煤化工廢水處理探討

導語：煤化工廢水處理探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]煤化工廢水成分復雜、處理難度較高。文章主要論述了煤化工廢水的特點、處理方法和氣浮法的應用現狀，并對處理方法做出了展望。

[關鍵詞]煤化工廢水；混凝；氣浮；絮凝

我國富煤、貧油、少氣的能源結構決定了煤化工行業在整個產業鏈中的支柱性地位，尤其是新型煤化工行業。煤化工廢水是業界公認的幾種難以處理的工業廢水之一[1]。煤化工主要包括煤的氣化、液化、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等，其中煤氣化廢水的主要特征為：污染物組成復雜、濃度高、難以生物降解。由于煤化工的生產工藝特殊，廢水中的油以乳化油和可溶性油為主，粒徑分布在4~200μm，普通的重力沉淀法很難去除。在現有處理工藝中，煤化工廢水中的乳化油主要依靠絮凝法去除，可溶性油則主要依靠生化處理工藝去除[2]。煤化工行業廢水排放量大，成分復雜，有機物種類多、濃度高且多數性質穩定，可生化性差，典型的含有酚類、氨氮類、多環芳烴、油類、氰化物等多種污染物。其處理工藝較一般工業廢水復雜[3]。

1煤化工廢水預處理技術

基于煤化工廢水水質的復雜性，單靠傳統的物理化學法難以滿足出水標準，必須結合多種處理方式，進行多級深度處理[4]。煤化工廢水的處理工藝流程一般可分為一級物化預處理、二級生化處理和深度處理三個階段。一級處理主要包括氣浮除油、萃取脫酚、汽提蒸氨等；二級處理主要為生化處理；深度處理主要有電絮凝、吸附法、高級催化氧化法等[5]。縱觀國內外煤化工廢水處理工藝，為使達到后續處理進水標準，根據不同廢水工況，研究有針對性的預處理工藝顯得尤為重要，通過簡單的物化手段減低某種物質(SS、油、酚、氰等)的濃度，達到生物處理范圍，如神華集團在其煤炭直接液化項目中用異丙基醚萃取脫酚，采取雙塔汽提脫除廢水中的硫化氫和大部分氨氣，經生物處理后水質達標[6]。Wu[7]等采用吸附法，用有機膨潤土對焦化廢水進行預處理，該有機膨潤土對酚和多環芳烴具有很好的吸附效果，生化性得到顯著提高。Yuan等[8]選用環己烷和正辛醇作萃取劑，處理后的焦化廢水可生化性由0.09升至0.29，COD去除率由68.81%升至88.63%。1.1脫酚。由于煤化工廢水中酚類物質含量很大，為了減輕后續生化處理單元的負荷，同時有效的回收有可利用價值的酚，通常得采取相應的技術方案進行預處理。溶劑萃取脫酚是最常用的方法。萃取時，依據相似相溶原理，酚類物質能自發的從水相中轉移到溶解度更大的溶劑相中，從而實現酚類物質的脫除。萃取劑的種類、濃度、萃取比以及體系的溫度、pH等都會影響脫酚效率。高分配系數、易與水分離、易于反萃取、低毒性等都是選擇萃取劑時應該考慮的因素[9]。目前國內外應用較廣泛的萃取劑有醋酸丁酯、重苯、二異丙基醚等[10-11]。此外，還有蒸汽法，利用水蒸氣將揮發酚直接蒸出，然后用堿液吸收，使之成為酚鹽溶液，之后加入酸性物質進行中和并進一步后續處理，回收廢水中有用的酚，該法操作成本低，處理效果穩定。1.2蒸氨。相比于酚類物質，煤氣化廢水中的氨氮類物質處理起來更難達標。酚類物質可以作為碳源經過同化作用被微生物大部分降解，而微生物對氮源(氨氮)的需求量則要小得多，況且煤氣化廢水中含有的高濃度氨氮還會對微生物產生毒害和抑制作用，因此，在進生化處理單元之前還必須對廢水采取相應措施降低氨氮的濃度。目前運用較多的是水蒸氣氣體蒸氨法。在堿性條件下，將廢水中的固定態氨轉化為游離態氨，并通過水蒸氣將其吹脫出來[12]。析出的可溶性氣體通過裝有磷酸溶液的吸收器，之后送入汽提器，最后通過分離、提純等步驟回收有用的氨。1.3除油。煤化工廢水中含有的油類過多，會漂浮在水面，形成一層油膜，隔絕了空氣，致使水中微生物因缺氧而死亡，同時油及其分解產物中的一些有毒物質(如苯并芘、苯并蒽、多環芳烴等)對微生物也會產生極大的危害，嚴重影響生化效果。再者，如果處理不當，廢水中殘余的含油量還會使微生物在曝氣階段產生大量泡沫，破壞生存環境，導致活性污泥失效，嚴重影響系統正常運行。一般生物處理階段要求廢水中的含油量小于50mg/L，最好能控制在20mg/L以下[13]。焦油是煤化工廢水中油類污染物的主要組成成分，依據其在水中的存在狀態和油滴粒徑，可以分為浮油、分散油、乳化油、溶解油四大類，針對不同種類的油有相應的預處理方法。針對浮油，利用油滴和水的密度差，在隔油池中靜置沉降后將其從水中分離出來，該法適用性強，簡單易操作，一般放在工藝的最前端。針對分散油和乳化油，實踐中常用的工藝有粗粒化法、化學破乳法、氣浮法等。粗粒化法即利用水、油兩相對聚結材料粘附力的差異，當含油污水流經裝有親油疏水的填料裝置時，油滴被該材料截留，經過潤濕、碰撞、聚并等過程逐漸變大，在材料空隙和表面形成一層油膜；油膜增大到一定厚度，在浮力作用下，油膜從材料表面脫落，浮至水面，實現水油兩相的分離。粗粒化法具有運行成本低、易于實現裝置化、不產生二次污染等優點，但是對廢水的含塵量要求很高，易堵塞[14]。化學破乳法是向污水中投加藥劑，通過和藥劑發生化學反應，改變油水界面能，降低油滴的表面張力，使水中油滴脫穩，聚結上浮或者下沉實現油水分離的一種水處理方法。破乳作用分為兩步，第一步是絮凝，游離態的細小液滴相互聚集成團，此過程可逆；第二步是聚結，各液滴互相碰撞聚并成大顆粒液珠，直到重力作用大于浮力作用而沉降分離出來，此過程不可逆。為了達到破乳目的常用的化學藥劑有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺、聚合硫酸鋁鐵、三氯化鐵、聚合硅酸鋁等。氣浮法即是以某種方式將空氣通入污水中再以細小氣泡的形式從水中釋放出來并作為載體使污水中較輕的懸浮顆粒、油類、脂肪等雜質粘附在微氣泡上，并隨氣泡升到水面，從而實現污染物質與水的分離。氣浮法優點是處理量大，除油效率高，工藝成熟，應用廣泛，缺點是易夾帶揮發酚、氨等揮發性物質逸出，對操作現場環境造成污染。針對小部分的溶解油，采用改性全(半)焦、活性白土、活性炭、吸附樹脂等吸附劑通過物理、化學、離子交換法實現對油的去除。隨著越來越多廉價高效的吸附劑不斷被發現，吸附法也逐漸成為一種很有前景的處理方法。

