焦化廢水生化系統運行溫度超高問題的分析計算與解決方案

摘要：某鋼廠焦化廢水處理站生化系統夏季反硝化運行溫度為35.5～38.9℃，硝化運行溫度為35.7～40.04℃，反硝化溫度雖然處于適宜溫度范圍內，但部分已超出最適溫度范圍，而硝化溫度已全部超出適宜溫度范圍和最適溫度范圍，故針對生化系統運行溫度居高不下的問題進行原因分析和熱量理論推算，并尋求合理的解決方法。

關鍵詞：焦化廢水；生化系統；運行溫度；熱量

引言

在影響微生物生理活動的各項因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，可以促進、強化微生物的生理活動；溫度不適宜，則會減弱甚至破壞微生物的生理活動，導致微生物形態和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡，反應在廢水站的運行上則為生化系統的處理效果變差，系統耐沖擊能力下降。

焦化廢水是煉焦及配套的煤氣精制設施在生產過程中產生的廢水，主要含COD、氨氮、酚、氰化物、硫氰化物、硫化物、多環芳香族化合物等多種有機和無機化合物，是一種典型的毒性大、可生化性差、難于降解的廢水。因此，生化系統的穩定對焦化廢水處理站的穩定運行非常重要。某鋼廠焦化廢水處理站就遇到了自原水減量化處理后，原水水量減少的同時帶來了廢水中污染物濃度提高、毒性增強、生化系統運行溫度居高不下、系統處理能力降低等問題，給系統的穩定運行造成了極大的影響。

1問題描述

夏季廢水生化處理系統運行溫度如表1所示，生化處理系統反硝化最適溫度34～37℃，亞硝化、硝化的最適溫度30℃，好氧分解的最適溫度15～25℃。根據表1可知，在蒸氨廢水溫度控制在33～34.6℃時，反硝化溫度35.5～38.9℃，硝化溫度35.7～40.04℃，缺氧槽和后置反硝化槽的溫度雖然處于適宜溫度范圍內，但部分已超出最適溫度范圍，而好氧槽和再曝氣槽的溫度已全部超出適宜溫度范圍和最適溫度范圍。

2 問題分析

2.1原因分析

2.1.1減量化影響

廢水站原設計廢水來源較多，包括蒸氨廢水、蒸汽酸汽凝結水、煤精地坪沖洗水、煤精初期雨排水、化產初期雨排水、化產地坪沖洗水、化產循環排污水等，其中蒸氨廢水占比約為65%。減量化處理后，煤精初期雨排水、化產初期雨排水、化產地坪沖洗水、化產循環排污水等均不排入廢水站，造成蒸氨廢水占比上升到了約89%，調整槽水溫相應上升。

2.1.2氣候影響

某鋼廠所在地為廣東省湛江市，夏季太陽輻射強烈、溫度較高，廢水站生化系統均為敞口水池，太陽輻射面積大，進入水體的熱量相應增加。同時，環境溫度升高帶來水池表面、池體與外部空氣、土壤進行熱傳導而形成的熱量輸出量減少。

2.1.3活性污泥生化反應放熱

活性污泥處理系統的核心是活性污泥，在活性污泥上棲息著具有強大生命力的微生物群體，在微生物群體新陳代謝功能的作用下，活性污泥具有將有機污染物轉化為穩定的無機物質的能力[1]。微生物的新陳代謝從廣義上講包括物質代謝和能量代謝，污染底物中的營養物質被生化反應器內的微生物攝入，部分合成為微生物細胞的結構材料，部分降解為CO2和H2O等廢料并釋放出，表現為廢水污染物的降解、細胞增殖等物質形態的變化過程；與之同步的是能量轉化和遷移的過程，以及底物中化學能向細胞的生物質能轉化的過程，即微生物通過分解代謝作用將污染物中蘊含的化學能轉化為細胞合成及維持生命所需的各類能力，釋放出熱能，并使污染物含能水平降低或向低能態物質轉化的過程[2]。

2.2 熱量計算概述

將缺氧槽、好氧槽、生化沉底池、上清液回流槽、生化出水槽及其中間的設備管道作為一個整體系統考慮，進水溫度為調整槽的出水溫度，系統出水溫度為生化出水槽的出水溫度，如圖1所示。系統進出水溫升的熱量輸入分析有曝氣風機鼓風熱量、太陽輻射熱量、活性污泥反應熱量；熱量輸出分析有出水帶走熱量、敞口池體表面蒸發熱量、水面傳導損失的熱量、池底和池壁傳導損失的熱量。熱量基于湛江地區6月、7月、8月晴朗天氣條件下計算。

2.3輸入熱量計算

2.3.1鼓風帶入熱量

鼓風曝氣帶入的熱量計算如表2所示。

2.3.2 太陽輻射熱量

根據某鋼廠焦化廢水處理站所在地廣東省湛江市的6～8月日均輻照量12.97MJ/m3·d換算，得到太陽單位輻照熱量為540.42 kJ/m2·h，

水體表面積（含缺氧槽A/B、好氧槽A/B、生化沉淀池A/B、上清液回流槽A/B、生化出水槽）總計4158.62m2，因此計算輻射熱量值為2247.39MJ/h。

2.3.3 活性污泥反應放熱

廢水流量120m3/h，COD降解值3150mg/L（從3500mg/L降解到350mg/L），活性污泥反應放熱量為7.34J/mgCOD，活性污泥反應放熱量為2774.52MJ/h。

