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        吸附-生化工藝對(duì)煤氣化廢水的深度處理研究

        2021-08-11 02:09:40王泓皓
        工業(yè)加熱 2021年7期
        關(guān)鍵詞:焦比煤氣化濾池

        王泓皓

        (榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 榆林 719000)

        由于我國(guó)化石能源儲(chǔ)量的不均衡性,導(dǎo)致煤炭占我國(guó)一次能源消耗量的比重高達(dá)70%~80%,占據(jù)著非常重要的地位。煤氣化是我國(guó)能源技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)研究方向,煤氣化不僅可產(chǎn)生天然氣,還可生產(chǎn)甲醇、二甲醚、化肥等高附加值產(chǎn)品,所以被稱為煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭技術(shù)。根據(jù)十三五規(guī)劃,至2020年,煤氣化生產(chǎn)天然氣規(guī)模將達(dá)到約350億m3。煤氣化技術(shù)的發(fā)展瓶頸在于耗水量與廢水量非常大,水質(zhì)復(fù)雜,且污染物濃度高,處理難度較大。在全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)與生態(tài)節(jié)能越來越重視的背景下,《環(huán)保法》與《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)于煤氣化行業(yè)廢水排放指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求也隨之提升[1],具體如表1所示。

        表1 煤氣化廢水指標(biāo)與排放限值 mg·L-1

        由于我國(guó)煤氣化產(chǎn)業(yè)布局一般優(yōu)選于煤炭生產(chǎn)區(qū)或集散區(qū),而我國(guó)煤炭資源主要分布在中西部地區(qū),當(dāng)?shù)厮Y源匱乏,生態(tài)環(huán)境脆弱,雖然廢水處理之后已符合排放標(biāo)準(zhǔn),但生態(tài)環(huán)境依舊不允許隨意外排。因此,迫切要求提升煤氣化廢水處理后中水的回收率,這就需要對(duì)廢水進(jìn)行深度處理,以最大程度上實(shí)現(xiàn)廢水零排放。當(dāng)前煤氣化廢水處理主要集中于氨酚回收與生物處理技術(shù)層面,缺乏廢水深度處理的技術(shù)研究。因此,本文基于已有研究成果提出了煤氣化廢水的深度處理工藝。

        1 煤氣化廢水分析

        煤氣化廢水來源于煤氣化加工過程中的洗滌、冷凝、分餾等多個(gè)工藝階段。將煤氣化過程中生成的有害物質(zhì)多數(shù)溶解于洗滌水、貯罐排水、分離水中,以此構(gòu)成了煤氣化廢水。煤氣化廢水屬于典型的難生物降解廢水,外觀為深褐色,黏度非常大,泡沫也很多,刺激性氣味強(qiáng)烈,且含有有許多固體懸浮顆粒與溶解性有毒化合物,可生化性比較差,有機(jī)污染物類型繁雜。廢水中的化學(xué)成分復(fù)雜,不僅包含酚類化合物等有毒有害物質(zhì),還附帶大量無機(jī)污染物。其中氨氮與氰化物等來源于煤的氮、硫雜質(zhì),氣化過程中,部分雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘?、氰化物,而氨與氣化時(shí)產(chǎn)生的甲酸發(fā)生反應(yīng),生成甲酸銨,濃度過高的氨氮導(dǎo)致煤氣化廢水的碳氮比嚴(yán)重失衡,從而加大了生化處理難度。另外,由于原料煤種類與煤氣化工藝不同,生成的廢水水質(zhì)存在明顯差異[2]。所以怎樣構(gòu)建可切實(shí)應(yīng)用于多數(shù)煤氣化廢水深度處理的組合工藝,是當(dāng)前需要解決的主要難題。

        2 深度處理技術(shù)現(xiàn)狀分析

        煤氣化廢水中,難降解有機(jī)物過多,且有毒有害,可生化性相對(duì)較差,只有將生化單元的出水進(jìn)行深度處理,才可確保其零排放。近幾年關(guān)于深度處理技術(shù)的研究越來越多,主要涉獵混凝沉淀技術(shù)、吸附技術(shù)、氧化技術(shù)、生化技術(shù)等,在工業(yè)應(yīng)用層面,通常選擇多種技術(shù)優(yōu)化組合。

        2.1 吸附技術(shù)分析

        吸附技術(shù)即通過吸附劑集中廢水污染物于吸附劑上,常用的有活性炭、活性焦與樹脂。將文新[3]等人對(duì)不同原料活性炭在煤氣化生化出水中吸附作用進(jìn)行了深入考察,對(duì)比了混凝沉淀工藝、活性炭吸附工藝以及二者相結(jié)合的工藝的處理效果;Agarwal[4]等人通過FeCl與改性活性炭進(jìn)行了含有苯酚與氰化物的廢水處理;大唐克旗煤制天然氣項(xiàng)目基于活性焦對(duì)煤氣化廢水做了深度處理,并以燃燒處理了吸附飽和的活性焦。在煤氣化廢水中所使用的樹脂分主要是離子交換樹脂與大孔樹脂,前者一般負(fù)責(zé)除硬,后者通常負(fù)責(zé)去除COD。值得注意的是吸附技術(shù)即轉(zhuǎn)移煤氣化廢水中所包含的污染物,并非破壞。

