煤化工生產廢水處理技術的研究與應用

卜凡

兗礦能源集團股份有限公司 山東 鄒城 273500

隨著煤炭工業和化工生產的快速發展，煤化工廢水處理問題日益突顯。煤化工廢水特征復雜，主要包括高濃度COD、酸性環境等，遠超過排放標準。傳統處理技術在效果與成本之間存在矛盾，需要創新性的技術手段。主要目的是在深入研究煤化工廢水處理技術，通過分析廢水特性、比較傳統和先進技術，以及優化與改進手段，為解決煤化工廢水排放與循環利用問題提供可行的技術路徑。

1 煤化工廢水特性分析

煤化工廢水是煤炭加工和化工過程中產生的廢水，其主要來源包括煤焦化、煤氣化、煤制油等工序。煤化工廢水具有COD、氨氮、硫化物、氰化物等指標較高，以及pH值較低等特點。就COD而言，煤化工廢水的COD可高達3000～5000mg/L，遠遠超過污水綜合排放標準約500mg/L的規定。高COD主要來源于煤焦化過程中的初級冷卻廢水，其中包含了許多難以生化降解的有機物。氨氮方面，含氨氮量約為100～600mg/L，也明顯高于污水排放標準約100mg/L的限值。這是由于煤制氣和煤制油工藝中，都需要使用銨鹽等作為溶劑或抑制劑，最終進入廢水。此外，煤化工廢水中還含有硫化氫、氰化物、苯酚等有毒有害成分。除了主要污染物指標超標外，煤化工廢水呈現出酸性特征，pH值一般在6以下。這主要是因為原煤和多數中間產物都具有酸性，在水溶液中可釋放出H+。另外，工藝中也常加入鹽酸等無機酸作為洗滌劑或催化劑，最終進入廢水并使pH值降低。

2 煤化工廢水處理技術及應用分析

2.1 傳統廢水處理技術

傳統的煤化工廢水處理技術主要包括物理方法、化學方法和生物方法。這些方法可以單獨使用，也可根據實際情況進行組合，形成一整套處理系統。物理方法中，泥水分離技術應用較廣。如在某煤制油試驗裝置的廢水處理系統中，就設置了混合沉淀池，額定處理規模為100m3/h。原水通過管道進入池中，混合后與添加的絮凝劑充分接觸，形成大粒徑絮體沉淀。這種絮凝沉淀法的去除率COD可達30%、氨氮 20%，但僅靠物理法難以達到排放標準，還需與化學或生物方法配合使用。化學方法中，高級氧化技術應用較多。如在某煤化工廠的廢水處理中，導入了配置有超臨界水反應器（400℃、25MPa）的氧化系統。借助過氧化氫等強氧化劑，可深度氧化有機物。據測量，該高級氧化系統的COD去除率可達76.5%，處于領先水平，但其運行成本較高，約為0.93元/噸水，且副產物硝酸鹽增加了污水的鹽度。生物處理方法中，活性污泥法使用廣泛。例如，在某煤制油一體化示范裝置中，設置了二級生物處理系統，采用好氧活性污泥工藝。污水先經硝化反應器脫氮，再進入容積為2000立方米的反應池。監測結果表明，COD、氨氮的平均去除率分別達到82%、92%，但生物處理系統占地面積大，反應時間長，出水水質不穩定等問題亦較突出。總體而言，傳統技術處理效果與處理成本存在矛盾。物理法成本低但效果有限，先進化學法效果好但耗能高昂。

2.2 先進廢水處理技術

煤化工廢水處理的先進技術主要包括膜技術、電化學技術、光化學技術和生物強化技術等，這些技術可以單獨使用，也可以進行組合優化。在膜技術中，超濾膜和反滲透膜應用較廣。通過施加一定壓強，可在濾膜兩側產生濃度梯度，實現物質的分離與濃縮。某煤氣化一體化項目的廢水處理系統就采用了壓濾池+超濾膜工藝，污水經沉淀和過濾后進入膜系統，通過0.03微米的有機膜完成深度凈化。經測量，該膜系統的COD去除率可達93%，氨氮去除率91%，達到循環標準。但膜易堵塞且運行成本高，約為1.5元/噸水，目前該項目正研究利用旋流技術，增強膜系統的抗污能力。

