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煤化工含氟廢水分質(zhì)預(yù)處理+深度處理工藝

來源:建樹環(huán)保 2026-04-03 17:28:07 647

河南某大型煤化工企業(yè)主要產(chǎn)品包括年產(chǎn)50×104t甲醇、20×104t二甲醚、40×104t醋酸及40×104t乙二醇,其他副產(chǎn)品包括硫磺、液氧、液氮等。該企業(yè)地處淮河流域渦河水系的澮河區(qū)域,為地下水高氟區(qū),氟化物環(huán)境容量小、環(huán)保要求嚴(外排水氟化物濃度不超過1mg/L)。為解決外排廢水氟化物超標問題,新建或改造除氟裝置,根據(jù)不同類型廢水的氟化物濃度,采用二級混凝沉淀和氣浮+砂濾進行預(yù)處理,再與反滲透濃鹽水混合進行吸附凈化深度處理,實現(xiàn)出水達標排放。

1、設(shè)計水質(zhì)、水量

該企業(yè)產(chǎn)生氟化物的裝置和單元主要有:①醋酸生產(chǎn)線配套建設(shè)2臺煤氣化裝置,采用五環(huán)爐WHG干粉煤氣化工藝將原料煤轉(zhuǎn)化為合成氣,生產(chǎn)廢水氟化物濃度為30~45mg/L;②富余合成氣制乙二醇生產(chǎn)線循環(huán)排污水氟化物濃度為3~5mg/L;③反滲透濃鹽水的氟化物濃度約為6mg/L。前兩項治理后的排水與反滲透濃鹽水混合,氟化物濃度為3mg/L以下。設(shè)計進、出水水質(zhì)和水量見表1。

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其他含氟濃度不高的廢水約300m3/h,進入該企業(yè)另一座SBR工藝污水處理站處理。根據(jù)驗收監(jiān)測報告,進水水質(zhì)均值:COD為335mg/L、BOD5為94mg/L、氨氮為9.21mg/L、總氮為227mg/L、氟化物為1.73mg/L、SS為531mg/L;出水水質(zhì)均值:COD為21mg/L、BOD5為4.5mg/L、氨氮為4.49mg/L、總氮為16mg/L、氟化物為1.37mg/L、SS為131mg/L。污水處理站出水匯入當?shù)鼗@區(qū)污水處理廠(設(shè)計規(guī)模為1.5×104m3/d,處理工藝為水解酸化+CASS+二沉池)進一步處理后,一部分(冬季約100m3/h,夏季約200m3/h)回用為該煤化工企業(yè)冷卻水(回用水質(zhì):COD為12~17mg/L、BOD5為2.7~3.9mg/L、氨氮為0.24~0.29mg/L、總氮為8.3~9.1mg/L、氟化物為0.95~0.98mg/L、SS為7~10mg/L,不會對循環(huán)排污水水質(zhì)造成影響),剩余出水達標排放。

2、工藝選擇及流程

含氟廢水處理方法主要包括沉淀法、吸附法、離子交換樹脂法、膜分離法等。對于高濃度含氟廢水(F-≥20mg/L),一般采用化學(xué)沉淀法,即投加鈣鹽或石灰,利用鈣離子與氟離子生成氟化鈣沉淀去除氟化物。對于中低濃度含氟廢水(F-≤20mg/L),一般采用混凝沉淀法,即投加鋁鹽混凝劑,利用混凝劑在水中形成帶正電的膠粒吸附水中的F-,使膠粒相互聚集,形成較大的絮狀物沉淀,以達到除氟的目的。沉淀法原理簡單、處理方便、成本低、效果好,但存在占地面積大、調(diào)控參數(shù)多、沉淀沉降緩慢等缺點。吸附法利用填充基質(zhì)與廢水中污染物進行離子交換或表面化學(xué)反應(yīng),從而去除氟化物。該方法操作簡便,處理低濃度含氟廢水效果穩(wěn)定,但吸附劑有時會出現(xiàn)板結(jié),需要繁瑣的再生處理。常用的除氟吸附劑主要有活性氧化鋁、沸石、活性炭、羥基磷灰石等。在一定條件下,吸附法均能實現(xiàn)氟深度凈化。該企業(yè)針對不同含氟廢水的濃度和性質(zhì)選擇不同的處理方法,先進行分質(zhì)預(yù)處理,再混合進行深度處理。含氟廢水處理工藝流程見圖1。

