賈銀川 譚中俠 花紹龍

水煤漿加壓氣化污水IMC處理技術(shù)應(yīng)用

賈銀川 譚中俠 花紹龍

針對(duì)水煤漿加壓氣化污水氨氮濃度高、COD濃度低、可生化較低的特點(diǎn)，采用“限制曝氣”和“生物選擇”技術(shù)，將厭氧氨氧化、短程硝化-反硝化、同時(shí)硝化-反硝化等生物脫氮原理有機(jī)結(jié)合，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于實(shí)際工程中，并通過(guò)實(shí)際工程的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)逐步完善，形成了以“間歇多重內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)池”為核心處理單元的IMC工藝技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用顯示，IMC工藝技術(shù)流程簡(jiǎn)單，生化反應(yīng)推動(dòng)力大、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)方式靈活、脫氮效果好、防止污泥膨脹、更耐沖擊負(fù)荷，并大幅降低了工程投資和運(yùn)行成本。

水煤漿加壓氣化污水；間歇多重內(nèi)循環(huán)；厭氧氨氧化；短程硝化-反硝化；限制曝氣

水煤漿加壓氣化所排的污水具有高氨氮濃度、低C/N比的特點(diǎn)，是典型的高濃度氨氮污水。此類污水的傳統(tǒng)處理工藝具有高投資、高運(yùn)行成本的缺點(diǎn)。兼具厭氧氨氧化、短程和全程硝化-反硝化的間歇多重內(nèi)循環(huán)（IMC）技術(shù)，以“間歇多重內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)池”為核心處理單元，從減少能耗、減少物耗、減少剩余污泥量方面改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中取得了很好的效果。

IMC技術(shù)背景與重點(diǎn)

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)處理高濃度氨氮，存在著投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)研究IMC處理技術(shù)，減少充氧量、回流量、碳源投加量，實(shí)現(xiàn)污水的持續(xù)處理。

IMC技術(shù)背景

高濃度氨氮廢水處理一直是化工行業(yè)環(huán)保科研領(lǐng)域的重要課題，在實(shí)際工程中相繼開(kāi)發(fā)并采用了蒸汽吹脫、空氣吹脫、折點(diǎn)加氯、磷酸鎂銨沉淀、離子交換、沸石吸附等一系列物化處理技術(shù)和各種生物處理技術(shù)。由于物化處理技術(shù)存在二次污染、投資大、能耗高、藥劑費(fèi)用高、脫氮效率低、出水達(dá)標(biāo)率低等一系列缺點(diǎn)，因此，氨氮廢水的處理技術(shù)研究仍以生物處理為主。

長(zhǎng)期以來(lái)，廢水生物脫氮在工程實(shí)踐中仍以傳統(tǒng)的硝化-反硝化理論為主導(dǎo)，在生物脫氮過(guò)程中，N元素經(jīng)歷了從其最低的-3價(jià)被氧化至最高的+5價(jià)，然后再經(jīng)反硝化逐漸從+5價(jià)被還原至0價(jià)的一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，這一途徑被稱為全程硝化-反硝化脫氮[1]。在此理論基礎(chǔ)上構(gòu)建了一系列生物脫氮技術(shù)，在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理中得到了廣泛應(yīng)用，獲得了較為滿意的效果，但由于N的氧化還原過(guò)程漫長(zhǎng)而復(fù)雜，所以傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)都存在著基建投資和運(yùn)行費(fèi)用較高的缺點(diǎn)。對(duì)于高氨氮、低BOD的化工廢水，采用傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)時(shí)問(wèn)題尤為突出，常因能耗高、藥耗高、需補(bǔ)充碳源等原因無(wú)法正常運(yùn)行，急需解決工藝流程復(fù)雜、反硝化碳源不足、總氮去除率低、出水不能達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。

近年來(lái)，對(duì)氨氧化細(xì)菌代謝方式的各種研究成果表明，氮元素的生物循環(huán)存在著多種途徑，尤其是對(duì)短程反硝化（將硝化過(guò)程控制在亞硝化階段，使N從-3價(jià)氧化至+3價(jià)，再由+3價(jià)還原至0價(jià)）和厭氧氨氧化[2]（一部分NH3氧化成NO2-，再與另一部分NH3進(jìn)行生物反應(yīng)，生成N2）的研究成果，為開(kāi)發(fā)更加節(jié)能、更加節(jié)省投資的污水生物脫氮技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

IMC技術(shù)重點(diǎn)

針對(duì)傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)存在能耗高、成本高、投資大等缺點(diǎn)，特別是對(duì)于高含氮、低BOD的煤化工廢水，在各種脫氮理論的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)IMC氨氮污水處理技術(shù)，并從工程應(yīng)用角度進(jìn)行了深入研究，研究重點(diǎn)集中在：

