MBBR改進(jìn)型兩級A/O工藝處理低C/N煤氣化廢水

徐斌

（中國石化九江分公司，江西九江 332004）

1 工程概況

某煉化企業(yè)油品質(zhì)量升級改造項(xiàng)目配套新建一套煤制氫裝置，以煤為原料生產(chǎn)氫氣供給煉油加氫裝置，其中煤氣化采用德士古水煤漿工藝，該技術(shù)產(chǎn)生的廢水具有高氨氮、低有機(jī)物污染濃度的特性[1-4]，C/N值為1.3~2.7，嚴(yán)重失調(diào)[2]，處理難度較大，用傳統(tǒng)的活性污泥法處理效果不佳[5-6]。該企業(yè)選用MBBR改進(jìn)型兩級A/O工藝處理煤氣化廢水，經(jīng)活性污泥培養(yǎng)、馴化，取得了良好的運(yùn)行效果，出水水質(zhì)穩(wěn)定且達(dá)到設(shè)計(jì)出水指標(biāo)，滿足深度處理單元進(jìn)水水質(zhì)要求。該裝置設(shè)計(jì)進(jìn)水水量120 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

2 工藝設(shè)計(jì)及主要構(gòu)筑物

2.1 工藝設(shè)計(jì)

高氨氮廢水的處理有化學(xué)法和生物法等多種技術(shù)，而生物法最為經(jīng)濟(jì)，但常規(guī)的A/O工藝具有一定的局限性，要達(dá)到85%以上的脫氮目標(biāo)，至少需要6倍的回流量，且大回流量對反硝化池的缺氧狀態(tài)產(chǎn)生影響，不利于反硝化脫氮的進(jìn)行。俎宇等[7]采用兩級A/O工藝實(shí)現(xiàn)了高氨氮、低C/N廢水的高效處理；聶水源等[8]采用兩級A/O融合工藝處理高氨氮煤化工廢水取得了理想的效果，因此，兩級A/O工藝在煤氣化廢水的處理上具有一定的可行性。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）將生物接觸氧化技術(shù)和生物流化床技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合[8]，既具有活性污泥法的高效性和運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥少的特點(diǎn)，MBBR改進(jìn)型兩級A/O工藝兼具兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高效脫氮及降解有機(jī)污染物上具有可能性。

2.2 工藝流程概述

裝置工藝流程見圖1，正常情況下，氣化廢水首先進(jìn)入均質(zhì)池調(diào)節(jié)水質(zhì)，若氣化廢水來水水質(zhì)突然發(fā)生較大變化時(shí)，可將來水切換至事故調(diào)節(jié)池，經(jīng)過小流量泵均勻地提升至均質(zhì)池，然后自流進(jìn)入兩套并聯(lián)運(yùn)行的生化處理段。

圖1 廢水處理工藝流程

每套生化處理段均包括：第一級A/O（缺氧池A1、好氧池O1）和第二級MBBR改進(jìn)型A/O（缺氧池A2、好氧池O2），其中好氧池O2通過投加Ф25 mm×10 mm、比表面積800 m2/m3、填料填充率為40%的圓柱型HDPE載體填料和在池底加設(shè)Ф70 mm×1 000 mm的EPDM穿孔管式曝氣器方式形成MBBR池。第一級A/O用于初步脫氮和去除COD，由于進(jìn)水C/N較低，故需在A1池中外加甲醇提供碳源；第二級A/O利用剩余碳源和第二步外加甲醇進(jìn)行深度脫氮和去除COD。

生化段出水進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，出水進(jìn)入深度處理單元，部分污泥回流至缺氧池A1，剩余污泥則進(jìn)入污泥脫水設(shè)施進(jìn)行濃縮。主要構(gòu)筑物尺寸及設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

3 裝置調(diào)試與運(yùn)行

該裝置建成后調(diào)試運(yùn)行工作主要分為3個(gè)階段：活性污泥培養(yǎng)階段、氣化廢水馴化階段及氣化廢水處理運(yùn)行階段。

3.1 污泥培養(yǎng)階段

裝置生化處理段引入清水，以該企業(yè)煉油污水處理場二沉池內(nèi)污泥為“種泥”，連續(xù)倒泥至MLSS達(dá)到500 mg/L，足量曝氣悶曝24 h后逐步引入生活污水，建立污泥回流，控制DO為2~3 mg/L，投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液將O1池的pH值控制為7.5~8.5，以二沉池出水總磷不超過0.4 mg/L原則投加磷酸鹽溶液，用以滿足活性污泥增長需求。每日取O1池末端混合液觀測SV30及生物相的變化，并檢測出水pH值、NH3-N、COD及總磷濃度。

硝化細(xì)菌世代周期較長、產(chǎn)率低[6]，為快速、高效地建立裝置的硝化－反硝化功能，在污泥培養(yǎng)的過程中分批向O1池投加某廠家的促生劑240 kg及活化后的高效硝化菌菌種600 kg。

第一周，引入生活污水水量由20 m3/h逐步提升至60 m3/h，O1池、O2池表面出現(xiàn)大量白色黏性泡沫，污泥混合液顏色由黑色變?yōu)橥咙S色，菌膠團(tuán)細(xì)小、松散，上清液較為混濁，O2池內(nèi)填料附著污泥量非常少，填料顏色基本無變化。

第二周，引入生活污水水量由60 m3/h逐步提升至100 m3/h，白色黏性泡沫相對減少，菌膠團(tuán)增大，相對密實(shí)，上清液相對變清，O2池內(nèi)填料凹陷處附有污泥，填料呈淡黃色。

