港陆钢铁公司焦化废水生化处理系统改造工程

摘要：唐山港陆钢铁有限公司焦化废水生化处理系统水力停留时间短、出水水质差,严重影响了深度处理效果。针对系统存在的问题,在原废水处理设施基础上将厌氧池改为预曝气池,好氧池增加移动床生物膜反应器(MBBR)。实际运行结果表明:经合理改造后,生化处理系统运行稳定,处理效果良好,经混凝沉淀处理后,出水水质达到《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171—2012)的间接排放标准,为后续深度处理提供了有利条件。

焦化废水是指煤炼焦、煤气净化、化工产品精制及化工产品回收过程中产生的废水， 主要来源为剩余氨水、焦油加工和粗苯精制中产生的废水及煤气净化过程中形成的废水， 其中以蒸氨过程中产生的剩余氨水为主。受原煤性质、炼焦生产工艺、产品回收方式等因素影响，焦化废水中污染物成分复杂、种类繁多，其主要包含多环芳香族化合物、酚类化合物以及含氮、氧、碳的杂环化合物等有机物与硫化物、氰化物、硫氰化物等无机物。同时，焦化废水水质变化不稳定，氨氮及有机物含量高，而且所含大部分有机物难降解，可生化性差，是炼焦企业中难以处理的工业废水， 是目前环境保护领域急需解决的一个难题。

唐山港陆钢铁有限公司焦化厂现阶段年产焦炭100万t，该厂已有生化处理量为100m3/h的焦化废水处理站，采用预处理、A2/O、混凝沉淀的主体处理工艺。原有废水处理站出水主要回用于湿法熄焦，为适应环保达标要求， 同时也为企业实现可持续性发展， 唐山港陆钢铁有限公司已采用干熄焦替代湿熄焦，因此，决定对原废水处理站混凝沉淀出水进行深度处理并回用。2015年焦化厂对废水处理站的生化处理系统进行改造，以提高出水水质及处理效率，保证后续深度处理出水水质达到工业循环冷却水补水水质要求，实现全厂生产废水“零排放”。

1 工程概况

唐山港陆焦化厂废水处理站用于处理全厂炼焦及煤气净化过程中产生的含酚氰等物质的废水。废水处理站预处理设计水量为50m3/h，生化处理及后续处理设计水量均为100m3/h。废水经预处理、生化处理、混凝沉淀处理后，出水水质要求达到《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171—2012)的间接排放标准，以保证后续深度处理效果。设计进出水水质见表1。

焦化废水处理站原生化处理系统采用A2/O(厌氧-缺氧-好氧)工艺，具体工艺流程如图1所示。

2 原焦化废水处理系统存在的问题

由于焦化废水水质的复杂性及原有设计方面的不足，导致生化处理设施水力停留时间短，处理出水水质恶劣。焦化厂湿式熄焦改为干式熄焦后，熄焦用水量锐减，厂区废水需深度处理并回用。若在原废水处理系统上直接进行深度净化处理，处理效果差，最终出水很难满足循环水补水标准。因此，需要分析焦化废水处理系统存在的问题并对其进行相应改进。

2.1 蒸氨废水水质波动大

受蒸氨工艺影响，蒸氨废水水质波动较大，COD多分布在3000~5000mg/L， 有时高达6000mg/L，pH有时高达12以上。原焦化废水处理系统中未设置事故池，高COD的蒸氨废水直接冲击生化系统，出现菌群死亡， 导致生化系统经常处于菌群驯化状态，不能正常运行。

2.2 缺氧/好氧池容积小

原有缺氧池有效容积2088m3， 原有好氧池有效容积3744m3，按设计生化处理水量100m3/h计算，缺氧池水力停留时间为20.88h，好氧池水力停留时间为37.44h。按照《焦化废水治理工程技术规范》(HJ 2022—2012)，焦化废水缺氧池、好氧池的水力停留时间一般分别为28~32、36~46h。由此可见，缺氧/好氧池容积不足，导致水力停留时间短，进而造成生化出水COD及NH3-N浓度高。

2.3 二沉池表面水力负荷大

原生化处理系统采用300%的回流率， 将硝化液经硝化液回流井回流至缺氧池， 导致二沉池表面水力负荷高达1.3m3/(m2·h)，而沉淀时间仅为1.3h。根据《焦化废水治理工程技术规范》(HJ2022—2012)，当二沉池表面水力负荷为1.0~1.5m3/(m2·h)时，沉淀时间为2~4h。由于二沉池表面水力负荷大，而沉淀时间短，导致出水COD 及悬浮物浓度偏高。

2.4 污泥处理系统能力不足

原污泥处理系统中生化污泥量约为1000kgDS/d，后混凝化学污泥量约为500~920kgDS/d(视加药量而定)，2种污泥均进入浓缩池(浓缩池1座，直径6.3m，有效深度2.2m)，浓缩停留时间不足4h，而一般浓缩池浓缩停留时间不宜小于12h。浓缩停留时间短，使得污泥含水率高， 压滤机处理量大，按总处理污泥量1920kgDS/d 考虑，500 mm 带宽的带式压滤机不能满足要求。

