12 000 m3/d煤制油廢水處理及回用項目一期工程設計探討和實踐

王浩

上海泓濟環保科技股份有限公司(上海 200433)

步入新世紀，溫室氣體治理、節能[1]、清潔能源開發與利用、污染治理得到更多共識和更大支持。作為煤清潔利用的手段，現代煤制油產業對提高我國部分地區空氣質量優良率、保護人民健康具有非常重要的作用。我國煤化工產業起步較晚，但發展迅猛，環保問題尤其是廢水處理問題日益成為焦點和對煤化工產業的制約點[2]，亟待更好的解決方案和經驗。

1 煤制油廢水處理進展概況

煤制油廢水指經汽提、脫酚裝置處理后的出水，主要包括煤液化、加氫精制、加氫裂化及硫磺回收等裝置排出的含硫、含酚廢水，主要特點是化學需氧量(COD)、氨氮(無機氨為主)質量濃度較高[3]。考察近年國內外針對煤制油廢水和煤化工廢水的不同處理單元組合、新工藝開發和參數優化等方面的部分研究[4-8]，目前煤制油廢水處理主要包括以下單元：

(1)預處理。主要是將廢水中的油性物質分離出來，包括懸浮油和乳化油的分離。這一環節的效果直接影響后續的生化處理。主要的預處理方法多為隔油、沉淀，但隔油效果并不好，無法做到回收利用，過量的乳化油影響生化單元的運行安全。近年來氣浮法使用有所增加，澄清和混凝也開始受到關注。

(2)生化處理。有機物和氮的去除主要基于生物方法，通常采用活性污泥法；傳統工藝往往停留時間過長，容易出現污泥膨脹和流失的問題。此外，氨氮去除也是大問題。因此開始探索厭氧處理法、厭氧－好氧聯合處理法，相應的設計經驗和組合創新特別重要，出現了對生物活性炭法(PACT)、固定床生物膜反應器(FBBR)等的探索。

(3)深度處理。難降解有機物的存在使生化處理出水COD、色度難以達標，需進一步處理。深度處理方法主要有混凝沉淀法、吸附法、催化氧化法及膜處理技術。目前高級氧化法因成本等原因限制了其大規模應用，混凝沉淀法、活性炭吸附、過濾相關技術表現較穩定。膜處理技術如果能設計好前面的保護單元，則應用前景非常廣泛。

同時，各單元的有機整合、各股廢水的分治與合治，也是煤制油廢水處理設計與工程實踐需要考慮的重要方面。

2 項目總體情況

2.1 項目概況

山西省某100萬t/a煤制油項目，利用礦區高硫煤和化工廢氣，年產氨醇240萬t、清潔燃料100萬t。廢水處理規模為24 000 m3/d，一期工程建設規模為12 000 m3/d。全廠生產生活廢水包括甲醇廠區生活及化驗廢水、氣化廢水、變換廢水、脫硫脫碳廢水、精餾廢水、地面沖洗水廢水及初期雨水。為適應國家和地方對環境保護的要求，出水水質須優于GB 50335—2016《城鎮污水再生利用工程設計規范》規定的再生水用作循環水補充用水及城鎮雜用水的水質要求。

2.2 項目難點

(1)項目進水來源很多，排放規律各不相同，水質水量差異很大，對每股廢水的集中、分治，重力或壓力輸入，需全盤考慮。

(2)項目主要污染物為有機污染物、氨氮、總氮、懸浮物(SS)和硬度(鈣鎂)、氰化物、硫化物、石油類等。特別是CODcr和NH3-N質量濃度高，使工程設計和運行難度加大。國內大多數該類廢水CODcr質量濃度一般在1 000 mg/L左右或更低[3-4]。高CODcr質量濃度帶來的問題是處理單元多、處理流程長，各單元的銜接優化、總體工程造價、運行成本的控制難度加大。