2煤化工廢水處理工藝

2.1混凝處理工藝。混凝是指水中懸浮顆粒物以及膠體粒子等脫穩并再次聚集成大顆粒絮體而與水相分離的過程。由于目前關于“混凝”和“絮凝”的概念尚無統一定論，本文對此不加以區分。化學絮凝是一種古老的方法，有著悠久的歷史。近50年來，絮凝技術作為工業水處理的核心，在餐飲、醫藥、煤化工、鋼鐵加工和石油等領域發展相當迅速。利用投加的藥劑產生的絮凝作用，經過吸附架橋、網捕卷掃、電中和的作用使膠體脫穩沉淀，從而降低廢水中的COD和色度[15]。經絮凝后產生的絮粒通常可通過自然沉降、生物膜、過濾或者氣浮等工藝將其從水中脫除。2.2混凝技術機理。2.2.1壓縮雙電層。在污水中，投入絮凝劑，引起溶液中的離子濃度增大，使得擴散層中的反離子濃度也相應增大，很多反離子會被擠入stern層，雙電層電位因此訊速降低，從而引起ζ電位下降和擴散層壓縮[16]。這種壓縮作用使得膠體顆粒碰撞時距離減小，吸引力增大，直到膠體顆粒表面電勢減小到其間范德華力大于其間靜電斥力，促進膠體顆粒間相互凝聚成團。2.2.2特性吸附作用。“特性吸附作用”，也稱“吸附電中和”。特性吸附作用是指膠體顆粒表面通過吸附溶液中的反離子而中和掉其原來所帶的部分電荷，從而引起電勢減小，這個過程包括化學鍵合、疏水締合、氫鍵結合甚至范德華力作用等。吸附電中和作能解釋除離子外的其他帶電物質也具有絮凝效果，而壓縮雙電層作用不能[17]。在工程實踐中往往發生絮凝劑投加量過多反而使絮凝效果變差的現象，這是因為膠體顆粒吸附的反離子超過臨界值后使原來帶的負電荷(正電荷)變為正電荷(負電荷)，以致造成膠體再穩現象。2.2.3卷掃(網捕)絮凝作用。投加金屬鹽類化合物(鋁(Ⅲ)鹽和鐵(Ⅲ)鹽等水解金屬鹽)等絮凝劑，若投加量足夠大，則會產生大量的金屬氫氧沉淀物(氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鎂等)，這些生成物迅速沉降時，水中的膠體顆粒或懸浮物能被這些生成物所卷掃(網捕)或者作為其凝聚核，這種絮凝作用稱為卷掃(網捕)[18]。2.2.4吸附架橋作用。高分子絮凝劑與無機絮凝劑絮凝的作用機理有所差別，高分子絮凝劑的作用機理主要依靠其相當長的分子鏈，例如，常見的高分子絮凝劑聚丙烯酰胺，每個結構單元長2.5Å，一個聚合度為14000的分子長度可達3.5μm，遠遠超過粒子間相互作用力作用范圍。高分子絮凝劑吸附在膠粒表面并能在多個膠粒上搭橋，借助自身所帶的活性基團作用于膠粒表面，將大量膠粒凝聚成絮凝團，此作用叫作橋連作用[19]。

