活性炭-活性污泥工藝處理煤化工廢水的應(yīng)用研究

王慧斌

(山西省長治市環(huán)境信息中心，山西 長治 046000)

引 言

近年來，我國對于石油和天然氣的消費比重逐漸增加，但是我國煤炭資源十分豐富，相比石油和天然氣儲量較大，是世界第一產(chǎn)煤大國，也是煤炭消費的大國。煤化工產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)煤炭資源高效利用的有力手段，對于保障國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。現(xiàn)階段，我國已經(jīng)擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)，并成功地完成產(chǎn)業(yè)化示范。然而，煤化工產(chǎn)業(yè)需要消耗大量的水資源，存在耗煤、耗水、污水排放量大的問題，導致煤化工廢水治理在很大程度上限制了煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，根據(jù)國家最新規(guī)定，煤化工企業(yè)須達到“液體零排放”標準。為此，對煤化工廢水的處理問題進行深入研究已迫在眉睫。

1 煤化工廢水水質(zhì)特征及處理現(xiàn)狀

煤化工企業(yè)是工業(yè)用水大戶，其用水量和排水量十分巨大。煤化工廢水是煤處理過程中產(chǎn)生的成分復雜的工業(yè)廢水，其必須經(jīng)過嚴格的處理之后再進行排放，否則將對人類健康和社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。

1.1 煤化工廢水來源及水質(zhì)特征

煤化工廢水是指煤焦化、液化、氣化過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水，具有高有機物、高毒性、高抑制性及可生化性低的特點[1]?；诓煌纳a(chǎn)工藝及產(chǎn)品類別，煤化工廢水來源分類不同，如圖1所示。

圖1 煤化工廢水來源分類

其中，焦化廢水是典型的工業(yè)廢水，其有機負荷高、成分復雜、毒性強，典型焦化廢水中氨氮質(zhì)量濃度達2 000 mg/L；焦化廢水處理不當，污染環(huán)境嚴重，污染潛力大。煤氣化廢水具有高含量的酚類、氨氮和生化有毒及抑制性物質(zhì)，是一種典型的高濃度、高污染、有毒難降解的有機工業(yè)廢水，尤其魯奇氣化工藝產(chǎn)出廢水中污染物含量較高，COD高達5 000 mg/L，濁度也較高，是氣化廢水中成分最復雜、最難處理的廢水。煤液化廢水油含量及鹽離子濃度低，但COD濃度很高，尤其有毒物質(zhì)濃度高，可生化性差，對其處理難度較高。

1.2 煤化工廢水處理研究現(xiàn)狀

目前，煤化工廢水處理方法主要有物化預(yù)處理、生化處理及深度處理，三者分別對煤化工廢水有不同程度的處理，具體如下[2]：

1) 物化預(yù)處理。物理化學工藝主要用于廢水預(yù)處理過程中，將廢水中的酚、氨氮和油類去除。采取預(yù)處理工藝，可改善煤化工廢水可生化性，降低了后續(xù)的生化處理工藝的處理負荷。對于難以被生物降解或著對微生物有毒性的有機廢水，常用的工藝為氣浮法、混凝沉淀法、萃取脫酚法等。其中，混凝是處理工業(yè)用水和生活污水最基礎(chǔ)的手段，氣浮法主要用于去除并回收廢水中的油類物質(zhì)，萃取脫酚法是一種有效的回收揮發(fā)酚和非揮發(fā)酚的方法。

2) 生化處理。由于煤化工廢水中含有大量難降解的有機物質(zhì)如酚類等，經(jīng)過物化預(yù)處理，廢水中仍含有較高的污染物質(zhì)，難以達到排放標準要求，故通常采用厭氧和多級好氧生物組合工藝進行二級處理。然而，常規(guī)的好氧和厭氧工藝對于煤化工廢水處理效果不佳，為此，近年來研發(fā)了一些新的處理方法，如序批式活性污泥法(SBR)、MBR工藝、厭氧生物處理、好氧-厭氧組合工藝等，其主要利用微生物新陳代謝來處理，處理效率高，被廣泛應(yīng)用。

