工業廢水處理新技術的經濟和環保效益
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隨著我國工業化和城市化的快速推進，工業廢水種類和數量迅猛增加，廢水排放量占全國總量40%以上，目前大量的工業廢水未能達標排放，既影響重復利用，也一定程度污染環境。“十二五”期間，國家在水環境保護方面工作力度進一步加大，強化水中污染物的減排和治理，將氨氮首次納入約束性指標；并要求繼續提高污水處理率和設備負荷率。未來的幾年內，工業廢水處理將進入攻堅階段。為了實現節能減排的要求，處理工藝的進步是最重要的途徑。為了響應國家節能減排和循環經濟的要求，我公司北京博匯特環保科技有限公司與德國EBV公司合作提出了一種新型的節能降耗的工業廢水處理技術—BioDopp工藝。該工藝體現了“高效化、集成化、智能化及減量化”的特點。
1BioDopp工藝簡介及其技術優勢
1.1工藝簡介BioDopp工藝是結合了氧化溝的全液內回流及一體化結構理念，利用A2/O的不同功能分區形式，借助CASS工藝前置選擇區模式，輔以高效的曝氣技術，通過創新的空氣提推技術作為源動力，將水解酸化、生物選擇區、除碳、脫氮、沉淀甚至除磷等多個功能單元結合在一起的生物處理工藝。該工藝有效節省了占地面積，縮短了工藝流程，減少了土建及管道投資，并且也大大縮短了巡檢路線，便于建成后運營管理。BioDopp一體化結構見圖1。BioDopp工藝的微生物馴化技術是其關鍵技術，工藝中其它技術設計及運行的宗旨是為微生物的馴化創造貼近自然界的生存條件。BioDopp工藝的污泥馴化，主要遵循一項原則和兩個基本點：原則：空氣提推技術確保池內高回流比，完成對進水瞬間稀釋，確保整個流程內濃度梯度負荷最小化，創造貼近自然態的生長環境。基本點1：控制污泥比增長速率及其世代時間，使其污濃盡量高，生長盡量慢。基本點2：借助微氧理論，控制好氧池內溶氧不超過0.5mg/L，溶氧濃度的控制是溶氧儀連接變頻風機PLC自控單元來自控控制。
1.2技術優勢BioDopp工藝采用了低溶氧高污泥濃度的微生物技術、短程同步硝化反硝化的脫氮技術、大表面積曝氣微混合技術、大水力循環的一體化結構。基于這些特點，該工藝較傳統生物處理工藝有如下創新點：（1）節能降耗措施的創新BioDopp工藝，在低溶氧（0.1～0.3mg/L）較高污泥濃度（8～122g/L）的運行工況下，通過氣提方式代替傳統的泵內外回流方式實現了工藝所需的高比倍循環稀釋要求，達到了節能降耗；在滿足工藝自身曝氣需要的前提下，通過曝氣方式的創新實現了污水廠的節能降耗。（2）運行維護方面的創新通常污水生化處理都面臨水下設備多、維護維修難，曝氣設備堵塞、更換難等比較棘手的問題，BioDopp工藝均實現了突破，給予了很好的解決。BioDopp工藝采用的曝氣軟管，在設計上既有自動“清洗”的功能，又能保證在不停車、不影響生產的條件下，可更換或者維修。同時BioDopp池內幾乎無機械設備，可做到方便提升更換。（3）混合液循環方式的創新BioDopp工藝直接用空氣提推將混合液從末端循環到進水段，強化了泥水的有效混合過程，并實現對進水的高倍比稀釋，減少了回流設備同時也節約了維修費用，進一步提高了系統運行的安全和方便性。同時高倍比回流使得反應池內進出污染物濃度差很小，相當于完全混合反應器，保證了反應器內微生物處于相對穩定的生存環境中，使其充分發揮去除污染物的效能。（4）高效的曝氣系統BioDopp曝氣軟管高密度均布方式與打孔技術使鼓出氣泡更為均勻，其直徑更小，緩慢曲線上升的流速保證其有足夠時間與水體接觸傳質，有效增大了氧轉移效率；除此之外，曝氣管采取可提升方式，使曝氣管的檢修與維護更加簡單，易操作。