物理生化法降低煤化工廢水泡沫及處理成本的分析

錢虹洲，王蔣鑌，朱紅衛(wèi)，趙漢成，黃建元

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州311121；2.伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧835000）

0 引 言

煤化工廢水主要是來(lái)源于煤氣化、液化的工藝生產(chǎn)過(guò)程中如沖洗、冷卻、去雜質(zhì)等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的含有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)和雜環(huán)化合物的高濃度有機(jī)廢水，其水質(zhì)復(fù)雜，可生化性較差，含有大量酚類、長(zhǎng)鏈烷烴類、芳香烴類、氨氮等有毒有害物質(zhì)[1]。其中煤氣化廢水是煤化工廢水中水質(zhì)最復(fù)雜、較為難處理的部分。

目前，我國(guó)使用的煤氣化工藝主要是魯奇氣化爐、殼牌氣化爐、德士古氣化爐。其中，魯奇氣化爐工藝產(chǎn)生的廢水有機(jī)物濃度相對(duì)較高，主要是因?yàn)槠鋸U水中含酚量較大，酚類物質(zhì)提供了50%以上的COD[2]。

根據(jù)煤化工廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，目前煤化工廢水處理工藝主要包括物化預(yù)處理、生化處理和深度處理[3]。其中物化預(yù)處理主要有脫酚、蒸氨和除油，用于回收廢水中高濃度的酚類物質(zhì)、氨氮以及去除油類和灰渣等污染物，滿足廢水進(jìn)入生化處理的條件。生化處理是煤化工廢水達(dá)標(biāo)排放的核心工藝，是目前使用最廣泛，同時(shí)也是較為經(jīng)濟(jì)有效的工藝，其主體多采用“厭氧+好氧”的方式，具體包括A/O、A/A/O、CAST、SBR等單體或多種組合工藝。深度處理主要包括混凝沉淀、高級(jí)氧化、吸附等工藝，可以進(jìn)一步去除生化處理階段未完全降解的COD、氨氮等污染物，提高出水水質(zhì)，達(dá)標(biāo)排放。

由于煤化工廢水含高濃度有機(jī)物，尤其是酚類等富含表面活性物質(zhì)的污染物濃度較高，在生化法處理煤化工廢水的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其泡沫污染較為嚴(yán)重。生化系統(tǒng)產(chǎn)生的泡沫如果不進(jìn)行及時(shí)處理，不僅會(huì)影響出水水質(zhì)，更會(huì)影響整個(gè)廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行及檢修，帶來(lái)安全隱患。

鑒于生化池泡沫對(duì)廢水處理系統(tǒng)的影響，本文通過(guò)某煤化工項(xiàng)目廢水處理中試系統(tǒng)的生化池，開(kāi)展了泡沫起因及問(wèn)題分析，以找出消除泡沫的針對(duì)性措施，進(jìn)行技術(shù)改造。

1 生化池泡沫產(chǎn)生的問(wèn)題分析

1.1 泡沫的分類及產(chǎn)生原因

煤化工廢水處理過(guò)程中常見(jiàn)的泡沫污染一般分為兩類：化學(xué)泡沫和生物泡沫。化學(xué)泡沫是在曝氣或攪拌條件下由廢水中的起泡物質(zhì)（如表面活性劑、某些懸浮物質(zhì)等）所引起的。生物泡沫是一個(gè)由氣—水—微生物形成的穩(wěn)定系統(tǒng)，其直接原因是由于絲狀菌（主要是諾卡菌和微絲菌）的大量繁殖，絲狀菌基本呈絲狀或枝狀，容易捕捉懸浮顆粒和氣泡浮到水面，形成較為穩(wěn)定的生物泡沫[4]。

廢水處理過(guò)程中的運(yùn)行參數(shù)、進(jìn)水水質(zhì)（包括溶解氧、COD、總酚、p H值等）、環(huán)境條件等都會(huì)對(duì)泡沫的形成產(chǎn)生影響[5]。比如：當(dāng)水體中溶解氧充足時(shí)，絲狀菌起到正常菌膠團(tuán)骨架的功能，水體中溶解氧不足時(shí)，絲狀菌由于具有較大的表面積，仍能正常利用有機(jī)物，進(jìn)一步大量繁殖，改變水體中微生物群落結(jié)構(gòu)，引發(fā)泡沫的產(chǎn)生。當(dāng)煤化工廢水中總酚濃度增加時(shí)，泡沫體積也呈上升趨勢(shì)，主要是由于酚類物質(zhì)的超標(biāo)抑制了正常菌膠團(tuán)的生長(zhǎng)，導(dǎo)致絲狀菌大量繁殖誘發(fā)了生物泡沫的形成，同時(shí)，總酚濃度的增加，導(dǎo)致水體中活性物質(zhì)增加，也造成了化學(xué)泡沫的增加。

