作者：程平平、欧阳滔、田华、叶明强
来源：《工业水处理》网络首发（官网更新时间：2026-09-24），DOI：10.19965/j.cnki.iwt.2026-0444
关键词：煤气化废水;软化;高氨氮;两级A/O;成本优化;副产品碳源
摘要：洁净煤加压气化多联产过程中产生的高氨、高硬度综合废水，因水质复杂、硬度超标易导致设备结垢堵塞、碳氮比失衡制约生物脱氮效率，成为煤化工废水处理的典型难题。针对某多联产企业综合废水处理需求，设计并建设了一座处理规模为4 800 m3/d的废水处理厂，进水水质为ρ（COD）≤686 mg/L、ρ（NH3-N）≤358 mg/L、ρ（TN）≤444 mg/L、硬度（以CaCO3计）≤750 mg/L。工艺设计采用双碱法高效软化预处理与两级A/O主体生化处理组合工艺，通过预处理实现进水硬度从750 mg/L降至200 mg/L以下的稳定去除，在两级A/O生化系统110 h总停留时间下氨氮和总氮去除率分别达到91.6%和88.7%。系统连续运行18个月的监测数据显示，出水水质稳定满足《合成氨工业水污染物排放标准》（GB 13458-2013）表2间接排放限值要求。全流程吨水直接处理成本为3.43元（折算甲醇计），实际采用企业自产甲醇副产品替代外购碳源后约为2.7元，处于行业先进水平。本工程实践表明，“双碱法软化+两级A/O”这一常规成熟工艺通过精细化设计与运营优化，可在不引入高风险新兴技术的前提下实现高氨高硬度废水的高效低成本处理，为国内同类煤化工废水处理工程提供了切实可行的技术参考。
工程参考：煤化工高氨高硬废水完整工程实例，工艺包配置可参考；高氨高硬类项目投标素材。
全文（转载自《工业水处理》官网开放获取内容）：
煤气化废水因其成分复杂、毒性高、难降解被称为煤化工领域最难处理的工业废水之一。不同气化工艺产生的水质差异显著：鲁奇炉低温气化工艺产生的高浓污水COD最高可达23 000 mg/L，而德士古和壳牌等高温气化工艺产生的废水水质相对洁净但氨氮浓度仍较高，预处理前氨氮可达9 000 mg/L。近年来，煤气化废水治理技术经历了从单一物化处理向“物化预处理+生物处理+深度处理”集成工艺的转型。在生物脱氮领域，除传统的A/O、A2/O、SBR工艺外，厌氧氨氧化（Anammox）等新型自养脱氮技术因其节能降碳优势而备受关注。然而，Anammox菌对进水水质波动敏感、运行稳定性较差，在煤气化废水这类水质复杂多变的体系中规模化应用仍面临挑战。在硬度控制方面，双碱法软化是目前应用最为广泛的化学除硬技术，通过投加氢氧化钠和碳酸钠使钙镁离子沉淀析出。但传统双碱法普遍存在药剂投加量大、污泥产量高、运行成本偏高等不足。因此，如何在保障处理效果的前提下实现降本增效，成为煤气化废水处理工程设计的核心问题。
在节能降碳战略推进及绿色生产理念普及的背景下，湖北某煤气化多联产企业实施技术改造、搬迁升级工程，同步配套建设废水处理厂，负责统一收集并处理企业内部生产废水、生活污水、初期雨水及消防事故水，实现废水资源化与达标排放的双重目标。其中，生产废水占总废水量的90%左右，水质组分复杂，主要涵盖煤浆制备气化灰水、煤运沉渣废水、稀氨水、甲醇/水分离塔来水等，这类废水携带大量特征污染物，导致综合废水呈现显著的高氨、高硬度特性。
