PACT工藝強化處理煤化工廢水小試

王慧斌

(山西省長治市環境信息中心，山西 長治 046000)

煤化工廢水是一種難降解有機化合物含量較高的典型工業廢水[1]。據相關研究表明，生化處理是現代煤化工廢水處理最簡單、有效的方法，且活性炭具有高度發達的微孔結構和極大的比表面積，在工業廢水處理中起著非常重要的作用[2-3]。為此，本文通過在AO系統中投加活性炭形成PACT系統，并進行序批式試驗，以探究其對煤化工這一典型廢水中污染物的脫除效果。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

1) 模擬廢水。通過人工配制模擬廢水，粗酚作為主要碳源，以氯化銨提供氨氮，以碳酸氫鈉調節進水pH等。模擬廢水水質如表1所示。

表1 模擬廢水水質(pH為7.5～7.8)

2) 試驗藥品。本試驗主要試驗藥品有混合物粗酚，以及分析純氯化銨、濃硫酸、磷酸、硫酸銀、重鉻酸鉀、亞硝酸鈉、高錳酸鉀、硫酸汞、納氏試劑、酒石酸鉀鈉、草酸鈉、氨水、冰乙酸、無水乙醇、氨基磺酸銨、N-(1-萘基)-乙二胺鹽酸鹽、麝香草酚、福林酚、對苯二酚、碳酸氫鈉、無水碳酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀、對氨基苯磺酰胺等。

3) 炭吸附劑。所用木質活性炭為美國卡爾岡炭素公司生產，其比表面積791.54 m2/g，孔容為0.52 cm3/g。

4) 接種污泥。取自某氣化廠污水處理系統二沉池，使用前進行漂洗和曝氣。

1.2 試驗儀器

試驗過程中主要用的試驗儀器有COD快速測定儀(5B-1)、顯微鏡(PH100系列)、紫外-可見光分光光度計(T6型)、電子分析天平(JA1203)、蠕動泵(YZ1515x)、電熱恒溫干燥箱(202-OA型)、氣浴恒溫搖床(CHA-S型)、箱式馬弗爐(SGM.M31/14)、便攜式水質分析儀(HQd-6)、精密增力電動攪拌器(JJ-1)、紫外-可見光分光光度計[UV-2550(雙光束)]、傅里葉紅外光譜儀(SPECTRUM ONE B)、比表面分析儀(ASAP2020)等。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

本試驗主要探究PACT工藝對煤化工尾水的處理效能，主要試驗步驟為：

1) AO反應器的啟動。試驗采用有機玻璃加工制成的圓柱形AO反應器，AO反應器出水接入沉淀池。反應器啟動之前需要對污泥進行馴化，主要有低負荷期、提高負荷期及穩定期三個階段。AO反應器裝置示意圖如第200頁圖1所示。

其中，進水采用污泥馴化穩定期的水質進行配制，然后向反應器中投加馴化后的活性污泥，并調節蠕動泵廢水流量，通過攪拌器對A池進行機械攪拌，通過曝氣對O池進行攪拌，同時，沉淀池沉淀的污泥通過蠕動泵回流至A池。

圖1 AO反應器結構示意圖

2) PACT工藝處理煤化工廢水試驗。PACT工藝啟動前期先進行AO反應器的啟動，約1 d～10 d，同時將粉末活性炭與去離子水配制成懸濁液，并撇掉灰分備用。待AO反應器穩定運行一段時間后，分別于第1 d和第23 d向反應器中一次性投加7.5 g、10 g活性炭。每次投加之后，待出水穩定一段時間，再進行下一步的投加。

2.2 檢測方法

本研究過程中需要分析COD、酚類物質、氨氮、總氮、MLSS等，具體水質分析項目和方法如表2所示。

表2 水質分析項目和方法

3 試驗結果

3.1 木質活性炭投加量的確定

以木質活性炭(比表面積791.54 m2/g，孔容為0.52 cm3/g)作為PACT工藝的投加劑，AO反應器啟動后，投加活性炭形成PACT系統，研究向污泥中投加不同濃度的活性炭(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/L)對污泥系統的影響。COD平均去除率與PAC質量濃度的關系如圖2所示。

圖2 COD平均去除率與PAC質量濃度的關系

由圖2可以看出，隨著PAC質量濃度的增加，COD去除率也在逐漸提高。具體的，當PAC質量濃度于0 g/L～1.5 g/L之間時，隨著PAC質量濃度的增加，COD去除率升高較快；當PAC質量濃度于1.5 g/L～3.0 g/L之間時，隨著PAC質量濃度的增加，COD去除率升高較慢甚至基本無變化。同時，根據不同濃度的活性炭投加下，出水COD隨周期變化試驗(投加濃度越高，出水濃度越低，活性炭發揮的周期越長，但隨著測試周期的延長，活性炭吸附能力逐漸減弱)、活性炭吸附量隨試驗周期變化試驗(活性炭濃度越低，其發揮的效能越高，但吸附后飽和得越快)及PAC質量濃度與吸附量關系試驗(活性炭的實際吸附能力大于理論值，微生物可以將活性炭吸附的有機物降解，促使活性炭恢復吸附能力)可知，廢水活性炭投加量需達到1.5 g/L以上，才能在“吸附-降解-生物再生-再吸附”的共同作用下，保證5個周期內出水COD皆在50 mg/L以下。考慮到投加活性炭的經濟成本，結合COD平均去除率與PAC質量濃度的關系，因此選擇1.5 g/L為最佳投量。