1.2 泡沫的危害

生化池中的泡沫若不及時(shí)處理就會(huì)對(duì)廢水處理的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）泡沫具有粘滯性，會(huì)將活性污泥等懸浮物卷入漂浮泡沫層。一方面，會(huì)影響微生物的繁殖；另一方面，還會(huì)影響曝氣池的充氧效率。（2）泡沫會(huì)跟隨廢水流動(dòng)進(jìn)入二級(jí)沉淀池，形成大量浮渣，影響出水水質(zhì)。（3）泡沫大量堆積后會(huì)溢出至甲板及相關(guān)設(shè)備上，容易造成設(shè)備的損壞，影響儀表的正常顯示，同時(shí)影響運(yùn)行檢修，伴隨著較大的安全隱患。（4）泡沫質(zhì)輕且多攜帶的為有機(jī)物，不僅影響環(huán)境，更容易產(chǎn)生無(wú)組織揮發(fā)性有機(jī)物，造成大氣污染。

1.3 泡沫的控制方式

根據(jù)泡沫的生成原因及相關(guān)性質(zhì)，其控制方法主要包括物理消泡法、生物消泡法及化學(xué)消泡法[6]。

物理消泡法是通過(guò)物理手段改變泡沫外部的理化條件，破壞泡沫的穩(wěn)定性，但是不會(huì)改變發(fā)泡成分的化學(xué)性質(zhì)。一般包括水力噴射、變溫法、變壓法、機(jī)械法等。目前，國(guó)內(nèi)污水處理中應(yīng)用較多的物理消泡法是水力噴射消泡技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、管理運(yùn)行方便。但是，水力噴射消泡技術(shù)一方面會(huì)消耗大量的水，造成資源浪費(fèi)，尤其是水資源缺乏區(qū)域不宜使用，另一方面，容易導(dǎo)致水體負(fù)荷增加，其消泡噴嘴也很容易造成堵塞，需要定期進(jìn)行清理更換。

生物消泡法是利用絲狀菌生長(zhǎng)速率緩慢、周期長(zhǎng)的生物特性，通過(guò)改變生化池內(nèi)泥齡、有機(jī)負(fù)荷等條件，抑制絲狀菌的繁殖，達(dá)到控制泡沫的目的。常見(jiàn)的調(diào)節(jié)方法主要有降低細(xì)胞平均停留時(shí)間、調(diào)整曝氣量、控制溫度等。生物消泡法的成本較低，對(duì)生化池的廢水水質(zhì)影響較小，同時(shí)對(duì)于泡沫的控制穩(wěn)定持久。

化學(xué)消泡法一般是通過(guò)投加混凝劑、消毒劑或消泡劑等化學(xué)藥劑來(lái)實(shí)現(xiàn)泡沫的消除或抑制其產(chǎn)生。投加混凝劑是利用其吸附凝聚能力，改變污泥的沉降性能，從而達(dá)到控制泡沫的目的。投加消毒劑是通過(guò)抑制絲狀菌生長(zhǎng)從而減少泡沫的形成，但需要控制消毒劑的劑量在一定范圍內(nèi)，才能避免對(duì)污水處理能力造成影響。而消泡劑則是針對(duì)不同的泡沫體系，通過(guò)破壞泡沫穩(wěn)定因素，降低泡沫表面張力，促使液膜破裂，從而實(shí)現(xiàn)消泡。目前，針對(duì)廢水處理泡沫的問(wèn)題，消泡劑的使用較為普遍（見(jiàn)圖1），但消泡劑也存在成本較高，同時(shí)容易增加水體有機(jī)物負(fù)荷、影響出水水質(zhì)及后續(xù)深度處理等諸多問(wèn)題。

圖1 某煤化工廢水處理生化池泡沫現(xiàn)場(chǎng)

