一種新型生化處理工藝O-A-O工藝處理焦化廢水

楊 偉，周 歡，耿云峰，劉 磊

（1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東萊蕪 271104；2.哈爾濱市城鄉規劃設計研究院，黑龍江哈爾濱 150010；3.萊鋼設備檢修中心，山東萊蕪 271104）

一種新型生化處理工藝O-A-O工藝處理焦化廢水

楊 偉1，周 歡1，耿云峰2，劉 磊3

（1.山東省冶金設計院股份有限公司，山東萊蕪 271104；2.哈爾濱市城鄉規劃設計研究院，黑龍江哈爾濱 150010；3.萊鋼設備檢修中心，山東萊蕪 271104）

短程硝化/厭氧氨氧化是近年來發現的新型生物脫氮工藝，在此基礎上形成了O-A-O工藝，并將其應用于焦化廢水。綜述了O-A-O工藝的由來、原理和特點,列舉了O-A-O工藝的實驗研究及應用，從而為該工藝的深入研究及其在實際中的應用提供了參考。

短程硝化；厭氧氨氧化；O-A-O工藝；焦化廢水

1 引言

焦化廢水組成復雜，水量大，對環境污染嚴重。該水中除含有氨氮、硫化物、氰化物等無機化合物外，還含有酚、萘、吡啶、喹啉等單環或多環芳香族化合物以及含氮、硫、氧的雜環有機污染物，是最難處理的工業廢水之一。

2 傳統生物脫氮工藝

目前，國內及國外對于焦化廢水處理的傳統技術主要是A/O或A2/O工藝，脫氮機理為全程硝化反硝化。該技術是通過細菌的生化作用，將污水中的氨氮經硝化及反硝化脫氮過程，使污水中的氨氮轉化為氮氣從而從水體中去除的方法。硝化反應是在有氧環境中，由好氧自養型細菌完成，分兩步進行，第一步是亞硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，第二步是硝化細菌將亞硝酸鹽氮進一步氧化為硝酸鹽氮。其主要反應如下所示：

NH4++2HCO3-+3/2O2→NO2-+H2O+2H2CO3

NO2-+1/2O2→NO3-

反硝化反應是在缺氧條件下，由異氧型細菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氧作為電子受體，利用有機物作為電子供體，將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原成氮氣而從水體逸出，同時將污水中的部分有機物氧化為CO2和H2O。其主要反應過程如下所示：

NO2-+3H（氫供體－有機物）→1/2N2+H2O+OH

NO3-+5H（氫供體－有機物）→1/2N2+2H2O+OH

A/O工藝和A2/O工藝在一段時期內對焦化廢水處理起到了較好的作用，減少了廢水中污染物的排放。但隨著近年來環保要求的不斷提高，基于傳統全程硝化反硝化理論基礎上建立的焦化廢水處理工藝不能保證COD及氨氮的穩定達標。在工程運行中，上述工藝還存在以下幾項弊端：

(1)脫氮率受硝化液回流比、原水碳氮比的限制，需要大比例硝化液回流至反硝化池，從而造成動力消耗較大，運行費用較高；

(2)工藝流程較長，構筑物較大，土建投資較高，占地面積較大；

(3)由于焦化污水碳氮比低，需要外部投加碳源來維持反硝化反應。

3 “O-A-O”工藝原理及特點

近年來涌現出一些焦化廢水處理新技術，如短程硝化/反硝化、“O-A-O”等工藝。短程硝化/反硝化工藝與全程硝化/反硝化技術相比，有效縮短了反應歷程、減少了碳源的消耗，但其處理過程尤其是脫氮率仍受有機碳源的制約。

“O-A-O”工藝的主體生化單元為：短程硝化+厭氧氨氧化+好氧脫碳。來水先進入短程硝化池，在好氧微生物的作用下，去除大部分有機物，同時將硝化反應控制在亞硝化階段；短程硝化池出水進入厭氧氨氧化池，完成焦化廢水的脫氮；之后進入好氧脫碳池，進一步去除水體中有機污染物。經過三個生化單元的連續處理，生化反應系統出水CODcr可降至90～100 mg/L，脫氮過程不消耗碳源，脫氮率大幅提高，可達到75%～80%。