        2.2 生化技術(shù)分析

        生化技術(shù)主要?jiǎng)澐譃槿N,即好氧生物處理技術(shù)、厭氧生物處理技術(shù)、厭氧-好氧組合技術(shù)。煤氣化廢水不僅水量大,而且成分復(fù)雜,所以當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是厭氧-好氧組合技術(shù)。厭氧/好氧工藝是煤氣化廢水生化處理中常用的技術(shù)工藝,基于來水水質(zhì),在厭氧/好氧工藝前提下,衍生了多種工藝,即A/A/O工藝、A/A/O/O工藝等等。Wang[5]等通過A/A/O-膜生物反應(yīng)器組合工藝進(jìn)行了Lurgi碎煤加壓氣化廢水處理;徐春燕[6]等以生物增濃-A/O工藝進(jìn)行了煤制氣廢水處理,其中COD、總氮、氨氮去除率都高達(dá)90%以上;滕濟(jì)林[7]等針對(duì)A/A/O工藝中的O池添加了粉末狀活性焦,生成了生物膜-懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng),將剩余污泥回流到系統(tǒng)前端,以預(yù)處理原水,在強(qiáng)化活性污泥濃度的基礎(chǔ)上,以含焦剩余污泥針對(duì)原水做了吸附預(yù)處理。

        3 吸附-生化工藝設(shè)計(jì)

        3.1 深度處理工藝

        傳統(tǒng)煤氣化廢水處理工藝以二級(jí)生物處理方法為載體,通過生物化學(xué)法處理煤氣化廢水。此方法運(yùn)行成本低,去除范圍廣,但在污染物排放要求不斷提高的趨勢(shì)下,此處理工藝早已無法滿足生態(tài)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這就需要基于二級(jí)生物處理方法,提出三級(jí)深度處理技術(shù),以最大程度上實(shí)現(xiàn)煤氣化廢水零排放。深度處理工藝流程[8]具體如圖1所示。

        圖1 深度處理工藝流程示意圖

        3.2 吸附-生化工藝

        在深度處理工藝流程中,主要采用吸附法、生化法。吸附法通過吸附劑,可去除水中重金屬離子,例如活性炭可吸附污水中的大分子物質(zhì),但是再生成本過高,無法吸附有機(jī)污染物。因此本文在傳統(tǒng)吸附法基礎(chǔ)上,提出了基于吸附-生化工藝的煤氣化廢水深度處理方法。具體原理即以褐煤為吸附劑,通過曝氣生物濾池進(jìn)行有機(jī)污染物處理,從而實(shí)現(xiàn)廢水零排放。吸附-生化處理工藝流程[9]具體如圖2所示。

        圖2 吸附-生化處理工藝流程示意圖

        曝氣生物濾池以上向流曝氣生物濾池反應(yīng)器為載體,其采用圓柱形有機(jī)玻璃柱,直徑約0.19 m,高約2.1 m,體積約79.7 L。在反應(yīng)器中,添加了約34.2 L鵝卵石,濾料層高約1.37 m,由下到上共安設(shè)4個(gè)取樣口,以便于取樣,并面向不同取樣口進(jìn)行水取樣。以上向流方式進(jìn)水,即由底部進(jìn)水,上部排水,在濾水時(shí),以單孔膜擴(kuò)單器進(jìn)行曝氣。

        4 實(shí)驗(yàn)分析

        4.1 原 料

        選用S省某企業(yè)經(jīng)序列間歇式活性污泥法處理之后的煤氣化廢水為原料,其水質(zhì)相關(guān)參數(shù)具體如表2所示。

        表2 煤氣化廢水水質(zhì) mg/L

        選用褐煤作為活性焦吸附劑,比表面積即890 m2·g-1,成分具體如表3所示[10]。

        表3 活性焦成分 %

        4.2 儀 器

        選用湘氮九州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的三級(jí)試劑H2SO4與NaOH;選擇HACH公司生產(chǎn)的DR/2500分光光度計(jì);選取Lovibond公司生產(chǎn)的RD-125 CODcr消解儀;選用蘇坤實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SKY-100C搖床。

        4.3 方 法

        4.3.1 適應(yīng)性培養(yǎng)

        在實(shí)驗(yàn)之前,需針對(duì)曝氣生物濾池進(jìn)行7 d的適應(yīng)性培養(yǎng),以促使微生物適應(yīng)樣本廢水水質(zhì)特性。就樣本廢水水質(zhì)污染物濃度比較高而言,可添加自來水稀釋,以適度降低污染物濃度[11]。曝氣生物濾池出水水質(zhì)對(duì)比分析具體如表4所示。

