生物增濃工藝處理煤化工廢水的工程應(yīng)用

周志遠(yuǎn) 徐春艷

1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150090

在當(dāng)今世界，能源問(wèn)題是全球性問(wèn)題，我國(guó)是煤炭?jī)?chǔ)量大國(guó)，資源豐富，煤炭的產(chǎn)量呈逐年遞增的趨勢(shì)[1]。根據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)的煤炭消費(fèi)總量占總能源消費(fèi)總量的59%[2]，豐富的煤炭資源以及長(zhǎng)期以來(lái)所堅(jiān)持的能源自給的發(fā)展方針，使得煤炭目前仍成為我國(guó)的主要能源。我國(guó)煤炭資源大多采用直接燃燒的利用方式，存在著污染嚴(yán)重，資源轉(zhuǎn)化和利用效率低等問(wèn)題，煤化工技術(shù)對(duì)煤質(zhì)的適應(yīng)性很強(qiáng)，可以有效的利用一些較為年輕的劣質(zhì)煤和高硫煤等煤炭資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化和利用[3]。然而，在煤化工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的煤化工廢水，廢水主要來(lái)源于煤氣洗滌工段、冷凝工段以及煤氣凈化工段等[4-5]。煤化工廢水水量高達(dá)幾千至幾萬(wàn)m3/d，廢水中含大量固體懸浮顆粒和溶解性有毒有害化合物，廢水可生化性?xún)H為0.28左右，是一種高濃度難生物降解的化工廢水[6]。在厭氧生物處理工藝、氧化工藝以及MBR工藝對(duì)煤化工廢水的處理過(guò)程中，存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、處理成本高的問(wèn)題[7-8]，并且煤化工廢水中含有大量微生物降解和硝化抑制物（酚類(lèi)物質(zhì)，芳香烴類(lèi)和氮雜環(huán)類(lèi)化合物等），其生物毒性導(dǎo)致生物處理工藝過(guò)程不充分，廢水具有較低的C/N比值，缺乏反硝化微生物需求的碳源，進(jìn)而影響總氮的去除[9]。而生物增濃工藝能夠顯著增加廢水處理系統(tǒng)中的生物量，有效去除廢水中的污染物，降低煤化工廢水的處理成本。本文主要研究生物增濃（Biological multiplication technique）工藝在內(nèi)蒙古某合成氨企業(yè)的煤化工廢水處理中的應(yīng)用，進(jìn)行了生物增濃的啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行研究，旨在為生物增濃處理工藝在煤化工廢水的工程應(yīng)用中提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

圖1是內(nèi)蒙古某合成氨企業(yè)廢水處理站的工藝過(guò)程，包括預(yù)處理系統(tǒng)、生物增濃、改良A/O系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)等。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的廢水進(jìn)入生物增濃工藝，在該段完成了COD、酚類(lèi)物質(zhì)和氨氮的大幅度去除。生物增濃工藝是控制特定的水力條件、高污泥濃度、低溶解氧的基礎(chǔ)上，通過(guò)投加一定量的活性炭粉增加污泥濃度，通過(guò)池內(nèi)實(shí)現(xiàn)在低溶解氧條件下氨氮短程硝化反硝化脫氮和同步去除有機(jī)物的工藝。

圖1 內(nèi)蒙古某合成氨企業(yè)廢水處理站工藝流程圖

圖2 是廢水處理站生物增濃工藝的示意圖及沿程取樣點(diǎn)，進(jìn)水從生物增濃工藝的一端進(jìn)入外循環(huán)廊道，進(jìn)水沿著外循環(huán)廊道流入內(nèi)回轉(zhuǎn)廊道，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)回轉(zhuǎn)廊道末端的斜板沉淀池進(jìn)行泥水分離，上部的澄清水排出，斜板沉淀池底部的沉淀污泥采用回流至生物增濃工藝的進(jìn)水端，剩余污泥定期排出。

圖2 生物增濃工藝平面示意圖及取樣點(diǎn)