“O-A-O”法核心脫氮工藝為“短程硝化+厭氧氨氧化”。該工藝打破了傳統硝化反硝化生物脫氮工藝的限制，采用將廢水部分亞硝化后的亞硝酸鹽氮作為電子受體，利用廢水中未硝化的氨氮作為電子供體直接脫氮。

其中，短程硝化是在適宜的控制條件下，利用硝化菌和亞硝化菌世代周期不同的微生物固有特性，將部分廢水中的氨氮硝化控制在NO2--N階段，即NH4++3/2O2→NO2-+H2O+2H+。之后，在缺氧條件下，通過厭氧氨氧化菌的作用，以亞硝酸鹽氮為電子受體，氨氮為電子供體直接脫氮，即NH4++NO2-→ N2+ 2H2O。與傳統脫氮工藝相比,“短程硝化+厭氧氨氧化”工藝需氧量少,無需添加有機碳源,減少了酸堿投藥量，同時污泥產量減少了90%，是目前已知的最簡潔和最經濟的生物脫氮工藝。

與傳統的全程硝化-反硝化生物脫碳脫氮技術（A/O、A2/O工藝）相比，“O-A-O”工藝具有以下特點：

（1）脫氮效果與原水中的C/N比無關，無需外加碳源，降低了運行成本。

（2）該工藝將硝化過程控制在亞硝化階段，沒有硝化液回流，節省了動力消耗成本；縮小了二沉池、混凝沉淀池的容積,減少了占地面積，深度處理段比A2/O工藝節省基建投資1/3左右，與A2/O2工藝相比土建費用更為節省。

（3）短程硝化過程減少了硝化中的產酸量，減少投堿量，減少O2消耗量和動力消耗。因為短程硝化采用氨氮作為電子供體，所以在短程硝化中只需將一半的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，比全程硝化節約62.5%需氧量和50%耗堿量。

（4）厭氧氨氧化過程中，由于氨氮可以直接作為脫氮反應的電子供體，因此不需外部投加有機碳源作為電子供體，產堿量降至為零，節省了藥劑費用。

（5）生化系統各單元采用生物接觸氧化法，污水處理系統產生的剩余污泥量要遠低于傳統硝化過程，約為傳統硝化過程的1/4左右。

（6）厭氧氨氧化脫氮過程不受廢水中有機碳源限制，脫氮率大幅提高，總氮脫除率可達到75%～80%，比傳統工藝提高了30%左右。

（7）強化了脫碳過程，生化系統出水CODcr可降至90～100 mg/L，為下一步焦化廢水的深度處理降低了處理負荷。

當然，有關研究表明，厭氧氨氧化菌的生長速度緩慢,世代期約為11d,而且它對氧氣非常敏感，對運行條件較為苛刻[1]，這對于該工藝的工程應用造成一定困難，需要進一步研究，并提高實際應用中的管控水平。

4 “O-A-O”工藝實驗研究

遼寧科技大學環境工程系的呂艷麗、單明軍等人，利用短程硝化+厭氧氨氧化+二級好氧反應器進行焦化生產廢水處理的研究[2]，通過該處理工藝的焦化廢水各出水指標均達到國家排放標準一級，總氮去除率達到70%～80%。在短程硝化反應器內，維持亞硝化階段的DO在0.8～1.0m g/L，并通過對溫度、污泥齡、水力停留時間等條件的控制，氨氮轉化率在40%左右，亞硝酸型硝化率超過70%，實現了亞硝酸鹽氮的累積，同時COD的去除率在70%以上。在厭氧氨氧化反應器中主要發生厭氧氨氧化脫氮反應，同時存在很少量的反硝化脫氮反應。脫氮率較高，一直保持在70%以上，最高達到80%；亞硝酸鹽氮基本被去除，水中氮元素污染物主要存在形式是氨氮。COD的去除率不高，僅能達到20%～30%，但是厭氧酸化水解反應改善了污水的可生化性，從而提高了系統總的COD去除率。