（5）高速澄清器BioDopp高速澄清器是是一種泥水分離裝置，通過底部污泥高速回流使污泥不在底部沉積，借助組合填料，設計獨特的澄清漏斗和專屬填料布置方式，完成高效快速澄清。其特殊的設計結構，配以空氣提推技術，即降低了回流能耗，還節省了污泥回流泵房。（6）高污泥濃度使系統具有優越的抗沖擊負荷能力在低溶氧、高活性污泥濃度條件下使曝氣池有機負荷（F/M）較低，系統具有更加優越的抗沖擊負荷的能力。同時由于食物不太充足，微生物增長較慢或基本不增長，甚至可能減少，更進一步消除了剩余污泥中大部分原組織物質，那些易產生異臭味氣體的成分也被消除了，如此被“固化”的污泥味道聞起來像新鮮的泥土。
2工程實例
2.1大唐國際多倫煤氣化廢水處理工程大唐國際發電股份有限公司多倫年產46萬噸煤基烯烴項目為世界上最大的煤化工工程化項目。其污水處理站主要處理全廠生活污水，化工區煤氣化裝置、甲醇裝置、丙烯裝置和聚丙烯裝置的生產污水，裝置沖洗排水和污染區內的初期雨水。經處理后澄清水作化工區循環水系統補水，總體實現零排放。（1）設計規模：7200m3/d（2）主要工藝流程：來水——破氰除氟系統——BioDopp生化反應池——多介質過濾和活性炭吸附——循環水回用（3）進出水水質為：（4）項目運行評價大唐國際多倫煤化工項目作為國內最大的煤化工項目之一，全廠為了達到“零排放”的目的，采用以BioDopp生化系統為主體工藝處理廠內各類污水，輔以多介質過濾和活性炭吸附深度處理，使排放污水達到循環冷卻水系統補充水標準，作為循環水補充水進行回用，不僅降低了企業的排放總量，還達到了節約用水、節能降耗的效果。所有有機污水在廠內污水處理站集中處理達標后作為循環水補充水，不僅降低了企業的排放總量，還達到了節約用水的效果。BioDopp生化系統總運行成本1.82元/噸，其中直接運行成本是0.91元/噸，直接成本包括電費、藥費、人工及維修（電費0.58元/噸，藥劑0.15元/噸，人工0.10元/噸，維修0.08元/噸）。BioDopp生物池的建設，有效節約了占地，可將運行成本降低40%，最大限度的提高了運行穩定性。
2.2中石油吉化丙烯腈污水處理站改造工程該項目屬擴容提標改造項目，廢水中由于含有丙烯腈、氫氰酸、丙酮氰醇及甲甲脂等劇毒高難降解化學物質，曾用傳統工藝改造過三次，都出現出水CODCr較高，出水氨氮較進水高的現象，這是含氰廢水的特點。采用BioDopp工藝進行技改后，同樣占地面積處理水量翻倍，管理維護非常簡便。實現了劇毒廢水無害化治理，解決了含氰廢水脫氮的難題，在國內乃至世界范圍內填補了空白。（1）設計規模：4800m3/d（2）改造工藝：將已建的1#、2#、3#SBR污水處理池進行改造，將1#、2#SBR池改造為BioDoppA池，將3#SBR池改造為BioDoppB池。（3）進出水水質為：以下，而BioDopp池出水基本穩定在50mg/L～200mg/L，由于出水指標偏低，目前吉化海特部分高濃廢水通過丙烯腈出水稀釋后達標排放至吉化污水處理廠。氨氮的硝化為含氰廢水的處理難點，因為廢水中含有大量的劇毒物質—氰化物，氰化物對硝化菌的生長存在巨大的抑制作用，而對于BioDopp工藝來講，大比例循環稀釋系統使得池內負荷相對均勻，可將梯度負荷降到最低，再加上其獨特的馴化方式，使硝化菌能夠在此相對穩衡的環境下生長，大量的菌株聚合在一起，形成協同效應，所以能適應一定濃度的CN-環境。吉化要求出水氨氮需控制在45mg/L以下，BioDopp池出水可將氨氮穩定在20mg/L以下。CN-進水基本在5mg/L以下，出水要求控制在0.5mg/L以下，而BioDopp工藝出水CN-可降解到0.01mg/L以下，使有毒廢水無害化。