電化學技術中，電解氧化工藝廣泛應用于高濃度的初級冷卻廢水。如在某焦化廢水處理系統中，設置了兩級電解池，以鈦作為陽極材料，電解電流密度100A/m2。在NaCl溶液中通入污水并施加直流電壓90V后，OH-等強氧化物種在陽極處生成，可將有機物氧化分解為CO2和H2O。該系統的COD去除率平均可達82.3%。但其電壓較高，單位COD處理成本高達0.83元，未來的研究可致力于新型電極材料的設計與應用。

光化學技術利用紫外光或可見光激發一定的光敏劑產生自由基，從而將污染物氧化或轉化為無害物質。如在某煤焦油處理系統中，設置了以過硫酸鐵和過氧化氫為光敏劑的紫外光/過氧化氫耦合反應設備，光照強度為0.8W/cm2，波長300nm。該光化學系統可在短時間內將氰化物轉化，COD平均去除率達67%，適合作為傳統法的深度處理，但其較高的操作成本約1.35元/噸和二次污染的風險仍需進一步控制。

生物強化技術利用基因工程或生物電化學等手段，培育出處理能力更強的特殊菌種。如在某煤制油污水處理系統中，添加了攜帶脫氮功能基因的重組菌株，可直接轉化氨氮為氮氣釋放。經反應，該系統氨氮去除率可達89%。該技術投資相對較低，但目前轉化效率較低，處理能力有限，有待進一步優化提高。這些先進技術各有優缺點，目前尚無最佳單一技術方案。下一步的發展方向可構建以膜分離或光化學氧化為核心，并輔以電化學或生物強化的深度處理系統，技術間可實現物料閉路與能量級聯，全面降低污水處理的能耗與成本，實現“零”排放。

3 煤化工廢水處理技術的優化與改進

3.1 工藝參數的優化與調控

煤化工廢水處理系統的工藝參數優化是實現技術改進的重要途徑。關鍵參數包括反應溫度、pH值、水力停留時間、污泥返流比例等，這些參數之間存在復雜的相互制約與作用機制。

以活性污泥法的生物處理系統為例，反應溫度對微生物的代謝活性有重要影響。過低會抑制微生物生長；但過高又會影響酶蛋白的狀態。經試驗確定，維持在30～35℃為宜，此條件下COD去除率可達79%。此外，pH值會影響微生物細胞膜的通透性，最適pH范圍為6.5-8.0。過酸或過堿條件下，細胞吸收速率下降，氨氮去除效果較差，通常需補加NaOH等中和劑調節至中性。水力停留時間過短，污泥與污染物的接觸時間不足；停留時間過長，污泥易出現內耗現象，一般控制在8～12h時，可獲得較佳去除效果。污泥返流比例過高會增加污水中的固形物負荷，影響沉淀分離效果；返流過低則可濾性污泥量不足，系統混合液MLSS濃度難以維持，微生物活性下降，控制在20%～30%范圍內效果較好。

除了工藝參數本身的調優外，還需要建立參數的在線檢測與智能化反饋調節系統。如利用在線熒光傳感器監測污水入口處的毒性指標，通過程序設定的閾值，實現對關鍵參數的自動修正與優化，這可保障污水處理系統24小時連續、平穩、高效運行。當前，智能反饋系統還存在檢測精度及控制響應速度有待提高的情況，這需要進一步加強傳感器材料與控制算法方面的研發。總體而言，工藝參數的調控與優化是煤化工污水處理技術持續改進的重要切入點。需要從污水特性和反應機理出發，因地制宜確定適宜的參數范圍，輔以智能監測與控制系統的應用，全面提升處理系統的自動化水平與效率。