(3)項目進水NH3-N質量濃度高及含有對微生物有毒的物質會影響生物處理的設計、運行，需要考慮如何選用適當的預處理、合理的均化措施、穩妥的脫氮工藝。

以上難點結合在一起，使該項目的設計具有挑戰性和一定的參考價值。

3 工程設計

3.1 水量、水質

3.1.1 設計進水水量水質

對各股污(廢)水水質水量進行加權計算，得到的設計進水水質如表1所示。

表1 設計進水水質mg/L

3.1.2 設計出水水質

部分直排出水水質需滿足表2要求。

廢水經處理后要求達到75%的回用率，這部分出水回用作甲醇制汽油(MTG)及甲醇廠區循環水補充水，其水質應滿足GB 50335—2016規定的再生水用作循環水補充用水及城鎮雜用水的水質要求(見表3)，回用水水壓應不小于0.4 MPa。

表2 直排水出水水質標準 mg/L

表3 回用水水質要求mg/L

3.2 工藝流程

3.2.1 主要思路

根據該工程各股廢水水質水量特點，對甲醇廠區生活及化驗廢水、地面沖洗水及初期雨水，采用重力流輸送至污水處理界區。將氣化廢水、變換廢水、脫硫脫碳廢水、精餾廢水加壓通過外管架送至污水處理界區。同時，綜合考慮廢水處理難點，結合煤制油廢水處理技術科研進展情況及科學研究與工程落地的差異，針對性地提出以下治理工藝：各原廢水→綜合廢水調節池→預處理(混凝沉淀)→生化處理［上流式厭氧污泥床+混合生物固定膜(UASB+HBF)］→回用水處理(高密池+過濾+雙膜+消毒)→回用。

工藝流程如圖1所示。廢水經軟化、混凝沉淀預處理后，進入UASB+HBF生化處理，高效去除有機物和總氮，然后進入高密池和V型濾池進一步去除懸浮物以降低濁度；選擇超濾+納濾的雙膜系統作為水質保障的最后一環，使出水水質穩定達標。

圖1 煤制油廢水處理工藝流程

3.2.3 主要水處理單元

(1)水量水質調節

生活污水及地面沖洗水在相對集中的時段排放，但其水量權重不大，對整個系統沖擊較小，初期雨水受降雨強度影響較大，需足夠的調蓄能力防止水量對系統的沖擊。

超過60%的廢水量主要由氣化廢水構成，排放相對均勻，其CODcr總量占總排放量的85%以上，氨氮總量占總排放量的50%以上，因此對氣化廢水的調節是整個調節系統的關鍵。變換廢水盡管水量小，但有機物質量濃度高，且毒性物質濃度高，氨氮總量占總排放量的40%以上，硫化物及氰化物占較高權重。變換廢水排放不規律，如果直接與其他廢水混合可能導致綜合廢水短期內氨氮、氰化物、硫化物質量濃度過高，使生化系統遭到破壞。因此先對該股廢水進行單獨收集，再提升進入綜合調節池，進行充分混合。調節池按一期設計水量停留時間不少于24 h進行設計。同時設置事故池，接納生產不正常時事故來水。

(2)UASB池

考慮到負荷、進水濃度和上升流速的影響，采用一定比例的厭氧出水回流來稀釋進水中的有毒物質，提高抗沖擊負荷能力。

朗讀是書面語言的有聲化，是通過清晰響亮的聲音，利用各種語言手段，完善表達作品內容感情的語言藝術，它是小學生完成閱讀起點的基本功。就低年段語文學習而言，朗讀是最重要的教學形式。識字教學包括識字與寫字，識字就是教師指導學生知道字的讀音，做到會讀，讀準，并知道字的由來和字的意思。寫字是學生能將字寫正確，寫好看，寫字姿勢端正。朗讀與識字是低年級語文教學的重中之重。如何將二者有機地整合起來，用不同形式的朗讀來激發學生的識字興趣，反過來在識字教學中促進學生的朗讀水平，從而提高低年段語文教學效率，是每個低年段語文老師需要思考的問題。

UASB反應器底部反應區內存留大量活性較高的厭氧污泥吸附分解污水中的有機物，生成沼氣；沼氣、污泥和水一起上升進入三相分離器。三相分離器設計較為成熟，針對該項目，進行了充分論證和精細設計，使其具有很好的分離效果。沼氣統一經導管導出，污泥沿斜壁滑回厭氧反應區內積累；出水從沉淀區溢流堰上部溢出。

