MBBR改进型两级A/O工艺处理低C/N煤气化废水

徐斌

（中国石化九江分公司，江西九江 332004）

1 工程概况

某炼化企业油品质量升级改造项目配套新建一套煤制氢装置，以煤为原料生产氢气供给炼油加氢装置，其中煤气化采用德士古水煤浆工艺，该技术产生的废水具有高氨氮、低有机物污染浓度的特性[1-4]，C/N值为1.3~2.7，严重失调[2]，处理难度较大，用传统的活性污泥法处理效果不佳[5-6]。该企业选用MBBR改进型两级A/O工艺处理煤气化废水，经活性污泥培养、驯化，取得了良好的运行效果，出水水质稳定且达到设计出水指标，满足深度处理单元进水水质要求。该装置设计进水水量120 m3/h，设计进、出水水质见表1。

表1 设计进、出水水质

2 工艺设计及主要构筑物

2.1 工艺设计

高氨氮废水的处理有化学法和生物法等多种技术，而生物法最为经济，但常规的A/O工艺具有一定的局限性，要达到85%以上的脱氮目标，至少需要6倍的回流量，且大回流量对反硝化池的缺氧状态产生影响，不利于反硝化脱氮的进行。俎宇等[7]采用两级A/O工艺实现了高氨氮、低C/N废水的高效处理；聂水源等[8]采用两级A/O融合工艺处理高氨氮煤化工废水取得了理想的效果，因此，两级A/O工艺在煤气化废水的处理上具有一定的可行性。移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）将生物接触氧化技术和生物流化床技术进行了有机结合[8]，既具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，又具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点，MBBR改进型两级A/O工艺兼具两种工艺的优点，在实现高效脱氮及降解有机污染物上具有可能性。

2.2 工艺流程概述

装置工艺流程见图1，正常情况下，气化废水首先进入均质池调节水质，若气化废水来水水质突然发生较大变化时，可将来水切换至事故调节池，经过小流量泵均匀地提升至均质池，然后自流进入两套并联运行的生化处理段。

图1 废水处理工艺流程

每套生化处理段均包括：第一级A/O（缺氧池A1、好氧池O1）和第二级MBBR改进型A/O（缺氧池A2、好氧池O2），其中好氧池O2通过投加Ф25 mm×10 mm、比表面积800 m2/m3、填料填充率为40%的圆柱型HDPE载体填料和在池底加设Ф70 mm×1 000 mm的EPDM穿孔管式曝气器方式形成MBBR池。第一级A/O用于初步脱氮和去除COD，由于进水C/N较低，故需在A1池中外加甲醇提供碳源；第二级A/O利用剩余碳源和第二步外加甲醇进行深度脱氮和去除COD。

生化段出水进入二沉池进行泥水分离，出水进入深度处理单元，部分污泥回流至缺氧池A1，剩余污泥则进入污泥脱水设施进行浓缩。主要构筑物尺寸及设计参数见表2。

表2 主要构筑物及设计参数

3 装置调试与运行

该装置建成后调试运行工作主要分为3个阶段：活性污泥培养阶段、气化废水驯化阶段及气化废水处理运行阶段。

3.1 污泥培养阶段

装置生化处理段引入清水，以该企业炼油污水处理场二沉池内污泥为“种泥”，连续倒泥至MLSS达到500 mg/L，足量曝气闷曝24 h后逐步引入生活污水，建立污泥回流，控制DO为2~3 mg/L，投加质量分数为30%的NaOH溶液将O1池的pH值控制为7.5~8.5，以二沉池出水总磷不超过0.4 mg/L原则投加磷酸盐溶液，用以满足活性污泥增长需求。每日取O1池末端混合液观测SV30及生物相的变化，并检测出水pH值、NH3-N、COD及总磷浓度。

硝化细菌世代周期较长、产率低[6]，为快速、高效地建立装置的硝化－反硝化功能，在污泥培养的过程中分批向O1池投加某厂家的促生剂240 kg及活化后的高效硝化菌菌种600 kg。

第一周，引入生活污水水量由20 m3/h逐步提升至60 m3/h，O1池、O2池表面出现大量白色黏性泡沫，污泥混合液颜色由黑色变为土黄色，菌胶团细小、松散，上清液较为混浊，O2池内填料附着污泥量非常少，填料颜色基本无变化。

第二周，引入生活污水水量由60 m3/h逐步提升至100 m3/h，白色黏性泡沫相对减少，菌胶团增大，相对密实，上清液相对变清，O2池内填料凹陷处附有污泥，填料呈淡黄色。

