王相平，劉 沅，范 旭，吳志宏，李小宇

（1.華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452；2.中國(guó)華能集團(tuán) 清潔能源技術(shù)研究有限公司，北京 102209）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境要求的提高，對(duì)污水治理方面控制也更加嚴(yán)格。華能天津IGCC 電廠是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)建設(shè)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。煤粉通過(guò)N2輸送至氣化爐反應(yīng)，生成合成氣經(jīng)凈化處理后到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電[1]。氣化和凈化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的含硫廢水，含有H2S、NH3、HCN 等有毒有害物質(zhì)，且存在高濃度COD、NH3-N、大量懸浮物，屬于高污染廢水，需要經(jīng)過(guò)處理后，達(dá)到排放要求[2]。

1 含硫廢水處理工藝裝置

1.1 含硫廢水水質(zhì)分析

摘取天津IGCC 電廠2020年7 月份的水質(zhì)情況進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 2020年7 月份IGCC 電廠含硫廢水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Water quality statistics of sulfur-containing wastewater from IGCC Power Plant in July, 2020

由表1 可知，30d 內(nèi)電廠含硫廢水COD 最大值為1417mg·L-1，NH3-N 最大值為760mg·L-1，TN 最大值為1100mg·L-1，日產(chǎn)廢水水量為28～30m3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，含硫廢水色澤為深褐色渾濁液。

1.2 系統(tǒng)處理能力及出水水質(zhì)

IGCC 電廠含硫廢水處理中試裝置系統(tǒng)按照污水水質(zhì)最大參數(shù)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)池有效容積為25m3，一級(jí)A/O 生化池有效容積為100m3，二級(jí)ABFT 有效容積為20m3，整套裝置處理含硫廢水能力為1m3·h-1。經(jīng)物理絮凝、二級(jí)生化、臭氧催化氧化、物理吸附后，系統(tǒng)出水水質(zhì)能夠達(dá)到《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/356-2018）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，COD 達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，天津市允許排放標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 天津市污染物最高允許排放濃度（mg·L-1）Tab.2 Maximum permissible emission concentration of pollutants in Tianjin City（mg·L-1）

1.3 含硫廢水處理工藝介紹

IGCC 電廠含硫廢水進(jìn)入水處理中試裝置后，首先，流至均質(zhì)調(diào)節(jié)池，通過(guò)計(jì)量泵投加藥劑調(diào)節(jié)酸堿度，同時(shí)在調(diào)節(jié)池底曝氣攪拌均質(zhì)，利用調(diào)節(jié)池提升泵提升至絮凝沉淀池，對(duì)均質(zhì)后的含硫廢水投加定量的聚氯化鋁混合劑（PAC），利用Al3+與CN-和S2-的絡(luò)合反應(yīng)去除含硫廢水中的CN-和S2-，投加定量的聚丙烯酰胺助凝劑（PAM），利用鋁鹽水解后產(chǎn)生的Al（OH）3礬花，提高絮體尺寸，增強(qiáng)沉降效率[3]。

含硫廢水經(jīng)過(guò)絮凝沉淀處理后，經(jīng)泵提升至并聯(lián)的兩個(gè)一級(jí)A/O 生化池，一級(jí)A/O 生化池是由缺氧池（A 池）和好氧池（O 池）串聯(lián)組合而成，池中懸掛海草式軟性填料，并采用可提升式曝氣器。缺氧池設(shè)在前段，池中馴養(yǎng)的微生物反硝化菌在低氧條件下，利用污水中的有機(jī)碳源將硝酸鹽、亞硝酸鹽生物降解還原為氣態(tài)氮。好氧池設(shè)在后端，在好氧條件下，硝化細(xì)菌將進(jìn)水中氨氮氧化為硝態(tài)氮，并利用自養(yǎng)菌將反硝化反應(yīng)過(guò)程中殘留的有機(jī)污染物進(jìn)一步氧化分解去除[4]。

含硫廢水經(jīng)一級(jí)AO 處理后提升至臭氧催化氧化裝置，O3在催化劑作用下形成·OH，破壞含硫廢水中難降解的大分子有機(jī)物C=N 鏈，提高污水生化性，為后續(xù)生化提供有利條件，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的提升。

含硫廢水經(jīng)過(guò)臭氧催化氧化處理后，提升至二級(jí)ABFT 生化池，區(qū)別于一級(jí)A/O 生化池，ABFT 生化池中填裝ABFT 專用填料，可以實(shí)現(xiàn)微生物的大量附著，微生物活性更高，進(jìn)而提高硝化反硝化反應(yīng)的效率，強(qiáng)有力地保證含硫廢水中殘余NH3-N 和COD 的去除效率[5]，同時(shí)二級(jí)ABFT 生化池作為本套出水系統(tǒng)的最后降解環(huán)節(jié)，有效的保證出水水質(zhì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗沖擊性能，使該系統(tǒng)運(yùn)行安全有效。