該項目不僅對含氰廢水處理效果好，而且成本較低，能耗及藥耗均較其他工藝低。其總成本為1.94元/噸，其中直接運行成本是0.99元/噸，直接成本包括電費、藥費、人工及維修（電費0.23元/噸，藥劑0.25元/噸，人工0.21元/噸，維修0.30元/噸）。《BioDopp工藝處理含氰廢水的應用及研究》已在國內最權威的工程類國家核心期刊發表。BioDopp工藝為含氰廢水采用生化法治理打開了局面。（4）項目運行評價項目自建成以來，運行良好，由于池內控制點只有DO和pH值兩個控制點，且DO信號為PLC變頻自控調節，故管理非常簡便。曝氣系統因為具備自清洗的特點，所以不會堵塞，建成五年多以來，曝氣均勻，氧利用率高，動力效率一直較為恒定處于高位。吉林石化公司要求出水COD需滿足300mg/L煤化工行業污水治理呈現兩高兩難態勢，即污水排放量大，處理難度大，污染濃度高，運行成本高。河南省煤氣（集團）有限責任公司義馬氣化廠響應國家節能減排號召，結合廠內現有以SBR生化處理為主工藝的污水處理站運行成本相對較高，處理效果不夠穩定，二期改造占地有限等局面，最終將一座SBR改造為BioDopp生化工藝。該工藝較傳統工藝節省一半占地，節約一半能耗，管理維護更加簡單。（1）設計規模：840m3/d（2）改造工藝：將已建的SBRA池改造為BioDopp池。（3）進出水水質見表3。（4）項目運行評價項目自建成以來，運行良好，即便是在原水水質波動很大的情況下，出水水質都基本穩定，可見BioDopp工藝的抗沖擊、可恢復性很強。而且各出水指標明顯優于原SBR工藝，運行管理方便，節省了大量的藥劑消耗和人工費用。該項目直接運行費用為3.03元/噸，遠低于原廠SBR的8.25元/噸。而且每處理一噸魯奇加壓氣化廢水能夠減少COD排放約5kg、氨氮約0.2kg、總氮約0.2kg、酚類物質約1.0kg，其他需控制污染物1.5kg，并能夠得到同等體積的可回用水。BioDopp工藝在真正實現了節能減排的同時還為煤氣化行業污水處理提供了一條成熟可靠、投資少、運行費用低、適用性強的技術。BioDopp技術依據自身結構特點和微生物技術，建立了短流程脫氮體系、實現了高效徹底的生化降解效果，大大節約了運行成本，在河南煤化工引起了轟動，目前已依托河南煤化工在河南省科技廳獲得科技成果，在魯奇爐和BGL爐廢水領域已被認定為河南省重點推介技術。
3經濟效益和環保效益評價這里以河南煤化工義馬氣化廠污水處理站改造工程為例，對BioDopp工藝的技術經濟指標和該工藝的社會環保效益進行分析。
3.1經濟效益評價
3.1.1技術經濟分析在義馬氣化廠改造工程中，BioDopp工藝噸水電耗約為1.6～2.0kW•h/t，相對于傳統工藝約噸水電耗2.4～4.2kWh/t，可實現能耗節省約33.3%～52.4%。BioDopp技術的立足點就是節能、高效，該技術依靠先進的曝氣方式和工藝流程大大降低了對電能消耗，比如軟管曝氣、空氣提推的設計。通過物料衡算可知BioDopp工藝節能主要體現在系統脫氮形式上，大部分通過短程硝化的形式得到去除。這就比其他活性污泥工藝有一定的節能優勢。其他活性污泥全程脫氮的硝化過程反應式為：NH4++3/2O2→NO2-+2H++H2ONO2-+1/2O2→NO3-而短程硝化將硝化控制在亞硝化階段，則節省25%O2。且BioDopp工藝一直維持在低氧條件下，最高溶氧不超過0.45mg/L，與傳統工藝曝氣區大于2.0mg/L相比，本工藝節能成果顯著。與常規活性污泥法相比，節省O2的量為：1-0.45/2×(1-57.77%×25%)=80.75%鼓風曝氣系統電耗一般占全廠電耗的40～50%（計算取45%），曝氣池是二級生物處理廠耗能最大的構筑物。