多级AO-MBR 工艺处理煤气化废水工程实例

2021-03-13李士安褚刚张晓丽薛德玉

工业用水与废水 2021年1期

李士安，褚刚，张晓丽，薛德玉

（1.德州金智环保科技有限公司，山东德州 253074； 2.山东金光集团有限公司，山东德州 253000）

现代煤化工是以煤为原料，经过化学加工生产清洁能源和化工产品的产业。现代煤化工是煤炭清洁利用的方式之一，其生产的油和天然气有助于缓解我国石油和天然气对进口的依赖程度，维护我国能源安全。因此，发展现代煤化工具有重要意义［1］。

煤气化技术被誉为新型煤化工产业的龙头技术，其生产的合成气是煤化工产业下游的重要原料。德士古水煤浆加压气化技术是德士古公司于20 世纪80 年代开发的煤气化技术，德士古气化炉内温度高，因此煤气化废水不含油类，酚类物质较少［2-3］，废水的温度、硬度、浊度、悬浮物、氨氮和总氮较高［4-6］。

目前，国内的煤气化废水处理系统大都采用“物化预处理→生物处理→物化深度处理”的流程。对于德士古水煤浆气化废水，预处理多采用“化学软化+沉淀”的组合工艺，以去除废水中的悬浮物、二氧化硅和硬度。煤气化废水经预处理后，一般采用缺氧-好氧生物法处理（AO 工艺或多级AO 工艺）［7-8］。在国内， AO 工艺及其衍生工艺是煤气化废水生化处理中应用最为广泛的工艺，序批式活性污泥（SBR）工艺的应用也较为广泛［2］。本文结合某煤化工企业德士古水煤浆气化废水处理工程实例，介绍了废水处理工艺流程及其主要构筑物（设备）、设计参数，以期供同类废水处理工程设计参考。

1 工程概况

新疆某化工有限公司以煤为原料，采用德士古水煤浆气化技术生产合成氨和尿素，产能分别为400 和700 kt／a。该公司原有1 套设计处理能力为100 m3／h 的废水处理装置。随着国家环保排放要求的提高和企业生产规模的扩大，原有装置已无法满足生产排水的处理需求，因此应新建1 套煤气化废水处理装置。

新建装置设计废水处理能力为1 680 m3／d （70 m3／h）。装置进水为煤气化废水，设计出水水质达到GB 13458—2013《合成氨工业水污染物排放标准》表3 间接排放标准。

设计进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 废水处理工艺

考虑到本项目设计进水氨氮和总氮浓度较高、排放标准严格和建设用地非常紧张等原因，确定采用多级AO－MBR 复合生物脱氮工艺。该工艺具有占地面积小、出水水质好、抗冲击负荷能力强等优点。废水处理工艺流程如图1 所示。

煤气化废水由气化装置压力输送，经冷却塔降温后进入混合反应池，与加入的液碱、混凝剂及助凝剂反应，之后进入斜管沉淀池进行泥水分离，去除废水中的暂时硬度、悬浮物和胶体；斜管沉淀池出水进入生化处理段，在缺氧、好氧交替环境中利用活性污泥微生物完成脱氮和有机物降解过程；最终通过MBR 膜过滤，出水达标排放。

斜管沉淀池化学污泥和生化剩余污泥排至原有污泥脱水装置脱水干化。

图1 废水处理工艺流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

3 工程设计

3.1 预处理段

（1）进水在线仪表。包括电磁流量计1 台，在线pH 计2 台，在线浊度仪1 台， COD 在线测定仪1 台，氨氮在线测定仪1 台，温度变送器1 台。

（2）逆流喷雾式冷却塔。 1 座，处理水量为70 m3／h，进水温度为60 ℃，出水温度为35 ℃。

（3）混合反应池。尺寸为2.15 m × 2.15 m ×3.00 m， 2 座合建，总有效容积为25 m3，总停留时间为21 min。配套功率为2.2 kW 的立式搅拌机2台，液碱加药装置1 套（与生化段共用），混凝剂加药装置1 套，助凝剂加药装置1 套。

（4）斜管沉淀池。尺寸为7.00 m × 5.00 m ×6.30 m， 1 座，表面负荷为2.56 m3／（m2·h）。配套D 80 mm 蜂窝斜管30 m2；集水堰1 套；排泥泵2 台（1 用1 备）， Q ＝15 m3／h， H ＝12 m， N ＝1.1 kW。

3.2 生化处理段

生化处理段设计MLSS 质量浓度为6 000～8 000 mg／L，污泥龄为90 d， A 池溶解氧质量浓度为0～0.5 mg／L， O 池溶解氧质量浓度为1～3 mg／L， pH 值为7.5～8.5，一级内回流比为300%～400%，二级内回流比为100% ～ 200%，污泥回流比为100% ～200%。

