（环境工程专业论文）生物膜a2o2工艺处理焦化废水缺氧反应器工艺性能研究.pdf

太原理f ：人学硕十研究生学侍论文 生物膜a 2 0 2 工艺处理焦化废水 缺氧反应器工艺性能研究 摘要 本文在中试规模下研究了生物膜厌氧缺氧好氧好氧工艺 ( a v 0 2 ) 处理焦化废水系统中缺氧反应器的工艺特性。反应器缺氧池 以陶粒作为填料，填料粒径为3 - ? r 姗。 缺氧池工艺性能研究结果表明：缺氧池需要进行反冲洗，每6 个月进行一次，共进行了2 次，完全满足了生物膜更新的需要，同时 解决了填料的堵塞问题。反硝化产生的氮气可以自行释放，不需要进 行释氮循环。同悬浮生长系统相比，缺氧池耐受冲击负荷的能力强， 在进水氨氮浓度达到4 0 0 m g l 以上、c o d 浓度达到3 0 0 0 m g l 以上依 然可以稳定运行。即使在停止运行5 - 7 d 后，也不需要恢复时间，能 够直接开始运行且效果良好。缺氧池受温度影响大，在2 0 c 以下， 硝态氮去除率仅为3 0 - 4 0 ，c o d 去除率为2 0 左右，而在3 0 左右， 硝态氮去除率可以达到9 5 以上，c o d 去除率在4 0 以上，所以要保 证缺氧池的温度大于2 0 c 。缺氧池最佳回流比为3 ，在该回流比之下 处理效果最好，同时动力消耗相对较低。缺氧池在p h 为6 - 8 之间生 物活性最好，缺氧池进水p h 就在最适范围以内，不需调节。缺氧池 反硝化速率为0 0 5 0 1 4 1 9 n o s - n g v s s d 。缺氧池利用一定量好氧菌 i 太原艘i 。人学硕1 ：研究士学付论文 难以利用的有机物作碳源，当其c o d 的去除率达到4 0 以上时系统出 水c o d 就可以达到国家一级标准，焦化废水a 2 0 2 生物处理系统中至 关重要的是对缺氧池进行合理设计。缺氧池中的反硝化反应需要足够 的碳源，对于附着生长系统，c u 大于6 就可以满足碳源的需要，焦 化废水进水c n 一般大于6 ，所以不需外加碳源；缺氧池的生物量分 布沿进水方向逐渐降低，因此随水流方向c o d 、硝态氮浓度逐渐降低。 反硝化菌是兼性微生物，进水溶解氧在下部可以很快被消耗，所以缺 氧池处理效果不会受到回流进水溶解氧的影响。 生物膜厌氧缺氧好氧好氧工艺中缺氧池最佳运行条件为：回 流比为3 ，p h 在6 8 之间，温度在3 0 。c 左右，c n 大于6 。该条件下， 系统中生成的硝态氮去除率在9 5 以上，c o d 去除率在4 0 以上。 运行期，系统在回流比为3 ，温度3 0 。c 左右，p h 在6 8 之间， 厌氧池h r t 为1 5 h ，缺氧池、一级好氧池和二级好氧池h r t 均为2 4 h 时，出水c o d 和n h 。一n 可以同时达到污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 的一级排放标准。 关键词：焦化废水，生物膜，缺氧反应器，厌氧一缺氧一好氧一好氧 i i 太原理i 。人学硕十研究生学位论文 t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fa n o x i c r e a c t o ri np i l o t s c a l eb i o f i l m a 2 0 2s y s t e mt r e a t i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , i tw a ss t u d i e di np i l o t - s c a l et h a tt h ef e a s i b i l i t ya n do f t h en o v e lb i o f i l ma n a e r o b i c a n o x i c - a e r o b i c - a e r o b i cs y s t e mt r e a t i n go f c o k ep l a n tw a s t e w a t e ra n dt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so f a n o x i cr e a c t o r a n o x i c - r e a c t o rw a sf u l lo fc e r a m s i t ep a c k i n gm e d i a ，w h o s ed i a m e t e rw a s a b o u t3 - 7 m m t h er e s u l t so fr e s e a r c ho fa n o x i c r e a c t o rp r o c e s sw e r ea sf o l l o w s ： t h ea n o x i c - r e a c t o r , o n c es i xm o n t h s ，w a sb a c k w a s h i n gt w i c et o t a l l yt o m e e tt h en e e d so fb i o f i l mu p d a t i n ga