环境工程专业本科毕业设计.docx
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环境工程专业本科毕业设计
河北理工大学
本科生毕业设计开题报告
题目：
首昌焦化厂焦化废水处理站的设计
学院：
化学工程
专业：
环境工程
班级：
07级一班
姓名：
杨胜颖
学号：
指导教师：
魏瑞霞
2011年3月29日
1．焦化废水污染现状及处理要求3
1.1焦化废水污染现状3
1.2处理要求3
2.焦化生产工艺流程及废水来源、废水特点4
2.1焦化生产工艺流程4
2.2焦化废水的组成及特点5
3.焦化废水处理技术现状5
3.1生化法5
3.1.1普通活性污泥法5
3.1.2序批式处理技术（SBR）5
3.1.3A/O工艺6
3.1.4A-A/O工艺7
3.2物理化学法7
3.2.1混凝法7
3.2.2吸附法8
3.2.3化学沉淀法8
3.2.4Fenton试剂法8
3.2.5湿式催化氧化（CWO）法8
4.焦化废水处理新技术9
4.1催化湿式氧化技术9
4.2粉煤灰处理焦化废水9
4.3催化铁内电解方法9
5.1背景资料9
5.1.1气象条件9
5.1.2污水排放现状及水质10
5.2设计任务10
6.方案设计10
6.1设计内容10
6.2设计工艺的选择10
7.设计计划进程11
8.预期成果12
1．焦化废水污染现状及处理要求
1.1焦化废水污染现状
我国焦化厂生产用水量很大，一个年产量约300万吨焦炭的焦化厂，每年焦化废水排放量约为4600万吨。
每年全国焦化废水的排放量约为2.85亿吨，2010年仅山西省焦化废水的年生产量就为9440~14640万m3。
焦化废水污染物因生产工艺、废水收集和炼焦煤质而异异。
COD浓度一般为2500~4500mg/L，氨氮浓度一般为400~1000mg/L。
2005年我国炼焦生产过程中外排COD量约为12.5吨，占全国工业废水COD排放总量的2.5%左右，氨氮排放量约为1.93吨，占全国工业废水氨氮排放总量的4.6%左右【1】。
国内部分焦化厂废水中污染物情况见表1
污染物
厂名
COD
NH3-N
酚
氰
首钢焦化厂
1500-1800
300-400
200-250
20-22
唐山焦化厂
1812
600
276
11
上海焦化厂
600
250
10
3.0
宝钢焦化厂
855
994
178
15
太原焦化厂
3400
4000
60
13
韶钢焦化厂
2000
——
300
70
徐州钢铁总厂
2227
1007
338
12
表1国内部分焦化厂废水中污染物情况
1.2处理要求
焦化废水是煤在高温干馏过程中以及煤气净化、化学产品精制过程中形成的废水，水质随原煤组成和炼焦工艺而变化，是一种典型的难降解有机废水。
焦化废水成分复杂，酚类化合物是其中主要的有机组成，大约占总COD的80％；其他的有机成分包括：
多环芳烃（PAHs）和含氮，氧，硫元素的杂环化合物。
焦化废水中的无机成分主要有氰化物，硫氰化物，硫酸盐和铵盐，其中铵盐的浓度能高达数千毫克每升。
其毒性大，它的超标排放对人类、水产、农作物都可构成很大的危害。
目前焦化废水一般按常规方法先进行预处理，然后再进行生物脱酚二次处理。
但往往经上述处理后，外排废水中COD、氰化物及氨氮等指标仍然很难达标。
针对这种状况，近年来国内外出现了许多比较有效的焦化废水治理技术。
2.焦化生产工艺流程及废水来源、废水特点
2.1焦化生产工艺流程
焦化生产工艺可分为硫胺工艺和氨水工艺。
这里介绍氨水工艺，工艺流程图如图1所示：
图1焦化生产工艺
