典型煤化工園區(qū)生產(chǎn)廢水處理工程案例

劉孟博

(維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司,江蘇 常州 213000)

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

山西某煤化工工業(yè)園區(qū)以煤基合成油、焦?fàn)t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(chǎn)業(yè)鏈條,園區(qū)內(nèi)規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目包括甲醇制烯烴項(xiàng)目、山西潞安集團(tuán)高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范區(qū)項(xiàng)目、煤制乙二醇項(xiàng)目、焦化項(xiàng)目、丙烯酸項(xiàng)目、碳酸二甲酯項(xiàng)目、熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目[3]。該園區(qū)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(yán)重超標(biāo),必須進(jìn)行有效處理。

1 進(jìn)水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)

該工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)廢水日排放量達(dá)到10 000 m3,生產(chǎn)廢水在經(jīng)處理后將于后續(xù)含鹽廢水進(jìn)行合并處理。根據(jù)設(shè)計(jì),污水出水水質(zhì)要求達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50050—2007)規(guī)定的指標(biāo),生產(chǎn)廢水水質(zhì)處理目標(biāo)見表1。

表1 生產(chǎn)廢水水質(zhì)處理目標(biāo)表

2 工藝流程及介紹

2.1 工藝流程

針對(duì)該工業(yè)園區(qū)所排放生產(chǎn)廢水水質(zhì)的特點(diǎn),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(zhì)過濾+超濾+反滲透”。本項(xiàng)目本著零排放、廢水資源化回用的目的,生產(chǎn)廢水的出水回用至園區(qū),反滲透濃水將與后續(xù)含鹽廢水工藝合并處理。

2.2 工藝介紹

2.2.1 預(yù)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(shè)計(jì)預(yù)處理工藝以降低后續(xù)工藝的負(fù)荷。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的預(yù)處理工藝如下:

調(diào)節(jié)池及提升泵房:調(diào)節(jié)池主要功能是調(diào)節(jié)水質(zhì)、水量,各企業(yè)排污周期和排污水質(zhì)均有所差異,通過調(diào)節(jié)池的均質(zhì)水質(zhì)水量的作用,確保后續(xù)處理工段進(jìn)水水質(zhì)水量穩(wěn)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(jìn)入后續(xù)的污水處理裝置。

初沉池:進(jìn)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(xù)處理單元的負(fù)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(xiàng)目進(jìn)水為經(jīng)預(yù)處理后的化工廢水,可生化性較差,設(shè)置水解酸化池增加污水的可生化性,有利于后續(xù)生化處理工藝的高效運(yùn)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(jù)本項(xiàng)目接納污水水質(zhì)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(shù)用為活性污泥的前處理,所以A/O法是改進(jìn)的活性污泥法。

A/O工藝將前段缺氧段和后段好氧段串聯(lián)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(jī)物水解為有機(jī)酸,使大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物,不溶性的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)物,從而提高污水的可生化性;當(dāng)這些經(jīng)缺氧水解的產(chǎn)物進(jìn)入好氧池進(jìn)行好氧處理時(shí),提高氧的效率,進(jìn)而提高有機(jī)物的處理效果;在好氧段,異氧菌將蛋白質(zhì)、脂肪等污染物進(jìn)行氨化游離出氨,在充足供氧條件下,自養(yǎng)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(tài)氮(N2),完成C、N、O在生態(tài)中的循環(huán),實(shí)現(xiàn)污水無害化處理[6]。

缺氧池在前,污水中的有機(jī)碳被反硝化菌所利用,可減輕其后好氧池的有機(jī)負(fù)荷,反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以補(bǔ)償好氧池中進(jìn)行硝化反應(yīng)對(duì)堿度的需求,降低運(yùn)營(yíng)成本。

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

該工藝的主要優(yōu)點(diǎn):

(1)污泥沉降性好,無污泥膨脹問題;出水水質(zhì)好,并具有一定的耐沖擊負(fù)荷能力,運(yùn)行穩(wěn)定,管理簡(jiǎn)便。

(2)采用鼓風(fēng)曝氣,氧利用率高,耗電量較低。

(3)碳源利用合理。

(4)設(shè)計(jì)水深較大,可減少曝氣池占地。

(5)系統(tǒng)可操作性強(qiáng),可嚴(yán)格控制出水水質(zhì)。

(6)運(yùn)行、管理經(jīng)驗(yàn)成熟。

該工藝的主要缺點(diǎn):

(1)碳源不足導(dǎo)致氮的去除率不高,需額外投加碳源,提高運(yùn)營(yíng)成本。

(2)機(jī)械設(shè)備相對(duì)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(jìn)入二沉池,好氧池硝化液回流至缺氧池反硝化,最終實(shí)現(xiàn)脫氮的目的。

供氧曝氣采用微孔曝氣方式。本設(shè)計(jì)所用鼓風(fēng)微孔曝氣的方式是通過自下而上的流路來實(shí)現(xiàn)的,風(fēng)機(jī)送風(fēng)至曝氣頭釋放后,氣泡經(jīng)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(shí)間越長(zhǎng),氣泡與水體接觸的歷程較長(zhǎng),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(duì)生化處理后的混合液進(jìn)行固液分離,以保證出水水質(zhì);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(tǒng)中排出。

混凝沉淀池:混凝沉淀池的作用是進(jìn)一步去除水中的懸浮物質(zhì),降低水中的溶解性磷酸鹽,同時(shí)對(duì)水中的COD有一定的去除作用。

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

中間水池:多介質(zhì)過濾器進(jìn)水池及反洗水池。

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

超濾產(chǎn)水池:超濾出水暫存、超濾反洗及一級(jí)反滲透進(jìn)水池。深度處理車間:生產(chǎn)廢水超濾及反滲透裝置,對(duì)生化出水進(jìn)行深度處理,確保出水滿足回用水水質(zhì)指標(biāo)。