含硫廢水經(jīng)二次生化處理后流至砂濾及活性炭吸附裝置，利用物理方法過(guò)濾去除水中的懸浮物、微生物及細(xì)小顆粒凈化水質(zhì)，從而達(dá)到出水排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。天津IGCC 電廠含硫廢水處理工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 天津IGCC 電廠含硫廢水處理工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of sulfur-containing wastewater treatment in Tianjin IGCC Power Plant

2 微生物馴養(yǎng)階段

2.1 微生物培養(yǎng)步驟及注意事項(xiàng)

本套裝置生化池所用污泥均取自于天津臨港工業(yè)區(qū)勝科污水處理廠。

將20m3污泥分別引入一級(jí)A/O 生化池和二級(jí)ABFT 生化池內(nèi)，停止進(jìn)水并對(duì)好氧池（O 池）連續(xù)曝氣1～2d，有部分絮狀物出現(xiàn)后增加曝氣量，同步觀察污水上方絮凝物的尺寸變化，待生化池調(diào)整至最佳參數(shù)后可投入運(yùn)行試驗(yàn)。在微生物培養(yǎng)初期，要注意對(duì)曝氣量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，可向污水中額外加入碳源，污水的pH 值、溫度、溶氧量、電導(dǎo)率、回流比等都會(huì)對(duì)微生物的培養(yǎng)產(chǎn)生影響。

2.2 外部投碳量的簡(jiǎn)易計(jì)算

IGCC 含硫廢水經(jīng)過(guò)pH 值調(diào)節(jié)、絮凝沉降等初步處理之后進(jìn)入A/O 池進(jìn)行生化處理，污水中含有大量的難降解的有機(jī)物，這部分難降解有機(jī)物可生化性低，難以作為有效碳源參與到反應(yīng)中去，導(dǎo)致生化池內(nèi)沒(méi)有足夠參與反應(yīng)的碳源，抑制硝化反硝化反應(yīng)進(jìn)程。外部投加碳源的目的就是補(bǔ)充水中的營(yíng)養(yǎng)以維持微生物的生物活性，使生化池內(nèi)達(dá)到最佳工況以提高污水中TN 的去除效率[7-9]。

本套系統(tǒng)中選用NaAc 作為生化池的外加碳源。通過(guò)測(cè)定進(jìn)出水水質(zhì)參數(shù)，利用簡(jiǎn)易計(jì)算式（1），得到生化池內(nèi)所需Cm（以COD 計(jì)）的差值,計(jì)算出乙酸鈉的投加量。

式中 Cm：投碳量（以COD 計(jì)），mg·L-1；N：反硝化反應(yīng)可消除的氮量，mg·L-1。

NaAc 的COD 當(dāng)量參數(shù)計(jì)算如下：

3 運(yùn)行處理試驗(yàn)

3.1 水質(zhì)測(cè)試儀器

本試驗(yàn)中水質(zhì)參數(shù)使用6B-1800 型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀測(cè)定，測(cè)定范圍：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）。將待測(cè)水樣置于消解器中進(jìn)行消解。COD 的測(cè)定采用分光光度法，NH3-N、TN 及TP 的測(cè)定采用比色法，pH 值的測(cè)定采用電解法測(cè)定儀、溶解氧含量測(cè)定采用便攜式溶氧儀、污泥濃度測(cè)定采用重量沉淀法[ 10,11]。

3.2 各階段出水COD 數(shù)據(jù)分析

啟動(dòng)水處理裝置，向一級(jí)、二級(jí)生化反應(yīng)池內(nèi)少量進(jìn)水的同時(shí)添加適量污泥進(jìn)行微生物馴養(yǎng)，1#、2#A/O 池外加投碳量一致。圖2 為一級(jí)A/O 生化二池連續(xù)運(yùn)行50 個(gè)周期后的COD 出水水質(zhì)情況。