n dr e s o l v et h ep r o b l e mo fp a c k i n g m e d i ac l o g g i n g n i t r o g e n ，w h i c hp r o d u c e db yd e n i t r i f i c a t i o n ，c a nr e l e a s e b yi t s e l f , n i t r o g e nr e l e a s ec y c l ei su n n e c e s s a r y c o m p a r e dw i t hs u s p e n d e d g r o w t hs y s t e m , t h ea n o x i c r e a c t o rh a dh i g h e rs h o c kl o a d i n gr e s i s t a n c e a n di tc a nr u ns t e a d i l yw h e ni n f l u e n tn h 3 - nc o n c e n t r a t i o nw a so v e r 4 0 0 m g la n dc o d w a sa b o v e3 0 0 0 m g l e v e ni f t h es y s t e mw a ss t o p p e d f o r5 7d a y s ，t h er e c o v e r i n gt i m ew o u l db eu n n e c e s s a r ya n di tc o u l dr u n i i i 太原珊i ：大学硕十研究生学帝论文 i m m e d i a t e l ya n ds t e a d i l y a n o x i c r e a c t o rw a sf a ra f f e c t e db yt e m p e r a t u r e a n dw h e nt e m p e r a t u r ew a sb e l o w2 0 。c ，t h er e d u c er a t i oo fn i t r a t ew a s o n l y3 0 4 0 a n dt h er e d u c er a t i oo fc o dw a sa b o u t2 0 w h i l e t e m p e r a t u r ew a sa b o u t3 0 c ，t h er e d u c er a t i oo fn 0 3 一na n dc o dw o u l d c o m et o9 5 a n d4 0 r e s p e c t i v e l y s ot h et e m p e r a t u r eo fa n o x i c r e a c t o r s h o u l db eo v e r2 0 c t h eb e s tr e c i r c u l a t i o nr a t i oo fa n o x i c r e a c t o rw a s3 ， a n da tt h i ss p o tt h ee f f e c tw a st h eb e s ta n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o nw a s r e l a t i v e l yl o w e r b i o l o g ya c t i v a t i o nw a st h eb e s tw h e nt h ev a l u eo fp h o fa n o x i c r e a c t o rw a s6 - 8 ，a n da tt h i sr a n g et h ev a l u eo f p ho fi n f l u e n t n e e dn o tt ob ea d j u s t e d t h ev e l o c i t yo fd e n i t r i f i c a t i o ni na n o x i c r e a c t o r w a s o 0 5 - 0 1 4 1 9 n 0 3 一n g v s s d a n o x i c r e a c t o rc o u l dm a k eu s eo f o r g a n i cs u b s t a n c e ，w h i c ha e r o b i cg e r mc o u l dn o tu t i l i z e ，a sc a r b o ns o u r c e a n dw h e nt h er e d u c er a t i oo fc o dw a s4 0 ，e f f l u e n to fs y s t e mc o u l d a t t a i n f i r s tn a t i o n a ls t a n d a r d s oi tw a sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nt h e s t r u c t u r eo