焦化废水主要来自焦炉煤气初冷和焦化生产过程用水以及蒸汽冷凝废水。
在焦化厂的生产过程中，有很多工段都要产生污染物浓度很高的生产废水，这其中的息焦水、剩余氨水、蒸氨废水、冷凝水、焦油废水、终冷和粗苯分离废水等含有大量的酚、氰等有害物质，这些有机物对环境的影响很大。
焦化生产废水来源如图2所示：
图2焦化厂废水来源
2.2焦化废水的组成及特点
焦化废水成分复杂，含有数十种无机和有机化合物，其中无机化合物主要含有大量氨、硫氰化物等，有机化合物主要有酚类、单环及多环芳香族化合物，同时也含有氮、硫、氧等杂环化合物等，苯酚类和含氮杂环化合物分别占总有机组分的50%和40%。
由于焦化废水中含有多种有机和无机污染物，如果直接排入水体，将会造成水体缺氧，危害水生生物。
其中所含的某些酚类物质还可引起蛋白变性和沉淀，对细胞直接发生毒害作用，在所含的多环芳烃和杂环化合物中，已有不少被认为是致癌和致突变物质，排入水体后多环芳烃可在各种水生生物体内积累，通过食物链最终进入人体而产生毒害。
焦化废水具有如下特点：
A．成分复杂，有多种有机物、无机物混合而成；B.废水中含有分散度很高的乳化焦油；C.焦油微粒及悬浮物带负电荷，其电动电位为100毫伏左右；D.自然沉降率低；E.水质波动大，随工艺操作规律变化；F.含有NH4-N、油类、酚苯等众多有机物。
3.焦化废水处理技术现状
3.1生化法
3.1.1普通活性污泥法
活性污泥法的发展已经非常成熟，运用非常广泛。
处理工艺由曝气池、二次沉淀池、曝气系统、污泥沉淀池、鼓风机和污泥回流系统等设施组成。
焦化废水经初次沉淀池，再与二次沉淀池底部回流的污泥同时进入曝气池，通过曝气使活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。
废水中的污染物背活性污泥吸附、而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的营养物质，代谢转化为生物细胞并氧化成最终产物（主要是CO2和H2O）。
非溶解性有机物需要转化为溶解性有机物，而后才被代谢和利用，废水由此得到净化。
影响活性污泥法的因素有酚浓度、水温、PH值、营养物质、溶解氧和污泥沉降比等。
活性污泥法具有工艺成熟、运行费用低，处理焦化废水中的酚、氰效果好、有机物去除效率高，BOD的去除率通常为90％一95％等优点，但对于难降解有机物和NH3-N去除效果差，而且活性污泥法存在污泥结构细碎，絮凝性能低，污泥活性弱，抗冲击能力差，操作运行很不稳定等缺点。
马鞍山钢铁股份有限公司采用活性污泥法一A／O内循环生物脱氮工艺处理焦化废水,处理效果显着，运行稳定。
运行结果表明：
COD去除率为94.5%，酚、氰去除率90%以上。
3.1.2序批式处理技术（SBR）
SBR工艺是一种间歇运行的废水处理工艺，空间上完全混合，时间上理性推流，兼均化、初沉、生物降解、终沉等功能于一池，无须设污泥回流系统。
对某单一的SBR来说，不存在空间控制上的障碍，只要在时间上进行有效的控制和交换，即能达到多种功能的要求，非常灵活。
与普通活性污泥法不同之处在于SBR法的运行工况为间歇操作，其典型流程包括进水、反应、沉淀、排水、闲置等五个阶段。
通过自动控制装置完成工艺操作。
可以方便灵活地进行缺氧一厌氧—好氧的交替处理过程。
SBR法的影响因素有曝气方式、溶解氧浓度、温度等操作条件和pH值、废水中的营养物及其它物质等基质条件。
与其他工艺相比，SBR工艺具有运行灵活，不易发生污泥膨胀；处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理；具有良好的脱氮除磷效果；但同时SBR工艺也有不足：
