氮肥工业废水处理设计及运转

摘要：我国年生产合成氨30万吨，尿素52万吨的大氮肥装置按原料性质划分主要有⑴以天然气为原料，⑵以石脑油为原料，⑶以渣油为原料的三种类型。由于利用原料不同，产生的废水水质不同，废水处理采取的措施也不一样。前2种一般采用氨汽提法和酸碱中和法处理废水。而第3种则采取物理、化学、生化相结合的方法处理废水，包括灰沉降单元、化学处理单元和生化处理单元。灰沉降单元主要利用颗粒重力沉降作用去除灰份；化学处理单元通过投加NaOH、FeSO4和阴离子高分子絮凝剂，在絮凝作用下除去重金属V、Ni；生化处理单元采用A/O法去除COD、NH3-N。

关键词：氮肥 尿素 灰沉降

概况

我国年生产合成氨30万吨，尿素52万吨的大氮肥装置按原料性质划分主要有⑴以天然气为原料，⑵以石脑油为原料，⑶以渣油为原料的三种类型。由于利用原料不同，产生的废水水质不同，废水处理采取的措施也不一样。前2种一般采用氨汽提法和酸碱中和法处理废水。而第3种则采取物理、化学、生化相结合的方法处理废水，包括灰沉降单元、化学处理单元和生化处理单元。灰沉降单元主要利用颗粒重力沉降作用去除灰份；化学处理单元通过投加NaOH、FeSO4和阴离子高分子絮凝剂，在絮凝作用下除去重金属V、Ni；生化处理单元采用A/O法去除COD、NH3-N。

1.工艺流程介绍

灰沉降单元主要处理合成氨气化部分约40T/h的碳黑废水，碳黑废水经灰沉降罐，除去部分碳黑后，约30T/h送入渣油汽化工段回用，约10T/h进入污水汽提塔脱除NH3、H2S后，经化学处理单元处理,脱除重金属V、Ni后，送入均衡池。

生化处理单元主要处理经化学单元处理后的废水、合成氨装置的CO2洗涤水、尿素装置工艺冷凝液、生活污水、经过隔油池处理的罐区污染雨水，这五股来水首先进入反硝化池，与回流污泥经推流式搅拌机混合均匀，发生反硝化反应；然后水经底部回流窗进入硝化池发生硝化反应；硝化后的水在鼓风动力作用下一部分通过上部回流窗回流到反硝化池，一部分经溢流堰通过重力作用流入脱气池脱气，使附着在活性污泥上的气泡被释放，避免活性污泥在二沉池内漂浮；脱气后的水最终在二沉池内进行泥水分离，澄清后的水经溢流堰流入暴雨调节池外排。污泥一部分回流，一部分与灰沉降器、澄清池底部的污泥一起浓缩脱水外运；整个A/O工艺采取A、B两个系列并列运行,处理水量1200m3/d。