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關(guān)于煤化工廢水系統(tǒng)性除氟的報道不多,且基本采用混凝沉淀法。何伏牛等煤化工廢水處理出水氟化物濃度為2~5mg/L,不能滿足環(huán)保要求較高地區(qū)的需要;張元勇等對全水量進行混凝沉淀處理,雖可實現(xiàn)氟化物達標排放,但總運行費用較高。

2.1 煤氣化廢水

煤氣化廢水屬于高濃度含氟廢水,僅采用化學(xué)沉淀法處理,出水F-≤3mg/L。常規(guī)的化學(xué)沉淀法投加石灰,由于氟化鈣的理論最大溶解度約8mg/L,氟化物的殘留濃度一般仍有15~20mg/L,還需要采用專用藥劑進行二次除氟反應(yīng),保證出水F-≤3mg/L。

煤氣化廢水進入調(diào)節(jié)池經(jīng)均質(zhì)調(diào)節(jié)后,進入一級反應(yīng)池(3格)與氯化鈣進行攪拌反應(yīng),在反應(yīng)池中段投加堿液(燒堿)調(diào)節(jié)pH,后段投加絮凝劑(PAM)后,進入一級沉淀池進行固液分離。經(jīng)過一級沉淀后的廢水進入二級反應(yīng)池(3格),前段投加除氟劑(硫酸鋁投加量1200mg/L,pH控制在7左右)進行攪拌反應(yīng),后段投加PAM后進入二級沉淀池進行固液分離,出水進入企業(yè)污水處理站進行生化處理(水解酸化+SBR),再進入總排水的氟化物深度處理系統(tǒng)處理。一級沉淀池、二級沉淀池底部污泥送至污泥濃縮池濃縮,再通過污泥泵送至疊螺脫水機,污泥產(chǎn)量為2.5t/d,含水率約80%,脫水污泥外運處置。

主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù):

①調(diào)節(jié)池:1座,半地埋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),水力停留時間為2h,有效容積為600m3。

②一級反應(yīng)池:碳鋼防腐結(jié)構(gòu),1座3格,串聯(lián)運行,1格和3格水流下進上出,上升流速為0.6m/min,2格上進下出,內(nèi)設(shè)攪拌器;反應(yīng)時間為9min;有效容積為45m3。

③一級沉淀池:1座,碳鋼防腐結(jié)構(gòu),豎流式,直徑×高(含泥斗高度)為8.5m×10.6m。

④二級反應(yīng)池:碳鋼防腐結(jié)構(gòu),1座3格,串聯(lián)運行,1格和3格水流下進上出,上升流速為0.6m/min,2格上進下出,內(nèi)設(shè)攪拌器;反應(yīng)時間為9min;有效容積為45m3。

⑤二級沉淀池:碳鋼防腐結(jié)構(gòu),1座,豎流式,直徑×高(含泥斗高度)為4.2m×9.0m。

2.2 循環(huán)排污水

該企業(yè)富余合成氣制乙二醇生產(chǎn)線的循環(huán)排污水含氟濃度相對不高,但需進行針對性除氟。通常沉淀法適于處理含氟濃度較高的廢水,且占地面積大、運行調(diào)控參數(shù)多。該股廢水選用硫酸鋁作為除氟劑,產(chǎn)生的絮體較小,適于氣浮去除。雖然氣浮法的電耗、藥耗大,但處理效果好且穩(wěn)定、占地省、池容小、污泥產(chǎn)量少。因此,選擇混凝氣浮+砂濾處理工藝,可確保處理后出水氟化物達到1.5mg/L以下。

