李士安， 褚剛， 張曉麗， 薛德玉

（1.德州金智環(huán)?？萍加邢薰?， 山東 德州 253074； 2.山東金光集團(tuán)有限公司， 山東 德州 253000）

現(xiàn)代煤化工是以煤為原料， 經(jīng)過化學(xué)加工生產(chǎn)清潔能源和化工產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)。 現(xiàn)代煤化工是煤炭清潔利用的方式之一， 其生產(chǎn)的油和天然氣有助于緩解我國石油和天然氣對進(jìn)口的依賴程度， 維護(hù)我國能源安全。 因此， 發(fā)展現(xiàn)代煤化工具有重要意義［1］。

煤氣化技術(shù)被譽(yù)為新型煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭技術(shù)， 其生產(chǎn)的合成氣是煤化工產(chǎn)業(yè)下游的重要原料。 德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)是德士古公司于20 世紀(jì)80 年代開發(fā)的煤氣化技術(shù)， 德士古氣化爐內(nèi)溫度高， 因此煤氣化廢水不含油類， 酚類物質(zhì)較少［2-3］， 廢水的溫度、 硬度、 濁度、 懸浮物、 氨氮和總氮較高［4-6］。

目前， 國內(nèi)的煤氣化廢水處理系統(tǒng)大都采用“物化預(yù)處理→生物處理→物化深度處理”的流程。 對于德士古水煤漿氣化廢水， 預(yù)處理多采用“化學(xué)軟化+沉淀”的組合工藝， 以去除廢水中的懸浮物、 二氧化硅和硬度。 煤氣化廢水經(jīng)預(yù)處理后，一般采用缺氧-好氧生物法處理（AO 工藝或多級AO 工藝）［7-8］。 在國內(nèi)， AO 工藝及其衍生工藝是煤氣化廢水生化處理中應(yīng)用最為廣泛的工藝， 序批式活性污泥（SBR）工藝的應(yīng)用也較為廣泛［2］。 本文結(jié)合某煤化工企業(yè)德士古水煤漿氣化廢水處理工程實例， 介紹了廢水處理工藝流程及其主要構(gòu)筑物（設(shè)備）、 設(shè)計參數(shù)， 以期供同類廢水處理工程設(shè)計參考。

1 工程概況

新疆某化工有限公司以煤為原料， 采用德士古水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氨和尿素， 產(chǎn)能分別為400 和700 kt／a。 該公司原有1 套設(shè)計處理能力為100 m3／h 的廢水處理裝置。 隨著國家環(huán)保排放要求的提高和企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大， 原有裝置已無法滿足生產(chǎn)排水的處理需求， 因此應(yīng)新建1 套煤氣化廢水處理裝置。

新建裝置設(shè)計廢水處理能力為1 680 m3／d （70 m3／h）。 裝置進(jìn)水為煤氣化廢水， 設(shè)計出水水質(zhì)達(dá)到GB 13458—2013《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表3 間接排放標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 廢水處理工藝

考慮到本項目設(shè)計進(jìn)水氨氮和總氮濃度較高、排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格和建設(shè)用地非常緊張等原因， 確定采用多級AO－MBR 復(fù)合生物脫氮工藝。 該工藝具有占地面積小、 出水水質(zhì)好、 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 廢水處理工藝流程如圖1 所示。

煤氣化廢水由氣化裝置壓力輸送， 經(jīng)冷卻塔降溫后進(jìn)入混合反應(yīng)池， 與加入的液堿、 混凝劑及助凝劑反應(yīng)， 之后進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行泥水分離， 去除廢水中的暫時硬度、 懸浮物和膠體； 斜管沉淀池出水進(jìn)入生化處理段， 在缺氧、 好氧交替環(huán)境中利用活性污泥微生物完成脫氮和有機(jī)物降解過程； 最終通過MBR 膜過濾， 出水達(dá)標(biāo)排放。

斜管沉淀池化學(xué)污泥和生化剩余污泥排至原有污泥脫水裝置脫水干化。

圖1 廢水處理工藝流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment

3 工程設(shè)計

3.1 預(yù)處理段

（1） 進(jìn)水在線儀表。 包括電磁流量計1 臺， 在線pH 計2 臺， 在線濁度儀1 臺， COD 在線測定儀1 臺， 氨氮在線測定儀1 臺， 溫度變送器1 臺。

