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        石化廢水生化處理工藝優(yōu)化及提標(biāo)改造

        2020-06-28 06:11:40陳燕斌
        化工環(huán)保 2020年3期
        關(guān)鍵詞:氧池旋流硝化

        陳燕斌

        (中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江 寧波 315000)

        目前石化廢水高效處理的核心仍是采用生化單元?;钚晕勰喾ㄊ沁^(guò)去100年的通用污水處理工藝[1],即使是針對(duì)組分越發(fā)復(fù)雜、污染物濃度高、難降解組分多、水質(zhì)波動(dòng)大的石油煉制污水[2],生化單元也是去除COD和脫氮的主要環(huán)節(jié)。2017年7月1日頒布的GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[3]首次明確了TN排放要求。這就要求生化單元應(yīng)具有更高的去除效率,其相應(yīng)工藝亟待改造升級(jí)。

        生化單元強(qiáng)化改造主要通過(guò)微生物菌群優(yōu)選、生化池調(diào)試運(yùn)行優(yōu)化和生化單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化等途徑[4-5]。菌群優(yōu)選主要針對(duì)特定特征污染物遴選和馴化專項(xiàng)型微生物,綜合提高生化處理效率。但由于綜合性工業(yè)廢水流量波動(dòng)、污染物種類繁雜及其他環(huán)境因素的影響,優(yōu)選專性菌群極難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的規(guī)?;瘧?yīng)用,且專性菌群僅可去除特定污染物,廣泛工程化應(yīng)用也存在一定的限制。企業(yè)通常通過(guò)不斷提升運(yùn)行人員操作技術(shù)水平、微調(diào)生化池運(yùn)行參數(shù)、維護(hù)核心設(shè)備等途徑提高生化池的運(yùn)行效率,但相對(duì)完善空間較??;而針對(duì)生化池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究主要包括池體組合調(diào)整和增加新單元等方式,但也存在成本高和運(yùn)行復(fù)雜等問(wèn)題。在利用現(xiàn)有生化設(shè)施的條件下,不斷耦合適當(dāng)?shù)臋C(jī)械單元,通過(guò)改善生化池流動(dòng)和運(yùn)行條件而提高生化效率,對(duì)現(xiàn)有石化污水處理系統(tǒng)生化單元的改造具有廣泛應(yīng)用意義。

        本工作將旋流場(chǎng)應(yīng)用于典型活性污泥法缺氧-好氧過(guò)程中的循環(huán)內(nèi)回流,相繼通過(guò)小試試驗(yàn)驗(yàn)證旋流場(chǎng)對(duì)循環(huán)回流液中溶解氧質(zhì)量濃度(DO)、水相和泥相的影響,系統(tǒng)考察旋流單元耦合生化系統(tǒng)的可行性,并進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際工程改造驗(yàn)證“旋流釋碳”強(qiáng)化工藝長(zhǎng)周期運(yùn)行的穩(wěn)定性,從而探索強(qiáng)化活性污泥法深度脫氮的新方法。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程

        旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程示意見(jiàn)圖1。小試裝置依托現(xiàn)有煉油污水場(chǎng)2 400 t/d的缺氧-好氧生化池進(jìn)行改造。缺氧池與好氧池的體積比為1∶3,生化池的總停留時(shí)間為24 h。缺氧池采用推流攪拌,好氧池采用曝氣頭氣量漸減模式進(jìn)行曝氣,確保好氧池的出水溶解氧濃度(DO)為2~4 mg/L。改造前,好氧池的硝化出水按400%比例直接由泵回流至缺氧池。改造后,經(jīng)回流泵提升后的硝化出水進(jìn)入新增的旋流釋碳器,97%的硝化出水經(jīng)旋流釋碳器底流口循環(huán)至缺氧池,剩余硝化出水從旋流釋碳器溢流口排至好氧池。二沉池的沉降污泥按50%比例回流至缺氧池。

        1.2 試驗(yàn)污水及污泥參數(shù)

        改造運(yùn)行過(guò)程中,生化池進(jìn)水主要來(lái)自于上游煉油裝置的汽提污水和少量化肥生產(chǎn)裝置污水,進(jìn)水COD為(734±103) mg/L、TN為(80.7±23.0) mg/L。