fa n o x i cr e a c t o r d e n i t r i f i c a t i o ni na n o x i c r e a c t o rn e e d e d e n o u g hc a r b o ns o u r c e s w i t hr e g a r dt oc o h e r e n c eg r o w t hs y s t e m ，c n g e n e r a l l yw a sa b o v e6 ，s on om o r ec a r b o ns o u r c ew a sn e e d e d t h e d i s t r i b u t i o no ft h ea m o u n to fb i o l o g yi na n o x i c r e a c t o rw a sg r a d u a l l y r e d u c i n ga l o n gt h ed i r e c t i o no fi n f l u e n t ，s ot h ec o n c e n t r a t i o no fc o da n d n 0 3 - nd e c r e a s e dg r a d u a l l y t h ed e n i t r i f i e r sw e r ea m p h i t r o p h i c ， a n d o x y g e n o fi n f l u e n tw a sc o n s u m e d r a p i d l y , h e n c e t h ee f f e c to f a n o x i c r e a c t o rw o u l dn o tb ei n f l u e n c e d i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h eo p t i m u mo p e r a t i o n p a r a m e t e r s o f p r o c e s s w e r et h a tt h e r e c i r c u l a t i o nr a t i ow a s3 ，t e m p e r a t u r ew a sa b o u t3 0 。c ，a n dt h ev a l u eo f p hw a s6 - 8a n dc nw a so v e r6 i nt h i sc a s et h er a t i oo fc o da n d n 0 3 一nr e m o v a lw a s4 0 a n d9 5 r e s p e c t i v e l y i nt e s t r u n p h a s e ，c o da n dn h 3 一nc o n c e n t r a t i o n e f f l u e n to f b i o r e a c t o rs y s t e mh a da t t a i n e df i r s tn a t i o n a ls t a n d a r da b o u tw a s t e w a t e r d i s c h a 唱e ( ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ) ，w h e nt h er e c i r c u l a t i o nr a t i ow a s3 ，t e m p e r a t u r e a b o u t3 0 c ，t h ev a l u eo fp h6 - 8 ，t h eh r to fa n a e r o b i c r e a c t o rw a s1 5 h a n dt h a to f a n o x i c - r e a c t o r ，t h ef i r s t a e r o b i c - r e a c t o ra n dt h es e c o n d a e r o b i c r e a c t o rw e r ea l l2 4 h k e yw o r d s ：c o k e p l a n tw a s t e w a t e r , b i o f i l m ，a n o x i c r e a c t o r , a n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i c a e r o b i c v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：丑宣超： 日期：出笸。：啦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：曼婆趁2 日期：出丕。! 呸 导师签名：日期：沁b s ，咯 关于论文研究成果的知识产权声明 中试研究所采用的生物膜法厌氧缺氧a n 段好氧处理焦化废水工艺已经申 请我国专利。 专利名称：一种焦化废水生物处理的工艺。申请( 专利) 号：2 0 0 5 1 0 0 1 2 4 3 4 4 。 