焦化废水生物脱氮系统冬季的快速达标排放
1 概况
莱钢焦化厂2006年11月新建成1套年产焦炭120万t的焦化系统，包括JN60-Ⅱ型（60孔）焦炉2座、与之配套的煤气净化系统、焦化废水处理系统。其中焦化废水处理系统由溶剂脱酚、蒸氨、生物脱氮3部分组成。
新建的生物脱氮系统设计处理原水能力为70 t/h，采取AA/O工艺，由预处理、生化处理、后混凝沉淀处理、污泥脱水等4个单元组成。具体工艺过程为：蒸氨废水和其它废水混合进入酚水槽，经过预处理阶段（气浮除油、压浮除油），除去废水中的油；然后用泵打入厌氧池。在厌氧池内，降解污水中一部分有害物质，同时提高污水的可生化性。厌氧池出水用泵打入缺氧池，以进水中的有机物作为反硝化的碳源和能源，以回流水中的硝态氮作为反硝化的氧源，在缺氧池内进行反硝化反应，使废水中的氨氮，COD等污染物得以除去和降解。同时在缺氧池内可以除去部分有机物，减轻好氧池负荷。缺氧池出水和二沉池的回流污泥一同进入好氧池，在好氧菌的作用下进行硝化反应，同时在此除去部分有机物和绝大部分的酚、氰污染物。从好氧池流出泥水混合物进入二次沉淀池，进行泥水分离，上部清液大部分回流到缺氧池进行反硝化反应，剩余废水流入混凝反应池，在此加入混凝剂，进一步除去水中的悬浮物之后送到熄焦池（或外排）。其反应分两步进行，机理如下：
第1步，硝化反应：亚硝化菌将氨氮氧化成亚硝酸盐；亚硝酸盐在硝化菌的作用下，进一步转化为硝酸盐。
NH4++1.5O2→NO2－+H2O+2H＋；NO2－+0.5O2→NO3－
第2步，反硝化反应：亚硝酸盐、硝酸盐在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮。
NO2－+3H（电子供体－有机物）→1/2N2↑+H2O+OH－
NO3－+5H（电子供体－有机物）→1/2N2↑+2H2O+OH－
莱钢焦化厂生物脱氮工艺流程见图1。
 1—射流净化机；2—其它废水井；3—酚水槽；4—调节池；5—浮选池；6—厌氧吸水井；7—厌氧池；8—碱液池；9—缺氧池；10—好氧池；11—鼓风机；12—二次沉淀池；13—污泥回流井；14—污泥浓缩池；15—混合反应池；16—混凝沉淀池；17—处理后水池；18—污泥脱水机。 |
图1 生物脱氮工艺流程
2 投产前、后存在的问题
1）生物脱氮系统与焦炉、煤气净化系统相比，由于施工场地腾出较晚等原因，建设较迟，且施工进度缓慢。要等到系统全部建设完工再投料生产，则焦化系统投产后产生的工序废水无法进行处理。根据建设项目环保“三同时”的相关规定，焦炉无法加煤生产，对后续工序影响巨大。
2）按照以往生物脱氮系统开工经验，必须有一定的原料废水做开工储备，分阶段在好氧池内投入原料废水培养驯化活性污泥，直至达到满负荷处理条件。这样带来的问题是无法使炼焦过程中产生的废水在第一时间处理合格，熄焦水的质量难以得到保证。
3）投料开工的时间恰逢严冬，气温、水温太低。活性污泥在25～35 ℃时活性最高，分解有害物质的能力也最强。随着温度的降低，活性也逐渐降低，至15 ℃时微生物已几乎没有活性，甚至会引起微生物死亡。
3 采取的措施
1） 根据工程建设、设备管道安装的进度，结合2座焦炉的加煤出焦时间，最终确定先开1套AA/O系统，待第2座焦炉加煤出焦前再开第2套。每套系统先开O段（好氧段）、再开A段（缺氧、厌氧段）、最后开絮凝沉淀、污泥脱水系统。同时与工程建设部门及时联系、沟通，工程建设部门按照开工顺序，分先后、主次，施工、安装，使生物脱氮系统的开工工作与工程建设在一个时间段内同时进行。
2）为保证炼焦过程中产生的废水在第一时间处理合格，改善熄焦水的质量，改进了此次的方案。传统开工方法，是一边向好氧系统加污泥，一边进废水进行处理。开工初期，污泥体积少，废水处理量也很小。经过分析论证，决定提前向好氧池中投加污泥（微生物），并投加适量的磷、葡萄糖等微生物所必需的养分，间歇曝气使好氧池保持溶解氧在2～４mg/L，对活性污泥进行培养、驯化，确保焦炉投产时，废水全部进行处理。