第三周，保持生活污水水量為100 m3/h，每天向A1池投加甲醇和尿素，控制F/M為0.15 kgBOD5/（kgMLSS·d），控制出水NH3-N不超過4 mg/L，白色黏性泡沫逐漸減少，菌膠團(tuán)密度增大，生物絮體逐漸形成，填料附著污泥量增多。此階段開始每天排泥30 m3，分兩次進(jìn)行。

第四周，逐步提高尿素的投加量，提高污泥的NH3-N負(fù)荷，生物絮體逐漸增多，并出現(xiàn)鐘蟲、累枝蟲等固著型纖毛蟲，填料內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)一層黃色薄膜，此時(shí)MLSS達(dá)到2 800 mg/L左右，SV30為30%，污泥培養(yǎng)基本成熟。

3.2 污泥馴化階段

隨著氣化裝置開工運(yùn)行，引入氣化廢水對活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng)，起初控制進(jìn)水水量100 m3/h、NH3-N 40 mg/L左右，穩(wěn)定運(yùn)行3 d，菌膠團(tuán)進(jìn)一步增加，上清液稍顯混濁。隨后以每3 d增加NH3-N 20 mg/L的步驟逐步提高裝置進(jìn)水負(fù)荷至滿負(fù)荷運(yùn)行，控制O1池pH為7.5~8.5、DO為2~6 mg/L，控制O2池DO為3~6 mg/L，期間出水NH3-N稍有波動(dòng)，但延長提高負(fù)荷的時(shí)間后恢復(fù)正常，MLSS最后穩(wěn)定在3 800 mg/L左右，污泥沉降性能良好，鏡檢發(fā)現(xiàn)較多固著型纖毛蟲、菌膠團(tuán)密實(shí)。從圖2可知，污泥馴化期間裝置進(jìn)水NH3-N不斷升高，末期因氣化裝置運(yùn)行負(fù)荷加大，裝置進(jìn)水NH3-N從224 mg/L躍升至316 mg/L，但NH3-N去除率基本穩(wěn)定在90%以上，平均去除率達(dá)92.7%。

圖2 污泥馴化期間裝置對NH3-N的去除效果

3.3 氣化廢水處理運(yùn)行階段

3.3.1 NH3-N的去除

該裝置自2015年底投入運(yùn)行以來，已連續(xù)運(yùn)行5年多，近一年以來NH3-N的進(jìn)水濃度、出水濃度及去除率見圖3。從圖3可以看出，雖然裝置進(jìn)水NH3-N波動(dòng)較大（160~220 mg/L，平均178.5 mg/L），但MBBR改進(jìn)型兩級AO工藝去除NH3-N的效果穩(wěn)定，出水濃度在3.5 mg/L以內(nèi)，其中5—7月相對偏高，主要受當(dāng)?shù)貧鉁嘏c氣化廢水水溫的疊加影響，水溫上升（達(dá)36~42℃），使得硝化功能減弱[10]。全年出水平均濃度為1.26 mg/L，去除率在99%以上。

圖3 對NH3-N的去除效果

3.3.2 COD的去除

從圖4可知，氣化裝置排放的廢水中COD濃度比較穩(wěn)定，維持在300~400 mg/L（平均328.9 mg/L）范圍內(nèi)，經(jīng)該裝置處理后降至30~55 mg/L，全年出水平均濃度為46.2 mg/L，去除率達(dá)到83%以上，即使在水溫較高的夏季，該裝置對COD也表現(xiàn)出較好的處理效果，同時(shí)冬季低溫也對COD的去除未表現(xiàn)出顯著影響，說明該處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗溫度沖擊能力。

圖4 對COD的去除效果

3.3.3 TN的去除

因裝置出水送至該企業(yè)煉油污水處理場進(jìn)行深度處理，故未持續(xù)對裝置出水TN進(jìn)行化驗(yàn)分析，但抽樣分析數(shù)據(jù)顯示，裝置出水TN保持在15~30 mg/L，達(dá)到設(shè)計(jì)TN≤50 mg/L指標(biāo)要求，反硝化脫氮率達(dá)91%以上。從圖3可知，該氣化廢水C/N值僅為1.7~2.1，失調(diào)嚴(yán)重，按常規(guī)AO工藝脫氮計(jì)算所需回流比為10.1，且需投入大量的碳源，該裝置僅使用3.5~5倍的回流比即達(dá)到脫氮效果，大幅降低了裝置的運(yùn)行能耗。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

裝置投入正常運(yùn)行后，對其性能進(jìn)行了72 h標(biāo)定，標(biāo)定期間裝置進(jìn)出水水質(zhì)均在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，運(yùn)行電單耗0.52 kW·h/m3，電單價(jià)0.54元/kW·h，則運(yùn)行電費(fèi)為0.28元/m3，甲醇（1 800元/t）、磷鹽（3 800元/t）及液堿（770元/t）等藥劑費(fèi)用合計(jì)約為1.47元/m3，運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)為1.75元/m3（不含設(shè)備折舊及人工費(fèi)）。正常運(yùn)行5年多以來，裝置出水穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好，NH3-N累計(jì)減排約854 t，COD減排約1 362 t，為企業(yè)上下游裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

5 結(jié)論

1）采用MBBR改進(jìn)型兩級A/O工藝處理煤氣化高氨氮、低C/N廢水，出水水質(zhì)穩(wěn)定，處理效率高，NH3-N和COD的全年出水平均濃度分別為1.26 mg/L和46.2 mg/L，相應(yīng)去除率分別高于99%和83%，達(dá)到了設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)要求。

2）通過投加菌種促生劑和高效硝化菌菌種，快速建立了系統(tǒng)的硝化能力，4周即完成了污泥培養(yǎng)，45 d污泥馴化成功。

3）該工藝系統(tǒng)運(yùn)行操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好，并且具有較好的抗沖擊能力，可為高氨氮廢水處理提供借鑒。