流程图如下：

2、主要工艺设备及构筑物

单元

名称

规格

附属设备

数量

设计运行参数

灰沉降单元

灰沉降罐

立式：φ：8000mm,H：3400mm

配刮泥机，刮板式，φ8000mm,n:0.072r/min线速：0.03m/s,电机功率：8.6 kw

1座

水力停留时间4小时

回水容器

卧式：V：28m3φ：2.8m，H：1.1m

配6000V高压泵，Q：41m3/h，H：713.6m

1座

废水汽提塔

立式：φ1200×25200 mm

1.5″拉西环填料 13.8 m3

1座

化学处理单元

反应器1

立式，V:5.5m3,φ:2.8m,H:1.8m，机械反应式

配推进式ST-GPR-1.5型，φ400mm搅拌机

1座

水力停留时间15min

反应器2

立式，V:5.5m3,φ:2.8m,H:1.8m，机械反应式

配推进式ST-GPR-1.5型，φ400mm搅拌机

1座

水力停留时间15min

反应器3

立式，V:1.35m3,φ:1.0m,H:1.5m，机械反应式

配推进式ST14-GPR-0.2型，φ400mm搅拌机

1座

澄清池

机械搅拌式，V：51m3，φ：5.0m，H：4.6m

配刮泥机，刮板式，φ5000mm,n:0.072r/min线速：0.0167m/s,电机功率：0.4 kw

1座

水力停留时间3小时

生化处理单元

硝化/反硝化池

硝化区体积：318m3，反硝化区体积：205m3

配推进式n:90r/min,φ480mm,N:3.7kw液下混合器

2座

水力停留时间21小时

均衡池/事故池

均衡池体积：720m3，

事故池体积：300m3

1座

二沉池

V：140m3,表面负荷q:1.0m3/m2*h，沉淀面积：47m2，中心进水，四周出水辐流式。

中心转动φ：11200mm，n:0.09r/min虹吸式 吸泥机

2座

水力停留时间5.6小时

脱气池

矩形，V：16m3

配推进式φ400mm搅拌机

2座

水力停留时间30min

回流污泥池

矩形，V：18m3

回流污泥泵Q：50m3/h

1座

浓缩池

辐流式，V：36m3

2座

隔油池

矩形，V：300m3

1座

鼓风机

D45-81型离心鼓风机，Q=45Nm3/min,N=75kw

D20-62型离心鼓风机，Q=20Nm3/min,N=20kw

D45-81三台，D20-62二台，

D45-81向硝化/反硝化池鼓风D20-62向均衡池鼓风

3、运行效果分析

3.1 灰沉降单元

该单元设计进水SS≤820mg/l,出水SS≤40mg/l，从运行的效果来看，能满足碳黑灰份的去除。但在试车阶段出现了高压回水泵叶轮结垢现象，结果导致泵轴断裂。结垢的主要原因是由更换泵的密封水引起的，原设计该泵的密封水为透平冷凝水，由于试车阶段透平冷凝水压力不足，为了不影响试车的进度，采用生产水代替透平冷凝液做密封水后，运行不到半个月就出现泵断轴现象，拆开泵体，发现叶轮表面结了一层致密的碳黑晶体，并且该晶体只有采用NaF、HNO3、六次甲基四铵溶液才能清洗掉。由于生产水中总硬度为109 mg/l（CaCO3计），密封水经机封流入泵体内与碳黑水循环使用，并且碳黑水温度可达到138℃，致使钙盐在水中的溶解度下降，达到饱和状态结晶析出。这些结晶体粘附在泵的叶轮上，增大了泵轴的扭矩，导致了泵轴的断裂。

3.2 化学处理单元

3.2.1 设计水质

设计水质见表（一）

表（一）化学处理单元设计水质表

项目

COD（mg/l）

V（mg/l）

Ni（mg/l）

NH3-N（mg/l）

进水

≤300

≤52

≤141

≤265

出水

--

≤1

≤4

--

3.2.2 反应机理

已配好的15%的FeSO4溶液用计量泵加入到反应器1中，同时用NaOH调节PH值，PH值控制在9.5～11，加入的二价铁与易溶的五价钒反应，生成难溶的四价钒。最终Ni以Ni（OH）2，V以VO（OH）2的形式沉淀下来，然后在反应器3中投加0.1%阴离子高分子电解质，促进沉淀微晶的长大和凝聚。FeSO4和阴离子高分子电解质的加药量通过进入反应器1的在线流量计调节。

3.2.3 运行效果评价

原设计V去除率为98%，Ni去除率为97%，但实际平均分别只有60%、12%左右，主要的原因是进水含量V和Ni低的缘故。因此，原设计15%的FeSO4浓度是否应该降低，节约FeSO4的投加量，需要做进一步试验。

3.3 生化单元

3.3.1 设计水质

设计水质见表（二）

表（二）生化处理单元设计水质表

项目

PH

SS（mg/l）

COD（mg/l）

NH3-N（mg/l）

进水

--

--

≤1100

≤80

出水

6～9

≤70

≤100

≤15

3.3.2设计特点

硝化池内安装PH、D0在线监测仪，PH值的信号传递给酸碱计量泵，自动调节泵的冲程，自动控制PH在7.5～8.4，DO的信号传递给鼓风管上气动阀上，自动调节阀门的开度，自动控制DO在2～3 mg/l。

在反硝化池内安装推进式液下混合器，由德国EMU液下混合器股份公司提供。为了保护电动机，设定两个跳闸温度：140℃和125℃，在125℃以下，就会自动再启动，若在140℃被切断后，必须以手动方式再进行启动。运行几年来未出现故障，并且检修方便。