间歇周期运行，对自控要求高；变水位运行，电耗增大；脱氮除磷效率不太高；污泥稳定性不如厌氧硝化好。
Maran5fiE等采用SBR工艺处理焦化废水，焦化废水经吹脱预处理，氨氮去除达96％（HRT=66h），在SBR反应器中，HRT=115h时，COD、硫氰酸盐、酚的去除率分别为85％，98％，99％。
3.1.3A/O工艺
常规的活性污泥法处理焦化废水，对去除酚、氰以及易于生物降解的污染物是有效的，但对于COD中的难降解部分的某些污染物却很难处理，例如氨氮就难处理。
若创造适宜的条件，培养富有亚消化菌、消化菌活性污泥。
NH3-N先氧化成NO3—，然后再利用反消化菌使硝酸盐、亚硝酸盐还原成氮气，达到氨氮无害化，这就是A/O工艺。
其工艺流程图如图3
图3A/O工艺流程图
A/O工艺是由缺氧池和好氧池串联而成，作用是去除有机物的同时取得良好的脱氮效果。
A/O工艺是一种前置反硝化工艺，其最显着工艺特征是将脱氮池设置在除碳过程的前部，现将废水引入缺氧池，回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有机物作为碳源，将回流混合液中的大量硝态氮还原成N2，从而达到脱氮的目的。
然后进入后续的好氧池，进行有机物的生物氧化、有机氮的氨化和氨氮的硝化等生物反应，O段后设沉淀池，部分沉淀污泥回流至A段，以提供充足的微生物。
A/O工艺的影响因素有温度、水力停留时间、溶解氧、PH值、污泥浓度、混合液回流比和污泥龄等因素。
A/O工艺有以下优点：
（1）流程简单、构筑物少、运行费用低、占地面积小
（2）好氧池在缺氧池之后，可进一步去除反硝化残留有机物，确保出水水质达标（3）反硝化池不需要外加碳源，而且减轻其后好氧池的有机负荷，降低运行费用。
但是该工艺脱氮效率不高。
山西某焦化厂采用以A／O法为主的工艺处理焦化废水，经过污泥的培养、驯化、调试运行，外排水中的主要污染物指标达到了《污水综合排放标准》（GB8978—1996）中的一级标准，NH3-N和COD去除率达90％—96％。
3.1.4A-A/O工艺
A-A-O工艺是Anaerobic-Anoxic-Oxic的英文缩写，它是厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺的简称。
该工艺具有同时脱氮除磷的功能。
该工艺处理效率一般能达到：
BOD5和SS为90%-95%，总氮为70%以上，磷为90%左右，一般适用于要求脱氮除磷的大中型城市污水厂。
其工艺流程图如图4：
出水
图4A-A/O工艺流程图
A-A-O工艺原理：
污水中的氮主要以有机氮或氨氮形式存在。
有机氮可通过细菌分解利用水解转化成氨氮。
生物脱氮的基本原理是先通过硝化将氨氮氧化成硝酸氮（NO3-N），再通过反硝化将硝酸氮还原成氮气（N2）从水中逸出。
所谓硝化是指在好氧条件下，水中的氨在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下被氧化为硝酸的过程。
所谓反消化是指在缺氧条件下，水肿硝态氮（NO3-N）在反消化菌的作用下，被还原成氮气的过程。
A-A-O工艺的影响因素有污泥龄、溶解氧、污泥负荷率和污泥回流比和混合液回流比等因素。
A-A-O工艺的优点
（1）同时具有去除有机物、脱氮除磷的功能
（2）污染物去除效率高，运行稳定，有较好的耐冲击负荷（3）污泥沉降性能好（4）在同时脱氧除磷去除有机物的工艺中，该工艺流程最为简单，总的水力停留时间也少于同类其他工艺（5）在厌氧—缺氧—好氧交替运行下，丝状菌不会大量繁殖，SVI一般小于100，不会发生污泥膨胀。
