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，趙漢成，黃建元

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

0 引 言

煤化工廢水主要是來源于煤氣化、液化的工藝生產過程中如沖洗、冷卻、去雜質等環節產生的含有大量苯環結構和雜環化合物的高濃度有機廢水，其水質復雜，可生化性較差，含有大量酚類、長鏈烷烴類、芳香烴類、氨氮等有毒有害物質[1]。其中煤氣化廢水是煤化工廢水中水質最復雜、較為難處理的部分。

目前，我國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，魯奇氣化爐工藝產生的廢水有機物濃度相對較高，主要是因為其廢水中含酚量較大，酚類物質提供了50%以上的COD[2]。

根據煤化工廢水的水質特點，目前煤化工廢水處理工藝主要包括物化預處理、生化處理和深度處理[3]。其中物化預處理主要有脫酚、蒸氨和除油，用于回收廢水中高濃度的酚類物質、氨氮以及去除油類和灰渣等污染物，滿足廢水進入生化處理的條件。生化處理是煤化工廢水達標排放的核心工藝，是目前使用最廣泛，同時也是較為經濟有效的工藝，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、高級氧化、吸附等工藝，可以進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，達標排放。

由于煤化工廢水含高濃度有機物，尤其是酚類等富含表面活性物質的污染物濃度較高，在生化法處理煤化工廢水的過程中發現其泡沫污染較為嚴重。生化系統產生的泡沫如果不進行及時處理，不僅會影響出水水質，更會影響整個廢水處理系統的運行及檢修，帶來安全隱患。

鑒于生化池泡沫對廢水處理系統的影響，本文通過某煤化工項目廢水處理中試系統的生化池，開展了泡沫起因及問題分析，以找出消除泡沫的針對性措施，進行技術改造。

1 生化池泡沫產生的問題分析

1.1 泡沫的分類及產生原因

煤化工廢水處理過程中常見的泡沫污染一般分為兩類：化學泡沫和生物泡沫。化學泡沫是在曝氣或攪拌條件下由廢水中的起泡物質（如表面活性劑、某些懸浮物質等）所引起的。生物泡沫是一個由氣—水—微生物形成的穩定系統，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，形成較為穩定的生物泡沫[4]。

廢水處理過程中的運行參數、進水水質（包括溶解氧、COD、總酚、p H值等）、環境條件等都會對泡沫的形成產生影響[5]。比如：當水體中溶解氧充足時，絲狀菌起到正常菌膠團骨架的功能，水體中溶解氧不足時，絲狀菌由于具有較大的表面積，仍能正常利用有機物，進一步大量繁殖，改變水體中微生物群落結構，引發泡沫的產生。當煤化工廢水中總酚濃度增加時，泡沫體積也呈上升趨勢，主要是由于酚類物質的超標抑制了正常菌膠團的生長，導致絲狀菌大量繁殖誘發了生物泡沫的形成，同時，總酚濃度的增加，導致水體中活性物質增加，也造成了化學泡沫的增加。

1.2 泡沫的危害

生化池中的泡沫若不及時處理就會對廢水處理的正常運行產生較大的影響，主要包括以下幾個方面：（1）泡沫具有粘滯性，會將活性污泥等懸浮物卷入漂浮泡沫層。一方面，會影響微生物的繁殖；另一方面，還會影響曝氣池的充氧效率。（2）泡沫會跟隨廢水流動進入二級沉淀池，形成大量浮渣，影響出水水質。（3）泡沫大量堆積后會溢出至甲板及相關設備上，容易造成設備的損壞，影響儀表的正常顯示，同時影響運行檢修，伴隨著較大的安全隱患。（4）泡沫質輕且多攜帶的為有機物，不僅影響環境，更容易產生無組織揮發性有機物，造成大氣污染。

1.3 泡沫的控制方式

根據泡沫的生成原因及相關性質，其控制方法主要包括物理消泡法、生物消泡法及化學消泡法[6]。

物理消泡法是通過物理手段改變泡沫外部的理化條件，破壞泡沫的穩定性，但是不會改變發泡成分的化學性質。一般包括水力噴射、變溫法、變壓法、機械法等。目前，國內污水處理中應用較多的物理消泡法是水力噴射消泡技術，其優點是設備簡單、管理運行方便。但是，水力噴射消泡技術一方面會消耗大量的水，造成資源浪費，尤其是水資源缺乏區域不宜使用，另一方面，容易導致水體負荷增加，其消泡噴嘴也很容易造成堵塞，需要定期進行清理更換。

生物消泡法是利用絲狀菌生長速率緩慢、周期長的生物特性，通過改變生化池內泥齡、有機負荷等條件，抑制絲狀菌的繁殖，達到控制泡沫的目的。常見的調節方法主要有降低細胞平均停留時間、調整曝氣量、控制溫度等。生物消泡法的成本較低，對生化池的廢水水質影響較小，同時對于泡沫的控制穩定持久。