（1）一级A 池。尺寸为17.90 m×11.75 m×6.00 m， 1 座，有效容积为1 180 m3，停留时间为16.9 h，反硝化负荷为0.08 kg［NO3-－N］／（kg［MLSS］·d）。配套潜水搅拌机3 台（另冷备1 台）， N ＝4 kW；磷酸盐加药装置1 套；甲醇加药装置1 套（与二级A池、三级A 池共用）。

（2）一级O 池。尺寸为17.90 m×23.55 m×6.00 m， 1 座，有效容积为2 320 m3，停留时间为33.1 h，硝化负荷为0.04 kg［NH3-N］／（kg［MLSS］·d）。配套管式微孔曝气器480 支， L=1 000 mm；一级内回流泵2 台（1 用1 备）， Q=300 m3／h， H=7 m， N=11 kW；硝化曝气风机3 台（2 用1 备，变频，与二级O 池共用）， Qs= 43.92 m3／min， ΔP =63.7 kPa，N=75 kW；在线pH 计1 台；在线溶氧仪1 台。

（3）二级A 池。尺寸为13.50 m×7.40 m×6.00 m， 1 座，有效容积为550 m3，停留时间为7.9 h，反硝化负荷为0.07 kg［NO3--N］／（kg［MLSS］·d）。配套潜水搅拌机2 台， N=4 kW。

（4）二级O 池。尺寸为17.80 m×7.60 m×6.00 m， 1 座，有效容积为744 m3，停留时间为10.6 h，硝化负荷为0.02 kg［NH3-N］／（kg［MLSS］·d）。配套管式微孔曝气器160 支， L=1 000 mm；二级内回流泵2 台（1 用1 备）， Q=150 m3／h， H=7 m， N=5.5 kW；在线pH 计1 台；在线溶氧仪1 台。

（5）三级A 池。尺寸为12.00 m×4.80 m×6.00 m， 1 座，有效容积为317 m3，停留时间为4.5 h，反硝化负荷为0.02 kg［NO3--N］／（kg［MLSS］·d）。配套潜水搅拌机1 台， N=4 kW。

（6） MBR 膜池。尺寸为15.00 m×3.00 m×5.00 m， 1 座，有效容积为180 m3，停留时间为2.6 h。配套PTFE 材质中空纤维膜组件8 套，总膜面积为6 048 m2，总产水量为70 m3／h，膜孔径为0.1 μm，膜平均通量为11.6 L／（m2·h），最高运行负压为-60 kPa；污泥回流泵2 台（1 用1 备）， Q = 150 m3／h，H=10 m， N=7.5 kW；剩余污泥泵2 台（1 用1 备），Q=15 m3／h， H=12 m， N=1.1 kW； MBR 产水泵3台（2 用1 备，变频）， Q=45 m3／h， H=16 m， N=4 kW； MBR 反洗泵2 台（1 用1 备，变频）， Q = 35 m3／h， H=16 m， N=4 kW；膜曝气风机2 台（1 用1 备，变频）， Qs=26.08 m3／min， ΔP=49 kPa， N=37 kW；电动单梁悬挂式起重机1 台，跨度为4 m，载重为3 t，起吊高度为9 m， N=3 kW；产水和反洗气动阀1 套； MBR 膜化学清洗（CEB 和CIP）加药装置1 套； MBR 膜产水电磁流量计1 台； MBR膜反洗电磁流量计1 台； MBR 膜曝气涡街流量计8 台；雷达液位计1 台。

MBR 采用“间歇出水+连续曝气”的运行方式，利用泵抽吸出水，运行时间设定为抽吸出水9 min，停歇1 min；每2 h 反冲洗1 次，反冲洗通量为40 L／（m2·h），每次用时为40～60 s；在线维护性清洗（CEB）每10 ～15 d 进行1 次，每次持续时间为30 ～40 min；恢复性清洗（CIP）一般每1～3 个月1 次，可根据具体水质及膜污染情况而定，一次化学清洗总历时2 h 左右。

（7）清水池。尺寸为2.60 m×3.00 m×6.00 m，1 座，有效容积为42 m3，停留时间为0.6 h。配套外排水泵2 台（1 用1 备）， Q = 100 m3／h， H = 20 m， N=11 kW；雷达液位计1 台。

（8）污泥池。尺寸为5.60 m×4.80 m×6.00 m，1座，有效容积为150 m3。配套穿孔管空气搅拌装置1 套；污泥外送泵2 台（1 用1 备）， Q=30 m3／h， H=15 m， N=3 kW；雷达液位计1 台。

3.3 自控系统

系统采用DCS 控制，设有手动就地和自动远程2 种控制方式。 DCS 具备数据采集、数据处理和自诊断等功能，可实现废水处理系统的自动控制和计算机远程监控。其功能主要包括： ①系统重要运行参数的实时监测和超标报警； ②各机泵、自动阀门等动设备的运行状态实时监控； ③各水箱液位的实时监控，高低液位报警，低液位时对相应水泵的保护； ④按程序控制MBR 系统产水-停歇-反洗-在线清洗自动运行。