（2） 逆流噴霧式冷卻塔。 1 座， 處理水量為70 m3／h， 進(jìn)水溫度為60 ℃， 出水溫度為35 ℃。

（3） 混合反應(yīng)池。 尺寸為2.15 m × 2.15 m ×3.00 m， 2 座合建， 總有效容積為25 m3， 總停留時間為21 min。 配套功率為2.2 kW 的立式攪拌機(jī)2臺， 液堿加藥裝置1 套（與生化段共用）， 混凝劑加藥裝置1 套， 助凝劑加藥裝置1 套。

（4） 斜管沉淀池。 尺寸為7.00 m × 5.00 m ×6.30 m， 1 座， 表面負(fù)荷為2.56 m3／（m2·h）。 配套D 80 mm 蜂窩斜管30 m2； 集水堰1 套； 排泥泵2 臺（1 用1 備）， Q ＝15 m3／h， H ＝12 m， N ＝1.1 kW。

3.2 生化處理段

生化處理段設(shè)計MLSS 質(zhì)量濃度為6 000～8 000 mg／L， 污泥齡為90 d， A 池溶解氧質(zhì)量濃度為0～0.5 mg／L， O 池溶解氧質(zhì)量濃度為1～3 mg／L， pH 值為7.5～8.5， 一級內(nèi)回流比為300%～400%， 二級內(nèi)回流比為100% ～ 200%， 污泥回流比為100% ～200%。

（1） 一級A 池。 尺寸為17.90 m×11.75 m×6.00 m， 1 座， 有效容積為1 180 m3， 停留時間為16.9 h，反硝化負(fù)荷為0.08 kg［NO3-－N］／（kg［MLSS］·d）。 配套潛水?dāng)嚢铏C(jī)3 臺（另冷備1 臺）， N ＝4 kW； 磷酸鹽加藥裝置1 套； 甲醇加藥裝置1 套 （與二級A池、 三級A 池共用）。

（2） 一級O 池。 尺寸為17.90 m×23.55 m×6.00 m， 1 座， 有效容積為2 320 m3， 停留時間為33.1 h，硝化負(fù)荷為0.04 kg［NH3-N］／（kg［MLSS］·d）。 配套管式微孔曝氣器480 支， L=1 000 mm； 一級內(nèi)回流泵2 臺（1 用1 備）， Q=300 m3／h， H=7 m， N=11 kW； 硝化曝氣風(fēng)機(jī)3 臺（2 用1 備， 變頻， 與二級O 池共用）， Qs= 43.92 m3／min， ΔP =63.7 kPa，N=75 kW； 在線pH 計1 臺； 在線溶氧儀1 臺。

（3） 二級A 池。 尺寸為13.50 m×7.40 m×6.00 m， 1 座， 有效容積為550 m3， 停留時間為7.9 h，反硝化負(fù)荷為0.07 kg［NO3--N］／（kg［MLSS］·d）。配套潛水?dāng)嚢铏C(jī)2 臺， N=4 kW。

（4） 二級O 池。 尺寸為17.80 m×7.60 m×6.00 m， 1 座， 有效容積為744 m3， 停留時間為10.6 h，硝化負(fù)荷為0.02 kg［NH3-N］／（kg［MLSS］·d）。 配套管式微孔曝氣器160 支， L=1 000 mm； 二級內(nèi)回流泵2 臺（1 用1 備）， Q=150 m3／h， H=7 m， N=5.5 kW； 在線pH 計1 臺； 在線溶氧儀1 臺。

（5） 三級A 池。 尺寸為12.00 m×4.80 m×6.00 m， 1 座， 有效容積為317 m3， 停留時間為4.5 h，反硝化負(fù)荷為0.02 kg［NO3--N］／（kg［MLSS］·d）。配套潛水?dāng)嚢铏C(jī)1 臺， N=4 kW。

（6） MBR 膜池。 尺寸為15.00 m×3.00 m×5.00 m， 1 座， 有效容積為180 m3， 停留時間為2.6 h。配套PTFE 材質(zhì)中空纖維膜組件8 套， 總膜面積為6 048 m2， 總產(chǎn)水量為70 m3／h， 膜孔徑為0.1 μm，膜平均通量為11.6 L／（m2·h）， 最高運(yùn)行負(fù)壓為-60 kPa； 污泥回流泵2 臺（1 用1 備）， Q = 150 m3／h，H=10 m， N=7.5 kW； 剩余污泥泵2 臺（1 用1 備），Q=15 m3／h， H=12 m， N=1.1 kW； MBR 產(chǎn)水泵3臺（2 用1 備， 變頻）， Q=45 m3／h， H=16 m， N=4 kW； MBR 反洗泵2 臺（1 用1 備， 變頻）， Q = 35 m3／h， H=16 m， N=4 kW； 膜曝氣風(fēng)機(jī)2 臺（1 用1 備， 變頻）， Qs=26.08 m3／min， ΔP=49 kPa， N=37 kW； 電動單梁懸掛式起重機(jī)1 臺， 跨度為4 m，載重為3 t， 起吊高度為9 m， N=3 kW； 產(chǎn)水和反洗氣動閥1 套； MBR 膜化學(xué)清洗（CEB 和CIP）加藥裝置1 套； MBR 膜產(chǎn)水電磁流量計1 臺； MBR膜反洗電磁流量計1 臺； MBR 膜曝氣渦街流量計8 臺； 雷達(dá)液位計1 臺。

