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(shè)計院股份有限公司，山東萊蕪 271104；2.哈爾濱市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江哈爾濱 150010；3.萊鋼設(shè)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(shè)計院股份有限公司，山東萊蕪 271104；2.哈爾濱市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江哈爾濱 150010；3.萊鋼設(shè)備檢修中心，山東萊蕪 271104）

短程硝化/厭氧氨氧化是近年來發(fā)現(xiàn)的新型生物脫氮工藝，在此基礎(chǔ)上形成了O-A-O工藝，并將其應(yīng)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(yīng)用，從而為該工藝的深入研究及其在實際中的應(yīng)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(fù)雜，水量大，對環(huán)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(huán)或多環(huán)芳香族化合物以及含氮、硫、氧的雜環(huán)有機污染物，是最難處理的工業(yè)廢水之一。

2 傳統(tǒng)生物脫氮工藝

目前，國內(nèi)及國外對于焦化廢水處理的傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)是通過細菌的生化作用，將污水中的氨氮經(jīng)硝化及反硝化脫氮過程，使污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣從而從水體中去除的方法。硝化反應(yīng)是在有氧環(huán)境中，由好氧自養(yǎng)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(yīng)如下所示：

NH4++2HCO3-+3/2O2→NO2-+H2O+2H2CO3

NO2-+1/2O2→NO3-

反硝化反應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(huán)保要求的不斷提高，基于傳統(tǒng)全程硝化反硝化理論基礎(chǔ)上建立的焦化廢水處理工藝不能保證COD及氨氮的穩(wěn)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(gòu)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(yīng)。

3 “O-A-O”工藝原理及特點

近年來涌現(xiàn)出一些焦化廢水處理新技術(shù)，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(shù)相比，有效縮短了反應(yīng)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(yīng)控制在亞硝化階段；短程硝化池出水進入?yún)捬醢毖趸?，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(jīng)過三個生化單元的連續(xù)處理，生化反應(yīng)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)量減少了90%，是目前已知的最簡潔和最經(jīng)濟的生物脫氮工藝。

與傳統(tǒng)的全程硝化-反硝化生物脫碳脫氮技術(shù)（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(guān)，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(jié)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(jié)省基建投資1/3左右，與A2/O2工藝相比土建費用更為節(jié)省。

（3）短程硝化過程減少了硝化中的產(chǎn)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(jié)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(yīng)的電子供體，因此不需外部投加有機碳源作為電子供體，產(chǎn)堿量降至為零，節(jié)省了藥劑費用。

（5）生化系統(tǒng)各單元采用生物接觸氧化法，污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥量要遠低于傳統(tǒng)硝化過程，約為傳統(tǒng)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(tǒng)工藝提高了30%左右。

（7）強化了脫碳過程，生化系統(tǒng)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(guān)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(yīng)用造成一定困難，需要進一步研究，并提高實際應(yīng)用中的管控水平。

4 “O-A-O”工藝實驗研究

遼寧科技大學(xué)環(huán)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(yīng)器進行焦化生產(chǎn)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(yīng)器內(nèi)，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(zhuǎn)化率在40%左右，亞硝酸型硝化率超過70%，實現(xiàn)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(yīng)器中主要發(fā)生厭氧氨氧化脫氮反應(yīng)，同時存在很少量的反硝化脫氮反應(yīng)。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(yīng)改善了污水的可生化性，從而提高了系統(tǒng)總的COD去除率。

中國科學(xué)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(xù)流生物膜反應(yīng)器在去除大部分有機物的同時實現(xiàn)了短程硝化。當氨氮容積負荷為0.13～0.22gNH4+-N/(L·d)時，連續(xù)流反應(yīng)器能實現(xiàn)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(jīng)過115 d成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)器中實現(xiàn)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(zhì)優(yōu)于A/O、A2/O生物脫氮工藝的出水水質(zhì)。

5 “O-A-O”工藝工程應(yīng)用及前景

目前，該工藝在實際工程中已有應(yīng)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(jīng)混凝沉淀后各出水指標均優(yōu)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(huán)、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(zhì)更好更穩(wěn)定。當然，此工藝實際運行效果還有待在工程應(yīng)用中驗證。

隨著新環(huán)保法的實施，環(huán)境執(zhí)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(yōu)勢必將有著廣闊的應(yīng)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(xiàn)從事給排水工程設(shè)計工作。