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

本工藝的主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

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

(2)初沉池。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)流量為0.5萬 m3/d,表面負(fù)荷為0.75 m3/(m2·h)。每座池上設(shè)置1套半橋式中心傳動(dòng)刮泥機(jī),1.1 kW。

(3)水解酸化池。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),全地上式,2座,單座構(gòu)筑物尺寸為25 m×20 m×7.2 m,有效水深6.7 m,每座設(shè)計(jì)流量為0.5萬 m3/d;水力停留時(shí)間為16h。設(shè)低速水下推進(jìn)器,12臺(tái);剩余污泥泵4臺(tái)(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(jié)構(gòu),半地上式,2座。每座缺氧區(qū)25 m×13 m×6.7 m,2座,有效水深6.2 m;好氧區(qū)25 m×40 m×6.7 m,2座,有效水深6 m;設(shè)計(jì)流量5 000 m3/d,缺氧段停留時(shí)間:9.6 h;好氧段停留時(shí)間:28.8 h;污泥回流比:100%;混合液回流比:100%～400%。設(shè)低速水下推進(jìn)器,8臺(tái);內(nèi)循環(huán)泵,6臺(tái)(4用2備);盤式微孔曝氣器,8 000只。

(5)二沉池。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)流量0.5萬 m3/d;表面負(fù)荷:0.75 m3/(m2·h)。設(shè)周邊傳動(dòng)刮吸泥機(jī),共2臺(tái);排渣斗,2套,與吸泥機(jī)配套;污泥回流泵,Q=110 m3/h,H=8.0 m,N=5.5 kW,3臺(tái)(2用1備)。

(6)混凝沉淀池。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),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(qū)直徑21 m,總高4.5 m。有效水深4.2 m;設(shè)計(jì)流量為1.0萬m3/d;混凝區(qū)停留時(shí)間:42 min;沉淀池表面負(fù)荷:1.2 m3/(m2·h)。設(shè)混合攪拌器,2臺(tái);絮凝攪拌器,1臺(tái);中心傳動(dòng)刮泥機(jī),1臺(tái);剩余污泥泵,2臺(tái)(1用1備)。

(7)中間水池。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),半地上式,1座。構(gòu)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(zhì)過濾器進(jìn)水泵,5臺(tái)(4用1備);多介質(zhì)過濾器反洗水泵,2臺(tái)(1用1備)。

(8)多介質(zhì)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(shè)計(jì)流量為580 m3/h;設(shè)計(jì)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(zhì)過濾器進(jìn)水泵,10套。

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

(10)深度處理車間一?？蚣芙Y(jié)構(gòu),地上式,1座。車間尺寸為50 m×25 m,梁底凈高6.5 m;設(shè)計(jì)超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量Q=500 m3/h,設(shè)計(jì)通量50 m3/h,濃水率10%,反洗周期60 min;反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量7500 m3/d,系統(tǒng)回收率:75%。主要包括超濾系統(tǒng)中空纖維外壓式膜組件,4套,單套44支,共計(jì)176支,配套反洗水及反洗氣系統(tǒng);反滲透系統(tǒng)膜組件4套,膜殼96個(gè),共計(jì)576支膜元件;配套增壓泵及藥劑清洗系統(tǒng)。

4 工藝去除效果及運(yùn)行成本

本工藝的調(diào)試由維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司主導(dǎo)負(fù)責(zé)完成,自調(diào)試完成后,正常運(yùn)行,各處理單元出水水質(zhì)見表2。從數(shù)據(jù)可見,COD在經(jīng)A/O池處理后,降低了73.7%,最終出水的COD去除率達(dá)92%,低于出水水質(zhì)目標(biāo)。同時(shí),BOD5、SS、NH3-N、TN、TP的去除率分別高于96%,97%,98%,98%和91%,具有不錯(cuò)的效益。

表2 各單元出水水質(zhì)

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(jīng)分析,在初沉池工藝中投加了絮凝劑和混凝劑,以此來促進(jìn)廢水中懸浮物的沉降作用,對(duì)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(jī)大分子的結(jié)構(gòu)為主,這與常規(guī)結(jié)論相符[7-8]。在經(jīng)水解酸化后,廢水進(jìn)入A/O池,分別經(jīng)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(dá)到降解的目的。

運(yùn)行成本估算見表3,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,運(yùn)行成本為3.86元/t。根據(jù)表中數(shù)據(jù),整個(gè)工藝運(yùn)行過程中,產(chǎn)生的主要費(fèi)用為電費(fèi)以及人工費(fèi),共占總成本的43%;工藝中所使用的所有藥劑費(fèi)用共為1.60元/t,占比41.53%。該工程每年運(yùn)行成本約1 408.9萬元。

表3 運(yùn)行成本估算

5 結(jié)論

本文展示的典型煤化工工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)廢水在經(jīng)“初沉池+水解酸化池+A/O生化池+二沉池+混凝沉淀池+多介質(zhì)過濾+超濾+反滲透”工藝處理后,出水水質(zhì)可以達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50050—2007)所規(guī)定的指標(biāo),滿足后續(xù)含鹽廢水處理的進(jìn)水水質(zhì)需求,該工藝為工業(yè)水零排放夯實(shí)了前期處理基礎(chǔ),為煤化工、煤焦化等多種領(lǐng)域上的廢水資源化回收利用提供了廣闊思路。