但A-A/O反应池容积比A/O脱氮工艺还要大；污泥内回流量大，能耗较高；用于中小型污水厂费用偏高；沼气回收利用经济效益差；污泥渗出液需化学除磷。
昆钢焦化厂的生物处理工艺改造成A-A/0工艺后，系统运行稳定，氨氮去除率大于99%，出水中的酚、氰、COD、NH3-N均达到国家排放标准。
3.2物理化学法
3.2.1混凝法
混凝法是向废水中加入混凝剂并使之水解产生水合配离子及氢氧化物胶体，使废水中污染物质发生凝聚从而沉淀去除。
混凝法的关键在于混凝剂，常见的混凝剂有铝盐、铁盐、聚铝、聚铁和聚丙烯酰胺等。
目前国内焦化厂家一般采用聚合硫酸铁。
上海焦化总厂选用厌氧一好氧生物脱氮结合聚铁絮凝机械加速澄清法对焦化废水进行综合治理，使出水中COD<158mg／L，NH广N<15mg／L。
魏在山利用自制的PFASSi絮凝剂对焦化废水进行了混凝沉淀研究，并与常规絮凝剂的处理效果进行了比较。
结果表明，PFASSi在用量低的同时，效果也优于其他絮凝剂。
3.2.2吸附法
吸附法是利用吸附剂很大的总比表面积和强吸附能力，将废水中的金属离子、有机物牢固地吸附在其表面，使废水得到净化。
张曦等人研究指出随着氨氮浓度的增大或温度的升高，沸石吸附量上升，最大可达l1．5mg／g，并指出氨氮在沸石上的吸附机理以化学吸附与离子交换作用为主。
粉煤灰处理废水是近几年粉煤灰综合利用研究的热点之一。
张昌鸣、窦秀云将粉煤灰和次氯酸钙混合处理焦化废水，结果表明脱除剂脱NH-N量最大可达108．41mg/g，向废水中投加l.3g/L次氯酸钙，可将氨氮的质量浓度从91.6mg/L降到9.86mg/L。
3.2.3化学沉淀法
利用各种物质在水中溶解度的不同，对水中一些溶解性污染物进行化学沉淀分离处理。
Tunay等人利用MAP化学沉淀法处理制革废水中的氨氮，发现MgCl2·6H20和Na2HPO4·12H20配合使用对氨氮的处理效果优于MgO和H3PO4配合使用。
刘小澜等人也采用该法对焦化剩余氨水进行预处理，在pH值为8.5-9.5的条件下，投加药剂n（Mg2+）:
n（NH4-）:
n（PO43一）为14：
l：
0.8时，出水的氨氮质量浓度由2000mg／L降至15mg／L。
虽然药剂费用较高，但若对副产品（缓释复合肥）有效开发利用，则可与药剂费持平。
3.2.4Fenton试剂法
Fenton试剂是由H2O2和Fe2+混合得到的一种强氧化剂，由于其能产生氧化能力很强的·OH自由基，在处理难生物降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水时，具有反应迅速，温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点。
因此，近30年来越来越受到国内外环保工作者的广泛重视。
刘红、周志辉采用Fenton试剂氧化联合聚硅硫酸铝混凝沉降的方法，对气浮一隔油后的焦化废水进行了试验研究，获得了良好的效果，为该工艺实际处理焦化废水提供了科学依据。
试验证明:
在最佳处理条件下，废水的COD值可由1173.3mg/l降至38.2mg/l，符合国家一级排放标准，COD去除率达到96.7%。
3.2.5湿式催化氧化（CWO）法
焦化废水经湿式催化氧化处理后，水中污染物包括有毒、有害污染物得到彻底分解，可达到深度处理要求和回用，同时焦化废水达到脱色、除臭、杀菌的目的。