3.3.3运行效果评价

生化单元处理水质见表（三）

表（三）生化处理水质表

项目

月份

COD（mg/l）

NH3-N（mg/l）

进水

出水

去除率

合格率

进水

出水

去除率

合格率

97.4

875.1

59.9

93.2%

90%

75.8

11.4

85.0%

79%

97.11

1090

27.4

97.5%

100%

80

14.1

82.4%

87%

98.4

2121

31.8

98.5%

97%

47.4

8.27

82.6%

80%

98.6

773

53.8

93.0%

100%

55.4

10

82.0%

87%

99.4

2050.7

58.6

97.2%

94%

41.2

4.36

89.4%

96%

99.5

1210.9

54.06

95.6%

100%

44.88

3.94

91.2%

100%

从表（二）中可以看出：进水COD平均在770～2100mg/l，COD去除率为93%以上，合格率为90%以上。NH3-N在40～80 mg/l，NH3-N去除率为82%以上，合格率在87%以上。表明该系统抗COD冲击能力较强，NH3-N在40 mg/l左右低负荷的情况下去除率为90%左右，而在45～80 mg/l，去除率为82%，合格率也略低。根据现场运行结果表明，COD/NH3-N的比值在10～16，NH3-N去除能力较稳定，抗NH3-N的冲击能力也较强。而97年、98年COD/NH3-N的比值则在30以上。正是由于NH3-N长期处于低负荷运行，系统抵御浓度冲击的能力比较脆弱，从而影响出水合格率。

3.3.4运行维护

97年二月份COD合格率仅为26%，NH3-N合格率为0，主要原因是系统遭受C0D冲击，进水COD最高值达到25万mg/l，遭受COD冲击不久，系统又遭受NH3-N冲击，NH3-N达到3065 mg/l ，因此整个系统C/N比完全失调，硝化细菌基本死亡，整个系统丧失处理NH3-N功能。由于营养过剩，其他类微生物有充足的食料，新陈代谢速度加快，相互间吸附能力减弱，导致污泥松散，沉降性能差，与此同时，硝化细菌和其他类菌种死亡，“尸体”随二沉池排放水流出，影响SS的出水水质，97年二月份的合格率为78%。处理这种污泥被严重受冲击的办法：利用硝化细菌的自然世代更替规律（一般为15～30d），引进生活污水作其营养源，停止进工业废水，提高DO至3～4 mg/l，优先考虑硝化细菌生长条件，抑制其他菌类的生长。

98年9月COD、NH3-N合格率也偏低，也是受COD冲击的缘故，但冲击程度没有97年2月份那么严重，COD最高达16795 mg/l，并且冲击时间相对较短，一般采取的措施是往硝化/反硝化池投加阳离子高分子电解质，投加浓度为10 mg/l，一边鼓风曝气，一边投加，约1小时后，停止鼓风曝气，净置，泥水分离，在分离过程中，二沉池中有一些悬浮物随排水漂走，净置2小时后，转入鼓风曝气。每天投加一次，待硝化功能恢复，污泥沉降性能增强，停止投加阳离子高分子电解质。

98年10月出水NH3-N比进水NH3-N还要高，原因是污泥遭受重金属中毒，由于该装置污泥脱水单元处于停工状态，澄清池的污泥堆积逐渐加厚，致使泥水一起流入生化处理单元，因污泥底部沉积的V、Ni等重金属，从而导致污泥重金属中毒。系统中微生物失去活性，出水NH3-N比进水NH3-N还要高，二沉池出水颜色呈橙黄色，并发出恶臭气味。处理办法是：利用阳离子高分子电解质将具有活性微生物吸附在一起，让死去的微生物通过二沉池排走。操作方法基本同前，只是发生中毒时，阳离子高分子电解质投加量大，时间持续长。

5、结束语

1.该处理装置在解决废水污染的同时，考虑到灰水的再利用，可以节约30T/h的脱盐水。

2.该处理装置取消初沉池，将硝化、反硝化池建成同心圆式，采用缺氧-好氧的内外循环流程，流程简单，省却了传统工艺必不可少的一部分土建投资。满足COD/TN≥10的要求，不需外加碳源。将生活污水引进系统中，不需投加磷营养源。基本实现了自动化操作，节省了操作费用。

3.该装置的生化单元具有较高的有机物去除能力和稳定的硝化作用，主要是缺氧池能降解大部分的COD，大大缓解了硝化池的COD负荷，并且提供硝化反应的碳源，稳定硝化反应的速度。

4.该装置的生化单元耐COD负荷冲击能力强，COD/TN的比值范围较宽，并且系统受冲击后，恢复速度较快。