水煤浆加压气化污水IMC处理技术应用

贾银川 谭中侠 花绍龙

水煤浆加压气化污水IMC处理技术应用

贾银川 谭中侠 花绍龙

针对水煤浆加压气化污水氨氮浓度高、COD浓度低、可生化较低的特点，采用“限制曝气”和“生物选择”技术，将厌氧氨氧化、短程硝化-反硝化、同时硝化-反硝化等生物脱氮原理有机结合，在试验的基础上应用于实际工程中，并通过实际工程的运行数据对设计逐步完善，形成了以“间歇多重内循环生物反应池”为核心处理单元的IMC工艺技术。实际应用显示，IMC工艺技术流程简单，生化反应推动力大、效率高、运转方式灵活、脱氮效果好、防止污泥膨胀、更耐冲击负荷，并大幅降低了工程投资和运行成本。

水煤浆加压气化污水；间歇多重内循环；厌氧氨氧化；短程硝化-反硝化；限制曝气

水煤浆加压气化所排的污水具有高氨氮浓度、低C/N比的特点，是典型的高浓度氨氮污水。此类污水的传统处理工艺具有高投资、高运行成本的缺点。兼具厌氧氨氧化、短程和全程硝化-反硝化的间歇多重内循环（IMC）技术，以“间歇多重内循环生物反应池”为核心处理单元，从减少能耗、减少物耗、减少剩余污泥量方面改进工艺设计，在实际工程中取得了很好的效果。

IMC技术背景与重点

传统生物脱氮技术处理高浓度氨氮，存在着投资大、运行费用高等缺点。针对这些问题开发研究IMC处理技术，减少充氧量、回流量、碳源投加量，实现污水的持续处理。

IMC技术背景

高浓度氨氮废水处理一直是化工行业环保科研领域的重要课题，在实际工程中相继开发并采用了蒸汽吹脱、空气吹脱、折点加氯、磷酸镁铵沉淀、离子交换、沸石吸附等一系列物化处理技术和各种生物处理技术。由于物化处理技术存在二次污染、投资大、能耗高、药剂费用高、脱氮效率低、出水达标率低等一系列缺点，因此，氨氮废水的处理技术研究仍以生物处理为主。

长期以来，废水生物脱氮在工程实践中仍以传统的硝化-反硝化理论为主导，在生物脱氮过程中，N元素经历了从其最低的-3价被氧化至最高的+5价，然后再经反硝化逐渐从+5价被还原至0价的一个漫长而复杂的过程，这一途径被称为全程硝化-反硝化脱氮[1]。在此理论基础上构建了一系列生物脱氮技术，在我国城镇污水处理中得到了广泛应用，获得了较为满意的效果，但由于N的氧化还原过程漫长而复杂，所以传统的生物脱氮技术都存在着基建投资和运行费用较高的缺点。对于高氨氮、低BOD的化工废水，采用传统生物脱氮技术时问题尤为突出，常因能耗高、药耗高、需补充碳源等原因无法正常运行，急需解决工艺流程复杂、反硝化碳源不足、总氮去除率低、出水不能达标等问题。

近年来，对氨氧化细菌代谢方式的各种研究成果表明，氮元素的生物循环存在着多种途径，尤其是对短程反硝化（将硝化过程控制在亚硝化阶段，使N从-3价氧化至+3价，再由+3价还原至0价）和厌氧氨氧化[2]（一部分NH3氧化成NO2-，再与另一部分NH3进行生物反应，生成N2）的研究成果，为开发更加节能、更加节省投资的污水生物脱氮技术提供了理论基础。

IMC技术重点

针对传统生物脱氮技术存在能耗高、成本高、投资大等缺点，特别是对于高含氮、低BOD的煤化工废水，在各种脱氮理论的基础上，开发IMC氨氮污水处理技术，并从工程应用角度进行了深入研究，研究重点集中在：

（1）尽可能减少能耗，减少充氧量，采用缺氧和“限制曝气”措施，形成厌氧氨氧化和短程硝化环境。

（2）通过PLC控制系统严格控制pH值、溶解氧和反硝化碳源，减少碳源和碱液的投加。

（3）控制泥龄，尽可能减少剩余污泥产量。

（4）经处理后的出水达标排放，并为进一步回用创造必要条件。

IMC技术特点与应用

IMC工艺技术应用短程硝化-反硝化、厌氧氨氧化、同时硝化-反硝化等新的生物脱氮机理，采用PLC控制系统，加装DO、pH、ORP等控制仪表，实现适时调整运行参数，在单个池内重复进行曝气、搅拌、沉淀、排放等操作，创造好氧、缺氧、厌氧环境，利用好氧、缺氧、厌氧微生物完成分解有机物和脱除氨氮的生化处理过程。

IMC技术特点

IMC工艺技术除具有工艺简单、生化反应推动力大、效率高、运转方式灵活、脱氮效果好、防止污泥膨胀和更耐冲击负荷的优点之外，更主要的是改变了“以传统硝化-反硝化生物脱氮理念为主导”的设计思路，充分利用新的短程硝化-反硝化、厌氧氨氧化、同时硝化-反硝化生物脱氮理念，采用间歇多重内循环、变负荷、完全混合池型，单池间歇进水、限制曝气＋非限制曝气，运用间歇多循环模式，实现工程化，并能适时调整运行参数，创造好氧、缺氧、厌氧环境，利用好氧、厌氧、兼氧微生物更好地完成分解有机物和脱除总氮的生化处理过程。该工艺技术流程简单，仅设一个生化处理单元采用内置悬浮填料的活性污泥法[3]，同时完成反应、沉淀、排水、排泥功能，节省了土建费用，从而大幅度降低了工程投资，吨水投资降低约30%。