        表4 曝氣生物濾池出水水質(zhì)對(duì)比分析 mg/L

        由表4可知,曝氣生物濾池在適應(yīng)性培養(yǎng)之后,出水的CODcr濃度顯著下降,在培養(yǎng)結(jié)束之后,通過詳細(xì)觀察出水水質(zhì)穩(wěn)定性與微生物生長(zhǎng)狀態(tài),明確情況良好,生長(zhǎng)穩(wěn)定,與實(shí)驗(yàn)要求相符。

        4.3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        為充分驗(yàn)證吸附-生化工藝效果,本文設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)方案,即單純利用褐煤活性焦的煤氣化廢水處理方案;基于吸附-生化工藝的煤氣化廢水深度處理方案。

        方案一:空氣流量控制于200 L/h,單純利用褐煤活性焦進(jìn)行煤氣化廢水吸附處理。設(shè)置20、30、40、50、100水焦比,基于此條件,實(shí)驗(yàn)時(shí)間明確為1d,每天定時(shí)取樣三次,以考察在不同褐煤活性焦添加量條件下煤氣化廢水吸附效果。

        方案二:控制流量控制于200 L/h,以吸附-生化工藝進(jìn)行煤氣化廢水深度處理。在吸附環(huán)節(jié),設(shè)置100、200、300、400水焦比,實(shí)驗(yàn)時(shí)間明確為1 d,運(yùn)行時(shí)間控制在8—18時(shí),由8時(shí)開始,間隔4 h取樣1次,每天定時(shí)取樣三次。據(jù)此對(duì)吸附-生化工藝的煤氣化廢水深度處理效果進(jìn)行考察分析,并得出滿足出水水質(zhì)要求的活性焦最低添加量。

        4.4 結(jié)果分析

        4.4.1 方案一結(jié)果分析

        基于設(shè)置的不同水焦比獲得單純利用褐煤活性焦的煤氣化廢水處理結(jié)果,吸附后CODcr值計(jì)算以每天17時(shí)經(jīng)過重絡(luò)酸鉀法所獲取的值為準(zhǔn),結(jié)果具體如表5所示。

        表5 基于不同活性焦投加量的吸附效果

        由表5可知,樣本煤氣化廢水的CODcr濃度約為500 mg/L,呈深棕色;水焦比在30以內(nèi)時(shí),煤氣化廢水在活性焦吸附處理之后,其CODcr濃度都超出了30 mg/L;隨著水焦比增加,煤氣化廢水通過活性焦吸附處理之后,其CODcr濃度呈不斷上升形態(tài)。據(jù)此可看出,利用褐煤活性焦吸附,最佳水焦比為30,此時(shí)所獲吸附后廢水CODcr濃度最小[9]。

        4.4.2 方案二結(jié)果分析

        基于吸附-生化工藝的煤氣化廢水深度處理結(jié)果,以每天取樣結(jié)果均值為最終結(jié)果,具體如表6所示。

        表6 基于不同水焦比的曝氣生物濾池出水CODcr濃度 mg/L

        由表6可知,水焦比在300以內(nèi)時(shí),曝氣生物濾池出水CODcr濃度都控制在50 mg/L以內(nèi)。據(jù)此可以看出,基于吸附-生化工藝進(jìn)行煤氣化廢水深度處理,在滿足相關(guān)條件的前提下,褐煤活性焦最佳水焦比為300。

        為驗(yàn)證吸附-生化工藝可靠性與穩(wěn)定性,在上述基礎(chǔ)上,以水焦比300為褐煤活性焦添加量,通過吸附-生化工藝針對(duì)樣本煤氣化廢水加以深度處理,持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60 d,最后10 d出水CODcr濃度具體如表7所示。

        表7 吸附-生化處理工藝各個(gè)階段的CODcr濃度 mg/L

        同時(shí),以電導(dǎo)率、Ba離子、Sr離子為指標(biāo),測(cè)定了出水重金屬元素含量,結(jié)果具體如表8所示。

        表8 出水離子含量測(cè)定結(jié)果

        由表8可知,在深度處理過程中,電導(dǎo)率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì);而重金屬離子通過生物膜過濾,其濃度都控制在正常范圍之內(nèi),這就說明通過吸附-生化工藝進(jìn)行煤氣化廢水深度處理,可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)與要求[10]。

        5 結(jié) 論

        通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,利用褐煤活性焦吸附,最佳水焦比為30,吸附后廢水CODcr濃度最??;吸附-生化工藝進(jìn)行煤氣化廢水深度處理,在滿足相關(guān)條件的前提下,褐煤活性焦最佳水焦比為300;在深度處理過程中,電導(dǎo)率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì),重金屬離子通過生物膜過濾,其濃度都控制在正常范圍之內(nèi),說明通過吸附-生化工藝進(jìn)行煤氣化廢水深度處理,可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)與要求。但是在研究中,只是對(duì)不同水焦比下煤氣化廢水的深度處理進(jìn)行了分析,并未考察pH與曝光時(shí)間在深度處理結(jié)果中的影響機(jī)制,有待進(jìn)一步深入研究。

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