生物增浓工艺处理煤化工废水的工程应用

周志远 徐春艳

1.中煤鄂尔多斯能源化工有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017300 2.哈尔滨工业大学 黑龙江哈尔滨 150090

在当今世界，能源问题是全球性问题，我国是煤炭储量大国，资源丰富，煤炭的产量呈逐年递增的趋势[1]。根据2018年统计数据，我国的煤炭消费总量占总能源消费总量的59%[2]，丰富的煤炭资源以及长期以来所坚持的能源自给的发展方针，使得煤炭目前仍成为我国的主要能源。我国煤炭资源大多采用直接燃烧的利用方式，存在着污染严重，资源转化和利用效率低等问题，煤化工技术对煤质的适应性很强，可以有效的利用一些较为年轻的劣质煤和高硫煤等煤炭资源进行转化和利用[3]。然而，在煤化工生产过程中产生了大量的煤化工废水，废水主要来源于煤气洗涤工段、冷凝工段以及煤气净化工段等[4-5]。煤化工废水水量高达几千至几万m3/d，废水中含大量固体悬浮颗粒和溶解性有毒有害化合物，废水可生化性仅为0.28左右，是一种高浓度难生物降解的化工废水[6]。在厌氧生物处理工艺、氧化工艺以及MBR工艺对煤化工废水的处理过程中，存在反应时间长、处理成本高的问题[7-8]，并且煤化工废水中含有大量微生物降解和硝化抑制物（酚类物质，芳香烃类和氮杂环类化合物等），其生物毒性导致生物处理工艺过程不充分，废水具有较低的C/N比值，缺乏反硝化微生物需求的碳源，进而影响总氮的去除[9]。而生物增浓工艺能够显著增加废水处理系统中的生物量，有效去除废水中的污染物，降低煤化工废水的处理成本。本文主要研究生物增浓（Biological multiplication technique）工艺在内蒙古某合成氨企业的煤化工废水处理中的应用，进行了生物增浓的启动、稳定运行研究，旨在为生物增浓处理工艺在煤化工废水的工程应用中提供基础。

1 材料与方法

1.1 工艺流程

图1是内蒙古某合成氨企业废水处理站的工艺过程，包括预处理系统、生物增浓、改良A/O系统、深度处理系统、污泥处理系统等。经过预处理的废水进入生物增浓工艺，在该段完成了COD、酚类物质和氨氮的大幅度去除。生物增浓工艺是控制特定的水力条件、高污泥浓度、低溶解氧的基础上，通过投加一定量的活性炭粉增加污泥浓度，通过池内实现在低溶解氧条件下氨氮短程硝化反硝化脱氮和同步去除有机物的工艺。

图1 内蒙古某合成氨企业废水处理站工艺流程图

图2 是废水处理站生物增浓工艺的示意图及沿程取样点，进水从生物增浓工艺的一端进入外循环廊道，进水沿着外循环廊道流入内回转廊道，然后经过内回转廊道末端的斜板沉淀池进行泥水分离，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浓工艺的进水端，剩余污泥定期排出。

图2 生物增浓工艺平面示意图及取样点

1.2 废水水质与接种污泥

本废水处理站主要处理废水包括生活污水、酚氨回收废水、低温甲醇洗废水、气化循环废水等废水，进水设参数如表1所示；接种污泥主要来自某煤化工废水处理站的剩余污泥，接种污泥的含水率为80%。

1.3 测定项目及方法

本实验主要分析的项目有COD、酚类物质、氨氮、硝态氮、亚硝态氮等指标，测定分析方法均采用《水和废水监测分析方法》（第四版）[10]中的方法。具体的分析项目、分析方法以及测试设备和仪器见表2。

2 实验结果与分析

2.1 生物增浓工艺的启动

启动期增浓池内外廊道溶解氧（DO）浓度控制在0.2～0.5g/L左右，内廊道溶解氧（DO）浓度逐渐升高，闷曝12 h，至池内污泥呈现土黄色，将进入沉淀池内的沉淀污泥回流进入生物增浓工艺首段。启动期通过向煤化工废水中加入生活污水调节进水负荷，初期逐步提高生物增浓工艺内进水负荷，待系统处理能力达到70%后再次提高进水负荷，初期向生物增浓工艺投加农用氯化铵氮肥和磷酸二氢钾磷肥，保证进水中 COD：N：P=100：5：1[11]，以满足微生物正常生长对氮、磷元素的需要。闷曝期间向生物增浓工艺内投加粉末活性炭，投加量为20 mg/L左右，控制污泥龄为100 d，逐渐使生物增浓工艺内的污泥浓度达到5 000 mg/L。