1.2 廢水水質(zhì)與接種污泥

本廢水處理站主要處理廢水包括生活污水、酚氨回收廢水、低溫甲醇洗廢水、氣化循環(huán)廢水等廢水，進(jìn)水設(shè)參數(shù)如表1所示；接種污泥主要來(lái)自某煤化工廢水處理站的剩余污泥，接種污泥的含水率為80%。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

本實(shí)驗(yàn)主要分析的項(xiàng)目有COD、酚類(lèi)物質(zhì)、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等指標(biāo)，測(cè)定分析方法均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）[10]中的方法。具體的分析項(xiàng)目、分析方法以及測(cè)試設(shè)備和儀器見(jiàn)表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生物增濃工藝的啟動(dòng)

啟動(dòng)期增濃池內(nèi)外廊道溶解氧（DO）濃度控制在0.2～0.5g/L左右，內(nèi)廊道溶解氧（DO）濃度逐漸升高，悶曝12 h，至池內(nèi)污泥呈現(xiàn)土黃色，將進(jìn)入沉淀池內(nèi)的沉淀污泥回流進(jìn)入生物增濃工藝首段。啟動(dòng)期通過(guò)向煤化工廢水中加入生活污水調(diào)節(jié)進(jìn)水負(fù)荷，初期逐步提高生物增濃工藝內(nèi)進(jìn)水負(fù)荷，待系統(tǒng)處理能力達(dá)到70%后再次提高進(jìn)水負(fù)荷，初期向生物增濃工藝投加農(nóng)用氯化銨氮肥和磷酸二氫鉀磷肥，保證進(jìn)水中 COD：N：P=100：5：1[11]，以滿(mǎn)足微生物正常生長(zhǎng)對(duì)氮、磷元素的需要。悶曝期間向生物增濃工藝內(nèi)投加粉末活性炭，投加量為20 mg/L左右，控制污泥齡為100 d，逐漸使生物增濃工藝內(nèi)的污泥濃度達(dá)到5 000 mg/L。

表1 進(jìn)水設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 水質(zhì)分析項(xiàng)目、方法和儀器

2.2 啟動(dòng)階段進(jìn)出水COD和酚類(lèi)物質(zhì)的變化情況

由圖3可知，生物增濃工藝啟動(dòng)初期進(jìn)水COD為500 mg/L左右， 出水COD 為240 mg/L左右，COD去除率為52%，之后逐漸提高進(jìn)水COD值，COD去除率也在不斷提高，啟動(dòng)60 d后COD值升高至1600 mg/L，出水穩(wěn)定在480 mg/L，去除率為70%左右。

圖3 啟動(dòng)階段進(jìn)出水COD值變化

由圖4可知，生物增濃工藝啟動(dòng)初期進(jìn)水酚類(lèi)物質(zhì)濃度由100 mg/L逐漸提高到150 mg/L，酚類(lèi)物質(zhì)的去除率由50%緩慢提高至62%，繼續(xù)提高進(jìn)水酚類(lèi)物質(zhì)濃度至280mg/L左右，酚類(lèi)物質(zhì)去除率提高到80%，整體曲線(xiàn)為先緩慢升高后較快提高的過(guò)程，這也說(shuō)明，生物增濃工藝的啟動(dòng)過(guò)程，也是接種的活性污泥逐步適應(yīng)水中酚類(lèi)物質(zhì)生物毒性抑制性的過(guò)程，活性污泥的生物活性也逐漸得到恢復(fù)和提高[12]。