申请日：2 0 0 5 年4 月5 目。公开( 公告) 日：2 0 0 5 1 0 2 6 ，公开( 公告) 号c n l 6 8 6 8 6 3 。 本研究成果的知识产权从专利申请日起，受中华人民共和国专利法保护。 太原理。r 大学硕十研究生学位论文 第1 章引言 1 1 研究课题的提出及意义 众所周知，地球上的水资源是有限的，可供生活、农业、工业 利用的水源j 下同渐减少，中国人均水资源占有量仅为世界平均水平 的1 4 ，是典型的缺水国，而山西省人均水资源占有量仅为全国平均 水平的1 7 ，世界的4 ，水资源的匮乏可见一斑! 随着社会经济和 城市建设的发展，生活污水和工业废水的排放量日益增多，给各种 水体带来的污染也日益严重。近年来，我国每年排放的废水总量约 为3 6 5 亿立方米，其中约有7 0 为工业废水，工业废水的处理率虽然 达到7 0 ，但是其中只有3 0 左右的处理废水可以达到排放标准。我 国城市污水的处理率更低，不足1 0 。大量的废水夹带各种污染物排 放进入全国的各类江、河、湖、水库、河口、海湾及近海海域，造 成严重的水环境污染。 山西省是我国最大的炼焦用煤资源基地，炼焦用煤探明储量 1 2 4 5 9 亿吨，占到中国炼焦用煤探明储量的5 1 8 ，2 0 0 3 年山西省 焦炭产量6 7 4 7 万吨，占到全国焦炭产量1 7 7 7 5 亿吨的3 8 ，比2 0 0 2 年5 8 5 1 万吨增加了8 9 6 万吨，增幅1 5 1 。2 0 0 3 年中国出口焦炭 1 4 2 7 万吨，约占世界焦炭贸易量的5 6 ，其中，山西焦炭出口量约 占中国焦炭出口量的8 0 ，约占世界焦炭贸易的4 4 8 f , 9 1 0 焦化废水一般c o d 浓度高达1 0 0 0 - 3 0 0 0m g ，l ，n h 3 - n 浓度在2 0 0 m g l 以上，是一种较难生物降解的工业废水。严重超标的焦化废水 未经处理直接排入河道，会污染河流。如渗入地下，将污染地下水， 对当地居民饮水安全构成重大威胁，据统计，目前全省吨焦平均耗 水3 吨左右，每年焦化生产耗水2 1 亿吨，采1 吨煤损失水资源2 4 8 1 太原理一 火学硕士研究生学位论文 吨，生产焦炭用原煤约1 亿吨珥，损失水资源2 4 8 亿m 3 ，全省煤焦 耗水和采炼焦用煤，损失水资源合计4 5 8 亿i n 3 ，占全省工业耗水量 的3 2 。在典型的焦炭生产中，吨焦排放0 4 0 9 m 3 废水，平均按 o 6 5 m 3 邝屯计算，全省年排放焦化废水4 3 8 6 力吨。 国务院、囡家发改委、山西省委省政府非常重视山西省省焦炭 行业发展中存在的环境问题，国办秘书书专报信息( 9 1 9 ) 刊登 山西省焦化行业发展中存在的问题突出，国务院发改办能源 ( 2 0 0 4 ) 4 0 号文要求山西省规范焦炭生产和保护环境山西省人民 政府以晋政发( 2 0 0 4 ) 1 7 号下发了关于对焦炭行业实施专项清理整 顿的决定并以晋政发( 2 0 0 4 ) 6 9 号文下发了落实决定的1 7 项 工作细则，其中：山西省焦炭生产排污治理设施技术要求和组织验 收工作细则，山西省焦炭生产排污费核定征收管理实施细则，要求： 焦炭生产企业建设废水污染治理设施，对没有建设污染治理设施和 化产回收装置的提高排污收费标准，根据炉型和炭化室高度按吨焦 8 0 2 0 0 元征收，为此焦化废水治理无论从响应政府号召保护环境， 还是从企业的经济利益考虑都是明智之举，寻找既能达标排放且投 资和运行费用省的处理工艺已迫在眉捷。 近年来，国内外很多学者都在研究焦化废水的处理问题，所提 出的解决途径有两个：一是改革工艺，加强运行管理，减少废水水 量，重复循环用水，从根本上消除和减少污染物的排放，减轻焦化 废水造成的环境压力；二是对焦化废水进行处理使其达到排放标准。 但是就目j i 而言，通过改革焦化工艺完全消除污染物的排放或使其 达标排放是不可能的，因此有必要寻求经济合理、技术可行的焦化 废水处理方法。 目前焦化废水的处理方法有两大类：( 1 ) 物理化学方法；( 2 ) 生物化学方法。 2 太原理工大学硕十研究生学位论文 物化方法去除污染物的效率高，运行稳定可靠，但是各种污染 物的去除往往需要几种方法的联合才能达到，运行费用很高，而且 容易造成二次污染，因此物化法主要用作废水处理的预处理或后续 处理。生物方法处理焦化废水是近年束研究的重点，因为这种方法 流程简单，利用微生物的特性处理焦化废水，运行费用较低，没有 二次污染，生物法处理焦化废水是国内外焦化厂主要的处理方法1 3 1 。 我国普遍采用的生物处理焦化废水的方法有活性污泥法和生物 膜法。其中活性污泥法有再生活性污泥法、延时曝气活性污泥法、 两级活性污泥法、塔式生物滤池活性污泥法等，生物膜法有厌氧- 好氧生物膜法、厌氧一缺氧好氧生物膜法、厌氧好氧好氧生物膜法 等。资料表明，这些生物处理焦化废水的方法很难使c o d 和n h 3 一n 同时达标。主要原因是：在焦化废水当中难于生物降解的物质含量 本身就超过了排放水的标准，而氨氮的去除由于受到水中高氨氮的 抑制也难以达标。同时国内很多的焦化厂缺乏对于废水的前处理， 这也在客观上影响了生物处理的效果。