污水經(jīng)集水池泵入氣浮池,氣浮池前段為反應(yīng)區(qū),后段為接觸區(qū),除氟劑(硫酸鋁,投加量為120mg/L,pH控制在7左右)加入反應(yīng)區(qū)第1格,絮凝劑加入反應(yīng)區(qū)第3格,絮凝后流至氣浮池接觸區(qū)進行固液分離,清液溢流至氣浮池后段清水區(qū),再經(jīng)砂濾系統(tǒng)處理,保證進入活性氧化鋁吸附罐的濁度≤1NTU,避免活性氧化鋁污堵導(dǎo)致處理效果下降,以及降低活性氧化鋁的使用壽命。氣浮裝置浮渣送至浮渣池,通過污泥泵送至疊螺脫水機,污泥產(chǎn)量為0.5t/d,含水率約為80%,脫水污泥外運處置。

主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù):

①氣浮裝置:碳鋼防腐結(jié)構(gòu),2套,單套設(shè)計規(guī)模175m3/h;采用平流式溶氣氣浮,溶氣水回流比為30%,配套釋放器32只;反應(yīng)區(qū)停留時間為40min;反應(yīng)池尺寸(長×寬×高)為8.5m×3.5m×4.0m;氣浮接觸區(qū)表面負荷率為3.3m3(/m2·h);氣浮池尺寸(長×寬×高)為15.0m×3.5m×3.0m;配套溶氣罐為兩泵式,直徑×高為1.2m×5.0m,壓力為0.35MPa。

②砂濾罐:碳鋼防腐結(jié)構(gòu),共10臺,單臺設(shè)計規(guī)模為40m3/h;直徑×高為2.6m×6.7m。采用強制過濾,設(shè)計濾速7.5m/h;罐內(nèi)配有填料(粒徑為16~32mm卵石墊層0.5m厚,粒徑為1~2mm石英砂2m);內(nèi)置反沖洗水泵1臺,流量為75m3/h,揚程為200kPa,功率為7.5kW;采用砂濾罐出水進行反沖洗,反沖洗周期約為5d,反沖洗時間為8~10min,空床停留時間為40min。

2.3 總排水

總排水包括前述已進行預(yù)處理的煤氣化廢水(F-≤3mg/L)、循環(huán)排污水(F-≤1.5mg/L)以及反滲透濃鹽水(F-約為6mg/L)等,全部進入總排水深度處理調(diào)節(jié)池,混合后水中F--≤3mg/L,采用活性氧化鋁吸附除氟工藝,裝置處理能力為700m3/h,出水F-≤1mg/L,滿足當?shù)丨h(huán)保要求。煤氣化廢水經(jīng)過除氟預(yù)處理后進入廠內(nèi)污水處理站進行生化處理,設(shè)計規(guī)模為300m3/h,主要處理工藝為水解酸化+三格式SBR,交替運行。根據(jù)驗收監(jiān)測報告,進水水質(zhì)均值:COD為1114mg/L、BOD5為545mg/L、氨氮為26.3mg/L、氰化物為0.149mg/L、氟化物為2.93mg/L、SS為51mg/L;出水水質(zhì)均值:COD為27mg/L、BOD5為12.7mg/L、氨氮為0.57mg/L、氰化物為0.062mg/L、氟化物為2.57mg/L、SS為67mg/L。生化處理出水進入總排水深度處理系統(tǒng)進一步降低氟化物含量,實現(xiàn)達標排放。

設(shè)活性氧化鋁吸附罐10臺,碳鋼防腐結(jié)構(gòu),內(nèi)裝粒徑3mm、厚度為1.5m的活性氧化鋁,每年更換1次。單臺設(shè)計規(guī)模為80m3/h,尺寸(直徑×高)為4m×6m,濾速為6.4m/h,反沖洗間隔時間為48h。