3 改造工艺

针对焦化废水处理系统存在的上述问题，并结合后续深度处理要求，本着技术安全可靠、工艺流程简单、处理效果稳定的原则，对原有生化处理系统进行优化改造。主要改造内容包括新建事故池、优化原有A2/O工艺、污泥系统改进等，改造后处理系统工艺流程如图2所示。

3.1 新建事故池

根据近2年现场运行数据分析，蒸氨废水中COD波动较大，而含油量较小(50mg/L 以下)，仅需1套气浮池即可满足要求。原有重力除油池、轻油分离设施占地面积大且长期闲置， 可利用这部分占地新建1 座事故池。同时对蒸氨废水进水管进行在线监测，一旦水质出现异常，将蒸氨废水切换至事故池存放，确保生化系统不受冲击。

3.2 优化原有A2/O工艺

原缺氧/好氧池周围已无可利用之地，上部有封闭的输煤通道， 无法通过新建水池或增加水池高度来加大原缺氧/好氧池的容积，故通过以下3种方法挖掘原有系统的潜能。

3.2.1 厌氧池改为预曝气池

由于厌氧池对焦化废水中难降解有机物降解效果差， 经厌氧池处理后废水的可生化性并没有显著提高，故将厌氧池改为预曝气池，并增加池底穿孔曝气管及相应鼓风机。预曝气能够增加废水中的溶解氧，减轻废水的腐败，提高废水的稳定性;同时可氧化废水中的还原性物质， 并能吹脱废水中溶解的挥发物，适度降低废水中部分COD，从而提高废水的可生化性。

3.2.2 好氧池采用活性污泥法与MBBR组合工艺

为克服活性污泥法生物量不足和固定生物膜法传质混合效率低的问题， 好氧池采用活性污泥法与移动床生物膜反应器(MBBR)的组合工艺。生物膜、活性污泥各自发挥生物降解优势，可极大地提高生化反应效率，提高有机物去除效果。MBBR污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5~10倍，通过增加好氧池污泥量， 可达到间接扩容的目的。同时，MBBR耐冲击负荷能力强，且能固定硝化菌，可提高系统对NH3-N的去除率。

当MBBR悬浮填料上的生物膜超过一定厚度时， 内层生物膜因缺乏充分营养对填料的黏附力下降，随着曝气、循环水流及填料之间的碰撞，老化的生物膜会脱落。随后，脱落填料表面又形成新的生物膜， 从而使生物膜的活性状态保持高水平。虽然MBBR污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5~10倍， 但是该工艺中COD的去除主要是依靠新老生物膜的脱落替换和生物膜自身降解实现的， 且前者占主导作用。因此，当活性污泥堵塞生物膜，膜通量下降时，旧生物膜脱落，生成新生物膜，从而保持良好的处理效果。实际运行过程中在控制溶解氧的同时合理控制曝气强度，保证水流通畅性，从而提高MBBR的处理效率。COD波动较大，而含油量较小(50mg/L以下)，仅需1套气浮池即可满足要求。原有重力除油池、轻油分离设施占地面积大且长期闲置， 可利用这部分占地新建1座事故池。同时对蒸氨废水进水管进行在线监测，一旦水质出现异常，将蒸氨废水切换至事故池存放，确保生化系统不受冲击。

3.2 优化原有A2/O工艺

原缺氧/好氧池周围已无可利用之地，上部有封闭的输煤通道， 无法通过新建水池或增加水池高度来加大原缺氧/好氧池的容积，故通过以下3种方法挖掘原有系统的潜能。

3.2.1 厌氧池改为预曝气池

由于厌氧池对焦化废水中难降解有机物降解效果差， 经厌氧池处理后废水的可生化性并没有显著提高，故将厌氧池改为预曝气池，并增加池底穿孔曝气管及相应鼓风机。预曝气能够增加废水中的溶解氧，减轻废水的腐败，提高废水的稳定性;同时可氧化废水中的还原性物质， 并能吹脱废水中溶解的挥发物，适度降低废水中部分COD，从而提高废水的可生化性。

3.2.2 好氧池采用活性污泥法与MBBR组合工艺

为克服活性污泥法生物量不足和固定生物膜法传质混合效率低的问题， 好氧池采用活性污泥法与移动床生物膜反应器(MBBR)的组合工艺。生物膜、活性污泥各自发挥生物降解优势，可极大地提高生化反应效率，提高有机物去除效果。MBBR污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5~10倍， 通过增加好氧池污泥量，可达到间接扩容的目的。同时，MBBR耐冲击负荷能力强，且能固定硝化菌，可提高系统对NH3-N的去除率。

当MBBR悬浮填料上的生物膜超过一定厚度时， 内层生物膜因缺乏充分营养对填料的黏附力下降，随着曝气、循环水流及填料之间的碰撞，老化的生物膜会脱落。随后，脱落填料表面又形成新的生物膜， 从而使生物膜的活性状态保持高水平。虽然MBBR污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5~10倍， 但是该工艺中COD的去除主要是依靠新老生物膜的脱落替换和生物膜自身降解实现的， 且前者占主导作用。因此，当活性污泥堵塞生物膜，膜通量下降时，旧生物膜脱落，生成新生物膜，从而保持良好的处理效果。实际运行过程中在控制溶解氧的同时合理控制曝气强度，保证水流通畅性，从而提高MBBR的处理效率。

