煤制烯烃项目污水生化系统常见问题及解决措施
本文通过对国内煤制烯烃项目工艺流程常规设置及实际运行情况的调研，总结了污水生化处理系统常见的问题，并针对性提出了解决措施、建议。本研究对新建装置以及老装置的改造都有一定的借鉴意义。
众所周知，我国煤化工项目方兴未艾，已成为国家重要的能源储备。煤制烯烃项目作为煤化工的一个重要分支，也因此受到广泛关注。当前国内煤制烯烃项目一般是以煤为原料先生产甲醇，再将甲醇转化为烯烃并进一步生产聚乙烯、聚丙烯等最终产品。
由于国内大部分煤制烯烃项目地处中西部地区，面临煤多水少、水资源紧张和缺乏纳污水体、排污受限的问题，因此实施废水“零”排放对于企业的可持续发展具有重要意义。
煤制烯烃项目产生的废水成分复杂、污染物种类多、浓度高，加上国家环保部门对煤化工企业环保标准的不断提高，促使煤制烯烃项目在污水处理方面认真贯彻清污分流、污污分治、一水多用、节约用水的原则，对不同水质的废水分别进行处理，最大限度提高水的重复利用率及废水资源化率。
根据煤制烯烃项目来水水质的不同，配套的污水处理场往往会优化集成各种不同的处理工艺，比如污水生化处理、含盐污水膜处理、高效膜浓缩、浓盐水蒸发结晶、废碱液焚烧等，力争最终实现污水“零排放”的目标。由此，促进了很多污水处理新技术的产生和应用，同时对污水处理的标准也有了更高的要求，这也导致很多煤制烯烃项目在污水处理中出现了这样那样的问题，增加了项目运行难度和环保风险，亟待解决。污水生化系统作为煤制烯烃污水处理的龙头，它的运行好坏直接决定了整个污水处理场的运行效果，因此笔者对污水生化系统出现的问题进行了深刻剖析。
01
来水温度高
一般情况下，按照污水处理场设计要求，上游工艺装置污水排放温度应小于40 ℃，以满足生化系统运行温度要求。
但实际运行的很多煤制烯烃项目都存在主装置排水〔气化污水、MTO（甲醇制烯烃）污水〕水温较难控制，经常出现高温排水。水温过高，则对生化系统运行有很大负面影响，如出现生化污泥活性差，出水悬浮物高，温度高的生化产水排至膜系统导致微生物滋生过快，使膜的脱盐率及运行寿命降低等问题，严重时会导致活性污泥死亡，影响生化系统出水水质。图1为2017年国内几个煤制烯烃项目的生化综合进水温度。
气化污水、MTO污水在界区内均经过换热器换热后排放。以新疆某煤制烯烃项目为例，经过分析，MTO装置外排污水温度超标的原因：因催化剂磨损、破碎等造成沉降罐催化剂细粉不断积聚至末端，使含催化剂细粉的MTO污水在换热器管束中不断形成污垢层，导致MTO污水与换热介质接触面换热效果下降，MTO污水不能有效降温，致使排放至污水场的MTO污水温度居高不下，达到50 ℃。
气化装置外排污水温度偏高原因：
（1）气化灰水硬度平均为1 050 mg/L，碱度为800 mg/L，在污水预处理系统除氨过程中需加碱提高pH至11，导致气化污水预处理单元换热器内管束结垢严重，换热效果下降；
（2）从换热器运行数据分析，冷水侧进出温度分别为58、62 ℃，热水侧进出温度分别为108、98 ℃，可以看出该换热器基本已失去换热作用。以上2股水的水量较大，占生化进水量的80%以上，高温排水导致生化系统温度经常在38~42 ℃，污水生化系统面临高温影响。
解决措施：
（1）加强对各股来水水温的监控，在综合调节罐（池）内进行合理勾兑，保证生化系统进水温度不超标；
（2）对上游装置优化工艺控制，加强主装置换热器的清理及改造，通过增加备用换热器降低排水温度；
（3）在污水生化处理装置前端设置换热器，利用循环水进行降温，或者采用空冷进行二次降温；