1.4 消泡劑的分類及副作用

消泡劑主要由活性成分、乳化劑、載體和乳化助劑組成[7]，其中活性成分是消泡劑的核心，起到破泡、減小表面張力的作用。乳化劑是為了使活性成分分散成小顆粒，有助于提升消泡效果。載體在消泡劑中含量較大，主要起到支持介質(zhì)的作用，對(duì)抑泡、消泡效果有利，降低成本。乳化助劑則是為了使乳化效果更好。

消泡劑根據(jù)主要成分不同可分為非硅型、聚醚型、有機(jī)硅型和聚醚改性有機(jī)硅型四大類[8]。（1）非硅型消泡劑主要包括醇類、脂肪酸、脂肪酸酯及磷酸酯類等，適用于油性基液中產(chǎn)生的泡沫，其缺點(diǎn)主要是對(duì)致密性泡沫的消泡效率較低。（2）聚醚型消泡劑主要包括直鏈聚醚、醚胺、脂肪酸聚氧乙烯醚等聚醚衍生物，適用于制藥、生物農(nóng)藥、酵母等行業(yè)，其缺點(diǎn)是具有一定毒性、破泡的效率不高、使用條件受溫度限制。（3）有機(jī)硅型消泡劑主要是指聚二甲基硅烷（硅油），適用于油溶性溶液的消泡，但是抑泡能力較差。（4）聚醚改性有機(jī)硅型主要是指硅醚共聚物，目前應(yīng)用較為廣泛，分散性好，抑泡能力和消泡能力也較強(qiáng)。

根據(jù)消泡劑的成分可知，消泡劑主要為有機(jī)物，在煤化工廢水處理過(guò)程中利用消泡劑處理生化池的泡沫主要有以下危害：（1）目前所用的消泡劑主要成分為大分子有機(jī)物，難降解，容易增加水體負(fù)荷，尤其是廢水中的COD和SS；（2）有機(jī)硅等內(nèi)含物質(zhì)影響廢水后續(xù)深度處理，易造成微濾膜、反滲透膜等膜的堵塞，影響膜的運(yùn)行及使用壽命；（3）影響出水水質(zhì)。

2 消除泡沫的改進(jìn)措施

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有關(guān)研究[1]指出攪拌并不能解決泡沫問(wèn)題，噴淋或者投加消泡劑也只能暫時(shí)緩解泡沫的產(chǎn)生，不能從根本上解決問(wèn)題。本案例提出利用“生化法+水噴淋”的組合方法，通過(guò)調(diào)控好氧池內(nèi)的污泥濃度、溶解氧濃度及進(jìn)水COD濃度，有效促進(jìn)菌膠團(tuán)的正常生長(zhǎng)，減少絲狀菌的過(guò)度繁殖，消耗廢水中的活性物質(zhì)，從源頭減少泡沫的產(chǎn)生。同時(shí)利用間歇式水噴淋將生化池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫有效控制在合理范圍內(nèi)，避免了由泡沫引起的潛在危險(xiǎn)因素，減輕泡沫的不良影響。中試系統(tǒng)流程詳見(jiàn)圖2。

圖2 生化中試系統(tǒng)流程示意圖

活性污泥是微生物及其所依附的有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的總體，優(yōu)良運(yùn)轉(zhuǎn)的活性污泥是以絲狀菌為骨架結(jié)合球狀菌組成的菌膠團(tuán)。生物消泡法在不破壞生化處理效果的前提下，通過(guò)調(diào)整活性污泥相關(guān)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到減少生化池泡沫產(chǎn)生的目的。間歇式水噴淋消泡采用生化法后端出水的上清液為噴淋液，通過(guò)調(diào)控噴淋時(shí)間和頻率，避免了傳統(tǒng)噴淋消耗大量水資源的問(wèn)題，提高了廢水循環(huán)利用效率，可快速有效地消除生化池內(nèi)過(guò)度積累的泡沫，將泡沫體積控制在合理范圍內(nèi)。

“生化法+水噴淋”消泡，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅能避免傳統(tǒng)投加消泡劑方式對(duì)水質(zhì)和后端深度處理產(chǎn)生的影響，還能夠通過(guò)改良好氧池的運(yùn)行參數(shù)，提高生化處理的效果和穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)備選型