        圖1 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程示意

        活性污泥為取自就近生活污水處理廠的馴化污泥,生化池中MLSS為3 500 mg/L。

        1.3 分析方法

        SCOD,ρ(NO3--N),ρ(NO2--N)和TN等參數(shù)采用美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[6];混合回流液中污泥的比耗氧速率(SOUR)根據(jù)污泥對(duì)溶解氧的消耗速率測(cè)定[7];DO采用便攜式溶解氧儀測(cè)定。所有數(shù)據(jù)取3次測(cè)定的平均值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 旋流處理對(duì)循環(huán)回流液DO的影響

        生物降解過(guò)程中,為充分降解有機(jī)物,好氧池中的曝氣量通常過(guò)量;而過(guò)量曝氣又將導(dǎo)致循環(huán)回流液中殘留的DO抑制缺氧池的反硝化效率。利用旋流強(qiáng)化可高效、低耗、便捷地脫除循環(huán)回流液中殘留的DO,同時(shí)有效改善生化池的脫氮效率[8]。連續(xù)60 d的旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧試驗(yàn)中,通過(guò)內(nèi)回流管線切換,對(duì)比了旋流處理對(duì)循環(huán)回流液DO的去除效果,見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn):常規(guī)回流管線中,好氧池出水DO為(2.623±0.095) mg/L,到達(dá)缺氧池時(shí)DO因?yàn)楣芫€內(nèi)的持續(xù)消耗和流動(dòng)逸出而降至(1.991±0.081) mg/L;而經(jīng)過(guò)旋流處理后,DO降至(1.032±0.072) mg/L,DO去除率達(dá)(48.2±5.7)%;長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中,DO去除率持續(xù)穩(wěn)定,這將顯著改善缺氧池中的反硝化環(huán)境。

        2.2 旋流處理對(duì)循環(huán)回流液中碳源及營(yíng)養(yǎng)物濃度的影響

        在缺氧-好氧循環(huán)回流液的旋流強(qiáng)化過(guò)程中,活性污泥絮體在旋流場(chǎng)中的分散相自轉(zhuǎn)-公轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)和剪切作用力的作用下被破散,菌膠團(tuán)表面或孔道中的胞外多聚物(EPS)脫附并釋放至水體,持續(xù)為缺氧池補(bǔ)充碳源。運(yùn)行時(shí)間為20 d時(shí)旋流處理對(duì)A/O過(guò)程循環(huán)回流液中碳源及營(yíng)養(yǎng)物濃度的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn):不同的旋流強(qiáng)度(以旋流壓降表征)條件下,循環(huán)回流液上清液中的SCOD從46.2 mg/L增加到(127.7~204.6) mg/L,ρ(NO3--N)也從17.7 mg/L小幅增加至(18.9~21.7) mg/L,導(dǎo)致TN從23.3 mg/L增加到(27.1~32.9) mg/L。綜合而言,水體中SCOD/TN由3.0增加至4.7~5.8,表明旋流處理過(guò)程總體上為為缺氧池補(bǔ)充了碳源。

        圖2 旋流處理對(duì)A/O過(guò)程循環(huán)回流液DO的去除效果

        圖3 旋流處理對(duì)A/O過(guò)程循環(huán)回流液中碳源及營(yíng)養(yǎng)物濃度的影響

        2.3 旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響

        旋流強(qiáng)化過(guò)程中,通過(guò)破散污泥絮體改善了DO、營(yíng)養(yǎng)物和碳源的傳質(zhì)效率[9],也相應(yīng)影響了污泥絮體中微生物的活性。旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響見(jiàn)圖4。

