发表时间：2015-05-06
随着炼焦企业向规模化、集约化发展，大型焦化废水处理系统在国内已不罕见。由于焦化废水中存在有害有毒物质，传统的生物处理方法很难使COD 和氨氮达到排放标准。介绍了包钢焦化厂焦化废水处理工艺及运行情况。该厂采用A/O2 法处理焦化废水，通过调整进水碳氮比、利用共代谢作用和采用延时曝气，废水COD 和氨氮的去除效果明显，出水各项指标均达到《钢铁工业水污染物排放标准》（GB 13456—1992）中的一级标准。同时对运行过程中存在的问题进行了分析，以供借鉴。
焦化废水是在原煤高温干馏、煤气净化和焦化副产品精制过程中产生的废水。废水中含有氨、硫氰酸、酚类物质和其他有机物，如含氮、氧和硫的杂环化合物以及多环芳烃。由于废水中含有高浓度的氨氮和有毒、有害有机化合物，该类废水对环境影响很大。随着国家对环保的要求日益严格，炼焦企业生产规模趋于大型化、系统化。焦炉的大型化和产能的扩大，使焦化废水的产生量相应增加，由此，大型焦化厂的废水处理显得更为重要。常规的预处理+生化二级处理工艺难以保证焦化废水中的COD和氨氮稳定达标。
包钢焦化厂现有10 座焦炉，焦炭年生产能力465 万t，有焦化废水处理站2 座，其中第二废水处理站处理规模为350 m3/h，属于国内大型焦化废水处理设施之一。第二废水处理站于2007 年底投产，采用A/O2 法生物脱氮工艺，其废水主要来源于蒸氨废水、焦化副产品回收及精制过程中产生的废水、煤气管道水封排水以及包钢燃气轮机发电系统废水等。其设计进出水水质如表1 所示。
表1 系统设计进出水水质
为实现废水的全面达标排放，在工艺设计和水质调节等方面进行了有益的探索，取得了很好的效果。
1 处理工艺流程及构筑物
废水处理系统工艺流程见图1。
图1 废水处理系统工艺流程
各构筑物的设计参数及主要功能见表2。
表2 各构筑物设计参数及主要功能
2 运行结果讨论
2.1 系统的启动
接种污泥取自市政污水处理厂的脱水污泥。投加量为3.5 kg/m3。根据现场实际情况，首先经由缺氧池向好氧池注入半池清水，然后开启鼓风机，直接向好氧池内多点投加去除大块杂物后的脱水污泥。
在污泥投入好氧池后，适量投加磷盐并注满水进行闷曝，监测池内的溶解氧值，使溶解氧保持在2～4 mg/L，观察活性污泥颜色应由黑变黄，此过程大约需要1～3 d。继续曝气，直至污泥明显转变颜色，并有絮体生成。待污泥活性恢复后，向系统少量连续或间断加入。每天换水1～2 次，每次换水量为设计容积的1/10，混合液进入二沉池，待二沉池液位达到额定位置时，启动污泥回流系统向A/O2 池内回流污泥。
2.2 运行参数的控制
2.2.1溶解氧
A 池溶解氧（DO）要求控制在0.5 mg/L 以内。A池DO 的大小会随混合液的回流比发生变化，混合液回流量过大会导致A 池DO 过高，影响反硝化效果。O 池DO 一般控制在4 mg/L 左右，但因其前端负荷大，要求DO 相对较高，为4～6 mg/L。O 池出口DO控制在2 mg/L。
2.2.2温度
环境温度对微生物的活性影响明显，一般情况下微生物生长最适宜的温度为10～38 ℃。在生物脱氮系统中，保持水温在25～30 ℃，其中硝化菌对温度更敏感，其最适宜水温为30 ℃左右。在冬季调试运行中，采用了蒸汽加热的方法，使A/O 池水温保持在要求范围之内。
2.2.3 pH
在硝化反应过程中，1 g氨氮转化为硝酸盐氮约消耗7.14 g重碳酸盐（以CaCO3计）。如果系统中没有足够的碱度，随着系统中氨氮的降解，pH 会下降很快。硝化菌对pH 的变化十分敏感，为保持适宜的pH（硝化菌的适宜pH 为8.0～8.4），需在O 池中保持足够的碱度。对比试验表明，在O 池中投加NaOH对pH 的提高效果比Na2CO3更明显。
2.2.4混合液回流比
O 池混合液回流到A 池的比例要足够大，才能保证硝酸盐更多地被转化为氮气。但其回流比也不宜太大，因为混合液回流量过大会导致A 池DO 过高，使反硝化菌的活性受到抑制。由此，混合液回流比应控制在200%～400%，一般为300%左右。
2.2.5污泥负荷
