煤化工废水处理及资源化利用研究现状

刘文 满强强

山东能源集团山能化工内蒙古荣信化工有限公司 内蒙古 鄂尔多斯 014300

煤化工废水是指在煤化工生产过程中产生的含有高浓度有机物、重金属等污染物的废水。由于其复杂的组成和高难度的处理，煤化工废水处理及资源化利用一直是研究热点和挑战。随着环境保护意识的提高和严格的环保法规的实施，煤化工企业面临着越来越大的压力来减少废水排放和实现资源化利用。

1 煤化工废水的来源及性质

1.1 煤化工废水的来源

（1）煤气化过程产生的废水

在煤气化过程中，通过对煤进行高温分解和气化产生了合成气。在这个过程中，废水主要来自于煤的洗涤和气化过程中的冷却用水。

（2）煤直接液化（CTL）和煤间接液化（ITL）过程产生的废水

液化是指将煤直接转化为液体燃料或化学品的过程。在液化过程中，除了产出油、煤渣和煤焦之外，还会产生大量的废水。

（3）煤焦化过程产生的废水

煤焦化是指将煤进行加热和干馏，得到焦炭和一些有机气体的过程。废水主要来自于煤的洗涤和焦炉冷却过程中的冷却用水。

1.2 煤化工废水的特点

1.2.1 含有高浓度的有机物

煤化工废水中含有大量的有机物，如苯、甲醛、苯酚等。这些有机物具有毒性和难降解性。

1.2.2 含有重金属离子

煤化工废水中常含有铅、汞、镉、铬等重金属离子。这些重金属对生态环境和人体健康具有较高的毒性。

1.2.3 高浊度和高温度

煤化工废水通常具有高浊度和高温度，这会给废水的处理带来一定的挑战。

1.2.4 酸碱性差异大

由于煤化工过程中使用的原料和反应条件的不同，废水的酸碱性可能存在一定的差异。

2 煤化工废水的影响

2.1 水环境污染

煤化工废水中含有高浓度的有机物、重金属离子等污染物。当这些废水排放入水体时，会对水环境造成严重污染，破坏水体的生态平衡。有机物的存在可能导致水体富营养化和藻类爆发，降低水质并影响水生生物生长和繁殖。重金属的累积和毒性也会对水生生物和生态系统造成潜在威胁。

2.2 土壤污染

如果煤化工废水未经适当处理就直接排放或渗漏到土壤中，会导致土壤污染。有机物和重金属的积累可能影响土壤质量和肥力，限制作物的生长和发展。此外，部分有机物可能会在土壤中逐渐降解为有害的代谢产物，并进一步影响土壤质量和生物多样性。

2.3 直接接触风险

如果人们接触到未经处理的煤化工废水，可能会对其健康产生直接威胁。有机物和重金属对人体具有潜在的毒性，可能导致急性或慢性中毒。某些有机物还可能具有致癌性或致畸作用，对长期暴露的人群造成健康风险。此外，高浊度和高温度的废水也可能引发皮肤刺激、消化道问题等。

2.4 社会影响

煤化工废水对周边环境的污染和健康风险可能引发公众的关注和不满，可能对相关企业的声誉和社会形象造成负面影响，进而对企业的可持续发展和利益产生影响。此外，废水的处理和治理也需要投入大量的资金和技术，可能增加企业的运营成本。

3 煤化工废水的处理技术

3.1 物理处理

物理处理是煤化工废水资源化利用的一种重要途径，通过物理性质的分离和转移，将废水中的固体颗粒、悬浮物等进行去除，实现固液分离和净化。以下是几种常见的物理处理方法

3.1.1 沉淀与过滤

在沉淀池中，通过添加化学沉淀剂（如氢氧化钙、石灰等），使废水中的固体颗粒和悬浮物沉淀到池底，然后通过反复沉淀和搅拌，最终达到固液分离的效果。可采用静态沉淀池、流态沉淀池等不同的设备形式进行。过滤技术通过介质（如砂滤、活性炭、陶瓷滤芯等）来过滤废水中的悬浮固体颗粒。介质的不同粒径和材料可以根据废水的特性进行选择，以实现固液分离和澄清的效果。常见的过滤方法包括压滤、真空过滤、自动过滤等。