3氣浮處理工藝

氣浮法是一種高效的絮體分離技術，最早運用于選礦工藝中，稱為浮選法[20]。自19世紀70年代以來，發展迅速，已廣泛應用于造紙、印染、食品、生活污水和工業污水的處理中。根據氣浮工業實踐，氣泡碰撞、粘附理論以及對氣浮設備流體動力學特性研究的結果，氣浮設備必須具備以下基本條件：(1)良好的充氣作用；(2)良好的流體運動特性；(3)形成比較平穩的泡沫區；(4)能連續工作及便于調節。同時在現代氣浮設備的操縱裝置必須有程序模擬和遠距離控制的能力，以便于操作、控制，這是近代氣浮設備的發展趨勢。3.1氣浮技術機理。由于水中懸浮顆粒、油滴等雜質和微氣泡都有一定的疏水性和剩余自由界面能，且同時都有很大的比表面積，因此它們都傾向于通過相互碰撞粘附而降低各自的表面能[21]。氣浮工藝就是通過各種不同的方式在有待處理的污水中產生大量高度分散的細小氣泡，讓雜質顆粒等粘附在其上，使其密度接近或小于水，憑借浮力的作用上升至水面，形成浮渣后被刮渣裝置除去，從而實現污染物的脫除[22]。為了增強氣浮處理的效果，通常向原水中加入浮選劑，增加廢水中的絮體量。根據含油廢水水質的差異，有針對性的開發適應性強、廉價高效、復配性能強的藥劑是今后研究的主要方向。研究表明，氣浮除油率等于附著率與接觸率的乘積。油珠直徑越大，氣泡直徑越小，氣體量越多，接觸率和附著能就越大。工程實踐表明氣泡直徑在20~100μm為最佳[23]，氣泡太大，不易粘附在絮體上，同時也會給水流造成擾動，太小的話不易上浮，也會增大后續處理量。除此之外，減小氣流速度，增大溶氣量，延長氣泡在水相中的停留時間，增大溶氣壓力等都能提高氣浮除油率[24]。3.2氣浮工藝的分類。按照氣泡產生的方式可以將氣浮法分為六類，分別是分散空氣氣浮法、加壓式溶氣氣浮法、葉輪氣浮法、電解氣浮法、多液多相溶氣泵氣浮法、生物及化學氣浮法。綜合操作和經濟等因素，目前常用的氣浮法還主要為加壓式溶氣氣浮法(DAF)。該法依靠進水泵將待處理水加壓至0.2~0.6MPa，并與空氣一起打入封閉的壓力溶氣罐中，將空氣強制溶于水，再經釋放器的驟然降壓，以大量微氣泡的形式穩定的釋放出來，與水中膠體顆粒等污染物粘附在一起一并上浮至水面，從而實現兩相分離[25]。

4展望

目前，對于煤化工廢水的處理工藝，由于其高耗能、高耗水的特點，使得其發展大大受限。因此，針對不同的煤化工廢水，可以在藥劑的合成以及工藝流程方面進行優化組合，使各種技術發揮自己的優勢，實現‘零排放’的目標，這也是煤化工廢水的重點研究方向。

作者:王玉龍 張琪 肖惠寧 潘遠鳳 單位:1.華北電力大學 2.廣西大學