该企业综合废水呈现高氨、高硬特性，处理难点集中在4个方面：硬度高引发的设备结垢风险，高氮负荷对生物脱氮系统的冲击，碳氮比偏低导致外投碳源成本居高不下，以及可生化性不足制约生化效率。针对上述问题，本工程立足“成熟可靠、经济可行”原则，采用“双碱法软化+两级A/O”主体工艺，并在传统技术框架内实施多项优化：软化环节通过可控污泥回流循环降低药耗，生化环节利用企业自产副产品替代外购碳源以节约运行成本，曝气系统选用可提升旋流曝气器以降低检修能耗。本文基于该已建成并稳定运行的工程实例，对工艺设计、运行效果及经济性进行系统分析，以期为同类高氨高硬度煤气化废水处理提供借鉴。
1 工艺设计
经过对排水特性进行调查和研究，洁净煤加压气化多联产废水处理厂新建规模为4 800 m3/d，其中煤浆制备气化废水设计规模为2 880 m3/d（120 m3/h），生活污水（480 m3/d）与沉渣等其他废水合1 920 m3/d。结合企业生产特性及排水实际情况，综合确定设计进水水质与出水水质。出水水质执行《合成氨工业水污染物排放标准》（GB 13458—2013）表2间接排放标准。设计进水、出水水质见表1。
废水处理工艺的技术选择主要由进出水水质、水量决定。常规煤气化废水处理工艺多由沉淀过滤、氧化破毒预处理、脱碳脱氮生物处理及高级氧化深度处理等单元构成，主要针对废水中的SS、难降解COD、总氮及氰化物等有毒有害物质。结合本企业废水水质分析，多联产排水主要污染因子为硬度、NH3-N、TN及易降解COD，相对不易降解有机物含量较低。因此，在工艺选择上侧重于高效除硬与强化生物脱氮两大核心环节。
针对高硬度问题，采用双碱法（NaOH+Na2CO3）软化预处理。相比石灰软化法，双碱法具有污泥沉降性能好、污泥产量相对可控的优点。但传统双碱法存在药剂消耗大、运行成本高的不足。本工程通过控制污泥循环比，提高絮凝吸附作用，降低化学软化药剂投加量。
针对高氨氮、低碳氮比特性，主体生化工艺选用两级A/O工艺而非单级A/O。单级A/O工艺在处理高浓度总氮废水时，受限于碳源分配和回流比，总氮去除率通常不高于85%；两级A/O通过两级缺氧-好氧序列，可有效将总氮去除率提升至90%左右。系统总停留时间为110 h，其中好氧段总HRT为73 h，充足的好氧停留时间为硝化菌生长提供了保障，确保系统在冬季低温工况下的硝化效果。
针对不同水质的多股原水，采用单股分别收集、分别预处理的方式。气化废水温度较高（约50 ℃），且含有高硬度、高氨氮，在预处理采用双碱法软化高效沉淀池，去除大部分硬度及SS，并对温度较高的废水采用冷却塔降温至40 ℃，保障后续生化设施正常运行。综合废水经调节均质后进入两级A/O生化池，去除大部分NH3-N、TN、COD等污染物。出水经过二沉池固液分离后排入监测池，达标后废水经外排泵送至园区下游污水处理厂。水处理厂工艺流程见图1。
本工程在常规“双碱法软化+两级A/O”工艺框架下，实施了以下关键优化措施：
1）软化环节污泥回流减药：在双碱法预处理设置可控污泥循环，回流污泥中的氢氧化物沉淀可作为晶种促进新生成沉淀的絮凝沉降，使药剂利用率提高，NaOH和Na2CO3投加量较常规设计降低约15%。
2）副产品替代外购碳源：该企业主要产品为甲醇，生化处理所需碳源直接使用生产过程中产生的副产品甲醇，既避免了外购碳源的高昂费用，又以较低成本处理了企业副产品，实现了“以废治废”。
3）可提升旋流曝气系统：针对原水污染物浓度较高、所需曝气量大的特点，设计采用可提升旋流曝气器，较传统微孔曝气器氧利用率提高约20%~30%，且可在线检修，大幅降低了曝气系统检修停机时间和维护成本。
