煤化工污水的處理技術研究探討

張文兵

（中鐵一院 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043）

煤化工污水的處理技術研究探討

張文兵

（中鐵一院 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043）

對煤化工廢水的來源及特點分析后，通過對多種處理工藝進行充分比較和論證，以最大程度上的降低處理成本和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行為原則，最終確定CASS工藝總體技術水平達到國內(nèi)領先水平。

煤化工；污水；處理；技術

前言

我國屬于多煤少油國家，在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，各行業(yè)領域?qū)τ谀茉吹男枨罅砍掷m(xù)提升，煤化工行業(yè)的發(fā)展面臨著非?？捎^的形勢。但同時，煤化工行業(yè)還存在廢水排放量大、耗水量大的缺點，對煤化工工藝中所產(chǎn)生污水進行高效、穩(wěn)定的處理已成為煤化工企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗，可持續(xù)發(fā)展的重要路徑之一。

1 煤化工污水的來源及特點

1.1 焦化污水

在高溫狀態(tài)下干餾煉焦煤，煉焦煤里面的水分與粗煤氣混雜在一起，并形成成分復雜的剩余氨水冷凝液，譬如回收與精制車間的焦油渣、酸焦油，熄焦池的焦粉和生化脫酚工段的活性污泥等。另外在煤氣凈化的過程當中，以及在焦油加工、粗苯精制等過程中所產(chǎn)生的成分復雜的污水，都具有焦化污水的性質(zhì)。

1.2 氣化污水

爐中的煤燃料在高溫下，以空氣作為氣化的介質(zhì)，與煤燃料當中的可燃物質(zhì)產(chǎn)生化學反應，然后轉化成氣體燃料，另外還產(chǎn)生煤氣洗滌污水和冷凝水等氣化污水，常見的有固定床的固態(tài)氣化排渣、加壓液態(tài)排渣，以及流化床氣化排渣和氣流床氣化排渣等。

1.3 液壓污水

這種污水既可以通過直接液化，也可以通過間接液化產(chǎn)生。直接液化是煤燃料在爐中高溫和高壓條件下，加入的氫氣促使煤燃料中的有機高分子結構轉化成為較低分子的液體燃料，雖然產(chǎn)生的污水量比較少，但污水當中所含有的硫化物和氨等濃度非常高。間接液化煤氣氣化之后產(chǎn)生合成氣，與催化劑共同作用后產(chǎn)生燃料油，但在分離過程中會產(chǎn)生技術污染的污水[1，2]。

1.4 水質(zhì)特點

煤化工污水的特點主要表現(xiàn)為：組分復雜，含大量固體懸浮顆粒、揮發(fā)酚、稠環(huán)芳烴、呋喃、咪唑、萘、含氮、氧、硫的雜環(huán)化合物、氰、油、氨氮及硫化物等有毒有害物質(zhì)，COD值和色度都很高[2]。雖然因原煤組成和生產(chǎn)工藝條件的不同，污水中污染物含量和種類不盡相同，但總體來說，煤化工污水的COD值一般為2000～5000mg/L，pH值為7.0～10.0，氨氮為200～600mg/L，揮發(fā)酚為300～500mg/L，氰化物在10～30mg/L。由于該污水水質(zhì)成分復雜，巨氨氮、揮發(fā)酚、氰化物等污染物濃度高，加之有咔哇、聯(lián)苯等多種十分難降解的有機污染物存在，為達標處理帶來了較大的困難。典型的煤化工氣化污水的水質(zhì)如表1所示[3～5]。

表1 典型氣化污水的水質(zhì)Table 1 Water quality of typical gasification sewage

2 設計原則

貫徹執(zhí)行國家關于環(huán)境保護的政策，符合國家的有關法律、法規(guī)、規(guī)范及標準，結合煤化工廠的具體情況，采用先進、實用、成熟、可靠的處理工藝，滿足水質(zhì)、水量波動和可生化性較差的進水要求，最大程度上的降低處理成本和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，確保污水處理后達標排放。

妥善處理和處置污水處理過程中產(chǎn)生的柵渣、沉砂和污泥，避免造成二次污染。

為確保工程的可靠性及有效性，提高自動化水平，降低運行費用，減少日常維護檢修工作量，改善工人操作條件。

平面布置力求在便于施工、便于安裝和便于維修的前提下，使各處理構筑物盡量集中，節(jié)約用地，擴大綠化面積，并留有發(fā)展余地。

3 常用處理工藝比較與論證

煤化工污水處理工藝主要有二大類：一是物化法，一是生物法。物化是通過物理化學的方法去除污水中的有機物，主要有混凝沉淀法，濕式催化氧化法，臭氧氧化法等。生物法是通過微生物的活動降解有機污染物，使之成為二氧化碳、水等，主要有生物接觸氧化法、活性污泥法、SBR法、氧化溝法、A/O法等。下面就挑選適合小型污水處理，具有一定代表性的物化處理法—混凝沉淀法及生物處理法—生物接觸氧化法列表比較如下：