化學消泡法一般是通過投加混凝劑、消毒劑或消泡劑等化學藥劑來實現泡沫的消除或抑制其產生。投加混凝劑是利用其吸附凝聚能力，改變污泥的沉降性能，從而達到控制泡沫的目的。投加消毒劑是通過抑制絲狀菌生長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，才能避免對污水處理能力造成影響。而消泡劑則是針對不同的泡沫體系，通過破壞泡沫穩定因素，降低泡沫表面張力，促使液膜破裂，從而實現消泡。目前，針對廢水處理泡沫的問題，消泡劑的使用較為普遍（見圖1），但消泡劑也存在成本較高，同時容易增加水體有機物負荷、影響出水水質及后續深度處理等諸多問題。

圖1 某煤化工廢水處理生化池泡沫現場

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，主要起到支持介質的作用，對抑泡、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。

消泡劑根據主要成分不同可分為非硅型、聚醚型、有機硅型和聚醚改性有機硅型四大類[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生的泡沫，其缺點主要是對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、生物農藥、酵母等行業，其缺點是具有一定毒性、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）聚醚改性有機硅型主要是指硅醚共聚物，目前應用較為廣泛，分散性好，抑泡能力和消泡能力也較強。

根據消泡劑的成分可知，消泡劑主要為有機物，在煤化工廢水處理過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物，難降解，容易增加水體負荷，尤其是廢水中的COD和SS；（2）有機硅等內含物質影響廢水后續深度處理，易造成微濾膜、反滲透膜等膜的堵塞，影響膜的運行及使用壽命；（3）影響出水水質。

2 消除泡沫的改進措施

2.1 系統設計

有關研究[1]指出攪拌并不能解決泡沫問題，噴淋或者投加消泡劑也只能暫時緩解泡沫的產生，不能從根本上解決問題。本案例提出利用“生化法+水噴淋”的組合方法，通過調控好氧池內的污泥濃度、溶解氧濃度及進水COD濃度，有效促進菌膠團的正常生長，減少絲狀菌的過度繁殖，消耗廢水中的活性物質，從源頭減少泡沫的產生。同時利用間歇式水噴淋將生化池運行過程中產生的泡沫有效控制在合理范圍內，避免了由泡沫引起的潛在危險因素，減輕泡沫的不良影響。中試系統流程詳見圖2。

圖2 生化中試系統流程示意圖

活性污泥是微生物及其所依附的有機物質和無機物質的總體，優良運轉的活性污泥是以絲狀菌為骨架結合球狀菌組成的菌膠團。生物消泡法在不破壞生化處理效果的前提下，通過調整活性污泥相關運行參數達到減少生化池泡沫產生的目的。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，通過調控噴淋時間和頻率，避免了傳統噴淋消耗大量水資源的問題，提高了廢水循環利用效率，可快速有效地消除生化池內過度積累的泡沫，將泡沫體積控制在合理范圍內。

“生化法+水噴淋”消泡，其優點在于不僅能避免傳統投加消泡劑方式對水質和后端深度處理產生的影響，還能夠通過改良好氧池的運行參數，提高生化處理的效果和穩定性。

2.2 系統參數及設備選型

針對好氧池的泡沫問題，對某煤化工項目廢水處理生化系統好氧池的COD、NH3-N、TP等水質濃度進行日常監測，部分數據詳見表1。

表1 某煤化工項目廢水處理生化系統好氧池的主要水質變化

中試系統的相關主要參數如下：

生化系統進水量：2 m3/h；

進水水質（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：錐形噴淋頭，出水孔徑6.2 mm，壓力2～3 kg/cm2；

噴淋水泵：揚程15 m，流量5～10 m3/h，功率1 kW；

噴淋管道：U-PVC材質；

生物參數：好氧池污泥濃度3500～5500 mg/L；

好氧池溶解氧濃度2～4 mg/L。

3 試驗結果與評價

3.1 污泥濃度對泡沫的影響

當生化系統進水pH值為7.0～7.5，溶解氧濃度為3～4 mg/L，溫度為25℃左右時，通過調節好氧池內的污泥濃度考察其對泡沫產生的影響，如圖3所示。

從圖3可知，當污泥濃度從2700 mg/L增長至4900 mg/L時，好氧池內泡沫產生量明顯下降，從6.8 m3降至4.3 m3。根據泡沫產生原因分析可知，當污泥濃度升高時，菌膠團正常生長，絲狀菌生長速率緩慢，無明顯優勢，從而減少了生化泡沫的產生；另一方面，當菌膠團正常發揮其功效時，水體中的表面活性劑被大量消耗，導致化學泡沫也相應地減少。因此，當活性污泥在一定范圍內濃度上升時，可有效減少好氧池內泡沫的產生。