表1 进水设计参数

表2 水质分析项目、方法和仪器

2.2 启动阶段进出水COD和酚类物质的变化情况

由图3可知，生物增浓工艺启动初期进水COD为500 mg/L左右， 出水COD 为240 mg/L左右，COD去除率为52%，之后逐渐提高进水COD值，COD去除率也在不断提高，启动60 d后COD值升高至1600 mg/L，出水稳定在480 mg/L，去除率为70%左右。

图3 启动阶段进出水COD值变化

由图4可知，生物增浓工艺启动初期进水酚类物质浓度由100 mg/L逐渐提高到150 mg/L，酚类物质的去除率由50%缓慢提高至62%，继续提高进水酚类物质浓度至280mg/L左右，酚类物质去除率提高到80%，整体曲线为先缓慢升高后较快提高的过程，这也说明，生物增浓工艺的启动过程，也是接种的活性污泥逐步适应水中酚类物质生物毒性抑制性的过程，活性污泥的生物活性也逐渐得到恢复和提高[12]。

2.3 生物增浓工艺的稳定运行

（1）生物增浓工艺进出水COD和酚类物质随时间变化。稳定运行期间，生物增浓工艺对COD和酚类物质去除效果分别如图5和图6所示。在稳定运行阶段，生物增浓工艺进水COD浓度在2 000～2 500 mg/L之间，相应COD的去除率为80%左右，出水COD浓度维持在400 mg/L左右。进水酚类物质浓度在300～400 mg/L，酚类物质的去除率也基本维持在90%左右。这主要是因为经过驯化阶段，生物增浓工艺的活性污泥内驯化增值了大量酚类物质和COD的降解功能菌，经过初期启动阶段驯化培养的适应该类废水的微生物，去除能力较强。故生物增浓工艺对COD和酚类物质去除效果较好且稳定。

图4 启动阶段生物增浓工艺进出水酚浓度

图5 生物增浓工艺对COD去除效果

图6 生物增浓工艺对酚类物质去除效果

（2）生物增浓工艺进出水氨氮和总氮指标随时间变化。结合图7和8可知，在稳定运行阶段，生物增浓工艺在进水氨氮浓度达260 mg/L和总氮浓度达280～300 mg/L的高水平且存在小幅波动的情况下，生物增浓工艺出水氨氮和总氮水平分别稳定在50 mg/L和150 mg/L左右。

图7 生物增浓工艺出水氨氮随时间变化曲线

图8 生物增浓工艺出水总氮随时间变化曲线

2.4 生物增浓工艺沿程各项指标变化

（1）生物增浓工艺沿程COD变化。如图9所示，先取样生物增浓工艺的进水经过1～5段后，COD去除率达到50%，COD浓度大幅度降解，随后取样点5～8段的COD浓度持续小幅降低。结合试验可知，1～5段为生物增浓工艺的低氧区（DO为0.2～0.5 mg/L），回流进入该段的混合液会发生显著的短程硝化反硝化过程，故COD因短程硝化反硝化消耗而显著下降；而5～8段由于DO升高，仅为好氧硝化或除碳状态，故在COD浓度已经很低的情况下，后续浓度降低幅度不大。

图9 生物增浓工艺沿程COD变化曲线

（2）生物增浓工艺沿程各态氮指标变化。由沿程氮浓度变化曲线图可知，生物增浓工艺中氨氮浓度在1～5段降解速度较快，随后5～8段氨氮浓度降解缓慢；其中亚硝态氮浓度在1～5段持续积累，在其后快速降低，最终出水亚硝酸盐氮浓度为2 mg/L左右。而硝态氮浓度从进水的3.4 mg/L增长到出水的56 mg/L左右，分析得出，在生物增浓工艺1～5段以短程硝化反应为主，在5～8段以硝化反应为主：因此NO2--N和NO3--N在5点前后转化现象有显著不同，5点之后硝态氮持续积累，亚硝态氮浓度下降。

图10 生物增浓工艺沿程氮浓度变化曲线

3 结论

（1）稳定运行阶段，生物增浓工艺出水COD浓度始终在400 mg/L左右，相应COD的去除率达到80%左右。

（2）稳定运行阶段，生物增浓工艺出水酚类物质浓度在30 mg/L左右，酚类物质的去除率维持在90%左右。

（3）稳定运行阶段，生物增浓工艺出水氨氮浓度水平分别稳定于50 mg/L左右，出水总氮浓度水平分别稳定在150 mg/L。