煤化工生产废水处理技术的研究与应用

卜凡

兖矿能源集团股份有限公司 山东 邹城 273500

随着煤炭工业和化工生产的快速发展，煤化工废水处理问题日益突显。煤化工废水特征复杂，主要包括高浓度COD、酸性环境等，远超过排放标准。传统处理技术在效果与成本之间存在矛盾，需要创新性的技术手段。主要目的是在深入研究煤化工废水处理技术，通过分析废水特性、比较传统和先进技术，以及优化与改进手段，为解决煤化工废水排放与循环利用问题提供可行的技术路径。

1 煤化工废水特性分析

煤化工废水是煤炭加工和化工过程中产生的废水，其主要来源包括煤焦化、煤气化、煤制油等工序。煤化工废水具有COD、氨氮、硫化物、氰化物等指标较高，以及pH值较低等特点。就COD而言，煤化工废水的COD可高达3000～5000mg/L，远远超过污水综合排放标准约500mg/L的规定。高COD主要来源于煤焦化过程中的初级冷却废水，其中包含了许多难以生化降解的有机物。氨氮方面，含氨氮量约为100～600mg/L，也明显高于污水排放标准约100mg/L的限值。这是由于煤制气和煤制油工艺中，都需要使用铵盐等作为溶剂或抑制剂，最终进入废水。此外，煤化工废水中还含有硫化氢、氰化物、苯酚等有毒有害成分。除了主要污染物指标超标外，煤化工废水呈现出酸性特征，pH值一般在6以下。这主要是因为原煤和多数中间产物都具有酸性，在水溶液中可释放出H+。另外，工艺中也常加入盐酸等无机酸作为洗涤剂或催化剂，最终进入废水并使pH值降低。

2 煤化工废水处理技术及应用分析

2.1 传统废水处理技术

传统的煤化工废水处理技术主要包括物理方法、化学方法和生物方法。这些方法可以单独使用，也可根据实际情况进行组合，形成一整套处理系统。物理方法中，泥水分离技术应用较广。如在某煤制油试验装置的废水处理系统中，就设置了混合沉淀池，额定处理规模为100m3/h。原水通过管道进入池中，混合后与添加的絮凝剂充分接触，形成大粒径絮体沉淀。这种絮凝沉淀法的去除率COD可达30%、氨氮 20%，但仅靠物理法难以达到排放标准，还需与化学或生物方法配合使用。化学方法中，高级氧化技术应用较多。如在某煤化工厂的废水处理中，导入了配置有超临界水反应器（400℃、25MPa）的氧化系统。借助过氧化氢等强氧化剂，可深度氧化有机物。据测量，该高级氧化系统的COD去除率可达76.5%，处于领先水平，但其运行成本较高，约为0.93元/吨水，且副产物硝酸盐增加了污水的盐度。生物处理方法中，活性污泥法使用广泛。例如，在某煤制油一体化示范装置中，设置了二级生物处理系统，采用好氧活性污泥工艺。污水先经硝化反应器脱氮，再进入容积为2000立方米的反应池。监测结果表明，COD、氨氮的平均去除率分别达到82%、92%，但生物处理系统占地面积大，反应时间长，出水水质不稳定等问题亦较突出。总体而言，传统技术处理效果与处理成本存在矛盾。物理法成本低但效果有限，先进化学法效果好但耗能高昂。

2.2 先进废水处理技术

煤化工废水处理的先进技术主要包括膜技术、电化学技术、光化学技术和生物强化技术等，这些技术可以单独使用，也可以进行组合优化。在膜技术中，超滤膜和反渗透膜应用较广。通过施加一定压强，可在滤膜两侧产生浓度梯度，实现物质的分离与浓缩。某煤气化一体化项目的废水处理系统就采用了压滤池+超滤膜工艺，污水经沉淀和过滤后进入膜系统，通过0.03微米的有机膜完成深度净化。经测量，该膜系统的COD去除率可达93%，氨氮去除率91%，达到循环标准。但膜易堵塞且运行成本高，约为1.5元/吨水，目前该项目正研究利用旋流技术，增强膜系统的抗污能力。