活性氧化鋁為白色顆粒狀多孔吸附劑,具有較大的比表面積,為兩性物質(zhì),在中性及酸性溶液中為陰離子交換劑,對F-有極大的選擇性。活性氧化鋁作用一段時間后吸附能力變差,需通過硫酸鋁溶液進行再生。再生周期為2~3d,硫酸鋁再生劑的濃度為3%,浸泡4~6h,每浸泡2h曝氣15min(氣量一般控制在15m3/min,壓力為0.06MPa),使再生劑和活性氧化鋁充分混合接觸,浸泡結(jié)束后將再生液排入再生廢液池,利用原水對吸附罐進行反沖洗,反沖至出水pH呈中性,排空備用,反沖洗水排至再生廢液池。再生后的廢液含有大量白色懸浮物,通過提升泵送至氣化廠脫水,廢水進入煤氣化廢水處理系統(tǒng)(水量為1840m3/d,F(xiàn)-為350mg/L),因水量小,不會對煤氣化廢水除氟產(chǎn)生影響。脫水污泥(產(chǎn)量為0.2t/d,含水率約為80%)與其他污泥一同處置。

3、實際運行效果

2018年6月—2019年10月,該企業(yè)先后建設(shè)3套除氟裝置,穩(wěn)定運行至今。

3.1 煤氣化廢水

經(jīng)實測,處理系統(tǒng)進水F-為25.1~45.9mg/L,出水F-為0.7~3.3mg/L,去除率為92.3%,基本滿足設(shè)計要求。

3.2 循環(huán)排污水

經(jīng)實測,處理系統(tǒng)進水F-為3.2~4.8mg/L,出水F-為0.8~1.5mg/L,去除率為66.7%,滿足設(shè)計要求。

3.3 總排水

在總排口安裝氟化物自動在線監(jiān)測設(shè)備。2022年1月—2023年8月連續(xù)20個月的氟化物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖2。

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總排水除氟設(shè)施進水未安裝氟化物在線監(jiān)測設(shè)備。根據(jù)20個月的人工監(jiān)測數(shù)據(jù),氟化物月均值為1.68~2.93mg/L,總均值為2.57mg/L??偱趴诜镌诰€監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,20個月的氟化物月均值為0.49~1.07mg/L,總均值為0.83mg/L,氟化物去除率達到66.7%。除氟設(shè)施運行基本穩(wěn)定,滿足當?shù)丨h(huán)保要求。

該工程4年多的聯(lián)動運行取得明顯成效,針對運行中出現(xiàn)的問題也進行了一些改進。

①運行初期,根據(jù)不同水質(zhì)進行了大量藥劑種類和適用條件的試驗,從中篩選出最佳藥劑和最佳適用條件。優(yōu)選后除氟劑的投加量通過二級反應(yīng)池的pH計顯示值與除氟劑計量泵進行控制。目前分析數(shù)據(jù)表明,二級反應(yīng)池的pH為7左右,除氟效果較好,運行費用也有下降。

②在早期運行過程中發(fā)現(xiàn),煤氣化廢水除氟處理中石灰需配制成乳化液投加,但其配藥難度大且流動性較差,加藥管道及一級反應(yīng)出水管道易結(jié)垢堵塞,每月需對加藥管道疏通1次,增加了維修工作量。后經(jīng)過試驗采用NaOH調(diào)節(jié)廢水pH,以CaCl2作為鈣鹽,溶解投加均方便,處理效果更優(yōu),且沒有出現(xiàn)管道結(jié)垢現(xiàn)象。

③煤氣化廢水二級沉淀法除氟的關(guān)鍵是pH控制,一級混合反應(yīng)池投加的NaOH使煤氣化廢水pH升至11左右;二級投加的除氟劑呈酸性,處理后的廢水pH為6~7,這也是除氟劑的最佳反應(yīng)pH范圍。一級混合反應(yīng)池過量投加NaOH會導(dǎo)致pH過高,影響二級除氟效果。二級混合反應(yīng)池過量投加除氟劑,會因pH過低造成設(shè)備及管道腐蝕,同時也影響處理效果。出現(xiàn)上述情況應(yīng)第一時間查看反應(yīng)池的pH,出現(xiàn)異常及時調(diào)整。同時需定期清洗在線pH計探頭,提高測試的準確性。取5%~10%的稀硫酸用軟毛刷輕輕刷洗探頭直至干凈,清洗頻率為1次/周。

