活性炭-活性污泥工艺处理煤化工废水的应用研究

王慧斌

(山西省长治市环境信息中心，山西 长治 046000)

引 言

近年来，我国对于石油和天然气的消费比重逐渐增加，但是我国煤炭资源十分丰富，相比石油和天然气储量较大，是世界第一产煤大国，也是煤炭消费的大国。煤化工产业是实现煤炭资源高效利用的有力手段，对于保障国家能源安全具有重要的战略意义。现阶段，我国已经拥有完全自主产权的煤气化技术，并成功地完成产业化示范。然而，煤化工产业需要消耗大量的水资源，存在耗煤、耗水、污水排放量大的问题，导致煤化工废水治理在很大程度上限制了煤化工产业的发展。目前，根据国家最新规定，煤化工企业须达到“液体零排放”标准。为此，对煤化工废水的处理问题进行深入研究已迫在眉睫。

1 煤化工废水水质特征及处理现状

煤化工企业是工业用水大户，其用水量和排水量十分巨大。煤化工废水是煤处理过程中产生的成分复杂的工业废水，其必须经过严格的处理之后再进行排放，否则将对人类健康和社会可持续发展构成威胁。

1.1 煤化工废水来源及水质特征

煤化工废水是指煤焦化、液化、气化过程中产生的生产废水，具有高有机物、高毒性、高抑制性及可生化性低的特点[1]。基于不同的生产工艺及产品类别，煤化工废水来源分类不同，如图1所示。

图1 煤化工废水来源分类

其中，焦化废水是典型的工业废水，其有机负荷高、成分复杂、毒性强，典型焦化废水中氨氮质量浓度达2 000 mg/L；焦化废水处理不当，污染环境严重，污染潜力大。煤气化废水具有高含量的酚类、氨氮和生化有毒及抑制性物质，是一种典型的高浓度、高污染、有毒难降解的有机工业废水，尤其鲁奇气化工艺产出废水中污染物含量较高，COD高达5 000 mg/L，浊度也较高，是气化废水中成分最复杂、最难处理的废水。煤液化废水油含量及盐离子浓度低，但COD浓度很高，尤其有毒物质浓度高，可生化性差，对其处理难度较高。

1.2 煤化工废水处理研究现状

目前，煤化工废水处理方法主要有物化预处理、生化处理及深度处理，三者分别对煤化工废水有不同程度的处理，具体如下[2]：

1) 物化预处理。物理化学工艺主要用于废水预处理过程中，将废水中的酚、氨氮和油类去除。采取预处理工艺，可改善煤化工废水可生化性，降低了后续的生化处理工艺的处理负荷。对于难以被生物降解或着对微生物有毒性的有机废水，常用的工艺为气浮法、混凝沉淀法、萃取脱酚法等。其中，混凝是处理工业用水和生活污水最基础的手段，气浮法主要用于去除并回收废水中的油类物质，萃取脱酚法是一种有效的回收挥发酚和非挥发酚的方法。

2) 生化处理。由于煤化工废水中含有大量难降解的有机物质如酚类等，经过物化预处理，废水中仍含有较高的污染物质，难以达到排放标准要求，故通常采用厌氧和多级好氧生物组合工艺进行二级处理。然而，常规的好氧和厌氧工艺对于煤化工废水处理效果不佳，为此，近年来研发了一些新的处理方法，如序批式活性污泥法(SBR)、MBR工艺、厌氧生物处理、好氧-厌氧组合工艺等，其主要利用微生物新陈代谢来处理，处理效率高，被广泛应用。

3) 深度处理。一般情况下煤化工废水经生化处理后，出水的COD、氨氮等浓度虽然大幅度下降，但是仍然难以达到排放标准，通常需再加以深度处理工艺。生物活性炭法、固定化生物技术、高级氧化技术、臭氧氧化法等是目前煤化工废水常用的三级深度处理方法。如，目前焦化废水采用生物脱氮、吸附和混凝相结合的方法处理，气化废水较为常用的好氧处理工艺有生物膜、SBR、A/O工艺等。

2 活性炭-活性污泥工艺及特点

2.1 活性炭-活性污泥工艺

活性炭-活性污泥工艺(powdered activated carbon technology，PACT)主要通过将粉末活性炭(PAC)加入活性污泥反应器中，粉末活性炭作为载体附着生物膜，使系统耐冲击负荷能力大大提高，以达到工业废水深度处理的效果[3]。PACT 工艺一般流程如图2所示。

图2 PACT 工艺一般流程

目前，PACT工艺的机理有两种理论。一种理论是认为活性炭和微生物两者不存在协同作用，有机物的去除只是二者的简单叠加，且活性炭吸附有机物主要发生在微孔(直径<4 nm)中。

另外一种理论认为，PAC和微生物协同作用去除有机物，胞外酶以及部分酶的活性中心可以进入活性炭微孔中，即使酶分子无法进入微孔，但有机物从微孔扩散到大、中孔中，同样可以被微生物降解，从而有利于有机物的去除。