3) 深度處理。一般情況下煤化工廢水經(jīng)生化處理后，出水的COD、氨氮等濃度雖然大幅度下降，但是仍然難以達到排放標準，通常需再加以深度處理工藝。生物活性炭法、固定化生物技術(shù)、高級氧化技術(shù)、臭氧氧化法等是目前煤化工廢水常用的三級深度處理方法。如，目前焦化廢水采用生物脫氮、吸附和混凝相結(jié)合的方法處理，氣化廢水較為常用的好氧處理工藝有生物膜、SBR、A/O工藝等。

2 活性炭-活性污泥工藝及特點

2.1 活性炭-活性污泥工藝

活性炭-活性污泥工藝(powdered activated carbon technology，PACT)主要通過將粉末活性炭(PAC)加入活性污泥反應(yīng)器中，粉末活性炭作為載體附著生物膜，使系統(tǒng)耐沖擊負荷能力大大提高，以達到工業(yè)廢水深度處理的效果[3]。PACT 工藝一般流程如圖2所示。

圖2 PACT 工藝一般流程

目前，PACT工藝的機理有兩種理論。一種理論是認為活性炭和微生物兩者不存在協(xié)同作用，有機物的去除只是二者的簡單疊加，且活性炭吸附有機物主要發(fā)生在微孔(直徑<4 nm)中。

另外一種理論認為，PAC和微生物協(xié)同作用去除有機物，胞外酶以及部分酶的活性中心可以進入活性炭微孔中，即使酶分子無法進入微孔，但有機物從微孔擴散到大、中孔中，同樣可以被微生物降解，從而有利于有機物的去除。

2.2 PACT工藝特點

相比于傳統(tǒng)活性污泥工藝(AS)，PACT工藝具有以下優(yōu)點[4]：

1) 提高難生物降解的有機化合物的去除率。在PACT工藝中，被活性炭吸附的有機物與微生物的接觸時間與污泥齡相當，而污染物與微生物的接觸時間就是水力停留時間，使一些接觸較長時間才能被降解的難降解有機物得到去除。

2) 改善沖擊載荷下的工藝穩(wěn)定性?；钚蕴康奈侥芰σ话銜嬖趧討B(tài)平衡，即當污染物濃度高時，吸附量增加，反之活性炭將吸附的污染物通過解吸作用釋放到廢水中。因此，活性炭在系統(tǒng)中可以起到調(diào)節(jié)污染物濃度的作用，特別是對于不耐沖擊負荷的微生物能起到很好的保護作用，對于污泥生物相的馴化也起到了有利的作用。

3) 改善色度的去除，消除發(fā)臭、發(fā)泡現(xiàn)象。煤化工廢水經(jīng)生化處理后，仍含有酚類等難降解的有機物，通常需再加以深度處理工藝以使系統(tǒng)達到排放標準?；钚蕴靠梢赃x擇性地吸附這些有機物，除去引起煤化工廢水中色度、臭味、泡沫等現(xiàn)象的有機物，改善色度的去除，消除發(fā)臭、發(fā)泡現(xiàn)象。

4) 提高系統(tǒng)對總氮的去除效果。在水處理過程中，活性炭可通過吸附水中對硝化細菌和反硝化細菌的抑制物質(zhì)，促進二者利用碳源提供的能量，增強活性，提高污泥濃度，從而將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣，進而提高總氮的去除效果。

5) 改善污泥沉降性能和脫水性能，提高污泥濃度。活性炭的吸附作用，使得絮凝體與有機物結(jié)合得更加緊密，沉降性能和脫水性能變好。同時，活性炭投加到污泥系統(tǒng)中，有利于絮凝體的形成和微生物的繁殖，提高污泥濃度，從而提高煤化工廢水的處理效果。