（1）盡可能減少能耗，減少充氧量，采用缺氧和“限制曝氣”措施，形成厭氧氨氧化和短程硝化環(huán)境。

（2）通過(guò)PLC控制系統(tǒng)嚴(yán)格控制pH值、溶解氧和反硝化碳源，減少碳源和堿液的投加。

（3）控制泥齡，盡可能減少剩余污泥產(chǎn)量。

（4）經(jīng)處理后的出水達(dá)標(biāo)排放，并為進(jìn)一步回用創(chuàng)造必要條件。

IMC技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

IMC工藝技術(shù)應(yīng)用短程硝化-反硝化、厭氧氨氧化、同時(shí)硝化-反硝化等新的生物脫氮機(jī)理，采用PLC控制系統(tǒng)，加裝DO、pH、ORP等控制儀表，實(shí)現(xiàn)適時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，在單個(gè)池內(nèi)重復(fù)進(jìn)行曝氣、攪拌、沉淀、排放等操作，創(chuàng)造好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，利用好氧、缺氧、厭氧微生物完成分解有機(jī)物和脫除氨氮的生化處理過(guò)程。

IMC技術(shù)特點(diǎn)

IMC工藝技術(shù)除具有工藝簡(jiǎn)單、生化反應(yīng)推動(dòng)力大、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)方式靈活、脫氮效果好、防止污泥膨脹和更耐沖擊負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)之外，更主要的是改變了“以傳統(tǒng)硝化-反硝化生物脫氮理念為主導(dǎo)”的設(shè)計(jì)思路，充分利用新的短程硝化-反硝化、厭氧氨氧化、同時(shí)硝化-反硝化生物脫氮理念，采用間歇多重內(nèi)循環(huán)、變負(fù)荷、完全混合池型，單池間歇進(jìn)水、限制曝氣＋非限制曝氣，運(yùn)用間歇多循環(huán)模式，實(shí)現(xiàn)工程化，并能適時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，創(chuàng)造好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，利用好氧、厭氧、兼氧微生物更好地完成分解有機(jī)物和脫除總氮的生化處理過(guò)程。該工藝技術(shù)流程簡(jiǎn)單，僅設(shè)一個(gè)生化處理單元采用內(nèi)置懸浮填料的活性污泥法[3]，同時(shí)完成反應(yīng)、沉淀、排水、排泥功能，節(jié)省了土建費(fèi)用，從而大幅度降低了工程投資，噸水投資降低約30%。

IMC工藝技術(shù)綜合考慮了各項(xiàng)影響因素，合理設(shè)定了工藝參數(shù)，采用PLC控制系統(tǒng)，設(shè)置DO、pH、ORP等控制儀表，使處理系統(tǒng)能夠根據(jù)水質(zhì)、水量及其可能的負(fù)荷變化，通過(guò)過(guò)程控制參數(shù)，并適時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到了高效脫氮和進(jìn)一步減少電耗、減少補(bǔ)充碳源與堿液、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的目的，運(yùn)行費(fèi)用降低約35%。

通過(guò)PLC控制系統(tǒng)對(duì)DO、pH、ORP等參數(shù)有效控制，調(diào)整反應(yīng)池的曝氣量、堿液投加量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)水質(zhì)、水量的變化，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，確保經(jīng)IMC工藝處理后的出水水質(zhì)優(yōu)于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—96）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步回用創(chuàng)造條件。

IMC工藝技術(shù)使新的生物脫氮理念在工程中得以應(yīng)用，主要包括以下技術(shù)特點(diǎn)：

（2）短程硝化-反硝化[4]。早在1975年Vote等就發(fā)現(xiàn)了在硝化過(guò)程中亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象，并首次提出了亞硝酸型生物脫氮。該工藝的關(guān)鍵之一是控制DO濃度，利用兩種菌種動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)率差異，實(shí)現(xiàn)淘汰硝酸菌，造成亞硝酸鹽大量積累，可達(dá)到節(jié)省氧的供應(yīng)量、降低能耗、節(jié)省反硝化所需碳源、減少污泥生成量、減少投堿量和縮短反應(yīng)時(shí)間的目的。特別是對(duì)于高濃度氨氮廢水及低C/N含氮廢水，其節(jié)能降耗效果明顯。

（3）同時(shí)硝化-反硝化/好氧反硝化。最初，反硝化被認(rèn)為是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過(guò)程，因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)硝化-反硝化理論，反硝化菌作為兼性菌，優(yōu)先使用溶解氧呼吸，甚至在DO濃度達(dá)到0.1 mg/L時(shí)也是如此，這就阻止了利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，但這只對(duì)專性厭氧反硝化菌起作用。隨著生物脫氮學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌（也是異養(yǎng)硝化菌）可將氨在好氧條件下直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。好氧反硝化是與硝化相伴發(fā)生的，表明好氧反硝化與氨消耗速率基本處于同一數(shù)量級(jí)[5]，這使得好氧反硝化更具實(shí)際工程意義，將在節(jié)約能耗的情況下使得污水脫氮處理效率大大提高。

