應(yīng)器(FBBR)等的探索。

(3)深度處理。難降解有機物的存在使生化處理出水COD、色度難以達標(biāo)，需進一步處理。深度處理方法主要有混凝沉淀法、吸附法、催化氧化法及膜處理技術(shù)。目前高級氧化法因成本等原因限制了其大規(guī)模應(yīng)用，混凝沉淀法、活性炭吸附、過濾相關(guān)技術(shù)表現(xiàn)較穩(wěn)定。膜處理技術(shù)如果能設(shè)計好前面的保護單元，則應(yīng)用前景非常廣泛。

同時，各單元的有機整合、各股廢水的分治與合治，也是煤制油廢水處理設(shè)計與工程實踐需要考慮的重要方面。

2 項目總體情況

2.1 項目概況

山西省某100萬t/a煤制油項目，利用礦區(qū)高硫煤和化工廢氣，年產(chǎn)氨醇240萬t、清潔燃料100萬t。廢水處理規(guī)模為24 000 m3/d，一期工程建設(shè)規(guī)模為12 000 m3/d。全廠生產(chǎn)生活廢水包括甲醇廠區(qū)生活及化驗廢水、氣化廢水、變換廢水、脫硫脫碳廢水、精餾廢水、地面沖洗水廢水及初期雨水。為適應(yīng)國家和地方對環(huán)境保護的要求，出水水質(zhì)須優(yōu)于GB 50335—2016《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的再生水用作循環(huán)水補充用水及城鎮(zhèn)雜用水的水質(zhì)要求。

2.2 項目難點

(1)項目進水來源很多，排放規(guī)律各不相同，水質(zhì)水量差異很大，對每股廢水的集中、分治，重力或壓力輸入，需全盤考慮。

(2)項目主要污染物為有機污染物、氨氮、總氮、懸浮物(SS)和硬度(鈣鎂)、氰化物、硫化物、石油類等。特別是CODcr和NH3-N質(zhì)量濃度高，使工程設(shè)計和運行難度加大。國內(nèi)大多數(shù)該類廢水CODcr質(zhì)量濃度一般在1 000 mg/L左右或更低[3-4]。高CODcr質(zhì)量濃度帶來的問題是處理單元多、處理流程長，各單元的銜接優(yōu)化、總體工程造價、運行成本的控制難度加大。

(3)項目進水NH3-N質(zhì)量濃度高及含有對微生物有毒的物質(zhì)會影響生物處理的設(shè)計、運行，需要考慮如何選用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理、合理的均化措施、穩(wěn)妥的脫氮工藝。

以上難點結(jié)合在一起，使該項目的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性和一定的參考價值。

3 工程設(shè)計

3.1 水量、水質(zhì)

3.1.1 設(shè)計進水水量水質(zhì)

對各股污(廢)水水質(zhì)水量進行加權(quán)計算，得到的設(shè)計進水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計進水水質(zhì)mg/L

3.1.2 設(shè)計出水水質(zhì)

部分直排出水水質(zhì)需滿足表2要求。

廢水經(jīng)處理后要求達到75%的回用率，這部分出水回用作甲醇制汽油(MTG)及甲醇廠區(qū)循環(huán)水補充水，其水質(zhì)應(yīng)滿足GB 50335—2016規(guī)定的再生水用作循環(huán)水補充用水及城鎮(zhèn)雜用水的水質(zhì)要求(見表3)，回用水水壓應(yīng)不小于0.4 MPa。

表2 直排水出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) mg/L

表3 回用水水質(zhì)要求mg/L

3.2 工藝流程

3.2.1 主要思路

根據(jù)該工程各股廢水水質(zhì)水量特點，對甲醇廠區(qū)生活及化驗廢水、地面沖洗水及初期雨水，采用重力流輸送至污水處理界區(qū)。將氣化廢水、變換廢水、脫硫脫碳廢水、精餾廢水加壓通過外管架送至污水處理界區(qū)。同時，綜合考慮廢水處理難點，結(jié)合煤制油廢水處理技術(shù)科研進展情況及科學(xué)研究與工程落地的差異，針對性地提出以下治理工藝：各原廢水→綜合廢水調(diào)節(jié)池→預(yù)處理(混凝沉淀)→生化處理［上流式厭氧污泥床+混合生物固定膜(UASB+HBF)］→回用水處理(高密池+過濾+雙膜+消毒)→回用。