表2 物理處理法與生物處理法的比較Table 2 Comparison of physical and biological treatments

從表2比較中可以看出，生物處理法具有處理效果穩(wěn)定，可穩(wěn)定達到國家一級排放標準，勞動強度低，無污泥二次污染產(chǎn)生，能脫除氨氮的優(yōu)點，雖然一次性投資較物化法高一些，但日常運行成本約為物化法的一半，每年可省運行成本5.5萬RMB，且采用生物法處理煤化工污水符合國家污水處理技術政策。因此污水的有機物處理采用生物處理工藝。

3.1 處理工藝比選

目前污水的生物處理技術發(fā)展較快，類型較多，除廣泛使用的傳統(tǒng)活性污泥法外，近年來針對小型污水處理站國內(nèi)外應用較多的有生物接觸氧化法、A/O法、SBR法等。選擇生物處理工藝應遵循如下原則：

①適用于小規(guī)模污水生化處理，處理效果穩(wěn)定可靠；

②結構緊湊，占地面積最??；

③運行管理方便，運轉方式靈活；

④煤化工污水的去除能力強。

為了選擇最適合的處理工藝，對目前常用的適用于小規(guī)模污水生物處理工藝進行了分析比較和選擇。

3.1.1 水解酸化處理工藝

水解（酸化）處理方法是一種介于好氧和厭氧處理法之間的方法，和其它工藝組合可以降低處理成本，提高處理效率。水解酸煤化工藝根據(jù)產(chǎn)甲烷菌與水解產(chǎn)酸菌生長速度不同，將厭氧處理控制在反應時間較短的厭氧處理第一和第二階段，即在大量水解細菌、酸化菌作用下將不溶性有機物水解為溶解性有機物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程，從而改善污水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎。

水解是指有機物進入微生物細胞前在胞外進行的生物化學反應。微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細胞外壁上的固定酶來完成生物催化反應。酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產(chǎn)物主要是各種有機酸。

低濃度有機污水的厭氧處理在工藝上不同于高濃度有機污水，對此國內(nèi)外都開展了大量的研究工作。由我國自行研究開發(fā)的水解酸化—好氧生物工藝處理低濃度污水，獲得了國家專利，已經(jīng)在全國各地，在包括煤化工污水等各行業(yè)的污水處理中得到較多應用，并取得了良好的處理效果。水解酸煤化工藝的廣泛應用起源于城市污水的厭氧生物處理。20世紀80年代北京市環(huán)保研究所對水解酸煤化工藝處理污水的原理和效果作了較為系統(tǒng)的研究，進行了小試、中試和生產(chǎn)性試驗，全國各地許多研究部門相繼又進行了大量實驗及工程實踐，積累了較多的經(jīng)驗。水解酸化技術在我國生活污水、工業(yè)污水處理方面得到迅速推廣應用，收到良好的效果。經(jīng)水解酸化后，不但難降解有機物的可降解性能大大提高了，而且水解酸化處理單元的SS、CODCr、BOD5與初沉池相比，在水力停留時間相當?shù)臈l件下，明顯要高。

水解酸煤化工藝應用于包括煤化工污水在內(nèi)的各種污水處理，具有成本低，效率高的優(yōu)勢，是一種日趨成熟的新型污水處理技術。在日益重視環(huán)境保護和提高經(jīng)濟效益的現(xiàn)代社會，其高效性和經(jīng)濟性使水解酸煤化工藝具有很大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的市場前景。

3.1.2 氧化溝工藝

氧化溝是一種活性污泥法工藝，其曝氣池呈封閉的溝渠形，污水和活性污泥混合液在其中循環(huán)流動，因此被稱為“氧化溝”，又稱為“循環(huán)曝氣池”，“無終端的曝氣系統(tǒng)”。氧化溝采用的水力停留時間長達10～40h，污泥齡一般大于10d，其有機負荷一般低于0.10kgBOD5/（kgMLSS·d），實質(zhì)上屬于延時曝氣法。由于構造簡單、管理方便、基建費用低、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，逐漸被用于煤化工污水的二級處理。氧化溝自正式應用以來，以其顯著的優(yōu)越性能很快在世界各地推廣。氧化溝污水處理廠不僅在數(shù)量上迅速增多，處理規(guī)模也迅速擴大，處理對象也從單一的生活污水拓寬到各種工業(yè)污水，這與氧化溝工藝研究中新溝型和高效充氧設備的研制開發(fā)是密切相關的。