IMC技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

下述兩個(gè)實(shí)際工程均是以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)化肥和甲醇，由于原料煤煤質(zhì)和生產(chǎn)控制水平的差異，所排工業(yè)污水的水質(zhì)有一定的變化幅度。

表1 IMC污水處理技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用處理效果

處理效果

山東某項(xiàng)目污水處理裝置的綜合廢水進(jìn)水水質(zhì)CODCr變化幅度為300～1 000 mg/L、NH3-N變化幅度為250～450 mg/L，CODCr/NH3-N（碳氮比）為1.2～3.62。統(tǒng)計(jì)平均值：CODCr為668 mg/L、NH3-N為207 mg/L、CODCr/NH3-N為3.2。

南京某項(xiàng)目污水處理裝置的綜合廢水進(jìn)水水質(zhì)CODCr變化幅度為300～800 mg/L、NH3-N變化幅度為200～400 mg/L，CODCr/NH3-N為1.5～2.0。 統(tǒng)計(jì)平均值：CODCr為492 mg/L、NH3-N為266 mg/L、CODCr/NH3-N為1.85。

應(yīng)用IMC處理技術(shù)的兩個(gè)工程已先后投入運(yùn)行并通過(guò)驗(yàn)收，在實(shí)際污水進(jìn)水水質(zhì)高于設(shè)計(jì)水質(zhì)的情況下，處理站出水均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，優(yōu)于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—96）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的運(yùn)行效果統(tǒng)計(jì)值如表1所示。

由表1可知，IMC污水處理技術(shù)對(duì)主要污染物CODCr、NH3-N、氰化物均有很高的去除率，分別達(dá)到CODCr為95.24%和95.07%，NH3-N為98.70%和98.15%，氰化物為93.22%和99.0%。出水水質(zhì)均優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978—96）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

投資及成本

山東某項(xiàng)目配套的污水處理裝置總投資決算值為900.64萬(wàn)元，即3 127元/m3。南京某項(xiàng)目配套的污水處理裝置總投資決算值為566.93萬(wàn)元，即3 374.58元/m3。兩套污水處理裝置的實(shí)際生產(chǎn)成本分別為2.3元/m3、1.9元/m3。

IMC技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

IMC工藝技術(shù)突破了傳統(tǒng)硝化-反硝化的生物脫氮思路，充分利用新的短程硝化-反硝化、厭氧氨氧化、同時(shí)硝化-反硝化生物脫氮理念，并在工程上使之有機(jī)結(jié)合，采用間歇多重內(nèi)循環(huán)、限制曝氣＋非限制曝氣，實(shí)現(xiàn)了工程化，并大幅度降低了工程投資和運(yùn)行成本。

生化處理單元設(shè)置生物選擇段，強(qiáng)化厭氧氨化和短程硝化-反硝化。通過(guò)精細(xì)的可編程控制系統(tǒng)，靈活地適應(yīng)水量和水質(zhì)的變化，能適時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，創(chuàng)造好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，完成污染物在空間上的分布和在時(shí)間上的推流傳質(zhì)與轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)多種脫氮機(jī)理相結(jié)合的工程過(guò)程。

IMC工藝技術(shù)流程簡(jiǎn)單，PLC控制系統(tǒng)及相關(guān)儀表設(shè)置合理，抗沖擊能力強(qiáng)，僅設(shè)置生化處理單元，同時(shí)可完成反應(yīng)、沉淀、排水、排泥功能，操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)定員大大減少。

此外，對(duì)總氮的去除率高，在進(jìn)水氨氮高達(dá)300 mg/L時(shí)（實(shí)際工程中有時(shí)達(dá)400 mg/L），氨氮去除率高達(dá)98%左右，可確保出水達(dá)標(biāo)。氨氮廢水經(jīng)IMC脫氮技術(shù)處理后，主要產(chǎn)物為N2和CO2，不會(huì)造成二次污染。

[1] 鄭平, 馮孝善. 廢水生物處理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2] 婁金生. 生物脫氮除磷原理與應(yīng)用[M]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué)出版社, 2002.

[3] 鄭興燦. 污水除磷脫氮技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998.

[4] 孫錦宜. 含氮廢水處理技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[5] 張自杰. 廢水處理理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002.

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2095-6444(2014)06-0016-03

2014-09-03

譚中俠，中國(guó)天辰工程有限公司環(huán)境工程部總工程師，環(huán)保中心站站長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師；花紹龍，中國(guó)天辰工程有限公司高級(jí)工程師；賈銀川，中國(guó)天辰工程有限公司。