国内外试验表明，焦化剩余氨水和马隆废水经一次湿式催化氧化后，各项指标均低于排放标准，符合回用要求。
杜鸿章等人在国内率先开展了催化湿式氧化技术处理高浓度焦化污水的研究，采用自制贵金属一稀土金属／氧化钛催化剂用于氧化分解高浓度焦化废水，对COD、氨氮去除率均达99．6％。
4.焦化废水处理新技术
4.1催化湿式氧化技术
催化湿式氧化技术指在一定温度、压力和催化剂作用下，经空气氧化使污水中的有机物、氨分别氧化成为CO2，H20，N2等无害物质。
催化湿式氧化分为均相氧化和非均相氧化。
均相氧化中的纷顿（Fenton）试剂技术，是利用可溶性的亚铁盐和双氧水按一定的比例混合并在系统不需要高温高压条件下氧化有机分子的处理技术。
非均相催化湿式氧化技术中催化剂以固态存在，与均相催化湿式氧化技术相比具有处理流程简单、催化剂活性较高、易分离、稳定性好等优点。
催化剂主要有贵金属系列、铜系列和稀土系列三大类。
4.2粉煤灰处理焦化废水
粉煤灰的主要成分是SiO2，AI2SO3，NaA1Si04等，将粉煤灰作为吸附剂深度处理焦化废水，脱色效果好，COD、挥发酚去除率高，可对焦化废水进行深度处理。
4.3催化铁内电解方法
该方法针对难降解工业废水中存在的难降解物质、生化反应抑制物质以及染料和化工废水中存在的显色物质，利用单质铁催化还原，从而使其转化为无色、可生化降解的物质，在此过程中产生的新生态铁离子同时起混凝作用去除部分污染物。
该方法还可以去除水中的熏金属、磷酸根，有效地解决了废水处理中的许多难题。
该方法反应速率快，作用有机污染物质范围广，适用pH范围宽，运行成本极低，运行管理方便，COD除率高。
5.本设计的任务和背景资料
5.1背景资料
本焦化厂地处亚热带和暖温带过渡地带，属暖温带半湿润季风气候区。
其气候特点是：
四季分明、季风显着、光照充足、热量丰富、降雨量适中、无霜期较长。
本地区年平均气温为15.4。
C，7月份最热，多年平均气温为28.0-29.0。
C，一月份最冷，平均气温为1.8。
C。
极端最高气温41.2.C。
极端最低气温为-16.6。
C。
全年日照时数2148h，全年无霜期222d左右。
受季风影响，本地区风向多变。
主导风为东南风，多年平均风速3.1m/s，极端最大风速16m/s。
最大冻土层深度：
110mm。
海拔高度：
70-150m。
据当地气象局历年实测降水资料统计，本地区多年平均降水量为1000mm。
降水量年内和年际变化都很大，汛期6~9月雨量占全年降水量最大值为1751.6mm（1954）是年降水量最小值（450mm,1978年）的3.5倍，日降水量达245mm（1984年），多年平均蒸发量为1558mm。
5.1.2污水排放现状及水质
废水排放量平均80m3/h（废水来自预处理氨氮和挥发酚的相关装置），污水水质COD：
3500－4000mg/L，BOD：
1100－1200mg/L，挥发酚：
100－150mg/L，pH值9－9.5，氨氮：
150－180mg/L，SS：
150mg/L，焦油200－250mg/L。
5.2设计任务
据中华人民共和国国家标准《钢铁工业水污染物排放标准GB13456-1992》焦化废水污染物排放标准见表2：
生产工艺
分级
PH值
悬浮物（mg/L）
挥发酚（mg/L）
氰化物（mg/L）
化学需氧量（mg/L）
油类（mg/L）
氨氮（mg/L）
焦化
一
6~9
70
0.5
0.5
100
8
15
二
150
0.5
0.5
150
10
25
三
400
2.0
1.0
500
30
40
表2焦化废水污染物排放标准
本焦化厂废水要排入城镇的二级污水污水处理厂，执行三级标准。