3.2 PACT工藝對有機物的去除效果

在啟動階段，投加活性炭后大大降低了COD，但由于活性炭的吸附能力是有限的，隨著時間的推移，可能由于活性炭的吸附飽和等因素，出水的濃度會呈現驟然降低之后逐漸升高的現象。因此，在啟動完成后的穩定階段，為了保證工藝處理效果，需分別于第1天、第23天投加7.5 g(1.5 g/L)和10.0 g(2.0 g/L)活性炭，以考察PACT工藝對煤化工廢水有機物及氮類物質的去除效果。

1) 對有機物的去除效果。COD和Tph(總酚)濃度和去除率隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 COD和Tph濃度及去除率隨時間變化曲線

由圖3可知，在投加了7.5 g活性炭的第一階段(第1天～第22天)，對于COD的降解去除，在第0天～第5天內，COD去除率由于活性炭的吸附作用而迅速提高；在前6 d～13 d內，COD去除率由于活性炭逐漸飽和而有所降低；運行到第14天時，由于活性炭與微生物已形成良好的耦合關系，COD去除率又呈現上升趨勢。對于Tph(總酚)的降解去除，其去除率呈先迅速提高后逐漸降低并穩定的趨勢。

在投加了10.0 g活性炭第二階段(第23天～第46天)，對于COD的降解去除，由于此時的系統比較穩定，COD去除率波動不大，平均去除率90.55%。對于Tph(總酚)的降解去除，與第一階段類似，仍然存在去除率呈先迅速提高后逐漸降低并穩定的趨勢，第46天，去除率96.24%。

總之，在反應器運行的第1天～第13天，有機物去除率的提高主要是活性炭的吸附作用引起的，之后因吸附飽和等原因導致活性炭吸附能力逐漸下降，但是由于在體系中存在“吸附-降解-再生-再吸附”的過程，最終有機物的降解效果又有所提高，且當體系中的活性炭吸附與微生物再生過程達到平衡之后，降解效果基本穩定。

2) 對氮類物質的去除效果。氨氮和TN濃度及去除率隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 氨氮和TN質量濃度及去除率隨時間變化曲線

由圖4可知，對于主要依靠硝化細菌的硝化作用的氨氮的降解去除，在投加了7.5 g活性炭的第一階段(第1田～第22天)以及在投加了10.0 g活性炭第二階段(第23天～第46天)，隨著時間的推移，氨氮平均去除率皆逐漸緩慢升高。主要原因可能是活性炭吸附了進水中對硝化細菌有抑制作用的酚類等[4]，在一定程度上提高了硝化細菌的活性，使得硝化作用增強，氨氮的去除率提高，從而導致出水的氨氮濃度一直維持在較低水平。

對于主要依靠反硝化細菌的反硝化作用的總氮的降解去除，在第1天和第23天剛投加活性炭后，TN的去除率有明顯的降低。可能是由于剛投加活性炭時吸附有機物量較大，反硝化細菌可用碳源減少，在很大程度上降低了其活性，導致總氮去除率降低。但是隨著運行時間的增長，活性炭逐漸失效，反硝化受到抑制的作用逐漸減弱，且之前吸附的部分難降解有機物被降解為小分子有機物，還可以在一定程度上為反硝化細菌生長提供碳源，脫氮效果又有所提高。最終總氮出水質量濃度56.98 mg/L～64.09 mg/L，去除率57.95%～63.01%。

4 結論

通過在AO系統中投加活性炭形成PACT系統，并進行序批式試驗，得出如下結論：

1) 通過木質活性炭投加量的確定試驗，結合投加活性炭的經濟成本，確定PAC在PACT工藝中的最佳投加量為1.5 g/L。

2) 投加活性炭可以明顯提高對有機物的去除效果，且主要由于體系中的“吸附-降解-再生-再吸附”過程，使COD的去除率由77.02%提高到87.05%，總酚去除率由93.80%提高到96.56%。

3) 投加活性炭增強了氨氮的硝化效果，使氨氮去除率由55.42%提高到97.45%，但投加初始階段會導致微生物可利用的碳源不足，故對總氮的去除率僅由53.15%提高到62.37%。

綜合看來，投加PAC增強了系統對煤化工廢水中COD、氨氮等的去除效果。