活性炭-活性污泥工藝處理煤化工廢水的應用研究

王慧斌

(山西省長治市環境信息中心，山西 長治 046000)

引 言

近年來，我國對于石油和天然氣的消費比重逐漸增加，但是我國煤炭資源十分豐富，相比石油和天然氣儲量較大，是世界第一產煤大國，也是煤炭消費的大國。煤化工產業是實現煤炭資源高效利用的有力手段，對于保障國家能源安全具有重要的戰略意義。現階段，我國已經擁有完全自主產權的煤氣化技術，并成功地完成產業化示范。然而，煤化工產業需要消耗大量的水資源，存在耗煤、耗水、污水排放量大的問題，導致煤化工廢水治理在很大程度上限制了煤化工產業的發展。目前，根據國家最新規定，煤化工企業須達到“液體零排放”標準。為此，對煤化工廢水的處理問題進行深入研究已迫在眉睫。

1 煤化工廢水水質特征及處理現狀

煤化工企業是工業用水大戶，其用水量和排水量十分巨大。煤化工廢水是煤處理過程中產生的成分復雜的工業廢水，其必須經過嚴格的處理之后再進行排放，否則將對人類健康和社會可持續發展構成威脅。

1.1 煤化工廢水來源及水質特征

煤化工廢水是指煤焦化、液化、氣化過程中產生的生產廢水，具有高有機物、高毒性、高抑制性及可生化性低的特點[1]。基于不同的生產工藝及產品類別，煤化工廢水來源分類不同，如圖1所示。

圖1 煤化工廢水來源分類

其中，焦化廢水是典型的工業廢水，其有機負荷高、成分復雜、毒性強，典型焦化廢水中氨氮質量濃度達2 000 mg/L；焦化廢水處理不當，污染環境嚴重，污染潛力大。煤氣化廢水具有高含量的酚類、氨氮和生化有毒及抑制性物質，是一種典型的高濃度、高污染、有毒難降解的有機工業廢水，尤其魯奇氣化工藝產出廢水中污染物含量較高，COD高達5 000 mg/L，濁度也較高，是氣化廢水中成分最復雜、最難處理的廢水。煤液化廢水油含量及鹽離子濃度低，但COD濃度很高，尤其有毒物質濃度高，可生化性差，對其處理難度較高。

1.2 煤化工廢水處理研究現狀

目前，煤化工廢水處理方法主要有物化預處理、生化處理及深度處理，三者分別對煤化工廢水有不同程度的處理，具體如下[2]：

1) 物化預處理。物理化學工藝主要用于廢水預處理過程中，將廢水中的酚、氨氮和油類去除。采取預處理工藝，可改善煤化工廢水可生化性，降低了后續的生化處理工藝的處理負荷。對于難以被生物降解或著對微生物有毒性的有機廢水，常用的工藝為氣浮法、混凝沉淀法、萃取脫酚法等。其中，混凝是處理工業用水和生活污水最基礎的手段，氣浮法主要用于去除并回收廢水中的油類物質，萃取脫酚法是一種有效的回收揮發酚和非揮發酚的方法。

2) 生化處理。由于煤化工廢水中含有大量難降解的有機物質如酚類等，經過物化預處理，廢水中仍含有較高的污染物質，難以達到排放標準要求，故通常采用厭氧和多級好氧生物組合工藝進行二級處理。然而，常規的好氧和厭氧工藝對于煤化工廢水處理效果不佳，為此，近年來研發了一些新的處理方法，如序批式活性污泥法(SBR)、MBR工藝、厭氧生物處理、好氧-厭氧組合工藝等，其主要利用微生物新陳代謝來處理，處理效率高，被廣泛應用。

3) 深度處理。一般情況下煤化工廢水經生化處理后，出水的COD、氨氮等濃度雖然大幅度下降，但是仍然難以達到排放標準，通常需再加以深度處理工藝。生物活性炭法、固定化生物技術、高級氧化技術、臭氧氧化法等是目前煤化工廢水常用的三級深度處理方法。如，目前焦化廢水采用生物脫氮、吸附和混凝相結合的方法處理，氣化廢水較為常用的好氧處理工藝有生物膜、SBR、A/O工藝等。

2 活性炭-活性污泥工藝及特點

2.1 活性炭-活性污泥工藝

活性炭-活性污泥工藝(powdered activated carbon technology，PACT)主要通過將粉末活性炭(PAC)加入活性污泥反應器中，粉末活性炭作為載體附著生物膜，使系統耐沖擊負荷能力大大提高，以達到工業廢水深度處理的效果[3]。PACT 工藝一般流程如圖2所示。

圖2 PACT 工藝一般流程

目前，PACT工藝的機理有兩種理論。一種理論是認為活性炭和微生物兩者不存在協同作用，有機物的去除只是二者的簡單疊加，且活性炭吸附有機物主要發生在微孔(直徑<4 nm)中。

另外一種理論認為，PAC和微生物協同作用去除有機物，胞外酶以及部分酶的活性中心可以進入活性炭微孔中，即使酶分子無法進入微孔，但有機物從微孔擴散到大、中孔中，同樣可以被微生物降解，從而有利于有機物的去除。