2.2 PACT工艺特点

相比于传统活性污泥工艺(AS)，PACT工艺具有以下优点[4]：

1) 提高难生物降解的有机化合物的去除率。在PACT工艺中，被活性炭吸附的有机物与微生物的接触时间与污泥龄相当，而污染物与微生物的接触时间就是水力停留时间，使一些接触较长时间才能被降解的难降解有机物得到去除。

2) 改善冲击载荷下的工艺稳定性。活性炭的吸附能力一般会存在动态平衡，即当污染物浓度高时，吸附量增加，反之活性炭将吸附的污染物通过解吸作用释放到废水中。因此，活性炭在系统中可以起到调节污染物浓度的作用，特别是对于不耐冲击负荷的微生物能起到很好的保护作用，对于污泥生物相的驯化也起到了有利的作用。

3) 改善色度的去除，消除发臭、发泡现象。煤化工废水经生化处理后，仍含有酚类等难降解的有机物，通常需再加以深度处理工艺以使系统达到排放标准。活性炭可以选择性地吸附这些有机物，除去引起煤化工废水中色度、臭味、泡沫等现象的有机物，改善色度的去除，消除发臭、发泡现象。

4) 提高系统对总氮的去除效果。在水处理过程中，活性炭可通过吸附水中对硝化细菌和反硝化细菌的抑制物质，促进二者利用碳源提供的能量，增强活性，提高污泥浓度，从而将硝态氮转化为氮气，进而提高总氮的去除效果。

5) 改善污泥沉降性能和脱水性能，提高污泥浓度。活性炭的吸附作用，使得絮凝体与有机物结合得更加紧密，沉降性能和脱水性能变好。同时，活性炭投加到污泥系统中，有利于絮凝体的形成和微生物的繁殖，提高污泥浓度，从而提高煤化工废水的处理效果。

然而，向活性污泥系统中投加大量的活性炭，会增加污泥的处理负荷，随污泥排放还会造成资源的浪费，而且还会造成水处理的成本增加，因此，PACT工艺中活性炭的投加量应适当，切不可过多或者过少。

3 PACT工艺在煤化工废水处理中的应用

早在20世纪70年代初美国弗吉尼亚州市的一座污水处理厂就发现，PAC投加量为300 mg/L时，可以明显提高有机物以及SS的去除率[5]。Aziz等[6]比较了SBR工艺和PAC-SBR工艺对垃圾渗滤液的处理能力，结果表明，PAC-SBR 有更高的处理能力，并且改善了污泥的沉降性。Lee等[7]研究表明，通过附着在活性炭的微生物和活性炭的生物再生过程，添加PAC的活性污泥对COD和Cr(Ⅵ)的平均去除效率更高。这些研究表明，PAC的加入显着提高了废水的处理性能。

活性炭可以选择性地吸附抑制微生物活性的有毒物质及微生物代谢过程中产生的一些有害物质等，可以防止生物活性下降，从而提高系统整体污染物去除率。我国将PACT工艺主要应用于实际的工业废水处理上，尤其用于煤化工、焦化、石化等难降解有机废水的强化处理。李朦[5]针对天津某化工园区产生的难降解综合化工废水，采用PACT强化活性污泥法进行处理。张龙等[4]采用A2/O(PACT)工艺处理水解酸化后的印染废水，强化了苯环类、杂环类等特征有机污染物的处理效果。杨婉如[8]利用PACT工艺处理含有苯并噻唑的制药废水，对TOC和COD的去除率分别由54.8%和45.6%提高到86.13%和76.34%，并对系统中的苯并噻唑降解菌有筛选作用。

废水中的氨氮主要通过活性污泥中硝化和反硝化菌作用被去除，而硝化作用产生H+会使系统的pH值下降，导致污泥絮体分散，不利于氨氮的去除，尤其不利于煤化工废水中总氮的优化处理。然而，由于活性炭可以吸附水中的硝化菌抑制物，同时减少污泥流失的发生，加之活性炭再生技术可以将剩余污泥中的活性炭进行再生，从而促进污泥系统中的硝化作用，因此PACT工艺也被广泛应用于煤化工脱氮中，以提高总氮的去除效果，同时减少外加碳源的投加量。如徐春艳[9]通过向活性污泥中投加PAC吸附目标污染物，使污染物的传质作用得到促进，污泥的处理效果得到改善。赵茜[10]采用PACT-SBNR复合工艺对煤化工废水中的总氮优化处理，得到了较好的处理效果。

总之，相比于传统的活性污泥工艺(AS)，投加PAC使得系统对COD、色度、氨氮以及煤化工废水中的氮杂环类、酚类、苯系物等有机物等的去除效果得到了明显提高。

4 结语

综上所述，目前，煤化工行业的产能不断提高，其废水的治理问题在很大程度上限制了煤化工产业的发展。因此，研究和开发高效的煤化工废水处理技术，有助于行业的可持续发展。相比于传统的活性污泥工艺(AS)，投加PAC使得系统对COD、色度、氨氮以及煤化工废水中的氮杂环类、酚类、苯系物等有机物等的去除效果得到了明显提高，因此该方法值得推广。