工藝流程如圖1所示。廢水經(jīng)軟化、混凝沉淀預(yù)處理后，進入UASB+HBF生化處理，高效去除有機物和總氮，然后進入高密池和V型濾池進一步去除懸浮物以降低濁度；選擇超濾+納濾的雙膜系統(tǒng)作為水質(zhì)保障的最后一環(huán)，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)。

圖1 煤制油廢水處理工藝流程

3.2.3 主要水處理單元

(1)水量水質(zhì)調(diào)節(jié)

生活污水及地面沖洗水在相對集中的時段排放，但其水量權(quán)重不大，對整個系統(tǒng)沖擊較小，初期雨水受降雨強度影響較大，需足夠的調(diào)蓄能力防止水量對系統(tǒng)的沖擊。

超過60%的廢水量主要由氣化廢水構(gòu)成，排放相對均勻，其CODcr總量占總排放量的85%以上，氨氮總量占總排放量的50%以上，因此對氣化廢水的調(diào)節(jié)是整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵。變換廢水盡管水量小，但有機物質(zhì)量濃度高，且毒性物質(zhì)濃度高，氨氮總量占總排放量的40%以上，硫化物及氰化物占較高權(quán)重。變換廢水排放不規(guī)律，如果直接與其他廢水混合可能導(dǎo)致綜合廢水短期內(nèi)氨氮、氰化物、硫化物質(zhì)量濃度過高，使生化系統(tǒng)遭到破壞。因此先對該股廢水進行單獨收集，再提升進入綜合調(diào)節(jié)池，進行充分混合。調(diào)節(jié)池按一期設(shè)計水量停留時間不少于24 h進行設(shè)計。同時設(shè)置事故池，接納生產(chǎn)不正常時事故來水。

(2)UASB池

考慮到負(fù)荷、進水濃度和上升流速的影響，采用一定比例的厭氧出水回流來稀釋進水中的有毒物質(zhì)，提高抗沖擊負(fù)荷能力。

朗讀是書面語言的有聲化，是通過清晰響亮的聲音，利用各種語言手段，完善表達作品內(nèi)容感情的語言藝術(shù)，它是小學(xué)生完成閱讀起點的基本功。就低年段語文學(xué)習(xí)而言，朗讀是最重要的教學(xué)形式。識字教學(xué)包括識字與寫字，識字就是教師指導(dǎo)學(xué)生知道字的讀音，做到會讀，讀準(zhǔn)，并知道字的由來和字的意思。寫字是學(xué)生能將字寫正確，寫好看，寫字姿勢端正。朗讀與識字是低年級語文教學(xué)的重中之重。如何將二者有機地整合起來，用不同形式的朗讀來激發(fā)學(xué)生的識字興趣，反過來在識字教學(xué)中促進學(xué)生的朗讀水平，從而提高低年段語文教學(xué)效率，是每個低年段語文老師需要思考的問題。

UASB反應(yīng)器底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量活性較高的厭氧污泥吸附分解污水中的有機物，生成沼氣；沼氣、污泥和水一起上升進入三相分離器。三相分離器設(shè)計較為成熟，針對該項目，進行了充分論證和精細(xì)設(shè)計，使其具有很好的分離效果。沼氣統(tǒng)一經(jīng)導(dǎo)管導(dǎo)出，污泥沿斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累；出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出。