則至少能節省費用：45%×80.75%=36.34%。與義馬氣化廠SBR生化系統（噸水耗電6.2kW•h）相比，BioDopp工藝每年可節省費用至少為：35×24×（6.2-2.0）×0.6×365=772.63萬元/年另外，短程脫氮過程中反硝化直接由亞硝酸鹽開始，則節省62.5%碳源，同時提高了反硝化速率。BioDopp工藝與常規活性污泥法相比，節省脫氮碳源為57.77%×62.5%=36.11%，反硝化速率提高47.36%，反應器容積也相應縮小，節省了占地面積和土建費用。由于BioDopp工藝實現了短程同步脫氮，硝化過程中消耗堿度和反硝化過程產生堿度的大部分過程均在曝氣區中發生，兩者中和能夠有效地保持反應器中pH值穩定，同時可以降低硝酸鹽氮濃度以減少速澄區污泥漂浮及回流污泥對厭氧釋磷的影響。
3.1.2經濟效益分析（1）BioDopp工藝與廠內SBR工藝直接運行費用比較見表4。（2）BioDopp工藝在義馬氣化廠污水改造過程中的經濟指標：①節省占地30～50%，節省一定土建投資及征地費用；②節省供氧量40%，節省碳源25%以上，能耗及藥耗總和節省超過50%；③系統剩余污泥量減少40%以上，且運行時無臭味。（3）BioDopp工藝與其他常見氣化廢水處理生化工藝相比較，其經濟性能有較大優勢，具體表現如圖2。
本改造工程運行結果展示出良好的社會與環保效益，改造工程工藝應義馬氣化廠“節能減排”的目的而設計，其處理結果完全達到義馬氣化廠的要求。義馬氣化廠屬于“九五”國家重點項目，并多次擴建，是國內煤氣化行業的標桿企業，其節能減排目標的提前順利完成不僅顯示了其作為一個大型國有企業的社會職責，而且在集團內部樹立了標桿作用，同時為行業企業做出了良好榜樣作用。應用BioDopp工藝流程每處理一噸Lurgi碎煤加壓氣化污水能夠減少COD排放約5kg、氨氮約0.2kg、總氮約0.2kg、酚類物質約1.0kg，其他需控制污染物1.5kg，并能夠得到同等體積的可回用水；同時使用BioDopp工藝流程來處理Lurgi碎煤加壓氣化污水，比同等工藝噸水處理能耗低2～4kW•h，間接減少二氧化碳排放當量為1.2～2.5kg/t，如果同時計算藥耗與其他費用，可間接減少二氧化碳排放當量為2～4kg/t，真正地實現了節能減排的要求。綜上，BioDopp工藝流程簡單，占地小，運行成本低，而且出水水質有保證，甚至可以達到回用水標準。這不僅降低了工業大戶的用水成本，而且避免了周邊水體受污染，使居民能夠安心用水。既響應了國家節能減排和循環經濟的政策方針，又達到了經濟效益和社會效益的和諧統一。
4結論
多個工業廢水處理工程實例的成功運行證明了BioDopp工藝本身的價值和優越性，在當前處理出水要求高、節能減排任務重的條件下，BioDopp工藝是一種極具推廣價值的創新工藝，具體表現為：（1）BioDopp工藝實現了短程同步脫氮，同時保證去除有機污染物和脫氮效果，出水指標相比其它傳統工藝大幅度降低，這歸因于一體化生物池內獨一無二的生物和生化反應的控制參數。（2）BioDopp工藝節省一半占地、能為客戶節約大量的寶貴的土地資源；其處理流程短，管理相當簡單；（3）BioDopp工藝節省能耗、抗沖擊能力強、系統恢復快；（4）BioDopp工藝僅有一個核心溶解氧控制點，并且是變頻PLC聯動控制，自動化程度高，維護管理簡單。（5）BioDopp工藝可實現不停車更換曝氣管，使用壽命至少是其它曝氣系統的2到5倍。操作維護量少，維護維修非常方便。（6）BioDopp工藝所需人工較少，可節約一定的人力成本。（7）BioDopp工藝污泥齡長，剩余污泥排放量少，大幅降低污水勞動強度。