然而，向活性污泥系統(tǒng)中投加大量的活性炭，會增加污泥的處理負荷，隨污泥排放還會造成資源的浪費，而且還會造成水處理的成本增加，因此，PACT工藝中活性炭的投加量應(yīng)適當，切不可過多或者過少。

3 PACT工藝在煤化工廢水處理中的應(yīng)用

早在20世紀70年代初美國弗吉尼亞州市的一座污水處理廠就發(fā)現(xiàn)，PAC投加量為300 mg/L時，可以明顯提高有機物以及SS的去除率[5]。Aziz等[6]比較了SBR工藝和PAC-SBR工藝對垃圾滲濾液的處理能力，結(jié)果表明，PAC-SBR 有更高的處理能力，并且改善了污泥的沉降性。Lee等[7]研究表明，通過附著在活性炭的微生物和活性炭的生物再生過程，添加PAC的活性污泥對COD和Cr(Ⅵ)的平均去除效率更高。這些研究表明，PAC的加入顯著提高了廢水的處理性能。

活性炭可以選擇性地吸附抑制微生物活性的有毒物質(zhì)及微生物代謝過程中產(chǎn)生的一些有害物質(zhì)等，可以防止生物活性下降，從而提高系統(tǒng)整體污染物去除率。我國將PACT工藝主要應(yīng)用于實際的工業(yè)廢水處理上，尤其用于煤化工、焦化、石化等難降解有機廢水的強化處理。李朦[5]針對天津某化工園區(qū)產(chǎn)生的難降解綜合化工廢水，采用PACT強化活性污泥法進行處理。張龍等[4]采用A2/O(PACT)工藝處理水解酸化后的印染廢水，強化了苯環(huán)類、雜環(huán)類等特征有機污染物的處理效果。楊婉如[8]利用PACT工藝處理含有苯并噻唑的制藥廢水，對TOC和COD的去除率分別由54.8%和45.6%提高到86.13%和76.34%，并對系統(tǒng)中的苯并噻唑降解菌有篩選作用。

廢水中的氨氮主要通過活性污泥中硝化和反硝化菌作用被去除，而硝化作用產(chǎn)生H+會使系統(tǒng)的pH值下降，導致污泥絮體分散，不利于氨氮的去除，尤其不利于煤化工廢水中總氮的優(yōu)化處理。然而，由于活性炭可以吸附水中的硝化菌抑制物，同時減少污泥流失的發(fā)生，加之活性炭再生技術(shù)可以將剩余污泥中的活性炭進行再生，從而促進污泥系統(tǒng)中的硝化作用，因此PACT工藝也被廣泛應(yīng)用于煤化工脫氮中，以提高總氮的去除效果，同時減少外加碳源的投加量。如徐春艷[9]通過向活性污泥中投加PAC吸附目標污染物，使污染物的傳質(zhì)作用得到促進，污泥的處理效果得到改善。趙茜[10]采用PACT-SBNR復合工藝對煤化工廢水中的總氮優(yōu)化處理，得到了較好的處理效果。

總之，相比于傳統(tǒng)的活性污泥工藝(AS)，投加PAC使得系統(tǒng)對COD、色度、氨氮以及煤化工廢水中的氮雜環(huán)類、酚類、苯系物等有機物等的去除效果得到了明顯提高。

4 結(jié)語

綜上所述，目前，煤化工行業(yè)的產(chǎn)能不斷提高，其廢水的治理問題在很大程度上限制了煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究和開發(fā)高效的煤化工廢水處理技術(shù)，有助于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的活性污泥工藝(AS)，投加PAC使得系統(tǒng)對COD、色度、氨氮以及煤化工廢水中的氮雜環(huán)類、酚類、苯系物等有機物等的去除效果得到了明顯提高，因此該方法值得推廣。