（4）在厂区内设置临时缓存降温池，一旦来水温度超标，根据影响程度将部分高温污水通过流程切换至临时缓存降温池降温，降温后再进生化系统处理；
（5）增加小型污水冷却塔进行降温。
经过实地了解，通过上述优化改造、调整，均能保证生化系统进水温度＜40 ℃，但在改造的同时要考虑环保问题。比如增加小型污水冷却塔进行降温，需要考虑冷却塔排放的VOC是否符合环保要求。如果不符合要求，可通过“吹脱-冷凝”的方式将污水中的易挥发有机物收集回收，然后再进入小型冷却塔。
02
气化污水悬浮物高
污水综合罐出水悬浮物增加后，会使大量的悬浮物进入生化系统，使生化系统活性污泥中无机组分占比超过50%，导致系统运行能耗增加，排泥量增加。而系统被迫排泥会使污泥活性组分降低，影响生化系统的处理效果以及处理稳定性。另外，排泥量增加后，会导致污泥脱水和干燥设备负荷过高，并且产水的生化污泥按危废进行处置，费用较高。
煤制烯烃项目污水综合罐（池）设计出水悬浮物一般会小于100 mg/L。但部分项目由于气化污水中含部分煤泥、硅等物质，使污水综合罐出水悬浮物指标波动较大，经常出现悬浮物平均值达400 mg/L的情况，是设计水质的4倍以上。
经了解，气化污水悬浮物高主要有以下2个原因：
（1）气化污水预处理系统结垢非常严重，导致系统处理量降低，并影响脱氨及换热效果。因此，需要经常对换热器、脱氨塔进行清理，这就导致大部分工况下气化灰水预处理系统需要打开部分跨线（跨过预处理的旁路），才能保证处理水量，导致部分悬浮物进入到污水处理场。
（2）气化污水混凝剂、絮凝剂投加量不合适，也会导致悬浮物超标。
解决措施：
（1）加强气化污水预处理的管控，优化操作，调整加药量，延长结垢时间；
（2）出现结垢时及时清理，增加备用脱氨塔和备用换热器；
（3）在下游增设澄清池，进行二次处理；
（4）气化污水管线需要考虑设置2条排水管线互为备用，管线可设置法兰连接，便于清洗操作。
通过上述措施能有效解决气化污水悬浮物过高的问题，可将气化污水悬浮物控制在100 mg/L以下。
03
生化系统碳源不足问题
经半年的统计，发现国内某3个煤制烯烃项目生化综合进水氨氮均在150 mg/L以上，但生化综合进水COD只有800 mg/L左右，碳氮比在5:1左右，相对碳源比例较低。这一方面会影响活性污泥微生物的正常新陈代谢，另外还会造成反硝化反应效率降低，影响生化产水总氮达标。煤制烯烃项目气化装置排放的气化污水水量较大，并且氨氮含量较高，导致生化综合进水氨氮较高，造成碳源不足，这是一个普遍问题。传统生物脱氮由硝化和反硝化2个阶段组成。
在碳源不足的条件下，自养硝化菌对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，从而导致氨氮不能很好地转化为亚硝酸盐或硝酸盐，影响处理效果；另一方面，反硝化需要一定的有机物作为电子供体，有机物不足会导致反硝化不彻底，出水硝态氮含量超标。
为解决上述问题，很多煤制烯烃项目都采取了碳源投加措施。
（1）手动投加葡萄糖。该方法劳动强度大，效率低，并且费用高，不建议采用。
（2）设置碳源投加设施，配置必要的储罐和投加泵。由于甲醇可生化性强，在煤制烯烃项目中属于中间产品，且容易输送，很多项目都将其作为首选碳源。但根据甲醇的性质，碳源投加设施要按防爆区进行设置。
通过投加碳源能有效调整进水碳氮比，保证生化系统的运行效果。过多投加碳源也会造成成本的大幅度增加，因此，控制合适的运行碳氮比至关重要。
04
排水总磷达标问题