4）双调节池串级设计：设置气化废水调节池（HRT 4.0 h）和综合调节池（HRT 21.6 h）两级调节系统，有效缓冲了不同来水水质水量波动对生化系统的冲击。
5）污泥分类脱水：根据物化污泥与生化污泥的不同脱水特性，将二者分类浓缩、分类脱水，物化污泥脱水后含水率可降至60%以下，污泥总处置量减少10%~15%。
2 主要构筑物及设计参数
该池缓冲气化装置间歇排水带来的水质、水量剧烈波动，保障后端软化沉淀工艺稳定运行。设置钢筋混凝土结构1座，设计规模2 880 m3/d，有效容积480 m3，水力停留时间4.0 h。池内配置潜水搅拌装置2台；配套卧式离心提升泵2台（1用1备），完成水体均质及废水提升输送。
采用双碱沉淀工艺，投加碱类药剂去除原水钙镁硬度与悬浮杂质，缓解后续生化、深度处理单元池体与管道结垢。设计规模2 880 m3/d，总水力停留时间204 min，池内上升流速4.0 m/h。池体分混合、混凝、絮凝沉淀区段，配置多段搅拌设备以及污泥浓缩机；污泥循环泵、污泥排放泵各2台（1用1备），实现污泥内回流与剩余污泥排出。运行条件：投加32%液碱220 mg/L、固体纯碱795 mg/L、阴离子PAM 3 mg/L，池内pH控制9~10；设置4%污泥内回流循环。
承接软化沉淀池出水，起到水量缓冲作用，为冷却系统提供稳定水源。设计规模2 880 m3/d，水力停留时间1.0 h。池内配置潜水搅拌装置1台；配套卧式离心提升泵2台（1用1备）。
气化废水最高进水温度超出生化单元适宜温度区间，设置闭式冷却单元调控进水水温。设计规模2 880 m3/d，设计进水水温50 ℃，目标出水水温≤40 ℃；项目所在地夏季设计干球温度35.8 ℃、湿球温度28.4 ℃。系统配置闭式冷却塔2台，设置超越旁通管路，低温季节可直接旁路通水，停运冷却设备以降低电耗。
废水综合池由格栅渠、综合调节池、事故池合建而成，分别实现漂浮物拦截、多股废水均质均量、事故工况废水储存功能。设计规模为4 800 m3/d，有效容积为8 640 m3，总水力停留时间43.2 h，调节区、事故区各21.6 h。格栅渠配置机械格栅1台，用于拦截大块漂浮杂质；综合调节区布置潜水搅拌装置6台。配套提升设备：调节池提升泵2台（1用1备），事故池提升泵2台（1用1备）。
本单元为系统脱氮核心构筑物，通过缺氧-好氧交替反应完成 COD 降解、氨氮硝化、总氮反硝化脱除。设计规模为4 800 m3/d，总有效容积22 000 m3，总水力停留时间110 h；分段停留时间：一级缺氧25 h、一级好氧70 h、二级缺氧12 h、二级好氧3.0 h。池内设计MLSS为5 000 mg/L，一级缺氧段总氮污泥负荷≤0.032 kg/（kgMLSS・d），一级好氧段氨氮污泥负荷≤0.028 kg/（kgMLSS・d），二级缺氧段总氮污泥负荷≤0.045 kg/（kgMLSS・d）；一级混合液回流比为300%，二级混合液回流比为100%，污泥回流比为100%。缺氧段采用潜水搅拌机进行搅拌混合，好氧段采用可提升旋流曝气器进行曝气，一级好氧段曝气量约206 m3/min，二级好氧段曝气量约12 m3/min。
配置一级缺氧潜水搅拌装置4台，二级缺氧潜水搅拌装置4台；段间脱气搅拌装置2台；一级、二级混合液回流泵各4台；供气单元配置磁浮离心鼓风机5台。工程采用企业自产残次副产品替代99.9%甲醇作为反硝化碳源；若全部投加甲醇，设计投加浓度716 mg/L，对应药剂成本约0.8 元/m3，使用自产碳源可显著降低药耗。