④為縮短煤氣化廢水二級沉淀法的除氟反應(yīng)時間、強化沉淀效果,早期均投加磁粉并進行磁粉回收、循環(huán)利用,經(jīng)過1年多的實際運行發(fā)現(xiàn),一級、二級沉淀效果均較好,不再添加磁粉對運行效果基本沒有影響,因此近3年未再使用磁粉,降低了運行費用。

⑤氣浮法處理循環(huán)排污水的關(guān)鍵是溶氣泵供氣流量,當溶氣泵供氣量小時,微氣泡不能附著在絮體上,使絮體無法上浮并向下沉淀至池底造成出水渾濁,氣浮池呈現(xiàn)上清下濁。當溶氣泵供氣量過大時,會造成氣體將已形成的絮體沖散的情況,所以需控制溶氣泵氣量。該設(shè)施供氣量宜控制在2m3/h左右。

⑥因為自清洗砂濾罐的反洗水回收到集水池再處理,會造成集水池pH降低的情況,所以需要加堿調(diào)節(jié)集水池出水pH為6~9,以保證氣浮處理中混凝沉淀合適的pH范圍,確保氟化物處理效果。

⑦活性氧化鋁作為兩性物質(zhì),在不同pH下具有明顯的吸附特異性。實踐證明,進水pH高于8.5時,氧化鋁的除氟效果明顯降低;進水pH呈中性或偏酸性,除氟效果最佳。總排水深度處理系統(tǒng)的pH一般控制在7.5~8.5,以便保持較佳的除氟效果?;钚匝趸X吸附罐再生液長期使用硫酸鋁易導(dǎo)致活性氧化鋁板結(jié),吸附量逐漸下降,硫酸鋁還會與水中的氟化物反應(yīng)形成黏附性絮體,氣、水洗強度過低,絮體將黏附在填料上。通過大強度反洗可有效松動填料,將反應(yīng)產(chǎn)生的絮體沖出,延長填料的使用壽命。

4、投資及運行成本

煤氣化廢水二級沉淀法除氟設(shè)施投資約400萬元,運行費用為1.4元/m3;循環(huán)排污水氣浮法除氟裝置投資約1000萬元,運行費用為0.6元/m3;總排水活性氧化鋁吸附裝置投資約1000萬元,運行費用為0.5元/m3。3套除氟設(shè)施共投資2400萬元。氯化鈣、燒堿、除氟劑、PAM、活性氧化鋁等藥劑費約為2.5元/m3。

5、結(jié)論

①該大型煤化工企業(yè)處于地下水高氟區(qū)、淮河流域,環(huán)保要求嚴,3套除氟設(shè)施根據(jù)水質(zhì)不同,分別采用二級混凝沉淀、氣浮和活性氧化鋁吸附等主體工藝,經(jīng)過4年多的實際運行,總排口連續(xù)20個月的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,出水氟化物月均值基本在1mg/L以下(去除率為66.7%),總均值為0.83mg/L,滿足當?shù)丨h(huán)保要求。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,可實現(xiàn)自動化操作和監(jiān)控。

②煤氣化廢水F-為23.4~47.3mg/L,采用二級混凝沉淀法進行處理,出水F-基本在3mg/L以下,去除率為92.3%。但該方法運行調(diào)控參數(shù)多、設(shè)備維修量大,需要在實際運行中不斷試驗、摸索,逐步使各個工序的參數(shù)穩(wěn)定,才能取得滿意的效果。

③循環(huán)排污水中F-為3~5mg/L,采用氣浮+砂濾處理工藝,出水F-穩(wěn)定在1.5mg/L以下,去除率為66.7%。該方法設(shè)備運行穩(wěn)定、維修量不大,下一步需要找到更適合氣浮法的除氟藥劑。

④化學(xué)沉淀法特別是二級沉淀法,影響出水水質(zhì)的因素眾多,應(yīng)不斷提高運行的穩(wěn)定性,降低F-日均值的超標率,尋找更加經(jīng)濟實用的除氟劑和除氟技術(shù)。

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