        圖4 旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響

        由圖4a可見(jiàn):在較低的旋流強(qiáng)度條件下,隨著旋流強(qiáng)化過(guò)程的持續(xù),活性污泥微生物的SOUR先是顯著增大,然后逐漸減??;但隨著旋流強(qiáng)度的增加,污泥SOUR持續(xù)降低,最終低于初始SOUR。因此,旋流強(qiáng)化污泥活性過(guò)程受旋流強(qiáng)度影響,旋流壓降0.10 MPa時(shí)為最佳旋流強(qiáng)度。由圖4b可見(jiàn),最佳旋流強(qiáng)度條件下,長(zhǎng)周期旋流強(qiáng)化試驗(yàn)的SOUR增加了(0.004~0.040)mg/(g·min),顯著提高了(7.2±0.9)%,且改善趨勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定。這與傳統(tǒng)的旋流破解過(guò)程中的瞬時(shí)強(qiáng)化污泥活性不同,說(shuō)明絮體表面或孔道附著聚合物通過(guò)旋流處理過(guò)程脫附的同時(shí)并未傷及菌膠團(tuán)中的微生物細(xì)胞,預(yù)示旋流強(qiáng)化過(guò)程可應(yīng)用至長(zhǎng)周期生物降解過(guò)程,改善生化單元的處理效率[10]。

        2.4 旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響

        進(jìn)一步采用序批試驗(yàn)考察了旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響,見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn):經(jīng)過(guò)180 min的反硝化,常規(guī)回流污泥上清液中的ρ(NO3--N)從50.0 mg/L降至18.1 mg/L,而旋流處理污泥上清液中ρ(NO3--N)降至11.3 mg/L,循環(huán)回流液中ρ(NO3--N)均顯著降低,但旋流強(qiáng)化過(guò)程導(dǎo)致回流液中ρ(NO3--N)降低速率更快、降低幅度更大;與NO3--N不同,開(kāi)始時(shí)ρ(NO2--N)極低,隨著反硝化的深入,常規(guī)回流污泥中ρ(NO2--N)最高達(dá)到20.9 mg/L,反硝化末期降至9.2 mg/L,而旋流處理污泥上清液中ρ(NO2--N)最高達(dá)到19.1 mg/L,反硝化末期降至7.1 mg/L,相較于常規(guī)回流,旋流強(qiáng)化過(guò)程中的NO2--N轉(zhuǎn)化率略微提高。

        圖5 旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響

        2.5 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝應(yīng)用效果

        旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝被應(yīng)用至中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司(簡(jiǎn)稱“鎮(zhèn)海煉化”)2 500 t/d規(guī)模污水處理廠的生化單元,現(xiàn)場(chǎng)裝置照片見(jiàn)圖6,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的TN變化見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn),在第一階段(2015年4月1日至2016年3月31日)期間,污水廠進(jìn)水TN為(79.9±21.8) mg/L,出水TN為(32.8±8.9)mg/L,TN平均去除率約為59.0%,無(wú)法滿足GB 31570—2015的排放要求(TN≤40 mg/L)[3];在第二階段(2016年4月1日至2017年3月31日)期間,通過(guò)采用旋流處理生化單元內(nèi)回流液,并采用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中優(yōu)選的旋流強(qiáng)化操作參數(shù),煉油廠生化單元的脫氮效果得到顯著改善,進(jìn)水TN為(80.7±23.0)mg/L,出水TN為(25.6±5.7)mg/L,TN平均去除率從第一階段的59.0%提高至68.3%,提高了約10百分點(diǎn),且出水TN達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%。綜合經(jīng)濟(jì)衡算得出,旋流強(qiáng)化工藝的噸廢水運(yùn)行成本約為0.1元,相對(duì)國(guó)內(nèi)目前煉油廢水每噸6~10元[11]的處理成本,費(fèi)用極低。旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝的經(jīng)濟(jì)性顯著,且其深度脫氮效應(yīng)引起的TN達(dá)標(biāo)效益極其關(guān)鍵。