中國科學院過程工程研究所的李玉平、曹宏斌等人采用上述相同工藝對焦化廢水進行處理研究[3]。研究表明，控制溫度為(35±1)℃、DO為2.0～3.0 mg/ L，一級好氧連續流生物膜反應器在去除大部分有機物的同時實現了短程硝化。當氨氮容積負荷為0.13～0.22gNH4+-N/(L·d)時，連續流反應器能實現短程硝化并有效去除了氨氮。在溫度為34℃、pH值為7.5～8.5、HRT為33 h的條件下，研究人員經過115 d成功啟動了厭氧氨氧化反應器。當進水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別為80和90 mg/L、總氮負荷為160 mg/(L·d)時，對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率最高分別達到86%和98%，總氮去除率達到75%。研究同時發現，NO2－－N濃度對厭氧氨氧化菌有抑制作用，其對NO2－－N的最大耐受范圍是87.5～110 mg/L。之后，廢水在二級好氧反應器中實現氨氮的全程硝化，進一步去除了廢水中殘留的氨氮、亞硝酸鹽氮和有機污染物。該工藝可以有效去除焦化廢水中的氨氮和有機污染物，正常運行時出水氨氮＜15 mg/L、亞硝酸鹽氮＜1.0 mg/L，COD降至124～186 mg/L；出水水質優于A/O、A2/O生物脫氮工藝的出水水質。

5 “O-A-O”工藝工程應用及前景

目前，該工藝在實際工程中已有應用，且運行良好，如日照市莒縣浩宇能源焦化廠、云南昆鋼師宗煤焦化有限公司等。浩宇能源焦化廠酚氰廢水COD在4700～3000 mg/L之間，二沉池出水COD在85～139 mg/L之間；昆鋼師宗煤焦化有限公司酚氰廢水COD 在2100～2300 mg/L之間，二沉池出水COD在85～103 mg/L之間。生化出水經混凝沉淀后各出水指標均優于國家排放標準一級。

若在“O－A－O”工藝前段增加水解酸化段，則衍生出“A－O－A－O”工藝，雖然投資略有增加，但水解酸化過程可以將廢水中大分子的有機化合物開環、斷鏈，提高廢水的可生化性，同時降解一部分有機化合物，生化出水水質更好更穩定。當然，此工藝實際運行效果還有待在工程應用中驗證。

隨著新環保法的實施，環境執法力度不斷加大，另外焦化廠焦炭干熄率也不斷提高，酚氰廢水處理的壓力不斷增大，“O－A－O”工藝（包括衍生出的“AO－A－O”工藝）因其自身優勢必將有著廣闊的應用前景。

[1]Strous M，Kuenen J G，Jetten M S M.Key physiology of anaerobic ammonium oxidation[J]，Appl Environ Microbiol，1999，65(7)，P3248－3250.

[2]呂艷麗，單明軍，王旭，短程硝化－厭氧氨氧化處理焦化廢水的研究[J]，冶金能源，2007，第26卷第5期，P55－58.

[3]薛占強，李玉平，李海波，林琳，曹宏斌，短程硝化/厭氧氨氧化/全程硝化工藝處理焦化廢水[J]，中國給水排水，2011，第27卷第1期，P15～19.

A New O-A-O Biochemical Process for Treatment of Coking Wastewater

Yang Wei1,Zhou Huan1,Geng Yunfeng2,Liu Lei3

(1.Shandong Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Laiwu,Shandong 271104,China; 2.Harbin Urban and Rural Planning&Design Institute,Harbin,Heilongjiang 150010,China; 3.The Equipment Service Center of Laiwu Steel,Laiwu,Shandong 271104,China)

Shortcut nitrification/anaerobic ammonium oxidation is a new process developed in recent years,based on which the O-A-O process was formed and applied in treatment of coking wastewater.The origin,principle and characteristics of O-A-O process are summarized and some experimental research work and applications of O-A-O process are presented,to provide some reference for further research and practical application of the process.

shortcut nitrification;anaerobic ammonium oxidation;O-A-O process;coking wastewater

TQ085

B

1006-6764（2015）06-0045-03

2015-03-19

楊偉（1981－），男，碩士研究生，工程師，現從事給排水工程設計工作。