第三周，保持生活污水水量为100 m3/h，每天向A1池投加甲醇和尿素，控制F/M为0.15 kgBOD5/（kgMLSS·d），控制出水NH3-N不超过4 mg/L，白色黏性泡沫逐渐减少，菌胶团密度增大，生物絮体逐渐形成，填料附着污泥量增多。此阶段开始每天排泥30 m3，分两次进行。

第四周，逐步提高尿素的投加量，提高污泥的NH3-N负荷，生物絮体逐渐增多，并出现钟虫、累枝虫等固着型纤毛虫，填料内外侧出现一层黄色薄膜，此时MLSS达到2 800 mg/L左右，SV30为30%，污泥培养基本成熟。

3.2 污泥驯化阶段

随着气化装置开工运行，引入气化废水对活性污泥进行驯化培养，起初控制进水水量100 m3/h、NH3-N 40 mg/L左右，稳定运行3 d，菌胶团进一步增加，上清液稍显混浊。随后以每3 d增加NH3-N 20 mg/L的步骤逐步提高装置进水负荷至满负荷运行，控制O1池pH为7.5~8.5、DO为2~6 mg/L，控制O2池DO为3~6 mg/L，期间出水NH3-N稍有波动，但延长提高负荷的时间后恢复正常，MLSS最后稳定在3 800 mg/L左右，污泥沉降性能良好，镜检发现较多固着型纤毛虫、菌胶团密实。从图2可知，污泥驯化期间装置进水NH3-N不断升高，末期因气化装置运行负荷加大，装置进水NH3-N从224 mg/L跃升至316 mg/L，但NH3-N去除率基本稳定在90%以上，平均去除率达92.7%。

图2 污泥驯化期间装置对NH3-N的去除效果

3.3 气化废水处理运行阶段

3.3.1 NH3-N的去除

该装置自2015年底投入运行以来，已连续运行5年多，近一年以来NH3-N的进水浓度、出水浓度及去除率见图3。从图3可以看出，虽然装置进水NH3-N波动较大（160~220 mg/L，平均178.5 mg/L），但MBBR改进型两级AO工艺去除NH3-N的效果稳定，出水浓度在3.5 mg/L以内，其中5—7月相对偏高，主要受当地气温与气化废水水温的叠加影响，水温上升（达36~42℃），使得硝化功能减弱[10]。全年出水平均浓度为1.26 mg/L，去除率在99%以上。

图3 对NH3-N的去除效果

3.3.2 COD的去除

从图4可知，气化装置排放的废水中COD浓度比较稳定，维持在300~400 mg/L（平均328.9 mg/L）范围内，经该装置处理后降至30~55 mg/L，全年出水平均浓度为46.2 mg/L，去除率达到83%以上，即使在水温较高的夏季，该装置对COD也表现出较好的处理效果，同时冬季低温也对COD的去除未表现出显著影响，说明该处理系统具有较强的抗温度冲击能力。

图4 对COD的去除效果

3.3.3 TN的去除

因装置出水送至该企业炼油污水处理场进行深度处理，故未持续对装置出水TN进行化验分析，但抽样分析数据显示，装置出水TN保持在15~30 mg/L，达到设计TN≤50 mg/L指标要求，反硝化脱氮率达91%以上。从图3可知，该气化废水C/N值仅为1.7~2.1，失调严重，按常规AO工艺脱氮计算所需回流比为10.1，且需投入大量的碳源，该装置仅使用3.5~5倍的回流比即达到脱氮效果，大幅降低了装置的运行能耗。

4 经济效益分析

装置投入正常运行后，对其性能进行了72 h标定，标定期间装置进出水水质均在设计指标范围内，运行电单耗0.52 kW·h/m3，电单价0.54元/kW·h，则运行电费为0.28元/m3，甲醇（1 800元/t）、磷盐（3 800元/t）及液碱（770元/t）等药剂费用合计约为1.47元/m3，运行费用合计为1.75元/m3（不含设备折旧及人工费）。正常运行5年多以来，装置出水稳定，出水水质良好，NH3-N累计减排约854 t，COD减排约1 362 t，为企业上下游装置的稳定运行提供了坚实的保障。

5 结论

1）采用MBBR改进型两级A/O工艺处理煤气化高氨氮、低C/N废水，出水水质稳定，处理效率高，NH3-N和COD的全年出水平均浓度分别为1.26 mg/L和46.2 mg/L，相应去除率分别高于99%和83%，达到了设计出水水质指标要求。

2）通过投加菌种促生剂和高效硝化菌菌种，快速建立了系统的硝化能力，4周即完成了污泥培养，45 d污泥驯化成功。

3）该工艺系统运行操作简单、运行费用低、处理效果好，并且具有较好的抗冲击能力，可为高氨氮废水处理提供借鉴。