針對(duì)好氧池的泡沫問(wèn)題，對(duì)某煤化工項(xiàng)目廢水處理生化系統(tǒng)好氧池的COD、NH3-N、TP等水質(zhì)濃度進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，部分?jǐn)?shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 某煤化工項(xiàng)目廢水處理生化系統(tǒng)好氧池的主要水質(zhì)變化

中試系統(tǒng)的相關(guān)主要參數(shù)如下：

生化系統(tǒng)進(jìn)水量：2 m3/h；

進(jìn)水水質(zhì)（范圍）：COD濃度300～1200 mg/L，NH3-N濃度10～45 mg/L，TP濃度0.8～2 mg/L；

厭氧池尺寸：2×1.8×2.3 m，有效容積約8 m3；

缺氧池尺寸：3.15×1.8×2.3 m，有效容積約13 m3；

好氧池尺寸：5.3×1.8×2.3 m，有效容積約22 m3；

噴淋系統(tǒng)：錐形噴淋頭，出水孔徑6.2 mm，壓力2～3 kg/cm2；

噴淋水泵：揚(yáng)程15 m，流量5～10 m3/h，功率1 kW；

噴淋管道：U-PVC材質(zhì)；

生物參數(shù)：好氧池污泥濃度3500～5500 mg/L；

好氧池溶解氧濃度2～4 mg/L。

3 試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)價(jià)

3.1 污泥濃度對(duì)泡沫的影響

當(dāng)生化系統(tǒng)進(jìn)水pH值為7.0～7.5，溶解氧濃度為3～4 mg/L，溫度為25℃左右時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)好氧池內(nèi)的污泥濃度考察其對(duì)泡沫產(chǎn)生的影響，如圖3所示。

從圖3可知，當(dāng)污泥濃度從2700 mg/L增長(zhǎng)至4900 mg/L時(shí)，好氧池內(nèi)泡沫產(chǎn)生量明顯下降，從6.8 m3降至4.3 m3。根據(jù)泡沫產(chǎn)生原因分析可知，當(dāng)污泥濃度升高時(shí)，菌膠團(tuán)正常生長(zhǎng)，絲狀菌生長(zhǎng)速率緩慢，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，從而減少了生化泡沫的產(chǎn)生；另一方面，當(dāng)菌膠團(tuán)正常發(fā)揮其功效時(shí)，水體中的表面活性劑被大量消耗，導(dǎo)致化學(xué)泡沫也相應(yīng)地減少。因此，當(dāng)活性污泥在一定范圍內(nèi)濃度上升時(shí)，可有效減少好氧池內(nèi)泡沫的產(chǎn)生。

圖3 污泥濃度對(duì)泡沫體積的影響

3.2 溶解氧濃度對(duì)泡沫的影響

當(dāng)生化系統(tǒng)進(jìn)水p H值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)好氧池的溶解氧濃度在2～4 mg/L范圍內(nèi)變化，考察溶解氧對(duì)泡沫體積的影響，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，當(dāng)溶解氧從2.5 mg/L左右升至4 mg/L時(shí)，泡沫產(chǎn)生量有一個(gè)輕微的先增加后下降的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)好氧池中溶解氧不足時(shí)，菌膠團(tuán)不能正常生長(zhǎng)，絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，導(dǎo)致泡沫體積略微增多；當(dāng)溶解氧濃度達(dá)到4 mg/L左右時(shí)，可以滿足好氧微生物的正常繁殖，消耗水中的有機(jī)物及活性物質(zhì)，從而減少泡沫的產(chǎn)生。

圖4 溶解氧濃度對(duì)泡沫體積的影響

3.3 進(jìn)水COD濃度對(duì)泡沫的影響

當(dāng)生化系統(tǒng)進(jìn)水pH值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時(shí)，溶解氧濃度在4 mg/L左右，考察水體COD濃度變化對(duì)泡沫體積的變化，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以得知，當(dāng)進(jìn)水COD濃度上升時(shí)，泡沫產(chǎn)生量呈逐步上升的狀態(tài)。一方面COD濃度上升意味著水體中活性物質(zhì)增加，尤其是當(dāng)酚類物質(zhì)增加的時(shí)候，容易導(dǎo)致化學(xué)泡沫的大量產(chǎn)生；另一方面，COD濃度上升會(huì)加劇水體中菌膠團(tuán)對(duì)溶解氧的消耗，導(dǎo)致水中供氧量不足，絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌，導(dǎo)致生物泡沫的增加。