好氧池MBBR采用分段布置，即好氧池前端与后端分别设置MBBR，中间段采用活性污泥法（微孔曝气）。前段MBBR以去除COD为主，使能降解苯系及杂环化合物的细菌成为优势菌种。后段MBBR以硝化为主，在有机物负荷较低的情况下，硝化菌可成为优势菌种，将废水中的氨氮转化为硝酸盐氮。为了维持硝化反应正常进行所需的碱度， 可适量向好氧池投加碱。同时，曝气装置需由原微孔曝气改为穿孔管曝气，由于穿孔管曝气氧利用率不及微孔曝气氧利用率的一半，需增加3台鼓风机（2用1备，1台对应一个系列的MBBR）。

3.2.3 二沉池改进

为降低二沉池的表面水力负荷，将混合液由好氧池回流至缺氧池。此时混合液回流污泥会附着在原有缺氧池填料上，导致好氧池污泥减少。因此，需拆除缺氧池填料，增加缺氧池搅拌机。为保证二沉池出水均匀稳定， 二沉池池壁顶部安装出水三角堰。

3.3 污泥系统改进

鉴于污泥浓缩池容积不足、停留时间短而导致的污泥含水率增加，将带式压滤机500mm的带宽更换为1000mm的带宽，同时为带式压滤机增加预处理功能，且置换相应的冲洗泵及配套阀门。

此外，由于原气浮装置长期闲置，设备损坏，需要在事故池之上新建1套气浮装置， 并废弃硝化液回流井、过滤罐、反冲洗水池。

4 改造后运行效果

废水处理站采用24h连续监测各工艺段出水水质，1个月的连续监测结果表明，经改造后，废水处理系统运行正常，出水水质良好。某1个月的水质监测结果如图3、图4所示。

由图3可知，焦化废水处理系统进水COD变化较大，在3000~5000mg/L之间波动，偶尔接近6000mg/L。预曝气池出水平均COD为3471mg/L，对比原厌氧池出水平均COD(3900mg/L)，COD去除效果有明显改善。MBBR悬浮填料能增加微生物种类及数量，好氧池内将活性污泥与MBBR相组合能更好地提高有机物降解能力，生化出水COD由原来的300～400mg/L降至为190～260mg/L。由于混凝沉淀池进水水质稳定，有机物浓度降低，混凝沉淀出水平均COD仅为60.2mg/L， 远远低于标准值150mg/L，COD平均去除率达到98.5%，满足厂区后续深度处理进水要求。

由图4可知， 焦化废水经气浮、预曝气池处理后，NH3-N去除率较低。而好氧池中MBBR 悬浮填料对硝化菌具有很好的聚集作用， 活性污泥与悬浮填料表面生物膜的共同作用强化了NH3-N的去除效果， 最终混凝沉淀出水NH3-N为15～22mg/L，平均为17.5mg/L，低于25mg/L 的标准要求，NH3-N平均去除率达到95.4%。

5 经济效益分析

该焦化废水生化处理系统改造工程总投资约为1483万元，其中设备购置与安装工程费用(包括设计及调试费用)为1385万元;土建工程费用为98万元，包括新建事故池、气浮池及原有构筑物改造部分。实际的运行成本主要包括药剂费、电费、人工费，3项费用具体如下：

(1)药剂费。焦化废水处理过程中使用的化学药剂有纯碱、混凝剂(PAC)、絮凝剂(601B)、阳离子除泥剂(PAM)、磷酸氢二钠、工业葡萄糖，经计算药剂费为4176元/d。

(2)电费。年耗电量1861500kW·h，按电价0.42元/(kW·h)计，则电费为2142元/d。

(3)人工费。生产操作人员、维修人员合计费用为800元/d。

综上所述，废水处理运行成本合计为7118元/d，按焦化废水处理量38m3/h 计，生化处理系统改造后运行成本为7.80元/m3。

6 结论

焦化废水生化处理系统的改造充分利用了原有构筑物及设备，不仅降低了建设工程投资费用，而且缩短了改造工期，其主体工艺与《焦化废水治理工程技术规范》(HJ 2022—2012)中推荐的生化处理工艺流程基本一致，因此改造工艺合理可行。

采用A/O与MBBR组合工艺的生化处理系统，其整体处理效果良好，运行成本适中，经混凝沉淀处理后，出水平均COD为60.2mg/L，平均NH3-N为17.5mg/L，平均挥发酚为0.248mg/L，平均氰化物为0.154mg/L，出水水质达到《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171—2012)的间接排放标准。此改造保证了后续深度处理及回用单元的稳定运行， 提高了废水的利用价值，符合国家节能减排政策，具有较高的环境效益、社会效益和工程示范意义。