該項目UASB具有如下特點：污泥沉淀與外循環(huán)回流一體；高徑比大，占地面積??；采用多點式布水器，布水更均勻；運行費用低，抗沖擊負(fù)荷能力強。

(3)HBF池

HBF工藝是以生物反應(yīng)動力學(xué)、固液分離原理及科學(xué)的水力設(shè)計為基礎(chǔ)開發(fā)的組成簡單、運行靈活、可靠性好的廢水處理新工藝。圖2所示的新型酶浮填料具有“雙層膜”和“空隙層”的特殊結(jié)構(gòu)，經(jīng)離子化材料及親水高分子共混改性，耐酸、耐堿，表面帶正電荷，使微生物在載體表面更易附著、固定；有很好的機械強度，不易發(fā)生破損。因此可將原有占地面積較大的連續(xù)流二沉池優(yōu)化為交替出水序批斜板沉淀池，出水前靜置沉淀及斜板過濾提升水質(zhì)并節(jié)省占地，尤其適用于占地面積小、處理要求高的廢水處理工程。該項目生化出水對COD和總氮要求較高，因此HBF具體選擇改進型兩段A/O(厭氧-好氧)設(shè)計。出水COD質(zhì)量濃度可降至50 mg/L以下，氨氮質(zhì)量濃度可降至5 mg/L以下，總氮質(zhì)量濃度可降至20 mg/L以下。

圖2 新型酶浮填料(自主研發(fā)國家專利)

(4)高密池+V型濾池

高密池表面負(fù)荷高、占地面積小、沉淀效率高，V型濾池濾速高、反洗效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定。二者作為生化出水深度處理及雙膜系統(tǒng)的保安措施，可有效去除廢水中的懸浮物并降低濁度。

(5)超濾裝置

該項目超濾膜采用耐污染、抗氧化的聚四氟乙烯(PVDF)材料，過濾精度不大于0.1μm(截留相對分子質(zhì)量不大于100 000道爾頓)，外壓式過濾能更徹底地反洗，更高效。超濾裝置采用全流過濾，能耗低、運行成本低，可延長膜的使用壽命，保證產(chǎn)水量長期穩(wěn)定。

(6)納濾裝置

該項目回用水對產(chǎn)水含鹽量要求不高，因此選擇納濾系統(tǒng)。相比反滲透而言，納濾系統(tǒng)的操作壓力小、能耗低、運行成本低，濃水處理的負(fù)荷更低；分離裝置簡單，操作、維護和自控簡便，現(xiàn)場安全衛(wèi)生。

3.2.4 污泥處理單元

物化污泥池貯存混凝沉淀池、高密池、隔油池排泥，并對污泥進行濃縮。生化污泥池貯存UASB和HBF排泥，并對污泥進行濃縮。污泥處理設(shè)備間用于對污泥進行調(diào)理、脫水，并暫時貯存脫水后的干污泥。該項目選用2臺200 m2板框壓濾機，干污泥外運，濾液回至格柵集水井。

3.2.5 控制系統(tǒng)

廢水處理站區(qū)控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列中央處理器(CPU)、IO卡件和亞控組態(tài)王上位機組態(tài)軟件有效可靠地對設(shè)備的啟動、停止進行操作，除系統(tǒng)自動控制外，還能通過就地按鈕盒對風(fēng)機、泵等轉(zhuǎn)動機械進行控制?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)自控系統(tǒng)與分廠分布式控制系統(tǒng)(DCS)和調(diào)度系統(tǒng)的通訊采用Modbus-RTU，DP通訊協(xié)議。

3.3 主要構(gòu)筑物

主要構(gòu)筑物見表4。

表4 主要構(gòu)筑物一覽表

3.4 處理成本分析

該廢水處理工程直接運行成本為2.94元/m3，膜處理工程直接運行成本為1.60元/m3，污泥處理工程直接運行成本為0.31元/m3，濃水處理工程(芬頓法)直接運行成本為0.45元/m3。因此，綜合處理成本為5.30元/m3。

4 結(jié)語

該100萬t/a煤制油廢水處理裝置一期工程于2015年開始建設(shè)，2018年投產(chǎn)運行后穩(wěn)定運行至今，出水水質(zhì)均滿足直排水出水水質(zhì)設(shè)計要求和回用水水質(zhì)設(shè)計要求。該項目工藝設(shè)計，首先對污水水量、進出水水質(zhì)進行調(diào)研論證；針對項目的3個難點，進行了仔細(xì)比選和優(yōu)化，確定了“各原廢水→綜合廢水調(diào)節(jié)池→預(yù)處理(混凝沉淀)→生化處理(UASB+HBF)→回用水處理(高密池+V型濾池+雙膜+消毒)→回用”的廢水處理及回用工藝。該工程的設(shè)計實踐，具有很好的環(huán)境效益和社會效益，并可為煤制油廢水處理行業(yè)提供一定的經(jīng)驗。