MBR 采用“間歇出水+連續(xù)曝氣”的運(yùn)行方式，利用泵抽吸出水， 運(yùn)行時間設(shè)定為抽吸出水9 min，停歇1 min； 每2 h 反沖洗1 次， 反沖洗通量為40 L／（m2·h）， 每次用時為40～60 s； 在線維護(hù)性清洗（CEB）每10 ～15 d 進(jìn)行1 次， 每次持續(xù)時間為30 ～40 min； 恢復(fù)性清洗（CIP）一般每1～3 個月1 次，可根據(jù)具體水質(zhì)及膜污染情況而定， 一次化學(xué)清洗總歷時2 h 左右。

（7） 清水池。 尺寸為2.60 m×3.00 m×6.00 m，1 座， 有效容積為42 m3， 停留時間為0.6 h。 配套外排水泵2 臺（1 用1 備）， Q = 100 m3／h， H = 20 m， N=11 kW； 雷達(dá)液位計1 臺。

（8） 污泥池。 尺寸為5.60 m×4.80 m×6.00 m，1座， 有效容積為150 m3。 配套穿孔管空氣攪拌裝置1 套； 污泥外送泵2 臺（1 用1 備）， Q=30 m3／h， H=15 m， N=3 kW； 雷達(dá)液位計1 臺。

3.3 自控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用DCS 控制， 設(shè)有手動就地和自動遠(yuǎn)程2 種控制方式。 DCS 具備數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理和自診斷等功能， 可實現(xiàn)廢水處理系統(tǒng)的自動控制和計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 其功能主要包括： ①系統(tǒng)重要運(yùn)行參數(shù)的實時監(jiān)測和超標(biāo)報警； ②各機(jī)泵、 自動閥門等動設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)控； ③各水箱液位的實時監(jiān)控， 高低液位報警， 低液位時對相應(yīng)水泵的保護(hù)； ④按程序控制MBR 系統(tǒng)產(chǎn)水-停歇-反洗-在線清洗自動運(yùn)行。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本工程建設(shè)總投資額為1 500 萬元， 占地面積為2 200 m2， 總裝機(jī)容量為425.8 kW（其中常用容量為264.4 kW）， 廢水處理成本為2.95 元／m3。

5 系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行

2019 年11 月中旬開始系統(tǒng)調(diào)試， 接種污泥采用當(dāng)?shù)厥姓鬯幚韽S脫水污泥， 接種率約為30%。 至2020 年1 月初， 系統(tǒng)進(jìn)水負(fù)荷達(dá)到80%以上， 出水各項指標(biāo)合格， 調(diào)試工作結(jié)束， 系統(tǒng)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)性運(yùn)行。

4 月14 日～21 日對廢水處理裝置進(jìn)行了168 h 性能測試， 測試期間進(jìn)水量為（70 ± 3.5） m3／h。性能測試結(jié)果見表2。 測試結(jié)果表明， 裝置處理能力和出水指標(biāo)均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 自投運(yùn)以來， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定， 出水各項指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

（1） 采用多級AO-MBR 復(fù)合生物脫氮工藝處理德士古氣化爐煤氣化廢水， 出水水質(zhì)可達(dá)到GB 13458—2013 中表3 間接排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 通過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)， 管路、 水渠及潛水?dāng)嚢铏C(jī)等結(jié)垢比較嚴(yán)重， 應(yīng)盡快建設(shè)廢水預(yù)處理設(shè)施， 降低廢水硬度， 減緩管路及設(shè)備結(jié)垢， 保障廢水處理裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 性能測試結(jié)果Tab. 2 Performance test results

（3） 由于裝置內(nèi)未設(shè)調(diào)節(jié)池和事故池， 應(yīng)加強(qiáng)氣化裝置排水監(jiān)控， 避免因廢水水質(zhì)突變對系統(tǒng)造成沖擊。