生物增濃工藝處理煤化工廢水的工程應用

周志遠 徐春艷

1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017300 2.哈爾濱工業大學 黑龍江哈爾濱 150090

在當今世界，能源問題是全球性問題，我國是煤炭儲量大國，資源豐富，煤炭的產量呈逐年遞增的趨勢[1]。根據2018年統計數據，我國的煤炭消費總量占總能源消費總量的59%[2]，豐富的煤炭資源以及長期以來所堅持的能源自給的發展方針，使得煤炭目前仍成為我國的主要能源。我國煤炭資源大多采用直接燃燒的利用方式，存在著污染嚴重，資源轉化和利用效率低等問題，煤化工技術對煤質的適應性很強，可以有效的利用一些較為年輕的劣質煤和高硫煤等煤炭資源進行轉化和利用[3]。然而，在煤化工生產過程中產生了大量的煤化工廢水，廢水主要來源于煤氣洗滌工段、冷凝工段以及煤氣凈化工段等[4-5]。煤化工廢水水量高達幾千至幾萬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，廢水可生化性僅為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工藝對煤化工廢水的處理過程中，存在反應時間長、處理成本高的問題[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（酚類物質，芳香烴類和氮雜環類化合物等），其生物毒性導致生物處理工藝過程不充分，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）工藝在內蒙古某合成氨企業的煤化工廢水處理中的應用，進行了生物增濃的啟動、穩定運行研究，旨在為生物增濃處理工藝在煤化工廢水的工程應用中提供基礎。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

圖1是內蒙古某合成氨企業廢水處理站的工藝過程，包括預處理系統、生物增濃、改良A/O系統、深度處理系統、污泥處理系統等。經過預處理的廢水進入生物增濃工藝，在該段完成了COD、酚類物質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、低溶解氧的基礎上，通過投加一定量的活性炭粉增加污泥濃度，通過池內實現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物的工藝。

圖1 內蒙古某合成氨企業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，進水從生物增濃工藝的一端進入外循環廊道，進水沿著外循環廊道流入內回轉廊道，然后經過內回轉廊道末端的斜板沉淀池進行泥水分離，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

1.2 廢水水質與接種污泥

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、氣化循環廢水等廢水，進水設參數如表1所示；接種污泥主要來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 測定項目及方法

本實驗主要分析的項目有COD、酚類物質、氨氮、硝態氮、亞硝態氮等指標，測定分析方法均采用《水和廢水監測分析方法》（第四版）[10]中的方法。具體的分析項目、分析方法以及測試設備和儀器見表2。

2 實驗結果與分析

2.1 生物增濃工藝的啟動

啟動期增濃池內外廊道溶解氧（DO）濃度控制在0.2～0.5g/L左右，內廊道溶解氧（DO）濃度逐漸升高，悶曝12 h，至池內污泥呈現土黃色，將進入沉淀池內的沉淀污泥回流進入生物增濃工藝首段。啟動期通過向煤化工廢水中加入生活污水調節進水負荷，初期逐步提高生物增濃工藝內進水負荷，待系統處理能力達到70%后再次提高進水負荷，初期向生物增濃工藝投加農用氯化銨氮肥和磷酸二氫鉀磷肥，保證進水中 COD：N：P=100：5：1[11]，以滿足微生物正常生長對氮、磷元素的需要。悶曝期間向生物增濃工藝內投加粉末活性炭，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的污泥濃度達到5 000 mg/L。

表1 進水設計參數

表2 水質分析項目、方法和儀器

2.2 啟動階段進出水COD和酚類物質的變化情況

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

圖3 啟動階段進出水COD值變化

由圖4可知，生物增濃工藝啟動初期進水酚類物質濃度由100 mg/L逐漸提高到150 mg/L，酚類物質的去除率由50%緩慢提高至62%，繼續提高進水酚類物質濃度至280mg/L左右，酚類物質去除率提高到80%，整體曲線為先緩慢升高后較快提高的過程，這也說明，生物增濃工藝的啟動過程，也是接種的活性污泥逐步適應水中酚類物質生物毒性抑制性的過程，活性污泥的生物活性也逐漸得到恢復和提高[12]。

2.3 生物增濃工藝的穩定運行

（1）生物增濃工藝進出水COD和酚類物質隨時間變化。穩定運行期間，生物增濃工藝對COD和酚類物質去除效果分別如圖5和圖6所示。在穩定運行階段，生物增濃工藝進水COD濃度在2 000～2 500 mg/L之間，相應COD的去除率為80%左右，出水COD濃度維持在400 mg/L左右。進水酚類物質濃度在300～400 mg/L，酚類物質的去除率也基本維持在90%左右。這主要是因為經過馴化階段，生物增濃工藝的活性污泥內馴化增值了大量酚類物質和COD的降解功能菌，經過初期啟動階段馴化培養的適應該類廢水的微生物，去除能力較強。故生物增濃工藝對COD和酚類物質去除效果較好且穩定。

圖4 啟動階段生物增濃工藝進出水酚濃度

圖5 生物增濃工藝對COD去除效果

圖6 生物增濃工藝對酚類物質去除效果

（2）生物增濃工藝進出水氨氮和總氮指標隨時間變化。結合圖7和8可知，在穩定運行階段，生物增濃工藝在進水氨氮濃度達260 mg/L和總氮濃度達280～300 mg/L的高水平且存在小幅波動的情況下，生物增濃工藝出水氨氮和總氮水平分別穩定在50 mg/L和150 mg/L左右。

圖7 生物增濃工藝出水氨氮隨時間變化曲線

圖8 生物增濃工藝出水總氮隨時間變化曲線

2.4 生物增濃工藝沿程各項指標變化

（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水經過1～5段后，COD去除率達到50%，COD濃度大幅度降解，隨后取樣點5～8段的COD濃度持續小幅降低。結合試驗可知，1～5段為生物增濃工藝的低氧區（DO為0.2～0.5 mg/L），回流進入該段的混合液會發生顯著的短程硝化反硝化過程，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，故在COD濃度已經很低的情況下，后續濃度降低幅度不大。

圖9 生物增濃工藝沿程COD變化曲線

（2）生物增濃工藝沿程各態氮指標變化。由沿程氮濃度變化曲線圖可知，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；其中亞硝態氮濃度在1～5段持續積累，在其后快速降低，最終出水亞硝酸鹽氮濃度為2 mg/L左右。而硝態氮濃度從進水的3.4 mg/L增長到出水的56 mg/L左右，分析得出，在生物增濃工藝1～5段以短程硝化反應為主，在5～8段以硝化反應為主：因此NO2--N和NO3--N在5點前后轉化現象有顯著不同，5點之后硝態氮持續積累，亞硝態氮濃度下降。

圖10 生物增濃工藝沿程氮濃度變化曲線

3 結論

（1）穩定運行階段，生物增濃工藝出水COD濃度始終在400 mg/L左右，相應COD的去除率達到80%左右。

（2）穩定運行階段，生物增濃工藝出水酚類物質濃度在30 mg/L左右，酚類物質的去除率維持在90%左右。

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