由于存在的这些情况，现已 经采用的工艺很难满足焦化废水处理的要求。所以，焦化废水的污 染问题依然没有得到很好的解决。 因此，对有效处理焦化废水新工艺的探索具有很重要的工程意 义。 1 2 研究目的及研究内容 课题的主要任务是以临汾同世达有限责任公司的焦化废水为实 验水质，采用新型的a 2 酽生物膜工艺作中试研究，通过动态实验， 确定c o d 和n h 3 一n 同时达标的焦化废水生物处理工艺技术的设计 参数和运行条件，为经济有效的处理焦化废水提供技术支持。 工艺系统由厌氧一缺氧两级好氧三部分组成。作为系统的重要 组成部分，缺氧池的研究至关重要，尽管我国现行的焦化废水处理 排放标准中没有对总氮和硝酸盐的要求，但是硝态氮和亚硝态氮对 水环境产生同样的富营养危害。饮用水中的硝酸盐和亚硝酸盐会致 癌、致畸。反硝化过程将硝态氮和亚硝态氮转化为氮气，同时降解 3 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 有机物，节约能耗，具有重要的意义。耳前我国研究人员对焦化废 水处理中生物膜法缺氧池的情况研究不多，所以，笔者的工作集中 于： + 附着生长型厌氧缺氧好氧好氧焦化废水处理工艺运行研究 以及影响因素； 研究焦化废水处理系统中缺氧池的运行情况； 研究回流比、氨氮负荷、硝态氮负荷对缺氧池的处理能力的 影响。 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 2 1 焦化废水 第2 章文献综述 2 1 1 焦化废水的来源 焦化废水是在生产焦炭、煤气、焦油及焦化产品的过程中产生 的废水，这种废水主要来自沈煤、煤焦、副产品的加工及精产品的 精制等过程中。炼焦用煤经过一定程序的脱水、配合、粉碎后进入 焦炉碳化室中，在碳化室隔绝空气高温干馏变成焦炭，而煤中大部 分的挥发酚在高温干馏过程中就变成黄煤气，黄煤气中含有芳香烃、 杂环化合物以及氨、硫和氰化物等上百种物质，需要经过冷凝、初 冷、终冷及洗涤( 洗氨、脱硫、洗苯) 等工艺的净化( 作为城市燃 气时还需要深度脱硫) ，才能作为化工合成、工业燃料和城市燃气使 用的净化煤气。焦化废水一般由三种废水组成：蒸氨废水、煤焦废 水、洗脱苯废水，其中蒸氨废水来自冷鼓电捕工艺；煤焦废水来自 炼焦工艺( 炼焦用煤一般经过洗选，常规炼焦时，装炉煤水分控制 在1 0 左右，这部分附着水在炼焦过程中挥发逸出；同时煤受热裂 解，又析出化合水，这部分水蒸气随黄煤气由煤炉引出，经冷凝形 成的废水) ；洗脱苯废水来自洗脱苯工艺。 2 1 2 焦化废水的成分 焦化废水的主要污染物为有机物和氨氮。有机物在微生物的好 氧分解下要消耗水中的溶解氧，同时又含有大量的挥发性物质恶化 空气质量；废水中的氨氮是水体富营养化和环境污染的一个重要因 素，水体中的氨氮超标会使水体严重富营养化，致使受纳水体溶解 氧降低和水生生物的死亡，甚至会形成“水华”，氨氮硝化形成的亚 硝酸盐是强致癌物质：酚、氰对人体产生极大的毒害作用；稠环芳 烃对具有致癌作用，对人体有潜在的危害，美国环保局所列的饮用 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 水中的1 6 种有害有机物大多数可以从焦化废水中找到。 对焦化废水生物处理主要目的就是要去除其中的有机物和氨 氮。焦化废水所含有机物的成分极其复杂，何苗等州对焦化废水进 行了g c m s 分析，共检出有机物5 1 种，全部属于各类芳香族化合 物及杂环化合物，见表2 2 。所检出的5 1 种有机物可以归纳为1 4 类 物质，其中苯酚类及其衍生物、喹啉类化合物和苯类及其衍生物构 成了焦化废水的主要有机污染物，占8 3 3 9 ，另外1 1 类化合物占 1 6 6 l 。如表2 1 所示： 2 1 3 焦化废水的性质 焦化废水是典型的有毒难降解工业废水，具有以下特点： ( 1 ) 废水的成分很复杂，如前所述，含有数十种的有机物，还 有大量以铵龄、硫化物、氰化物等形式存在的无机物【5 l ； ( 2 ) 废水的污染物浓度较大，有机物含量高，但是b o d 5 c o d 。 的比值很小，一般在0 3 0 4 之间，甚至低于0 3 1 6 1 ，可生化性较差； ( 3 ) c n ( c o d n h 3 - n ) 低，一般在3 左右，较少达到5 ，同时 焦化废水缺少磷源，微生物营养不够； ( 4 ) 焦化废水含有大量的酚、氰等毒性物质，还有很多稠环芳 烃和杂环化合物( 如吲哚、萘、喹啉、毗啶等) 等难降解致癌有机 物，使焦化废水经过传统的方法处理后很难达到排放标准，进而污 染大气和水环境； ( 5 ) 焦化废水的进水水质受前序炼焦工艺的影响，进水水质波 动很大，尤其是氨氦。 由于各个焦化厂焦化工艺的不同，焦化废水的水质和水量也会 有所不同。 2 2 国内外焦化废水的处理现状 如引言所述，国内外焦化废水的处理工艺主要分为两大类，物 理化学法和生物化学法，也有将二者结合。研究表明1 3 一一l ，生物法 处理焦化废水是最经济的去除焦化废水污染物的方法，所以仅对生 物法做以综述。 