該項目UASB具有如下特點：污泥沉淀與外循環回流一體；高徑比大，占地面積小；采用多點式布水器，布水更均勻；運行費用低，抗沖擊負荷能力強。

(3)HBF池

HBF工藝是以生物反應動力學、固液分離原理及科學的水力設計為基礎開發的組成簡單、運行靈活、可靠性好的廢水處理新工藝。圖2所示的新型酶浮填料具有“雙層膜”和“空隙層”的特殊結構，經離子化材料及親水高分子共混改性，耐酸、耐堿，表面帶正電荷，使微生物在載體表面更易附著、固定；有很好的機械強度，不易發生破損。因此可將原有占地面積較大的連續流二沉池優化為交替出水序批斜板沉淀池，出水前靜置沉淀及斜板過濾提升水質并節省占地，尤其適用于占地面積小、處理要求高的廢水處理工程。該項目生化出水對COD和總氮要求較高，因此HBF具體選擇改進型兩段A/O(厭氧-好氧)設計。出水COD質量濃度可降至50 mg/L以下，氨氮質量濃度可降至5 mg/L以下，總氮質量濃度可降至20 mg/L以下。

圖2 新型酶浮填料(自主研發國家專利)

(4)高密池+V型濾池

高密池表面負荷高、占地面積小、沉淀效率高，V型濾池濾速高、反洗效果好、出水水質穩定。二者作為生化出水深度處理及雙膜系統的保安措施，可有效去除廢水中的懸浮物并降低濁度。

(5)超濾裝置

該項目超濾膜采用耐污染、抗氧化的聚四氟乙烯(PVDF)材料，過濾精度不大于0.1μm(截留相對分子質量不大于100 000道爾頓)，外壓式過濾能更徹底地反洗，更高效。超濾裝置采用全流過濾，能耗低、運行成本低，可延長膜的使用壽命，保證產水量長期穩定。

(6)納濾裝置

該項目回用水對產水含鹽量要求不高，因此選擇納濾系統。相比反滲透而言，納濾系統的操作壓力小、能耗低、運行成本低，濃水處理的負荷更低；分離裝置簡單，操作、維護和自控簡便，現場安全衛生。

3.2.4 污泥處理單元

物化污泥池貯存混凝沉淀池、高密池、隔油池排泥，并對污泥進行濃縮。生化污泥池貯存UASB和HBF排泥，并對污泥進行濃縮。污泥處理設備間用于對污泥進行調理、脫水，并暫時貯存脫水后的干污泥。該項目選用2臺200 m2板框壓濾機，干污泥外運，濾液回至格柵集水井。

3.2.5 控制系統

廢水處理站區控制系統采用西門子S7-300系列中央處理器(CPU)、IO卡件和亞控組態王上位機組態軟件有效可靠地對設備的啟動、停止進行操作，除系統自動控制外，還能通過就地按鈕盒對風機、泵等轉動機械進行控制。可編程邏輯控制器(PLC)自控系統與分廠分布式控制系統(DCS)和調度系統的通訊采用Modbus-RTU，DP通訊協議。

3.3 主要構筑物

主要構筑物見表4。

表4 主要構筑物一覽表

3.4 處理成本分析

該廢水處理工程直接運行成本為2.94元/m3，膜處理工程直接運行成本為1.60元/m3，污泥處理工程直接運行成本為0.31元/m3，濃水處理工程(芬頓法)直接運行成本為0.45元/m3。因此，綜合處理成本為5.30元/m3。

4 結語

該100萬t/a煤制油廢水處理裝置一期工程于2015年開始建設，2018年投產運行后穩定運行至今，出水水質均滿足直排水出水水質設計要求和回用水水質設計要求。該項目工藝設計，首先對污水水量、進出水水質進行調研論證；針對項目的3個難點，進行了仔細比選和優化，確定了“各原廢水→綜合廢水調節池→預處理(混凝沉淀)→生化處理(UASB+HBF)→回用水處理(高密池+V型濾池+雙膜+消毒)→回用”的廢水處理及回用工藝。該工程的設計實踐，具有很好的環境效益和社會效益，并可為煤制油廢水處理行業提供一定的經驗。