3.1.2 吸附

吸附技术通过添加吸附剂（如活性炭、离子交换树脂等），将废水中的有机物和重金属离子吸附到吸附剂表面，从而达到净化废水的效果。吸附剂选择应根据目标物质的特性以及吸附材料的催化活性和再生能力等因素进行。

3.1.3 简单过程分离

根据废水中不同成分的物理性质差异，可使用简单的物理方法进行分离，如比重差异的沉淀分离、溶解度差异的结晶分离等。这些方法适用于废水中含有可分离的物质，如固体颗粒、悬浮物、无机盐等。物理处理可以作为煤化工废水资源化利用过程中的初步处理阶段，帮助去除废水中的固体颗粒和悬浮物等，为后续的化学或生物处理提供更好的条件。不同的物理处理方法可以根据废水的特性和处理需求进行组合和选择，以实现高效的废水净化和资源回收。

3.2 化学处理

通过添加化学沉淀剂如氢氧化钙（Ca（OH）2）、石灰（CaO）等，使废水中的有机物和重金属离子发生沉淀反应，沉淀物可通过后续处理方式进行回收。沉淀过程中还可以实现废水的脱色，通过去除废水中的色度来提高水质。废水中可能存在酸性或碱性物质，通过加入中和剂如碳酸氢钠、石灰等可以调节废水的pH值，并将废水中的酸碱性物质中和。废水中存在大量的重金属离子，使用络合剂如硫代硫酸盐、聚合物等与重金属离子发生络合反应，形成稳定无溶解度的络合物，实现重金属的沉淀与去除。通过添加催化剂或酶类，促进有机物的分解和降解反应，将其转化为无害物质，如利用催化剂将氨氮转化为氮气，降低废水中的氨氮含量。化学处理方法可以根据废水中不同污染物的特性进行选择和调整，以达到有效去除污染物、净化废水和回收资源的目的。了解废水中污染物的成分和特性，结合不同化学处理方法的适用条件和效果，有助于制定合理的化学处理策略。

3.3 生物处理

3.3.1 常见的生物处理方法

通过培养一定的好氧微生物，将有机物在氧气的存在下进行氧化降解，从而去除污染物。利用固定化生物膜，或采用生物膜载体如填料、纤维等固定生物系，使流经废水的废水与细菌膜之间相互作用，降解和去除污染物。废水在无氧条件下通过厌氧微生物的代谢作用，转化为沼气和有机质。污水透过滤池多孔性介质，处于缺氧或微氧的环境中，微生物利用有机物降解污染物。

3.3.2 其他生物处理方法

利用湿地植物和微生物在湿地内进行废水的降解和净化。人工湿地可以模拟自然湿地的生物过程，有效去除有机物和重金属等污染物。利用特定微生物菌株或生物材料如藻类、真菌等，通过吸附作用将废水中的污染物吸附到细胞表面，从而净化废水。生物处理方法具有环境友好、操作简单、投资成本较低等优点，并且可以实现废水中有机物的降解和资源回收。但是，生物处理受到水质、温度、pH值等因素的影响，在设计和操作过程中需要根据废水的特性和要求进行适当的调整和控制。因此，了解废水中的污染物类型和浓度、微生物的特性以及合适的生物处理工艺对于实现高效的废水资源化利用至关重要。

3.4 先进处理技术

利用紫外光辐射或可见光辐射与光催化剂（如二氧化钛）相互作用，产生高活性的自由基，通过氧化反应将有机污染物分解成无害物质。利用臭氧气体对废水中的有机物进行强氧化，降解有机污染物。臭氧还可以去除废水中的色度和异味，同时具有杀菌消毒的效果。通过半透膜将废水中的溶解性溶质和固体颗粒分离，使水分子通过膜而阻拦溶质和固体颗粒，实现对废水中有机物和离子的去除。通过超细孔径膜分离技术将废水中的胶体颗粒、悬浮物等物质分离出去，同时保留溶解的有机物和离子。利用电流和电极将废水中的金属离子沉积在电极上，并通过电极表面反应去除重金属污染物。通过电解作用，产生氧化剂（如高价态金属阳离子）来降解废水中的有机物，从而实现废水的净化效果。冷等离子体技术将废水暴露在冷等离子体中，通过电离和放电反应，使废水中的有机物氧化分解为简单无机物和少量CO2、H2O等。