6 太原理：大学硕+ 研究生学位论文 活性污泥法是目前国内的焦化厂处理焦化废水采用较多的方 法，同时还有a 和o 的各种生物处理组合工艺，由杨平1 9 】等的统计 表2 - i焦化废水的有机物组成”1 t a b l e 2 - 1c o m p o s i t i o n so f o r g a n i cc o m p o u n d si nc o k ep l a n tw a s t e w a t e r 衔占所占t o c既占所占t o c 物质名称质域 浓度物质名称质量 浓度 ( ) ( m g i ) ( ) ( m g i ) 结果可知，常规活性污泥法约占整个焦化废水处理工艺( 所采 取的工艺至少通过中试试验) 的5 0 ，a l - a 2 - o 工艺占2 5 ，a - o 工艺占1 2 5 ，a o o 工艺占1 2 5 7 太原理l = 人学硕士研究生学位论文 2 2 1 常规好氧活性污泥法及其改进 2 2 1 1 常规好氧活性污泥法 早期的焦化厂一般采用一段曝气或两段曝气的方法处理焦化废 水，并希望通过强化污泥活性的方法来降低出水的c o d 。通常的做 法是改进曝气方式或强化处理m “】，微孔曝气、射流曝气、延时曝 气等均可不同程度提高曝气池中溶解氧浓度，提高c o d 去除率，改 善出水水质。张晓健等1 1 1j 研究表明，延长水力停留时间可提高c o d 的去除率，但提高到一定程度后，增加缓慢，出水c o d 仍然很高；而 在曝气池中投加活性炭、生物铁、“生长素”或其他吸附剂虽对c o d 去除有所改善，但活性污泥法本身对氨氮的去除效果不大。表2 2 1 9 1 为某厂采用二段曝气活性污泥法处理后出水水质情况。从表2 2 可 知，出水c o d 、氨氮均不能达标。 表2 - 2 某煤化i ：公司焦化废水二段曝气的活性污泥法处理山水水质( 均值) o l t a b l e 2 - 2e f f u e n tc o m p o s i t i o n so f o n ec o k ep l a n tw a s t e w a t e rt r e a t i n gs y s t e m 由章非娟【4 0 j 等统计的国内一些焦化厂的废水处理情况可知，传 统的活性污泥法并不能有效的处理焦化废水，如表2 1 4 所示。其中 上海焦化厂与太原化工焦化厂采用生物滤塔加活性污泥曝气法，宝 钢焦化厂采用活性污泥法加铁盐法，其余都是传统的活性污泥法。 目前，虽然采用传统活性污泥法工艺处理焦化废水的焦化厂较 多，但大多数不能取得满意的处理效果。 2 2 1 2 a - 0 ( 缺氧- 好氧) 活性污泥法 a o 活性污泥法是在普通活性污泥法上的改进，a - o 法的工作 原理就是充分利用微生物的反硝化和硝化作用进行脱氮。在a o7 - 艺中废水先进入缺氧的反硝化系统与经硝化后含有硝态氮和亚硝态 8 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 表2 - 3国内部分焦化厂废水处理情况 t a b l e 2 3i n f l u e n c ea n de f f l u e n tc o m p o s i t i o n so f s o m ec o k ep l a n tw a s t e w a t e r t r e a t i n gs y s t e m si nc h i n a 氮的回流水混合，进行反硝化反应。废水中的有机物为反硝化 提供碳源，节约了外加碳源的费用，反硝化过程增加的碱度可以提 供给硝化段。另外，好氧池在缺氧池之后，经缺氧反应器去除了一 部分有机物，降低了好氧池的负荷，使好氧池进一步有效的去除残 余的有机物，并完成对氨氮的硝化。同时，缺氧池前置可以起到生 物选择器的作用，有利于控制污泥膨胀。有报道称昆明钢铁公司焦 化厂”和山东薛城焦化厂采用a - 0 法处理焦化废水，分别取得较 好的效果。 乔庆霞掣。5 】认为a 0 活性污泥法虽然是利用水中的有机物作为 碳源，但是该工艺中污泥循环是在缺氧和好氧池间往复循环，污泥 中的硝化菌和反硝化菌在两池之间均有停留。从而，硝化菌在缺氧 池中受到抑制，而反硝化菌也在好氧池中受到抑制，二者均有一段 时间处于受抑制的状态要发挥高效作用需要一定的时间，水利停 留时间将延长。这一矛盾在高氨氮焦化废水中更为突出。 a - 0 法虽然较普通的活性污泥法有很大的改进，但是依然不能 有效的处理焦化废水，原因是焦化废水中的难降解有机物很难在 a 0 系统中得到降解，而焦化废水中的有毒物质对硝化菌的抑制作 用也不能得到消除或减轻。 9 太原理 ：人学硕十研究生学位论文 2 2 1 3a j - a ：- 0 ( 厌氧一缺氧一好氧) 活性污泥法 近年来出现了一种新的废水处理工艺：厌氧水解( 酸化) 法， 它不但能改进废水的可生化性，还可去除一定的有机物7 】，因而 在废水处理尤其是有毒难降解废水处理领域逐渐得到了广泛的应 用。a 1 a 2 o 工艺则是在a o 工艺前加厌氧酸化预处理，以提高废 水的可生化性，同时对有毒的有机污染物也具有明显的转化和降解 作用【i s j 厌氧水解工艺即将厌氧消化控制在水解( 酸化) 阶段，利用水 解发酵作用，在短时问内使焦化废水中不溶有机物溶解，可溶的难 降解有机物分子结构发生变化，部分环状物丌坏，大分子降解为小 分子，以减轻好氧的处理负荷和对好氧段的抑制作用，提高c o d 和 n h 3 n 的去除率。