为使系统达到更好的脱氮效果必须控制系统的处理负荷。因为在微生物菌群体系中，硝化菌的比增长速率要低于异养型细菌，在高负荷环境中，生长速率高的异养细菌能够很快利用溶解氧将进水中的有机物降解，并形成自身的增殖；而生长速率缓慢的硝化菌则不能很好地利用系统的氧降解氨氮，使硝化菌不能得到增殖，脱氮效果下降。运行中系统的COD 污泥负荷基本上在0.1～0.2 kg/（kg·d）。好氧池通过隔墙分成O1 段和O2 段，在O1 段碳化菌和硝化菌能够合理地生长，进水中的COD 和氨氮得到降解；在O2 段系统微生物利用内源呼吸作用对剩余的有机物和氨氮进行再次降解，此时系统的有机物成分相对较少，碳化菌基本上处在内源呼吸末期及微生物的休眠期，而硝化菌则占绝对优势，对氨氮的降解更彻底。
2.3 系统运行情况
生物处理后，出水氨氮已达到GB 13456—1992的一级排放标准，但COD 仍较高；经过混凝沉淀处理后，出水COD 达到GB 13456—1992 的一级排放标准。2011 年5 月系统的运行情况见表3。
表3 系统主要污染物去除情况mg/L
3 工艺特点及应改进的问题
（1）接入燃气轮机废水，尝试将不同水源污水混和后进行处理，其结果降低了容积负荷，使碳氮比更加合理，达到事半功倍的效果。焦化废水COD 很高，从而其碳氮比过高，在硝化过程中，从微生物角度考虑，由于硝化菌生长慢，异养菌生长快，有机物过多，异养菌活跃，繁殖快，会抑制硝化菌的活性，只有COD 降到一定程度后，硝化菌才能从被抑制中活跃起来。反硝化过程是反硝化菌利用系统的碳源将硝化产物NO2-和NO3-还原成N2，因此，碳源是否充足将直接影响反硝化效果〔3〕。理论上讲，碳氮比为2.86时，即可满足反硝化需要〔4〕，而S. Brond 等〔5〕的试验表明，COD/ρ（N） 8 时才能使反硝化完全。接入碳氮比较低的燃气轮机废水，使进水COD/ρ（N）调整到8左右，从而有利于硝化反硝化反应的进行。
（2）接入生活废水，利用共代谢作用。微生物的共代谢作用是指只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。许多难降解有机物的去除都是通过共代谢途径进行的。例如，在氧化塘处理焦化废水的系统中，投加生活污水可大大提高COD 去除率，其主要原因就是生活污水中含有多种营养元素，加强了生物的共代谢作用〔6〕。在系统设计中，将废水处理站小区生活污水收集到集水井中，通过格栅去掉大的漂浮物后进到A 池中处理。
（3）采用延时曝气法，利于污染物的降解。延时曝气法是通过延长曝气时间，使微生物处于内源呼吸阶段，可大大减少剩余污泥量；曝气池中MLSS 较高，有机负荷低。同时由于微生物量大、浓度高，可适应一定范围内的水质、水量变化。该系统中A/O2池停留时间达到98 h，MLSS 达到5 000～6 000 mg/L。
（4）采用微孔曝气管，提高氧利用率。O 池中铺设了服务面积为2～8 m2/（根·h）、长1 000 mm、管径67 mm的管式曝气器4 028 根。每个曝气器开有约5万个1～3 mm 微孔，曝气时管状膜套沿径向等径扩张，产生大量大小一致、细密均匀的气泡，大大增加了气液接触面积，氧利用率高达40％以上。膜套厚度小、弹性高、压力损失小；膜套上微孔数量多而细密，理论充氧动力效率高达9.0 kg/（kW·h）以上。
不过，通过几年的运行该系统也暴露出一些问题，如气浮除油效果差，对悬浮物去除率不高；A 池潜水搅拌器能力偏小，故障率高，从而影响缺氧反应的顺利进行；微孔曝气管有脱落现象，影响曝气效果；混凝沉淀池刮吸泥机装置化学污泥提升量不好把握，从而一定程度上影响了出水COD 和悬浮物的稳定达标。具体参见更多相关技术文档。
4 系统运行费用分析
系统运行费用分析结果表明，处理1 m3水的运行费用为5.91～7.26 元，其中原材料和动力消耗成本为5.07～6.42 元/m3，人工费0.16 元/m3，制造费0.68元/m3，折旧费0.57 元/m3，检修维护费0.11 元/m3。说明药剂等原材料和水、电等的合理有效使用是降低废水处理成本的重要手段。
5 结语
采用A/O2 法处理焦化废水在大型系统中优势明显，操作简单，运行稳定。碳氮比的合理选择、共代谢作用的利用以及延时曝气等措施使系统COD 和氨氮去除效果明显，且该方法处理运行成本较低。