圖5 COD濃度對(duì)泡沫體積的影響

3.4 水噴淋對(duì)泡沫的影響

當(dāng)生化系統(tǒng)進(jìn)水pH值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時(shí)，溶解氧濃度在4 mg/L左右，水體中的COD基本維持在500 mg/L時(shí)，運(yùn)行15 min后，好氧池中的泡沫會(huì)產(chǎn)生并積累到接近池體表面，此時(shí)需要進(jìn)行水噴淋，通過(guò)物理法快速消除泡沫。中試系統(tǒng)好氧池的平面截面積為9.5 m2，經(jīng)過(guò)測(cè)試，選用3個(gè)噴淋頭即可使噴淋面積覆蓋泡沫區(qū)域。泡沫體積隨噴淋時(shí)間的變化，效果如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)噴淋時(shí)間持續(xù)5 min時(shí)，泡沫體積從一開(kāi)始的7.6 m3降至0.9 m3，而后隨著時(shí)間的增加泡沫的體積一直維持在0.9 m3上下。因此在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中采用間歇式噴淋的方法，即每隔15 min進(jìn)行噴淋消泡，噴淋時(shí)間持續(xù)5 min，即可將泡沫體積控制在合理范圍之內(nèi)。

圖6 泡沫體積隨噴淋時(shí)間的變化

3.5 能耗及運(yùn)行成本分析

根據(jù)活性污泥、溶解氧、COD等因素對(duì)泡沫產(chǎn)生量的影響可以得知，生物消泡法主要是通過(guò)調(diào)整活性污泥的濃度來(lái)抑制生化池泡沫的產(chǎn)生，整體運(yùn)行參數(shù)是在滿足生化系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)控來(lái)達(dá)到抑制泡沫的目的，因此沒(méi)有額外的成本投入和能耗。

水噴淋消泡采用的是生化后端的上清液作為噴淋液，因此沒(méi)有藥劑成本，其運(yùn)行成本主要為噴淋泵的能耗。中試系統(tǒng)的處理水量為2 m3/h，間歇式噴淋所選用的泵的功率為1 kW，運(yùn)行周期為每15分鐘噴淋5分鐘，則每小時(shí)耗電量為0.25 kWh，煤電廠內(nèi)的電費(fèi)按0.33元/kWh計(jì)算，其成本為1.98元/d，即0.041元/m3廢水。

現(xiàn)有煤化工廢水針對(duì)生化池泡沫問(wèn)題多使用消泡劑進(jìn)行消泡，一般消泡劑的市場(chǎng)價(jià)格大約在6000元/t左右。按通常的投加量計(jì)算，其消耗量大約在10.42 g/m3廢水，成本約為0.063元/m3廢水。

因此與消泡劑消泡相比，“生化法+水噴淋”的消泡方法每立方米廢水可節(jié)省運(yùn)行成本大約0.022元（即0.063-0.041=0.022元/m3），在控制泡沫污染措施的運(yùn)行成本上，比使用消泡劑可節(jié)省大約35%。

4 結(jié) 論

由于煤化工廢水水質(zhì)復(fù)雜，有機(jī)物濃度較高，尤其是多元酚、氨氮等活性物質(zhì)含量較高，其生化系統(tǒng)無(wú)法避免產(chǎn)生大量泡沫，重點(diǎn)在于如何減少泡沫的產(chǎn)生量及運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)控。

傳統(tǒng)廢水治理過(guò)程中采用單一的物理法或化學(xué)法控制泡沫的生成和累積，具有成本高，效率低等諸多問(wèn)題。本案例采用“生化法+水噴淋”的組合方案，對(duì)生化池的泡沫進(jìn)行預(yù)防和控制，不僅可快速消除已生成的泡沫，同時(shí)還可從源頭減少泡沫的產(chǎn)生。與消泡劑消泡相比，“生化法+水噴淋”的方法不會(huì)引起水體負(fù)荷的增加，尤其是生化池的COD濃度，從而可以促進(jìn)整個(gè)廢水處理原有生化處理系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。且本方案簡(jiǎn)單有效，一次投入成本低，運(yùn)行成本相對(duì)消泡劑而言有較大優(yōu)勢(shì)，每立方米廢水消泡成本可節(jié)省大約35%。因此，物理生化法組合來(lái)降低煤化工廢水泡沫及處理成本的方案是切實(shí)可行的。