圖3 污泥濃度對泡沫體積的影響

3.2 溶解氧濃度對泡沫的影響

當生化系統進水p H值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時，通過調節好氧池的溶解氧濃度在2～4 mg/L范圍內變化，考察溶解氧對泡沫體積的影響，結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，當溶解氧從2.5 mg/L左右升至4 mg/L時，泡沫產生量有一個輕微的先增加后下降的趨勢。這主要是因為當好氧池中溶解氧不足時，菌膠團不能正常生長，絲狀菌成為優勢菌種，導致泡沫體積略微增多；當溶解氧濃度達到4 mg/L左右時，可以滿足好氧微生物的正常繁殖，消耗水中的有機物及活性物質，從而減少泡沫的產生。

圖4 溶解氧濃度對泡沫體積的影響

3.3 進水COD濃度對泡沫的影響

當生化系統進水pH值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時，溶解氧濃度在4 mg/L左右，考察水體COD濃度變化對泡沫體積的變化，結果如圖5所示。

從圖5可以得知，當進水COD濃度上升時，泡沫產生量呈逐步上升的狀態。一方面COD濃度上升意味著水體中活性物質增加，尤其是當酚類物質增加的時候，容易導致化學泡沫的大量產生；另一方面，COD濃度上升會加劇水體中菌膠團對溶解氧的消耗，導致水中供氧量不足，絲狀菌成為優勢菌，導致生物泡沫的增加。

圖5 COD濃度對泡沫體積的影響

3.4 水噴淋對泡沫的影響

當生化系統進水pH值為7.0～7.5，溫度為25℃左右，污泥濃度在4500～5000 mg/L時，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，運行15 min后，好氧池中的泡沫會產生并積累到接近池體表面，此時需要進行水噴淋，通過物理法快速消除泡沫。中試系統好氧池的平面截面積為9.5 m2，經過測試，選用3個噴淋頭即可使噴淋面積覆蓋泡沫區域。泡沫體積隨噴淋時間的變化，效果如圖6所示。

從圖6可以看出，當噴淋時間持續5 min時，泡沫體積從一開始的7.6 m3降至0.9 m3，而后隨著時間的增加泡沫的體積一直維持在0.9 m3上下。因此在后續運行過程中采用間歇式噴淋的方法，即每隔15 min進行噴淋消泡，噴淋時間持續5 min，即可將泡沫體積控制在合理范圍之內。

圖6 泡沫體積隨噴淋時間的變化

3.5 能耗及運行成本分析

根據活性污泥、溶解氧、COD等因素對泡沫產生量的影響可以得知，生物消泡法主要是通過調整活性污泥的濃度來抑制生化池泡沫的產生，整體運行參數是在滿足生化系統正常運行的基礎上進一步調控來達到抑制泡沫的目的，因此沒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，因此沒有藥劑成本，其運行成本主要為噴淋泵的能耗。中試系統的處理水量為2 m3/h，間歇式噴淋所選用的泵的功率為1 kW，運行周期為每15分鐘噴淋5分鐘，則每小時耗電量為0.25 kWh，煤電廠內的電費按0.33元/kWh計算，其成本為1.98元/d，即0.041元/m3廢水。

現有煤化工廢水針對生化池泡沫問題多使用消泡劑進行消泡，一般消泡劑的市場價格大約在6000元/t左右。按通常的投加量計算，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省運行成本大約0.022元（即0.063-0.041=0.022元/m3），在控制泡沫污染措施的運行成本上，比使用消泡劑可節省大約35%。

4 結 論

由于煤化工廢水水質復雜，有機物濃度較高，尤其是多元酚、氨氮等活性物質含量較高，其生化系統無法避免產生大量泡沫，重點在于如何減少泡沫的產生量及運行過程中的調控。

傳統廢水治理過程中采用單一的物理法或化學法控制泡沫的生成和累積，具有成本高，效率低等諸多問題。本案例采用“生化法+水噴淋”的組合方案，對生化池的泡沫進行預防和控制，不僅可快速消除已生成的泡沫，同時還可從源頭減少泡沫的產生。與消泡劑消泡相比，“生化法+水噴淋”的方法不會引起水體負荷的增加，尤其是生化池的COD濃度，從而可以促進整個廢水處理原有生化處理系統正常穩定運行。且本方案簡單有效，一次投入成本低，運行成本相對消泡劑而言有較大優勢，每立方米廢水消泡成本可節省大約35%。因此，物理生化法組合來降低煤化工廢水泡沫及處理成本的方案是切實可行的。