3）针对气温、水温太低，不可避免地影响微生物活性的情况，对微生物活性进行控制。前期采取直接在好氧池内通入蒸汽升温的方式，后期通过开升温后的回流污水（回流污水在缺氧吸水井内有间接加热的蒸汽管）来保证好氧池内的温度。但是如果在没有废水的情况下投加污泥，由于微生物所需生存环境不能达到要求，将会造成污泥大面积死亡。所以此阶段必须控制微生物的活性，而调节环境温度是控制微生物的最为普遍的途径。最终确定：将好氧系统温度控制在10～15 ℃左右，在降低污泥活性的同时，又能够保证污泥存活。实施过程如下：
2006年11月26日，生物脱氮系统好氧池完成施工，11月27日，开始向好氧系统投加污泥，至12月7日结束。由于天气寒冷，好氧系统温度很快降至15 ℃以下，为了不使温度降得过低，采用加循环水（30 ℃）和临时蒸汽来保证好氧系统温度在10 ℃左右。通过控制风量和鼓风机开停机时间来控制水中溶解氧含量。在投加污泥过程中，及时监测数据，观察微生物状态。经过几天的运行后发现，污泥结构松散，不易沉降，说明污泥活性已很低，污泥只是悬浮于水中，没有浮于表面，说明污泥仍存活。达到了开工前设想的目标。
2006年12月3日，新建焦炉投产，开始提高好氧系统温度，恢复污泥活性。废水加入和污泥活性提高同时进行。12月9日，蒸氨废水进入生化系统，直接进入好氧池。8 h后，二次沉淀池出水。按计划将所有出水由回流污水管引入缺氧给水井，开启缺氧泵打入缺氧池，待缺氧池进水一半以上时，开启缺氧给水井蒸汽进行加热。10 h后，缺氧池满，加热后的温水进入好氧池。2 d后，好氧池温度达到20 ℃，好氧池进蒸氨废水40 h，池内废水指标已基本能满足需要。将此称为“延迟升温，创造环境”。此种进水和升温方式，不但为好氧系统创造了条件，而且由于缺氧池温度适宜，也为缺氧池开工打下了良好基础。
开工初期，由于废水处理量偏少，根据焦炉熄焦用水的需要，还需兑入一定量的稀释水，好氧池内微生物的活性恢复较快。所以，系统出水一开始进入处理后水池的水就达到了指标要求，并一直保持。实现了预定的系统出水第一时间合格的目标，保证了焦炉熄焦用水的水质水量。
随后，缺氧以及后序系统工程完成后，向缺氧池内输送部分污泥，并开启循环挂膜泵对填料实施挂膜，历经7 d后，出水氨氮达到了15 mg/L以下，达到国家一级排放标准。
4 结 语
此次生物脱氮系统的冬季开工，创新的开工方案合理、可行，创出了同行业达效的最快记录，同时莱钢焦化厂新建焦化工序废水也顺利实现“零排放”。但还有如下问题值得关注、商榷：
1）作为生物脱氮上道工序的蒸氨系统必须运行固定铵分解，使生物脱氮系统主要的原料水－蒸氨废水氨氮含量保持在300～450 mg/L范围内，否则系统进水总盐度会远远超过规定值的上限，严重影响缺氧、厌氧单元，最终使污泥活性体积下降且泥龄缩短，脱氮效率下降。
2）应注意定期检测进水硫化物含量。硫化物对生化处理有明显的不利影响，当硫化物的含量达到一定值时，会严重抑制微生物的生理活性。因此污水原水中硫化物的含量开工前必须进行确认。
3）由于回流污水会夹带少量活性进入缺氧池，所以污泥缺氧池在不特别倒入污泥的条件下，只要开启污水回流，即可发生反硝化反应，致使系统pH值迅速下降。因此，开回流污水前，必须备好充足的碱源并确保加碱设备管道通畅，及时调节系统的pH值，使之维持在6.5～7.5之间。
4）建议取消前置厌氧段。厌氧段和缺氧段的主要作用是将不易降解的大分子物质水解为小分子物质，同时对污染物也有一定的去除作用。但实际上厌氧段的水解是没必要的，一方面对氨氮没有任何去除作用，浪费了反应时间；另一方面其将易降解的一部分有机物去除了，对后续也需要碳源的生物脱氮不利。再者，厌氧菌难以培养、驯化，原料水水质、水温稍有波动，就会影响厌氧菌的活性，甚至导致其大量死亡。
5）厌氧段和缺氧段内的生物填料和布水器不仅加大了工程投资，而且也增加了运行管理难度；更为重要的是：在正常运行条件下，填料上生物膜的“新旧更替”的水力条件难以满足，这也使得设置有填料的厌氧池及缺氧池难以发挥预期的作用，出水氨氮、COD等指标难以保持长周期的达标。因此，建议对目前的设施进行改进。
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