2.3 生物增濃工藝的穩(wěn)定運(yùn)行

（1）生物增濃工藝進(jìn)出水COD和酚類(lèi)物質(zhì)隨時(shí)間變化。穩(wěn)定運(yùn)行期間，生物增濃工藝對(duì)COD和酚類(lèi)物質(zhì)去除效果分別如圖5和圖6所示。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，生物增濃工藝進(jìn)水COD濃度在2 000～2 500 mg/L之間，相應(yīng)COD的去除率為80%左右，出水COD濃度維持在400 mg/L左右。進(jìn)水酚類(lèi)物質(zhì)濃度在300～400 mg/L，酚類(lèi)物質(zhì)的去除率也基本維持在90%左右。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)馴化階段，生物增濃工藝的活性污泥內(nèi)馴化增值了大量酚類(lèi)物質(zhì)和COD的降解功能菌，經(jīng)過(guò)初期啟動(dòng)階段馴化培養(yǎng)的適應(yīng)該類(lèi)廢水的微生物，去除能力較強(qiáng)。故生物增濃工藝對(duì)COD和酚類(lèi)物質(zhì)去除效果較好且穩(wěn)定。

圖4 啟動(dòng)階段生物增濃工藝進(jìn)出水酚濃度

圖5 生物增濃工藝對(duì)COD去除效果

圖6 生物增濃工藝對(duì)酚類(lèi)物質(zhì)去除效果

（2）生物增濃工藝進(jìn)出水氨氮和總氮指標(biāo)隨時(shí)間變化。結(jié)合圖7和8可知，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，生物增濃工藝在進(jìn)水氨氮濃度達(dá)260 mg/L和總氮濃度達(dá)280～300 mg/L的高水平且存在小幅波動(dòng)的情況下，生物增濃工藝出水氨氮和總氮水平分別穩(wěn)定在50 mg/L和150 mg/L左右。

圖7 生物增濃工藝出水氨氮隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖8 生物增濃工藝出水總氮隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.4 生物增濃工藝沿程各項(xiàng)指標(biāo)變化

（1）生物增濃工藝沿程COD變化。如圖9所示，先取樣生物增濃工藝的進(jìn)水經(jīng)過(guò)1～5段后，COD去除率達(dá)到50%，COD濃度大幅度降解，隨后取樣點(diǎn)5～8段的COD濃度持續(xù)小幅降低。結(jié)合試驗(yàn)可知，1～5段為生物增濃工藝的低氧區(qū)（DO為0.2～0.5 mg/L），回流進(jìn)入該段的混合液會(huì)發(fā)生顯著的短程硝化反硝化過(guò)程，故COD因短程硝化反硝化消耗而顯著下降；而5～8段由于DO升高，僅為好氧硝化或除碳狀態(tài)，故在COD濃度已經(jīng)很低的情況下，后續(xù)濃度降低幅度不大。

圖9 生物增濃工藝沿程COD變化曲線(xiàn)

（2）生物增濃工藝沿程各態(tài)氮指標(biāo)變化。由沿程氮濃度變化曲線(xiàn)圖可知，生物增濃工藝中氨氮濃度在1～5段降解速度較快，隨后5～8段氨氮濃度降解緩慢；其中亞硝態(tài)氮濃度在1～5段持續(xù)積累，在其后快速降低，最終出水亞硝酸鹽氮濃度為2 mg/L左右。而硝態(tài)氮濃度從進(jìn)水的3.4 mg/L增長(zhǎng)到出水的56 mg/L左右，分析得出，在生物增濃工藝1～5段以短程硝化反應(yīng)為主，在5～8段以硝化反應(yīng)為主：因此NO2--N和NO3--N在5點(diǎn)前后轉(zhuǎn)化現(xiàn)象有顯著不同，5點(diǎn)之后硝態(tài)氮持續(xù)積累，亞硝態(tài)氮濃度下降。

圖10 生物增濃工藝沿程氮濃度變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

（1）穩(wěn)定運(yùn)行階段，生物增濃工藝出水COD濃度始終在400 mg/L左右，相應(yīng)COD的去除率達(dá)到80%左右。

（2）穩(wěn)定運(yùn)行階段，生物增濃工藝出水酚類(lèi)物質(zhì)濃度在30 mg/L左右，酚類(lèi)物質(zhì)的去除率維持在90%左右。

（3）穩(wěn)定運(yùn)行階段，生物增濃工藝出水氨氮濃度水平分別穩(wěn)定于50 mg/L左右，出水總氮濃度水平分別穩(wěn)定在150 mg/L。