3.2 添加劑的選擇和應用

添加劑的合理選擇和應用是提高煤化工廢水處理效果的重要手段。常用添加劑包括絮凝劑、氧化劑、質子載體等，這些添加劑可單獨使用，也可組配應用。如在絮凝沉淀處理系統中，可選擇無機絮凝劑鐵鹽或有機高分子絮凝劑。根據廢水水質，采用不同的絮凝劑或配比。經比較，使用聚丙烯酰胺（20mg/L）和聚醋酸鋁（80mg/L）的復合絮凝劑時，可使廢水中COD去除率達45%。這是因為兩種絮凝劑可發揮協同增效作用。有機聚合物通過電荷中和及橋接作用形成大粒徑絮體，無機鹽類提高了絮體的密度與沉降速率。

在催化濕式氧化（CWAO）等高級氧化系統中，需要使用過氧化氫、過硫酸銨等強氧化劑。它們可生成氫自由基或硫酸根自由基，與有機污染物反應生成CO2和H2O。若再添加CeO2等質子載體，可促進主要氧化物種的傳遞，提高污染物的氧化速率。例如，某高級氧化試驗中，僅用過氧化氫時COD去除率為52%；加入質子載體CeO2后，去除率提高至82%，明顯改善了反應效果。總體而言，優選添加劑種類、確定最佳添加量并評估協同效應，是煤化工廢水處理中的重要環節，這可顯著增強各種技術路線的處理能力，降低反應條件要求，實現經濟、高效處理。

3.3 能源消耗的降低與資源利用的提高

降低能耗和提高資源利用率是煤化工廢水處理的重要發展方向，這主要從工藝內部與外部兩個方面進行技術改進。內部方面，可通過參數優化、設備改造等手段降低單位處理水量的能耗。如利用計算流體動力學（CFD）模擬優化反應池的水力條件，改善給氣系統，可減少污泥打激、提高氧轉移效率，降低曝氣量約15%。又如改用耐酸堿的配管及空氣鼓泵，延長使用壽命，可減少修理維護成本。這類小改造的綜合效果可使得單位處理能耗降低10%以上。外部方面，重點是REUSE理念的踐行，將廢水處理產生的副產物燃氣、污泥制成可利用資源。如收集沼氣制取沼氣甲烷，可替代天然氣使用；污泥制備生物炭，可作為土壤改良劑或染料生產原料；提取污泥中磷、氮營養成分，制作肥料回用，可實現廢水處理系統的能量自供或實現綜合利益。目前廢水處理資源化利用率約20%～30%，未來可通過細胞裂解、生物電化學等技術進一步提高。

3.4 技術的集成與系統優化

煤化工廢水處理技術的集成與系統優化，是推動處理效果提升的重要途徑。核心理念是系統工程，充分考慮不同單元技術之間的相互制約與協同增效機理，尋找全局最優的技術路線與參數匹配方案。典型的配置方案是膜生物反應器或電化學-膜分離耦合工藝。如在某煤制油廢水處理系統中，設置了微濾膜與活性污泥反應的一體化裝置，可在保證高濃度污泥的同時實現深度凈化。經優化，控制膜通量0.15m3/（m2.h），混合液循環速率0.35 m/s。該耦合系統的COD對比原單元分離運行時分別降低了18%和11%。這是由于膜生物反應器可避免污泥熱裂解導致的退化，提高了有機物的轉化效率。類似地，電化學預處理也可降低后續生物方法的糖耗氧量，具有協同優勢。當前集成與優化技術尚處起步階段，還需加強對反應內在耦合機制的理解，拓展組件的物料匹配和參數適應性。隨著過程模擬、智能控制技術的進一步發展，定制化的廢水處理系統必將實現廣泛應用。

4 結束語

綜上，研究與應用煤化工廢水處理技術面臨復雜且嚴峻的挑戰。傳統技術在降低成本上存在困難，而先進技術如膜技術、電化學和生物強化等已取得顯著成果。在優化和改進方面，通過調控工藝參數、合理選擇和應用添加劑，以及降低能源消耗，可以有效提升系統效率。未來發展方向在于技術集成和系統優化，如膜生物反應器和電化學-膜分離耦合工藝展現出的協同優勢。通過綜合內外部優化，推動煤化工廢水處理邁向“低碳化”和“零廢棄”，實現清潔生產和環境友好的可持續發展目標。