电化学技术中，电解氧化工艺广泛应用于高浓度的初级冷却废水。如在某焦化废水处理系统中，设置了两级电解池，以钛作为阳极材料，电解电流密度100A/m2。在NaCl溶液中通入污水并施加直流电压90V后，OH-等强氧化物种在阳极处生成，可将有机物氧化分解为CO2和H2O。该系统的COD去除率平均可达82.3%。但其电压较高，单位COD处理成本高达0.83元，未来的研究可致力于新型电极材料的设计与应用。

光化学技术利用紫外光或可见光激发一定的光敏剂产生自由基，从而将污染物氧化或转化为无害物质。如在某煤焦油处理系统中，设置了以过硫酸铁和过氧化氢为光敏剂的紫外光/过氧化氢耦合反应设备，光照强度为0.8W/cm2，波长300nm。该光化学系统可在短时间内将氰化物转化，COD平均去除率达67%，适合作为传统法的深度处理，但其较高的操作成本约1.35元/吨和二次污染的风险仍需进一步控制。

生物强化技术利用基因工程或生物电化学等手段，培育出处理能力更强的特殊菌种。如在某煤制油污水处理系统中，添加了携带脱氮功能基因的重组菌株，可直接转化氨氮为氮气释放。经反应，该系统氨氮去除率可达89%。该技术投资相对较低，但目前转化效率较低，处理能力有限，有待进一步优化提高。这些先进技术各有优缺点，目前尚无最佳单一技术方案。下一步的发展方向可构建以膜分离或光化学氧化为核心，并辅以电化学或生物强化的深度处理系统，技术间可实现物料闭路与能量级联，全面降低污水处理的能耗与成本，实现“零”排放。

3 煤化工废水处理技术的优化与改进

3.1 工艺参数的优化与调控

煤化工废水处理系统的工艺参数优化是实现技术改进的重要途径。关键参数包括反应温度、pH值、水力停留时间、污泥返流比例等，这些参数之间存在复杂的相互制约与作用机制。

以活性污泥法的生物处理系统为例，反应温度对微生物的代谢活性有重要影响。过低会抑制微生物生长；但过高又会影响酶蛋白的状态。经试验确定，维持在30～35℃为宜，此条件下COD去除率可达79%。此外，pH值会影响微生物细胞膜的通透性，最适pH范围为6.5-8.0。过酸或过碱条件下，细胞吸收速率下降，氨氮去除效果较差，通常需补加NaOH等中和剂调节至中性。水力停留时间过短，污泥与污染物的接触时间不足；停留时间过长，污泥易出现内耗现象，一般控制在8～12h时，可获得较佳去除效果。污泥返流比例过高会增加污水中的固形物负荷，影响沉淀分离效果；返流过低则可滤性污泥量不足，系统混合液MLSS浓度难以维持，微生物活性下降，控制在20%～30%范围内效果较好。

除了工艺参数本身的调优外，还需要建立参数的在线检测与智能化反馈调节系统。如利用在线荧光传感器监测污水入口处的毒性指标，通过程序设定的阈值，实现对关键参数的自动修正与优化，这可保障污水处理系统24小时连续、平稳、高效运行。当前，智能反馈系统还存在检测精度及控制响应速度有待提高的情况，这需要进一步加强传感器材料与控制算法方面的研发。总体而言，工艺参数的调控与优化是煤化工污水处理技术持续改进的重要切入点。需要从污水特性和反应机理出发，因地制宜确定适宜的参数范围，辅以智能监测与控制系统的应用，全面提升处理系统的自动化水平与效率。