n 9 2 0 3 李咏梅等【2 l 】研究发现，焦化废水通过厌氧酸 化处理后，b o d 5 c o d 的比值有明显增加，而且，当进水的 b o d 5 c o d 较低时，比值的增加更为显著，为后序的缺氧段提供易 于被利用的碳源。 国内外的研究结果表明a 1 a 2 o 工艺是比较有效的处理焦化废 水方法。何苗等【4 】人采用厌氧缺氧好氧工艺进行焦化废水处理的小 试研究，当进水的c o d 和n h 3 一n 浓度分别为1 3 0 0 m g l 和2 4 5 m g l 时，出水浓度分别为1 9 0 m g l 和1 9 6 m g l ，它们的去除率分别达到 8 5 ，4 和9 2 0 。李咏梅等t 2 2 1 b l 较了a o 工艺和a l - a 2 o 工艺后， 认为采用同样的停留时间时，两工艺对c o d 和n h 3 - n 的去除效果 没有较大的区别，但是对总氮的去除却有较大的不同，a i _ a 2 0 工艺 对总氮的去除明显优于a o 工艺工艺。张敏等2 3 】通过a 1 a 2 o 与 a o 工艺的比较试验证明，a i - a 2 o 工艺在n h 3 - n 去除和反硝化方 面均优于a - o 工艺，特别是反硝化率方面a 1 a 2 o 工艺是a o 工艺 的2 倍。 a 1 a 2 o 工艺作为目前比较流行的焦化废水处理工艺，同时也存 在很多缺陷。邯郸钢铁公司焦化厂的焦化废水经a l - a 2 o 工艺处理 后，其出水水质统计数字如表2 5 所示【2 4 1 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 42 0 0 3 年进出水检测数据 t a b l e 2 - 4i n f l u e n c ea n de f f l u e n tc o m p o s i t i o n so f s o m ec o k ep l a n tw a s t e w a t e r t r e a t i n gs y s t e mi n2 0 0 3h a n d a ns t e e lc o r p 由表中的统计数据可知，焦化废水经a 2 o 处理后c o d 并没有 到国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中所规定的一级排放 标准( c o d 1 0 0 m g l ，n h 3 - n 1 5 m g 1 , ) 。该废水处理系统又在a 2 ，0 后增加混凝沉淀系统以去除多余的c o d 。同时我们可以看到，该系 统的进水n h 3 n 较低，远远低于一般焦化废水的浓度，故其对n h 3 - n 的去除对典型的焦化废水处理参考意义较小。 山西大同煤气化总公司【2 5 】采用a 1 a 2 o - r 艺处理焦化废水，其 进水的c o d 和n h 3 n 较高，分别为c o d ) 7 0 0 0m g l 1 ， n h 3 - n 1 5 0 0 2 0 0 0m g l ，经系统处理后c o d 浓度为5 0 0 - - 6 0 0 m g l ，n h 3 - n 浓度4 0 0 5 0 0m g l 不能达标，又采用了化学处理法 处理生化出水，经石灰沉淀、喷淋曝气和活性炭吸附后达到国家一 级排放标准。同时大同的煤矿集团公司焦化厂也采用a i a 2 0 工艺 处理焦化废水，出水c o d 浓度3 5 0 - - 4 5 0m g l - l ，n h r n 浓度为 2 0 0 3 0 0 m g l 1 未能达标【2 6 1 。 2 2 1 4 其它a 、o 组合工艺 现有焦化废水处理工艺除上述几种外，还有一些使用较少的工 艺，这些工艺一般是在原有工艺的基础上作的改进。 俞汉青等【2 刀人用s b r 工艺处理焦化废水，结果表明，采用曝气 段前后各进行一段缺氧处理的方式比采用其他方式( 前置反硝化和 后置反硝化) 脱氮效果更好4h 的缺氧处理可使进水中的一些底物 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 储存在生物体中，从而导致在第二次缺氧阶段进行反硝化。在以上 条件下，n h 3 n 和c o d 的去除率分别为8 2 5 和6 5 2 。济宁 煤炭化学工业公司在原有a o 工艺的基础上进行工艺改革，用 o a o 工艺处理焦化废水，两年的运行结果表明，该系统对氨氮的 去除率可以达到6 0 p a 上，系统出水的氨氮浓度在1 3 0 m g l 以上【2 8 】； 宝钢于1 9 9 4 年建成了6 0 0 0 t d 的a o 生物脱氮装置，并于1 9 9 8 年 在原有工艺的后段增加了一段好氧装置，建成了a 2 0 0 脱氮系统； 昆明焦化厂、昆钢分别于2 0 0 0 年、2 0 0 1 年建成了a 2 a 2 o - o 絮凝 沉淀废水处理工艺。 2 2 2 生物膜法焦化废水处理系统 鉴于活性污泥法的种种缺点，不论是传统的活性污泥法还是 a 0 、a 1 a 2 o 活性污泥法都不能有效的处理焦化废水。为了有效处 理焦化废水，需要提高污泥活性、增加微生物浓度，以增加反应器 的体积负荷、增强抗冲击能力，从而改善处理效果。