IMC工艺技术综合考虑了各项影响因素，合理设定了工艺参数，采用PLC控制系统，设置DO、pH、ORP等控制仪表，使处理系统能够根据水质、水量及其可能的负荷变化，通过过程控制参数，并适时调整运行参数，达到了高效脱氮和进一步减少电耗、减少补充碳源与碱液、节省运行费用的目的，运行费用降低约35%。

通过PLC控制系统对DO、pH、ORP等参数有效控制，调整反应池的曝气量、碱液投加量，实现应对水质、水量的变化，使系统具有较强的抗冲击能力，确保经IMC工艺处理后的出水水质优于《污水综合排放标准》（GB 8978—96）一级标准，为进一步回用创造条件。

IMC工艺技术使新的生物脱氮理念在工程中得以应用，主要包括以下技术特点：

（2）短程硝化-反硝化[4]。早在1975年Vote等就发现了在硝化过程中亚硝酸盐积累的现象，并首次提出了亚硝酸型生物脱氮。该工艺的关键之一是控制DO浓度，利用两种菌种动力学特性及产率差异，实现淘汰硝酸菌，造成亚硝酸盐大量积累，可达到节省氧的供应量、降低能耗、节省反硝化所需碳源、减少污泥生成量、减少投碱量和缩短反应时间的目的。特别是对于高浓度氨氮废水及低C/N含氮废水，其节能降耗效果明显。

（3）同时硝化-反硝化/好氧反硝化。最初，反硝化被认为是一个严格的厌氧过程，因为按照传统硝化-反硝化理论，反硝化菌作为兼性菌，优先使用溶解氧呼吸，甚至在DO浓度达到0.1 mg/L时也是如此，这就阻止了利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，但这只对专性厌氧反硝化菌起作用。随着生物脱氮学的发展，发现了好氧反硝化菌（也是异养硝化菌）可将氨在好氧条件下直接转化为气态氮。好氧反硝化是与硝化相伴发生的，表明好氧反硝化与氨消耗速率基本处于同一数量级[5]，这使得好氧反硝化更具实际工程意义，将在节约能耗的情况下使得污水脱氮处理效率大大提高。

IMC技术实际应用

下述两个实际工程均是以煤为原料，采用水煤浆加压气化技术生产化肥和甲醇，由于原料煤煤质和生产控制水平的差异，所排工业污水的水质有一定的变化幅度。

表1 IMC污水处理技术实际工程应用处理效果

处理效果

山东某项目污水处理装置的综合废水进水水质CODCr变化幅度为300～1 000 mg/L、NH3-N变化幅度为250～450 mg/L，CODCr/NH3-N（碳氮比）为1.2～3.62。统计平均值：CODCr为668 mg/L、NH3-N为207 mg/L、CODCr/NH3-N为3.2。

南京某项目污水处理装置的综合废水进水水质CODCr变化幅度为300～800 mg/L、NH3-N变化幅度为200～400 mg/L，CODCr/NH3-N为1.5～2.0。 统计平均值：CODCr为492 mg/L、NH3-N为266 mg/L、CODCr/NH3-N为1.85。

应用IMC处理技术的两个工程已先后投入运行并通过验收，在实际污水进水水质高于设计水质的情况下，处理站出水均能稳定达标，优于《污水综合排放标准》（GB 8978—96）一级标准。系统运行以来的运行效果统计值如表1所示。

由表1可知，IMC污水处理技术对主要污染物CODCr、NH3-N、氰化物均有很高的去除率，分别达到CODCr为95.24%和95.07%，NH3-N为98.70%和98.15%，氰化物为93.22%和99.0%。出水水质均优于设计标准（GB 8978—96）一级标准。

投资及成本

山东某项目配套的污水处理装置总投资决算值为900.64万元，即3 127元/m3。南京某项目配套的污水处理装置总投资决算值为566.93万元，即3 374.58元/m3。两套污水处理装置的实际生产成本分别为2.3元/m3、1.9元/m3。

IMC技术创新优势

IMC工艺技术突破了传统硝化-反硝化的生物脱氮思路，充分利用新的短程硝化-反硝化、厌氧氨氧化、同时硝化-反硝化生物脱氮理念，并在工程上使之有机结合，采用间歇多重内循环、限制曝气＋非限制曝气，实现了工程化，并大幅度降低了工程投资和运行成本。

生化处理单元设置生物选择段，强化厌氧氨化和短程硝化-反硝化。通过精细的可编程控制系统，灵活地适应水量和水质的变化，能适时调整运行参数，创造好氧、缺氧、厌氧环境，完成污染物在空间上的分布和在时间上的推流传质与转化，实现多种脱氮机理相结合的工程过程。

IMC工艺技术流程简单，PLC控制系统及相关仪表设置合理，抗冲击能力强，仅设置生化处理单元，同时可完成反应、沉淀、排水、排泥功能，操作简便，劳动定员大大减少。

此外，对总氮的去除率高，在进水氨氮高达300 mg/L时（实际工程中有时达400 mg/L），氨氮去除率高达98%左右，可确保出水达标。氨氮废水经IMC脱氮技术处理后，主要产物为N2和CO2，不会造成二次污染。

[1] 郑平, 冯孝善. 废水生物处理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2] 娄金生. 生物脱氮除磷原理与应用[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2002.

[3] 郑兴灿. 污水除磷脱氮技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.

[4] 孙锦宜. 含氮废水处理技术与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[5] 张自杰. 废水处理理论与设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

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2095-6444(2014)06-0016-03

2014-09-03

谭中侠，中国天辰工程有限公司环境工程部总工程师，环保中心站站长，教授级高级工程师；花绍龙，中国天辰工程有限公司高级工程师；贾银川，中国天辰工程有限公司。