3.2 添加剂的选择和应用

添加剂的合理选择和应用是提高煤化工废水处理效果的重要手段。常用添加剂包括絮凝剂、氧化剂、质子载体等，这些添加剂可单独使用，也可组配应用。如在絮凝沉淀处理系统中，可选择无机絮凝剂铁盐或有机高分子絮凝剂。根据废水水质，采用不同的絮凝剂或配比。经比较，使用聚丙烯酰胺（20mg/L）和聚醋酸铝（80mg/L）的复合絮凝剂时，可使废水中COD去除率达45%。这是因为两种絮凝剂可发挥协同增效作用。有机聚合物通过电荷中和及桥接作用形成大粒径絮体，无机盐类提高了絮体的密度与沉降速率。

在催化湿式氧化（CWAO）等高级氧化系统中，需要使用过氧化氢、過硫酸铵等强氧化剂。它们可生成氢自由基或硫酸根自由基，与有机污染物反应生成CO2和H2O。若再添加CeO2等质子载体，可促进主要氧化物种的传递，提高污染物的氧化速率。例如，某高级氧化试验中，仅用过氧化氢时COD去除率为52%；加入质子载体CeO2后，去除率提高至82%，明显改善了反应效果。总体而言，优选添加剂种类、确定最佳添加量并评估协同效应，是煤化工废水处理中的重要环节，这可显著增强各种技术路线的处理能力，降低反应条件要求，实现经济、高效处理。

3.3 能源消耗的降低与资源利用的提高

降低能耗和提高资源利用率是煤化工废水处理的重要发展方向，这主要从工艺内部与外部两個方面进行技术改进。内部方面，可通过参数优化、设备改造等手段降低单位处理水量的能耗。如利用计算流体动力学（CFD）模拟优化反应池的水力条件，改善给气系统，可减少污泥打激、提高氧转移效率，降低曝气量约15%。又如改用耐酸碱的配管及空气鼓泵，延长使用寿命，可减少修理维护成本。这类小改造的综合效果可使得单位处理能耗降低10%以上。外部方面，重点是REUSE理念的践行，将废水处理产生的副产物燃气、污泥制成可利用资源。如收集沼气制取沼气甲烷，可替代天然气使用；污泥制备生物炭，可作为土壤改良剂或染料生产原料；提取污泥中磷、氮营养成分，制作肥料回用，可实现废水处理系统的能量自供或实现综合利益。目前废水处理资源化利用率约20%～30%，未来可通过细胞裂解、生物电化学等技术进一步提高。

3.4 技术的集成与系统优化

煤化工废水处理技术的集成与系统优化，是推动处理效果提升的重要途径。核心理念是系统工程，充分考虑不同单元技术之间的相互制约与协同增效机理，寻找全局最优的技术路线与参数匹配方案。典型的配置方案是膜生物反应器或电化学-膜分离耦合工艺。如在某煤制油废水处理系统中，设置了微滤膜与活性污泥反应的一体化装置，可在保证高浓度污泥的同时实现深度净化。经优化，控制膜通量0.15m3/（m2.h），混合液循环速率0.35 m/s。该耦合系统的COD对比原单元分离运行时分别降低了18%和11%。这是由于膜生物反应器可避免污泥热裂解导致的退化，提高了有机物的转化效率。类似地，电化学预处理也可降低后续生物方法的糖耗氧量，具有协同优势。当前集成与优化技术尚处起步阶段，还需加强对反应内在耦合机制的理解，拓展组件的物料匹配和参数适应性。随着过程模拟、智能控制技术的进一步发展，定制化的废水处理系统必将实现广泛应用。

4 结束语

综上，研究与应用煤化工废水处理技术面临复杂且严峻的挑战。传统技术在降低成本上存在困难，而先进技术如膜技术、电化学和生物强化等已取得显著成果。在优化和改进方面，通过调控工艺参数、合理选择和应用添加剂，以及降低能源消耗，可以有效提升系统效率。未来发展方向在于技术集成和系统优化，如膜生物反应器和电化学-膜分离耦合工艺展现出的协同优势。通过综合内外部优化，推动煤化工废水处理迈向“低碳化”和“零废弃”，实现清洁生产和环境友好的可持续发展目标。