基于IGCC 电厂的高COD 含硫废水处理工艺研究

王相平，刘 沅，范 旭，吴志宏，李小宇

（1.华能（天津）煤气化发电有限公司，天津 300452；2.中国华能集团 清洁能源技术研究有限公司，北京 102209）

随着国家对环境要求的提高，对污水治理方面控制也更加严格。华能天津IGCC 电厂是我国自主开发和设计建设的煤气化联合循环发电厂。煤粉通过N2输送至气化炉反应，生成合成气经净化处理后到燃气轮机发电[1]。气化和净化过程中会产生一定量的含硫废水，含有H2S、NH3、HCN 等有毒有害物质，且存在高浓度COD、NH3-N、大量悬浮物，属于高污染废水，需要经过处理后，达到排放要求[2]。

1 含硫废水处理工艺装置

1.1 含硫废水水质分析

摘取天津IGCC 电厂2020年7 月份的水质情况进行工艺设计，见表1。

表1 2020年7 月份IGCC 电厂含硫废水水质统计表Tab.1 Water quality statistics of sulfur-containing wastewater from IGCC Power Plant in July, 2020

由表1 可知，30d 内电厂含硫废水COD 最大值为1417mg·L-1，NH3-N 最大值为760mg·L-1，TN 最大值为1100mg·L-1，日产废水水量为28～30m3。经现场取样，含硫废水色泽为深褐色浑浊液。

1.2 系统处理能力及出水水质

IGCC 电厂含硫废水处理中试装置系统按照污水水质最大参数设计，调节池有效容积为25m3，一级A/O 生化池有效容积为100m3，二级ABFT 有效容积为20m3，整套装置处理含硫废水能力为1m3·h-1。经物理絮凝、二级生化、臭氧催化氧化、物理吸附后，系统出水水质能够达到《天津市污水综合排放标准》（DB12/356-2018）的二级标准，COD 达到一级排放标准，天津市允许排放标准参数见表2。

表2 天津市污染物最高允许排放浓度（mg·L-1）Tab.2 Maximum permissible emission concentration of pollutants in Tianjin City（mg·L-1）

1.3 含硫废水处理工艺介绍

IGCC 电厂含硫废水进入水处理中试装置后，首先，流至均质调节池，通过计量泵投加药剂调节酸碱度，同时在调节池底曝气搅拌均质，利用调节池提升泵提升至絮凝沉淀池，对均质后的含硫废水投加定量的聚氯化铝混合剂（PAC），利用Al3+与CN-和S2-的络合反应去除含硫废水中的CN-和S2-，投加定量的聚丙烯酰胺助凝剂（PAM），利用铝盐水解后产生的Al（OH）3矾花，提高絮体尺寸，增强沉降效率[3]。

含硫废水经过絮凝沉淀处理后，经泵提升至并联的两个一级A/O 生化池，一级A/O 生化池是由缺氧池（A 池）和好氧池（O 池）串联组合而成，池中悬挂海草式软性填料，并采用可提升式曝气器。缺氧池设在前段，池中驯养的微生物反硝化菌在低氧条件下，利用污水中的有机碳源将硝酸盐、亚硝酸盐生物降解还原为气态氮。好氧池设在后端，在好氧条件下，硝化细菌将进水中氨氮氧化为硝态氮，并利用自养菌将反硝化反应过程中残留的有机污染物进一步氧化分解去除[4]。

含硫废水经一级AO 处理后提升至臭氧催化氧化装置，O3在催化剂作用下形成·OH，破坏含硫废水中难降解的大分子有机物C=N 链，提高污水生化性，为后续生化提供有利条件，从而实现水质的提升。

含硫废水经过臭氧催化氧化处理后，提升至二级ABFT 生化池，区别于一级A/O 生化池，ABFT 生化池中填装ABFT 专用填料，可以实现微生物的大量附着，微生物活性更高，进而提高硝化反硝化反应的效率，强有力地保证含硫废水中残余NH3-N 和COD 的去除效率[5]，同时二级ABFT 生化池作为本套出水系统的最后降解环节，有效的保证出水水质，增强了系统的抗冲击性能，使该系统运行安全有效。

含硫废水经二次生化处理后流至砂滤及活性炭吸附装置，利用物理方法过滤去除水中的悬浮物、微生物及细小颗粒净化水质，从而达到出水排放标准[6]。天津IGCC 电厂含硫废水处理工艺流程图见图1。

图1 天津IGCC 电厂含硫废水处理工艺流程图Fig.1 Process flow chart of sulfur-containing wastewater treatment in Tianjin IGCC Power Plant

2 微生物驯养阶段

2.1 微生物培养步骤及注意事项

本套装置生化池所用污泥均取自于天津临港工业区胜科污水处理厂。

将20m3污泥分别引入一级A/O 生化池和二级ABFT 生化池内，停止进水并对好氧池（O 池）连续曝气1～2d，有部分絮状物出现后增加曝气量，同步观察污水上方絮凝物的尺寸变化，待生化池调整至最佳参数后可投入运行试验。在微生物培养初期，要注意对曝气量进行控制调节，可向污水中额外加入碳源，污水的pH 值、温度、溶氧量、电导率、回流比等都会对微生物的培养产生影响。