目前国内大部分煤制烯烃项目污水生化系统都采用A/O、SBR、MBR、BAF等工艺，虽然部分项目实现了污水零排放，但部分项目还是有少部分污水需要间断达标排放。目前外排水总磷要求至少小于1 mg/L，这对于部分进水总磷偏高，生化除磷效果一般的企业就会有很大的环保压力。一些煤制烯烃项目污水生化系统由于进水总磷偏高，并且生化系统除磷效果有限，往往会导致出水总磷控制指标超过1 mg/L，造成排水总磷超标问题。
解决措施：
（1）适当采用化学除磷的方法，尝试采用前置除磷和后置除磷结合的方法。
（2）在不影响生化污泥浓度的情况下，适当增加排泥量，达到去除总磷的目的，特别是要保证污泥脱水系统的分离液清澈，避免浑浊的分离液带有大量含磷污泥返回系统造成总磷富集。
（3）采用除磷效果更好的生化工艺，如A2O等，但投资相对较大。
（4）有部分企业循环水系统加注含磷配方药剂，从总量上增加了水系统总磷含量，可采用非磷药剂进行替代。
通过上述方法进行管控，能有效降低生化出水总磷，保证产水达标。以新疆某煤制烯烃项目为例，其生化综合进水总磷为10 mg/L，采用A/O工艺，经过优化调整后，生化出水总磷稳定在0.5 mg/L左右。
05
排水总氮达标问题
目前，国家对外排水总氮指标的控制也越来越严格。一些煤制烯烃项目污水生化系统由于进水总氮有较大幅度的波动，且生化系统硝化、反硝化效率有限，往往会导致产水总氮指标过高。
解决措施：
（1）为避免上游来水总氮大幅度波动，可在生化系统设置一定停留时间的调节罐（池），进行水的均质调节。
（2）优化生化系统运行参数。①温度：温度控制范围为20~40 ℃。②溶解氧：硝化反应DO至少要保持在2 mg/L以上，一般为2~3 mg/L，反硝化系统要将DO控制在0.5 mg/L以下。③pH：硝化反应的最适pH为8.0~8.4，反硝化反应也需要维持一定的pH，以使其达到最佳状态，其最适pH为7.0~8.5。④碳氮比：有关研究表明，当进水BOD5/ TKN≥6时，反硝化碳源是充足的，不必外加碳源。
通过上述方法进行管控，能有效降低生化出水总氮，保证产水达标。以新疆某煤制烯烃项目为例，其生化综合进水总氮为300 mg/L，采用A/O工艺，经过工艺优化调整，生化出水总氮稳定在20 mg/L左右。
06
BAF曝气生物滤池污堵问题
BAF曝气生物滤池在部分煤制烯烃项目污水生化系统作为二级生化处理单元，其发挥了一定的作用。但据调研，其经常会出现曝气系统污堵、曝气不均的问题，造成反洗风机憋压，影响设备正常运行，从而影响滤池脱碳、脱氮效率，进而影响了生化产水水质。造成污堵的原因主要有进水悬浮物高、滤料板结等。
解决措施：
（1）从水力停留时间等参数上优化曝气生物滤池的设计，保证有效的反应时间和去除率。
（2）控制好前端进水悬浮物，避免悬浮物过高堵塞单孔膜曝气器。
（3）定期对单孔膜曝气器进行更换，并将板结滤料进行松动、补充和更换。
（4）考虑采用处理效率更好的新型有机填料取代无机填料。
通过上述方法进行管控，能有效解决曝气生物滤池污堵，保证系统稳定运行。
结束语
对国内部分煤制烯烃项目污水生化系统做了较为深入的调研，在此基础上分析、总结、提炼出共性问题，对于新建装置以及老装置的改造都有一定的借鉴意义。在新项目工艺路线设计以及老项目工艺改造过程中，都要针对来水温度高、悬浮物高、总氮总磷高、碳源偏低以及曝气生物滤池污堵的问题设置相应的处理设施。对于不同的项目在面临同样的问题时，要从自身的设计以及综合条件来考虑整改措施，原封不动的照搬往往会衍生出其他问题，要本着科学、严谨的态度来解决相关问题。