4 煤化工废水资源化利用途径

4.1 能源化利用

4.1.1 沼气生产

通过厌氧消化技术，将废水中的有机物质在无氧环境下分解产生沼气。沼气主要由甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）组成，可以作为可再生能源来发电、供热或作为燃料使用。同时，沼渣也是一种有机肥料，可用于农业或园艺。

4.1.2 生物质能源生产

通过将废水中的固体废弃物进行处理和转化，生成生物质能源。例如，废水中的有机废弃物可以用于生产生物柴油、生物乙醇等可燃性液体燃料，用于替代传统石油燃料。此外，废水中的生物质固体废弃物也可以作为生物质颗粒（生物质燃料）用于热能产生或其他能源利用。

4.1.3 温室气体回收与利用

煤化工废水中可能含有温室气体（如甲烷、二氧化碳等），可以进行回收和利用。例如，废水中的甲烷可以用于发电或供热，减少对化石燃料的依赖；而二氧化碳可以用于工业过程中的注入、制备化学品等。

4.1.4 太阳能光伏系统补充

将废水中的可利用水资源提取出来，用于太阳能光伏系统的冷却，提高光伏电池板的效率，并同时供应冷却后的废水用于其他用途。能源化利用不仅减少了对传统能源的依赖，还能提高能源利用效率和减少温室气体排放。然而，进行能源化利用需要进行充分的废水处理和净化，以确保废水对环境和人类健康的影响降到最低。同时，选择适当的技术和工艺流程，根据废水的特性和目标利用需求进行合理规划和操作。

4.2 农业利用

经过适当的废水处理和净化，将废水用于农田灌溉，起到节水和养分供给的作用。废水中的养分可被作物吸收利用，并为农田提供水分，同时降低了对地下水的依赖。利用废水中的营养物质、微量元素等，进行循环农业。废水中的养分可以与传统化肥结合使用，提高农作物的产量和质量，同时降低对化学肥料的需求。通过对废水中的有机物进行处理和转化，将其转化为有机肥料，如厌氧发酵产生的沼液或废水经处理后的残渣。这些有机肥料可以用于土壤改良、作物生长促进和保护等，有利于提高土壤质量和农作物的健康生长。废水中的养分可以用于蔬菜种植，如叶菜类、豆科蔬菜等。废水中的微量元素对于蔬菜的生长和营养很重要，能够提高产量和品质。

4.3 城市供水补充

处理后的煤化工废水可用于工业领域多种生产过程中的冷却水、清洗水、制造过程用水等。废水中的水分和营养物质可以为工业生产提供所需的水资源和养分，有效利用废水资源。处理后的废水可以通过灌溉被城市公园、绿地、花坛等地方所需的水资源。废水中的肥料成分和微量元素对植物生长有促进作用，可以提高植物的健康度和美观度。处理后的煤化工废水可以用作城市中的景观水体，如人工湖、喷泉等的水源。经过适当的处理和净化，使废水达到景观水的要求，同时提升城市的景观效果。处理后的废水可以用于车辆清洗、道路冲洗、建筑物外墙清洗等清洗用途。利用废水进行清洗可以节约市政供水，并达到清洗效果。

4.4 生态修复和景观建设

在生态修复和景观建设中，需要将废水进行适当的处理和净化，确保废水中的有害成分得到消除，保护生物多样性和环境健康。此外，还应根据具体情况和要求，合理规划和设计生态修复方案，采取适当的管理措施，以最大程度地实现生态修复和景观建设的效果。

5 结束语

煤化工废水处理及资源化利用的研究正在不断发展，各种新的技术和方法被提出并逐渐得到应用。然而，仍然存在一些挑战需要克服，如废水处理成本高、副产物的处置等。因此，未来的研究方向应该集中在提高处理效率、降低成本、实现废水资源化利用等方面。通过持续的创新和合作，我们相信可以找到更加可行和可持续的煤化工废水处理及资源化利用解决方案，以实现环境保护和可持续发展的目标。