2.2 PACT工藝特點

相比于傳統活性污泥工藝(AS)，PACT工藝具有以下優點[4]：

1) 提高難生物降解的有機化合物的去除率。在PACT工藝中，被活性炭吸附的有機物與微生物的接觸時間與污泥齡相當，而污染物與微生物的接觸時間就是水力停留時間，使一些接觸較長時間才能被降解的難降解有機物得到去除。

2) 改善沖擊載荷下的工藝穩定性?；钚蕴康奈侥芰σ话銜嬖趧討B平衡，即當污染物濃度高時，吸附量增加，反之活性炭將吸附的污染物通過解吸作用釋放到廢水中。因此，活性炭在系統中可以起到調節污染物濃度的作用，特別是對于不耐沖擊負荷的微生物能起到很好的保護作用，對于污泥生物相的馴化也起到了有利的作用。

3) 改善色度的去除，消除發臭、發泡現象。煤化工廢水經生化處理后，仍含有酚類等難降解的有機物，通常需再加以深度處理工藝以使系統達到排放標準?；钚蕴靠梢赃x擇性地吸附這些有機物，除去引起煤化工廢水中色度、臭味、泡沫等現象的有機物，改善色度的去除，消除發臭、發泡現象。

4) 提高系統對總氮的去除效果。在水處理過程中，活性炭可通過吸附水中對硝化細菌和反硝化細菌的抑制物質，促進二者利用碳源提供的能量，增強活性，提高污泥濃度，從而將硝態氮轉化為氮氣，進而提高總氮的去除效果。

5) 改善污泥沉降性能和脫水性能，提高污泥濃度。活性炭的吸附作用，使得絮凝體與有機物結合得更加緊密，沉降性能和脫水性能變好。同時，活性炭投加到污泥系統中，有利于絮凝體的形成和微生物的繁殖，提高污泥濃度，從而提高煤化工廢水的處理效果。

然而，向活性污泥系統中投加大量的活性炭，會增加污泥的處理負荷，隨污泥排放還會造成資源的浪費，而且還會造成水處理的成本增加，因此，PACT工藝中活性炭的投加量應適當，切不可過多或者過少。

3 PACT工藝在煤化工廢水處理中的應用

早在20世紀70年代初美國弗吉尼亞州市的一座污水處理廠就發現，PAC投加量為300 mg/L時，可以明顯提高有機物以及SS的去除率[5]。Aziz等[6]比較了SBR工藝和PAC-SBR工藝對垃圾滲濾液的處理能力，結果表明，PAC-SBR 有更高的處理能力，并且改善了污泥的沉降性。Lee等[7]研究表明，通過附著在活性炭的微生物和活性炭的生物再生過程，添加PAC的活性污泥對COD和Cr(Ⅵ)的平均去除效率更高。這些研究表明，PAC的加入顯著提高了廢水的處理性能。

活性炭可以選擇性地吸附抑制微生物活性的有毒物質及微生物代謝過程中產生的一些有害物質等，可以防止生物活性下降，從而提高系統整體污染物去除率。我國將PACT工藝主要應用于實際的工業廢水處理上，尤其用于煤化工、焦化、石化等難降解有機廢水的強化處理。李朦[5]針對天津某化工園區產生的難降解綜合化工廢水，采用PACT強化活性污泥法進行處理。張龍等[4]采用A2/O(PACT)工藝處理水解酸化后的印染廢水，強化了苯環類、雜環類等特征有機污染物的處理效果。楊婉如[8]利用PACT工藝處理含有苯并噻唑的制藥廢水，對TOC和COD的去除率分別由54.8%和45.6%提高到86.13%和76.34%，并對系統中的苯并噻唑降解菌有篩選作用。

廢水中的氨氮主要通過活性污泥中硝化和反硝化菌作用被去除，而硝化作用產生H+會使系統的pH值下降，導致污泥絮體分散，不利于氨氮的去除，尤其不利于煤化工廢水中總氮的優化處理。然而，由于活性炭可以吸附水中的硝化菌抑制物，同時減少污泥流失的發生，加之活性炭再生技術可以將剩余污泥中的活性炭進行再生，從而促進污泥系統中的硝化作用，因此PACT工藝也被廣泛應用于煤化工脫氮中，以提高總氮的去除效果，同時減少外加碳源的投加量。如徐春艷[9]通過向活性污泥中投加PAC吸附目標污染物，使污染物的傳質作用得到促進，污泥的處理效果得到改善。趙茜[10]采用PACT-SBNR復合工藝對煤化工廢水中的總氮優化處理，得到了較好的處理效果。

總之，相比于傳統的活性污泥工藝(AS)，投加PAC使得系統對COD、色度、氨氮以及煤化工廢水中的氮雜環類、酚類、苯系物等有機物等的去除效果得到了明顯提高。

4 結語

綜上所述，目前，煤化工行業的產能不斷提高，其廢水的治理問題在很大程度上限制了煤化工產業的發展。因此，研究和開發高效的煤化工廢水處理技術，有助于行業的可持續發展。相比于傳統的活性污泥工藝(AS)，投加PAC使得系統對COD、色度、氨氮以及煤化工廢水中的氮雜環類、酚類、苯系物等有機物等的去除效果得到了明顯提高，因此該方法值得推廣。