为了达到这样 的效果，通常能够采用生物膜法来固定微生物，即采用固定膜反应 器，或在反应器中加入载体( 活性炭、陶粒等) ，软性或半软性填料。 吴立波等【2 9 】发现采用陶粒载体自固定化高效菌种可强化处理焦 化废水。张敏【2 司等采用固定膜a 1 a 2 o 工艺处理焦化废水，结果 c o d 、n h 3 - n 去除率分别达到9 2 4 和9 8 8 ，出水c o d 、n h 3 - n 的 质量浓度分别为1 1 4 m g l 和3 1 m g l 。陈风岗 j 4 j 采用a o 工艺，厌 氧段为生物膜法，进水n h 3 - n 的质量浓度为3 1 9 m g l ，出水低于 1 0 m g l 。蔡建安等 3 0 1 采用流化床技术处理焦化废水，c o d 去除负荷 可达7 k g ( m 3 d ) 。许多研究证明【3 1 3 2 1 ，固定填料与悬浮填料的连续 流淹没式生物膜法工艺具有较高的有机物去除率和脱氮率。四川大 学化工学院正在与攀钢煤化公司合作采用生物流化床技术进行焦化 废水处理中试试验，其处理能力为4 8 m 3 d 。该系统的特色是反应器中 采用球形多孔聚合物载体固定化微生物【引。 生物膜法焦化废水处理系统具有如下优点： 生物膜反应器可以提高污泥活性，微生物浓度高，提高容积 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 负荷抗冲击能力强，而且水利停留时间短： 不存在污泥膨胀问题，出水水质稳定，不需二沉池，占地少： 剩余污泥少不易堵塞。 鉴于生物膜法的种种优点，生物膜法废水处理系统在国外己成 功用于焦化废水处理【3 3 l 。 2 2 3 现有焦化废水处理工艺存在的问题及启示 焦化废水目前所用的生化处理工艺，很难使c o d 、n h 3 n 同时 达标。一些焦化厂在生化处理系统后又加了物化处理设备，才使系 统出水达标，也有的用大量清水稀释，目前焦化废水处理工艺中存 在的问题如下： ( 1 ) 关于厌氧段b m p ( 生物化学甲烷势) 测定表明，厌氧 生物处理单元处理焦化废水c o d 去除的极限效率为4 1 9 ，焦化 废水的b o d c o d 值在o 1 7 o 3 3 之间，经厌氧序批式反应器预处 理后b o d c o d 值可提高到0 4 7 0 6 0 ； ( 2 ) 关于缺氧段由于焦化废水n h 3 - n 浓度较高，进水中可 生物降解c o d 浓度较低，在缺氧段反硝化碳源有机物严重不足。 因此，厌氧反应器应控制在水解酸化阶段，以提高b o d c o d 比值 ( 即可生化性) 为目的，并为缺氧反硝化提供尽可能多的碳源； ( 3 ) 关于好氧段焦化废水a 2 o ( 厌氧缺氧好氧) 工艺c o d 和n h a - n 很难同时达标的主要原因是由于只有一个好氧池( o 池) ，其进水c o d 浓度高，以碳源有机物为营养物的异氧菌是优 势菌，抑制了硝化菌的生长。而且进水中含有浓度较高的生物抑 制性有机物，也抑制了硝化菌的活性，好氧池( o 池) 生物硝化 作用差，出水n h 3 n 很难达标； ( 4 ) 关于回流a 2 o ( 厌氧缺氧，好氧) 活性污泥法工艺好氧 反应器中为满足同时去除高浓度c o d 和n h 3 - n 的需要，活性污泥 混合液中需要保持较高的溶解氧浓度，好氧反应器硝化液回流中的 溶解氧会干扰和抑制缺氧反应器中的反硝化脱氮。 1 3 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 ( 5 ) 关于活性污泥法通过以上讨论我们可以知道，虽然活性 污泥法是目前使用较多的焦化废水处理方法，但是并没有很好的 处理效果，活性污泥法和它的各种改进工艺具有如下的缺点： 活性污泥系统普遍存在污泥结构细碎、絮凝性能低，因此一 般还需要较大二沉池来实现泥水分离； 污泥活性弱、生长缓慢微生物浓度低、抗冲击能力差的问题， 需要强化污泥活性； 活性污泥系统普遍面对污泥膨胀的问题，致使出水水质不稳 定： 活性污泥系统产生的大量的剩余污泥，需要剩余污泥处理系 统1 2 5 2 6 1 。 。 在总结焦化废水处理工艺中存在的问题之后，课题组认为解决 焦化废水处理问题的思路为： ( 1 ) 为使c o d 和n h 3 - n 同时达标，好氧段应该采用两级好 氧。第一级好氧反应器以去除c o d 为目标，第二级好氧反应器以 n h 3 - n 硝化为目标； ( 2 ) 生物膜反应器与活性污泥相比，具有微生物浓度高生物相 复杂、不易堵塞、占地小、抗冲击能力强、可以提高容积负荷的优 点，是今后焦化废水处理反应器的发展方向。 因此，本课题在总结已有焦化废水处理工程的经验和课题组已 经完成的小试研究成果的基础上，提出一种新的焦化废水处理工艺： 附着生长型厌氧( 水解酸化) 缺氧( 反硝化) - 。级好氧- 级好氧 工艺，也即a i - a 2 - o i 0 2 工艺。工艺的特点为： ( 1 ) 水解酸化- 缺氧反硝化一级好氧- 二级好氧四个反应器全部 用附着生长型工艺。与悬浮生长型工艺相比较，附着生长型工艺一 般性的优点前面已经说明。对于处理焦化废水而言，用附着生长型