圖2 一級(jí)A/O 生化池出水COD 曲線Fig.2 COD curve of primary A/O biochemical tank effluent

由圖2 可知，含硫廢水水處理裝置調(diào)試結(jié)束投入運(yùn)行后，對(duì)兩級(jí)生化池內(nèi)定期投加外部碳源NaAc，投加后水中的COD 值會(huì)增高；外部碳量會(huì)使微生物活性增強(qiáng)，增加反硝化速率，大量有機(jī)物得到降解，圖2 中可以看到，曲線的上下波動(dòng)。還能發(fā)現(xiàn)，1#、2#出水COD 曲線變化趨勢(shì)基本上保持一致，說(shuō)明在生化池有效容積保持一定時(shí)，微生物馴養(yǎng)的程度與生化池內(nèi)溶解氧的含量有關(guān)。增加生化池的處理水量，將進(jìn)水量達(dá)到設(shè)計(jì)值1m3·h-1，2020年9 月末，一級(jí)A/O 生化池的COD 曲線大幅下降，最低的COD 出水值小于100mg·L-1；經(jīng)過(guò)一級(jí)A/O 生化池處理后的污水最后送至ABFT 生化池做最后的凈化處理。

圖3 為二級(jí)ABFT 生化池出水COD 曲線。

圖3 二級(jí)ABFT 生化池出水COD 曲線Fig.3 COD curve of secondary ABFT biochemical tank effluent

由圖3 可知，2020年9 月6 日起二級(jí)ABFT 的出水COD 均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，平均值小于等于30mg·L-1，出水水質(zhì)達(dá)到要求且優(yōu)于二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 為運(yùn)行期一級(jí)1#A/0 生化池COD 去除率的變化。

圖4 運(yùn)行期一級(jí)1#A/O 生化池COD 去除率的變化Fig.4 COD removal rate change of primary 1#A/O biochemical tank during operation period

由圖4 可知，一級(jí)A/O 生化池內(nèi)COD 去除率逐漸增大，系統(tǒng)的抗沖擊性能持續(xù)提高，說(shuō)明在一級(jí)生化池運(yùn)行初期，污水中可供異氧菌反硝化利用的有機(jī)碳源充足，微生物的生長(zhǎng)周期短代謝快，后期隨著IGCC 電廠運(yùn)行情況的變化，氣化含硫污水水質(zhì)污染嚴(yán)重，污染物濃度變高，可降解的有機(jī)碳減少，對(duì)生化池內(nèi)硝化反硝化有一定的抑制作用，需要定期投加碳源促進(jìn)反硝化反應(yīng)，增強(qiáng)去除效率。另外，10 月份COD 的去除效率明顯低于9 月份的去除率，說(shuō)明溫度對(duì)微生物的繁殖代謝有一定的影響，在冬季時(shí)需注意保溫防凍，必要時(shí)外加電伴輔熱對(duì)系統(tǒng)內(nèi)污水進(jìn)行保溫處理。

3.3 各階段出水NH3-N 數(shù)據(jù)分析

圖5 為一級(jí)A/O 生化池出水NH3-N 曲線。圖6為二級(jí)ABFT 生化池出水NH3-N 曲線。

圖5 一級(jí)A/O 生化池出水NH3-N 曲線Fig.5 Primary A/O biochemical pool effluent NH3-N curve

圖6 二級(jí)ABFT 生化池出水NH3-N 曲線Fig.6 Secondary ABFT biochemical pool effluent NH3-N curve

由圖5、6 可知，一級(jí)生化池8 月出水NH3-N 值趨于穩(wěn)定后，最低值為0.876mg·L-1，平均值小于5mg·L-1，后期隨著IGCC 電廠來(lái)水濃度增高，系統(tǒng)失去平衡并超負(fù)荷運(yùn)行，使得出水NH3-N 值急速升高，水質(zhì)指標(biāo)波動(dòng)較大。采取了減少進(jìn)水量，及時(shí)補(bǔ)充碳源量；調(diào)整曝氣量，增加好氧池的溶氧量，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)程等一系列有效措施，使其恢復(fù)到最佳運(yùn)行參數(shù)，從圖中可以看到，NH3-N 曲線持續(xù)下降，二級(jí)ABFT作為整套系統(tǒng)的最后生化環(huán)節(jié)，在降COD、NH3-N的同時(shí)也起到保護(hù)作用，在二級(jí)ABFT 的出水NH3-N 曲線圖中，NH3-N 值變化較穩(wěn)定，平均值NH3-N小于3mg·L-1，符合設(shè)計(jì)的出水排放要求。

4 結(jié)論

通過(guò)為期100d 的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，IGCC 電廠高含硫廢水可以通過(guò)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案來(lái)達(dá)到《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/356-2018）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)工藝處理下裝置出水水質(zhì)穩(wěn)定，能夠連續(xù)運(yùn)行，可以對(duì)高濃度廢水中有機(jī)物進(jìn)行高效降解。本工藝對(duì)水環(huán)境中碳源的合理利用，可以減少外加碳源的用量，節(jié)能環(huán)保，對(duì)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)工程的廢水處理有一定的借鑒意義。