2.3.4輸入熱量匯總

鼓風帶入熱量414.4MJ/h，太陽輻射熱

22474.52MJ/h，活性炭污泥反應放熱2774.52MJ/h，

總計輸出熱量5436.32MJ/h。

2.4 輸出熱量計算

2.4.1出水帶走熱量

廢水水量120m3/h，進水溫度35℃，出水溫度39℃，因此出水帶走的熱量為2009.3MJ/h。

2.4.2水面蒸發帶走熱量

水面蒸發帶走的熱量計算如表3所示。

2.4.3水面傳導帶走熱量

水體面積4512.63m2，水面傳熱系數8kcal/m2·h·℃，池水溫度38℃，空氣溫度30℃，

因此水面傳導帶走的熱量為1209.24MJ/h。

2.4.4 池底和池壁傳導帶走的熱量

池底和池壁傳導帶走的熱量如表4所示。

2.4.5輸出熱量匯總

出水帶走熱量2009.28MJ/h，水面蒸發帶走

熱量609.64MJ/h，水面傳導帶走熱量1209.24MJ/h，

池底和池壁傳導帶走熱量687.1MJ/h，總計輸出熱量4515.27MJ/h。

2.5 計算結果分析

在假定廢水站所在地區氣候為晴天、風速2m/s、空氣溫度30℃的條件下，系統輸入熱量約為5436MJ/h，輸出熱量約為4515MJ/h，總輸入熱量大于總輸出熱量，熱量差值約為921MJ/h，可使系統內水體溫度上升約0.007℃/h。

3 解決方案

根據上述分析可知，太陽輻射和活性污泥反應放熱分別占總輸入熱量的41.3%和51.0%，是造成池體溫升的主要原因。但從工程實施方面考慮，活性污泥反應放熱為系統的必須放熱，無法減少放熱量；生化系統均為敞口水池，僅一級AO加生化沉淀池的水體表面積就已經達到了4158m2，工程量較大，且遮陽后影響不適宜采取遮陽的方案。因此，系統通過增加冷卻系統對生化系統水體進行降溫。

3.1設計方案

系統擬需降低的熱量為蒸氨廢水溫降、總輸入熱量與總輸出熱量差值，其中蒸氨廢水水體的體積為120m3/h，水的比熱為4.186kJ/kg·℃，溫降為7℃，傳熱量為3516.2MJ/h，總輸入熱量與總輸出熱量差值為921MJ/h。因此，系統擬總需降低的熱量約為4437.3MJ/h。

3.2 方案比選

3.2.1閉式冷卻塔

閉式冷卻塔是一種蒸發式冷卻塔，是換熱器和濕式冷卻塔的組合，工藝流體在管內流過，空氣和冷卻水在管外流過。閉式冷卻塔是傳統冷卻塔的一種變形和發展，塔底蓄水池內的水由循環泵抽取后，送至塔頂由管外均勻地噴淋下來，通過噴淋水增強傳熱傳質的效果，因此管內的工藝流體和管外的空氣及冷卻水并不接觸。閉式冷卻塔的降溫為“換熱+蒸發”。

3.2.2管式換熱器

管式換熱器是最典型的間壁式換熱器，它在工業上的應用有著悠久的歷史，至今仍在所有換熱器中占據主導地位。管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上。在管式換熱器內進行換熱的2種流體，一種在管內流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。

3.2.3方案對比

閉式冷卻塔與管式換熱器對比如表5所示，閉式冷卻塔降溫方式較管式換熱器多樣，因此用水量較??；管式換熱器用水量較大，但清洗維護較為簡單。根據廢水站運行方的使用習慣并結合現場實際情況，選擇管式換熱器。

3.3 工藝設計技術規格

新增管式換熱器2套，單套設計流量120m3/h，廢水進水溫度≤39℃，出水溫度≤34℃，冷凍水進水溫度16℃，出水溫度≤24℃。由于生化系統不同段微生物的溫度需求不同，缺氧槽溫度需求較好氧槽高，因此新增管式換熱器設置在上清液回流系統上而非調整槽出水上。

3.4 改造工藝流程

改造工藝流程如圖2所示，改造后生化系統的運行溫度得到了更加有效地調整和控制。

結論

據現場反饋，管式換熱器投用后，在蒸氨廢水從原控制溫度33～35℃上升至36～38℃時，夏天廢水站好氧槽最高運行溫度由改造前的40.04℃降到了35℃左右。由此可推斷，若蒸氨廢水維持在33～35℃時，好氧槽溫度可降低至最適溫度30℃左右。因此，上述針對生化運行溫度超高問題的分析和采取的解決方案可使生化系統的運行溫度得到有效的調整和控制，并趨于微生物最適溫度范圍，從而穩定生化系統的運行。

參考文獻

[1]馬蜀.城市污水處理廠污水污泥能值測定分析研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[2]楊超.SBBR單級自養脫氮系統的

微量熱法研究[D].重慶：重慶大學，2011.

作者簡介

賈盈（1983—），女，漢族，江蘇鎮江人，工程師，大學本科，研究方向為廢水處理。