我國目前已建成并投產(chǎn)的氧化溝污水處理廠約有數(shù)十座。據(jù)統(tǒng)計，我國城市目前每年排放城市污水的處理率為30%左右，二級處理達到15%，仍有大量污水未經(jīng)處理直接排入水體。隨著我國城市化進程的加快，中小城市的發(fā)展十分迅速。由于中小城市眾多，且很多處于河流中上游，其水污染程度直接關系到下游廣大區(qū)域的水環(huán)境。因此，盡快控制治理中小城市所帶來的水污染是解決我國水污染問題的重要環(huán)節(jié)。

從國內(nèi)外多年的發(fā)展趨勢來看，污水處理技術向著簡易、高效、經(jīng)濟的方向發(fā)展，氧化溝工藝具有流程簡潔、管理方便、處理效果好的優(yōu)點。作為具有競爭力的二級處理工藝，其前景十分廣闊。但是，在煤化工污水應用方面，氧化溝還不太常用，主要原因是煤化工污水大多規(guī)模較小且含大量病原微生物。如何更好地將氧化溝應用于煤化工污水處理是一個值得深入研究的課題。

3.1.3 CASS工藝

CASS工藝是間歇式活性污泥法的一種變革，它保留了其他間歇式活性污泥法的優(yōu)點，是近年來國際公認的處理生活污水及工業(yè)污水的先進工藝，是由SBR工藝在工程設計中發(fā)展而來的。CASS工藝的核心是CASS池，其基本結構是：在序批式活性污泥法（SBR）的基礎上，反應池沿池方向設計分為前部生物選擇區(qū)（也稱預反應區(qū)）和后部的主反應區(qū)，其主反應區(qū)后部安裝了可升降的自動撇水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng)，不需要調(diào)節(jié)池；同時可連續(xù)進水，間斷排水。

CASS工藝采用延時曝氣，使污泥產(chǎn)率低、脫水性好；新型水下曝氣設備和浮動式可自動升降專用潷水裝置的應用使系統(tǒng)簡便、靈活、出水穩(wěn)定。CASS法采用厭氧兼氧結合生物處理為主，并配合一系列物理化學手段來沉淀分解殺滅污水中的有機物病菌病毒，同時具有良好的除氮除磷功能，使二級處理的投資可達三級處理出水水質(zhì)效果。

其具體流程圖如下：

圖1 工藝流程圖Fig．1 The process flow chart

CASS工藝最早在國外應用，目前該方法在生活污水和工業(yè)污水中已有數(shù)百個應用實例。我國20世紀90年代開始引進、消化，許多污水處理工作者做出了大量的研究和實踐工作，開發(fā)出適合我國國情的新型污水處理新工藝，將研究成果成功地應用于處理生活污水及不同種工業(yè)污水的工程實踐中，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

由于煤化工污水水量較小，可用地也較小，所以選用占地小、工藝流程簡單CASS工藝。

4 結論

CASS工藝總體技術水平達到國內(nèi)領先水平。

CASS工藝構筑物少，基建投資省，總投資低于一般的其他工藝；工藝流程簡單，操作維護簡單，需要的管理人員比較少。

CASS工藝采用水下曝氣機代替?zhèn)鹘y(tǒng)鼓風曝氣，消除了噪聲污染，省去管路及閥門，安裝、維修方便，使用靈活。

CASS工藝污水處理操作運行由控制室集中控制，設備選型上充分考慮了減少工作人員的勞動強度。

［1］ 陳志莉，張統(tǒng),等．煤化工污水處理技術及工程實例［M］．北京：化學工業(yè)出版社,2003．

［2］ 崔玉川．城市污水廠處理設施設計計算［M］．第二版．北京：化學工業(yè)出版社,2011．

［3］ 北京市市政工程設計研究總院．給排水設計手冊（第5冊）城鎮(zhèn)排水［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002:291～292．

［4］ 北京市市政工程設計研究總院．給排水設計手冊（第6冊）工業(yè)排水［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002:311～314．

［5］ 中國市政工程西北設計研究院．給排水設計手冊（第11冊）常用設備［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002:297～298．

A Study on Treatment Technology of Sewage in Coal-chemical Industry

ZHANG Wen-bing
(FSDI,State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informationization,Xi’an 710043,China)

After analyzing the source and characteristics of coal chemical industry waste-water,many kinds of treatment processes were compared and validated.With reducing the treatment costs and supporting the stable operation of the system，finally,CASS overall technology has reached the leading level in domestic.

Coal chemical industry；sewage；treatment；technology

TQ536.9;X703

B

1001-0017（2017）02-0147-04

2016-11-28

張文兵（1971-），男,甘肅蘭州人，高級工程師，主要從事環(huán)境工程方向的研究設計。