2.2 外部投碳量的简易计算

IGCC 含硫废水经过pH 值调节、絮凝沉降等初步处理之后进入A/O 池进行生化处理，污水中含有大量的难降解的有机物，这部分难降解有机物可生化性低，难以作为有效碳源参与到反应中去，导致生化池内没有足够参与反应的碳源，抑制硝化反硝化反应进程。外部投加碳源的目的就是补充水中的营养以维持微生物的生物活性，使生化池内达到最佳工况以提高污水中TN 的去除效率[7-9]。

本套系统中选用NaAc 作为生化池的外加碳源。通过测定进出水水质参数，利用简易计算式（1），得到生化池内所需Cm（以COD 计）的差值,计算出乙酸钠的投加量。

式中 Cm：投碳量（以COD 计），mg·L-1；N：反硝化反应可消除的氮量，mg·L-1。

NaAc 的COD 当量参数计算如下：

3 运行处理试验

3.1 水质测试仪器

本试验中水质参数使用6B-1800 型多参数水质测定仪测定，测定范围：COD 5～50mg·L-1、30～6000mg·L-1（分段）；NH3-N 0.01～100mg·L-1（分段）；TN 0.01～100mg·L-1；TP 0.001～8mg·L-1（分段）。将待测水样置于消解器中进行消解。COD 的测定采用分光光度法，NH3-N、TN 及TP 的测定采用比色法，pH 值的测定采用电解法测定仪、溶解氧含量测定采用便携式溶氧仪、污泥浓度测定采用重量沉淀法[ 10,11]。

3.2 各阶段出水COD 数据分析

启动水处理装置，向一级、二级生化反应池内少量进水的同时添加适量污泥进行微生物驯养，1#、2#A/O 池外加投碳量一致。图2 为一级A/O 生化二池连续运行50 个周期后的COD 出水水质情况。

图2 一级A/O 生化池出水COD 曲线Fig.2 COD curve of primary A/O biochemical tank effluent

由图2 可知，含硫废水水处理装置调试结束投入运行后，对两级生化池内定期投加外部碳源NaAc，投加后水中的COD 值会增高；外部碳量会使微生物活性增强，增加反硝化速率，大量有机物得到降解，图2 中可以看到，曲线的上下波动。还能发现，1#、2#出水COD 曲线变化趋势基本上保持一致，说明在生化池有效容积保持一定时，微生物驯养的程度与生化池内溶解氧的含量有关。增加生化池的处理水量，将进水量达到设计值1m3·h-1，2020年9 月末，一级A/O 生化池的COD 曲线大幅下降，最低的COD 出水值小于100mg·L-1；经过一级A/O 生化池处理后的污水最后送至ABFT 生化池做最后的净化处理。

图3 为二级ABFT 生化池出水COD 曲线。

图3 二级ABFT 生化池出水COD 曲线Fig.3 COD curve of secondary ABFT biochemical tank effluent

由图3 可知，2020年9 月6 日起二级ABFT 的出水COD 均达到排放标准，平均值小于等于30mg·L-1，出水水质达到要求且优于二级排放标准。

图4 为运行期一级1#A/0 生化池COD 去除率的变化。

图4 运行期一级1#A/O 生化池COD 去除率的变化Fig.4 COD removal rate change of primary 1#A/O biochemical tank during operation period

由图4 可知，一级A/O 生化池内COD 去除率逐渐增大，系统的抗冲击性能持续提高，说明在一级生化池运行初期，污水中可供异氧菌反硝化利用的有机碳源充足，微生物的生长周期短代谢快，后期随着IGCC 电厂运行情况的变化，气化含硫污水水质污染严重，污染物浓度变高，可降解的有机碳减少，对生化池内硝化反硝化有一定的抑制作用，需要定期投加碳源促进反硝化反应，增强去除效率。另外，10 月份COD 的去除效率明显低于9 月份的去除率，说明温度对微生物的繁殖代谢有一定的影响，在冬季时需注意保温防冻，必要时外加电伴辅热对系统内污水进行保温处理。

3.3 各阶段出水NH3-N 数据分析

图5 为一级A/O 生化池出水NH3-N 曲线。图6为二级ABFT 生化池出水NH3-N 曲线。

图5 一级A/O 生化池出水NH3-N 曲线Fig.5 Primary A/O biochemical pool effluent NH3-N curve

图6 二级ABFT 生化池出水NH3-N 曲线Fig.6 Secondary ABFT biochemical pool effluent NH3-N curve

由图5、6 可知，一级生化池8 月出水NH3-N 值趋于稳定后，最低值为0.876mg·L-1，平均值小于5mg·L-1，后期随着IGCC 电厂来水浓度增高，系统失去平衡并超负荷运行，使得出水NH3-N 值急速升高，水质指标波动较大。采取了减少进水量，及时补充碳源量；调整曝气量，增加好氧池的溶氧量，促进反应的进程等一系列有效措施，使其恢复到最佳运行参数，从图中可以看到，NH3-N 曲线持续下降，二级ABFT作为整套系统的最后生化环节，在降COD、NH3-N的同时也起到保护作用，在二级ABFT 的出水NH3-N 曲线图中，NH3-N 值变化较稳定，平均值NH3-N小于3mg·L-1，符合设计的出水排放要求。

4 结论

通过为期100d 的连续运行数据表明，IGCC 电厂高含硫废水可以通过本实验设计方案来达到《天津市污水综合排放标准》（DB12/356-2018）二级标准，实验工艺处理下装置出水水质稳定，能够连续运行，可以对高浓度废水中有机物进行高效降解。本工艺对水环境中碳源的合理利用，可以减少外加碳源的用量，节能环保，对其他相关产业工程的废水处理有一定的借鉴意义。