6.方案设计
6.1设计内容
本厂污水处理站设计为处理生产焦炭、煤气、焦油等焦化产品过程中的废水，要求处理能力达80m3/h，且处理后水质能达到钢铁工业废水污染排放三级标准。
本设计主要包括了油类去除的预处理工艺选择和生化法二级处理工艺选择。
6.2设计工艺的选择
根据该厂的废水水质分析，焦油含量比较高，应设置去除油的装置，氨氮含量超标，应该选择除氮的工艺，由于酚的含量超标，应该选择去除酚的工艺，BOD相对于COD较低，既B/C比较小，可生化性一般，而且COD值较大，造成COD值较大的有机物，主要为易生物降解酚类和不易生化降解的芳香族化合物和杂环化合物，因此选择生化处理工艺时，要保证既能脱氮和水解大分子物质又能高效地降解去除COD，而且运行费用低。
为了可以使出水水质达标,而且比较经济合理应选择A2/O工艺。
工艺流程图如图5：
图5设计工艺流程图
流程简介及选择缘由
调节池：
焦化厂在焦油分离、苯的精致的生产中产生的废水往往不稳定，吃完由于管理水平低、设备老化等原因，焦化厂的生产车间经常出现事故性废水，这会对生物处理工艺造成冲击负荷，因此要设置调节池。
隔油池：
焦化废水含有大量焦油，焦油分离精致废水含油量最高。
这对后续物化、生化处理有影响。
焦油含量达到一定浓度时，活性污泥菌团表面会粘附一定量的焦油，阻碍微生物对氧的吸收，从而使污泥的生物活性和生化效果降低。
另外，污泥表面粘附焦油后，密度减小，会影响污泥的沉降性能，使之上浮并流失。
一般要求进生化池的含油量不超过100mg/L，为此应设除油池。
混凝气浮池：
，在气浮池中投加混凝剂，提高气浮除油率，同时去除废水中少量胶体杂质和小分子物质，此时可达到进入生化处理段的理论要求。
除油率可达85%。
水解酸化池：
利用水解酸化池在于可以提高造纸废水的可生化性，有利于后续处理，水解酸化池对COD、BOD和SS的去除率分别是15％、10％和10％。
A-A/O工艺：
该工艺可以同时完成有机物的去除、硝化脱氮等功能。
脱氮的前提是NH3-N应完全消化，由好氧池完成这一个功能，缺氧池这完成脱氮功能，厌氧池和好氧池联合完成除磷功能。
相对于A/O工艺A-A/O工艺有以下优点：
（1）处理焦化废水效果好
（2）抗冲击负荷能力强、稳定性能好。
（3）处理水质优于A/O工艺。
（4）污泥沉降性能好。
COD去除率均可达到97%以上，氨氮去除率达95%以上，酚出去率99.9%。
7.设计计划进程
01～05周实习（地点：
安徽首矿大昌金属材料有限公司）
01～04周查阅文献
开题
05～06周查阅文献设计方案的确定
07～13周设计计算，绘制图纸
14～15周撰写设计说明书，修订设计图纸
16周导师批阅初稿
8.预期成果
1）实习报告（不少于3000字）
2）开题报告（不少于3000字）
3）设计说明书（不少于15000字）
4）翻译（将设计说明书浓缩为不少于2000字的大摘要，然后翻译为英文）
5）提供合理可行的焦化废水的处理工艺
6）焦化废水处理厂工艺流程图1张（1号图）
7）焦化废水处理厂水力高程图1张（1号图）
8）焦化废水处理厂平面布置图1张（8K图）
9）主要构筑物的剖面图1张（8K图）
9.参考文献
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24-28．
指导教师意见：
指导教师签字：
年月日
院毕业设计（论文）领导小组意见：
负责人签章：
年月日
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