        圖6 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝的現(xiàn)場(chǎng)裝置照片

        圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的TN變化

        2.6 石化污水處理場(chǎng)提標(biāo)改造展望

        鎮(zhèn)海煉化是我國(guó)目前最大的煉化一體化企業(yè),擁有2.28×107t/a原油加工能力及1×106t/a乙烯生產(chǎn)能力。鎮(zhèn)海煉化污水處理廠始建于20世紀(jì)70年代,伴隨著企業(yè)規(guī)模的日益壯大和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí),企業(yè)經(jīng)過(guò)先后3次改造擴(kuò)建,污水處理工藝由最初的“老三件”(隔油、氣浮、生化)發(fā)展至分質(zhì)處理、預(yù)處理、生化降解及BAF深度處理的組合工藝,還通過(guò)膜分離等工藝實(shí)現(xiàn)了約90%的煉油污水回用。通過(guò)旋流強(qiáng)化技術(shù)改造,鎮(zhèn)海煉化煉油污水處理場(chǎng)A/O生化出水直接滿足GB 31570—2015標(biāo)準(zhǔn)[3],從而可直接停用A/O生化池后的BAF池。初步估算表明,通過(guò)停用BAF池并取消配套的電氣設(shè)備和人工維護(hù),生化池旋流強(qiáng)化改造預(yù)期將節(jié)約超過(guò)2×106元/a的成本費(fèi)用,對(duì)合理調(diào)配全廠運(yùn)行工藝效果顯著。

        隨著環(huán)境承載負(fù)荷的不斷降低和石化廢水處理的難度不斷增加,旋流強(qiáng)化等生化過(guò)程改造更加符合企業(yè)構(gòu)建綠色石化污水處理的“碳中和”思路,從而進(jìn)一步完善石化企業(yè)的綠色和環(huán)保屬性。而構(gòu)建綠色石化污水處理廠,總體建議從3方面不斷加強(qiáng)生化單元改造:首先,旋流處理強(qiáng)化生化過(guò)程改造經(jīng)驗(yàn)表明,后續(xù)的石化污水處理單元還將持續(xù)面臨提標(biāo)需求,階段性的提標(biāo)改造工作應(yīng)適當(dāng)留足余量,并同步開(kāi)展技術(shù)儲(chǔ)備,摒棄傳統(tǒng)增加處理單元的改造思路,整體調(diào)整“做加法”的改造思路,這樣也符合運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)人力、場(chǎng)地和運(yùn)行的彈性需求;同時(shí),石化廢水處理生化工藝的改造應(yīng)充分考慮改造技術(shù)對(duì)特定水質(zhì)的普適性,以A/O過(guò)程為例,不斷延長(zhǎng)曝氣時(shí)間能適當(dāng)提高生化降解效率,從而提高污染物去除效率,但針對(duì)難降解有機(jī)污染物,單一延長(zhǎng)曝氣時(shí)間對(duì)提高有機(jī)物去除效率影響極為有限,類似旋流強(qiáng)化的改造思路則具備廣泛適用于不同水質(zhì)強(qiáng)化的特性;此外,針對(duì)石化廢水處理生化單元的改造,還應(yīng)盡量降低或完全不增加現(xiàn)場(chǎng)的人工投入和運(yùn)行負(fù)擔(dān),未來(lái)的工業(yè)污水處理運(yùn)行,還將需要不斷提高設(shè)施的自動(dòng)化和智能化,節(jié)約或減少人力投入的改造技術(shù)才能具有長(zhǎng)久的生命力。

        3 結(jié)論

        a) 通過(guò)改造缺氧-好氧生物反應(yīng)器,對(duì)其耦合旋流強(qiáng)化,整體通過(guò)降低循環(huán)回流液中的DO,提高回流液中的營(yíng)養(yǎng)物濃度和污泥活性,使生化單元連續(xù)運(yùn)行出水TN降低。

        b) 旋流強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于中石化某煉油污水處理場(chǎng)改造,TN去除率提高了約10個(gè)百分點(diǎn),確保出水水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31570—2015的達(dá)標(biāo)率從原來(lái)的10%提高到100%。

        c) 以旋流強(qiáng)化改造技術(shù)為參照,石化污水處理廠的改造需摒棄傳統(tǒng)增加處理單元的改造思路,同時(shí)應(yīng)充分考慮改造技術(shù)對(duì)特定水質(zhì)的普適性,并確保改造工作盡量降低或完全不增加現(xiàn)場(chǎng)的人工投入和運(yùn)行負(fù)擔(dān),相應(yīng)改造技術(shù)才具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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