采用周进周出辐流沉淀池，完成生化混合液固液分离，上清液输送至末端监控池，沉淀污泥一部分回流至一级AO缺氧段，剩余污泥输送至污泥处理单元。设计规模为4 800 m3/d，共设置2座，沉淀时间4 h，表面水力负荷为0.75 m3/（m2·h），固体负荷为180.9 kg/（m2·d）。单池配备中心传动刮泥机1套，剩余污泥泵各2套（1用1备），污泥回流泵3套（2用1备）。
作为全厂废水总排监测构筑物，布设COD、氨氮、总氮、pH在线监测仪表；达标废水外排，超标废水回流至综合事故池重新处理。设计规模4 800 m3/d，有效容积405 m3，水力停留时间2.0 h；配置外排提升泵3台（2用1备）。
系统污泥包含双碱法物化污泥与两级AO生化剩余污泥，完整设置污泥浓缩、调理、隔膜板框深度脱水单元，匹配总处理规模4 800 m3/d。构筑物包含污泥浓缩池、污泥调理池各2座，独立脱水车间1座；日均生化绝干污泥产量1.4 t，浓缩池固体负荷≤50 kg/（m2·d）；日均物化绝干污泥产量1.58 t。系统配置污泥浓缩机、储泥搅拌设备、调理搅拌装置；调理池进泥泵4台。脱水主机选用过滤面积100 m2隔膜板框压滤机3台（2用1备），设计进泥含水率96%，出泥含水率≤60%；配套低压、高压进泥泵各3台，满足板框进料工况。
3 运行效果
该工程已完成建设、调试工作，现已稳定运行18个月，各项出水水质指标均满足设计要求。对连续18个月的月度监测数据进行统计分析，结果表明出水水质稳定性良好（见图2-3）。两级A/O生化系统对氨氮的平均去除率达91.6%，对总氮的平均去除率达88.7%。硬度稳定控制在200 mg/L以下，有效保障了后续设备和管道的正常运行，运行期间未发生因结垢导致的设备故障。
4 工程投资及运行成本分析
项目建设总投资为5 643万元，包括土建工程、设备购置、安装工程及其他费用（详见表2）。按设计负荷运行，采用外购甲醇作为碳源时，吨水直接处理成本约为3.43元（详见表3）；实际运行时采用企业过程副产品替代甲醇，吨水直接处理成本可降至约2.7元，经济优势显著。
本工程软化药剂成本为1.14元/m3，较马俊等的同类煤气化废水软化预处理成本（1.81元/m3）降低37%，碳源成本约为0.8元/m3，吨水污泥处置成本约0.23元。
为客观评价本工程的经济性水平，选取国内同类煤气化废水处理工程进行成本对比分析（见表4），由表4可知，本工程吨水处理成本明显低于同类工程，经济性优势突出。
5 结论
1）针对高硬度（≤750 mg/L）煤化工废水，采用双碱法软化高效沉淀预处理，出水硬度稳定控制在200 mg/L以下，吨水药剂成本为1.14元/m³，较同类工程节约37%。
2）两级A/O工艺在110 h总停留时间下对高氨氮（≤358 mg/L）和高总氮（≤444 mg/L）废水去除效果良好，实际出水NH3-N≤30 mg/L、TN≤50 mg/L，去除率分别达到91.6%和88.7%，满足GB 13458—2013表2间接排放标准。
3）利用企业过程副产品替代外购碳源，日均节约甲醇约3437 kg，吨水直接处理成本由3.43元/m3降至2.7元/m3，降低约21%。体现了“以废治废”的资源化利用理念和经济效益。
4）“双碱法软化+两级A/O”成熟工艺通过精细化设计与运营优化，可在不引入高风险新兴技术的前提下实现高氨高硬度废水的高效低成本处理，可为同类工程提供技术参考。
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