环境工程专业水处理设计焦化废水处理工艺设计.docx
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环境工程专业水处理设计焦化废水处理工艺设计
摘要
焦化污水中含有大量的氨氮以及多种有毒的有机化合物，如多环芳烃等成分复杂的化合物。
从组成成分上讲，焦化污水必然会造成环境污染、影响人体健康。
处理焦化污水的方法有许多，生物法以其在经济上可行性较好的特点而得到广泛应用。
本文为某焦化厂焦化污水处理工程工艺设计。
该工程，规模为3600立方米/日。
污水处理流程为：
进厂污水从泵房到隔油池，然后流入气浮池，气浮池出水进入调节池，调节池出水进入A/O反应池，再进入二次沉淀池，二次沉淀池出水进入混凝沉淀池，最后出水。
污泥的流程为：
从二沉池以及混凝沉淀池排出的剩余污泥进入污泥浓缩池，再进入污泥脱水间，最后外运处置。
污水处理后的出水优于国家《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456—92）中焦化行业一级标准。
选择A/O工艺处理焦化污水，在脱氮方面的效率要明显高于SBR法以及CASS氧化沟等方法。
关键词：
A/O工艺；焦化污水；脱氮
Abstract
Coke-plantwastewatergeneratedfromcoal-cookingprocessescontainshighlevelsofNH3-N.ApartfromNH3-Ncoke-plsntwastewatercontainsvariousgroupsoftoxicorganiccompoundssuchaspolynucleararomatichydrocarbons（PAHs）andheterocycliccompounds.Fromacompositionalpointofview,colk-plantwastewaterthereforepresentsadverseenvironmentalandheltheffects.
Severalmethods（physic-chemicalandbiologicalmethods）havebeenemployedintheremovalofNH3-NandCODfromcoke-plantwastewater.Thebiologicalmethodsaremostoftenemployedbecauseoftheireconomicaadvantagesoverphysical-chemicalmethods.Thisarticleisadesignofoneprojectforthetreatmentofcoke-plantwastewater.
Theconstructionofthisprojectis3600m3perday.Theprocessisthat:
thewastwaterrunsfrompumphousetogreasetrap,enterstheflotationtank,entersregulationpool,thenentersA/Oreactortank,entersthesecondarysedimentationtank,thenentersthecoagulationandsedimentationtank,atlastletsout.Theprocessofthesludgeisthat:
thesurplussludgefromthesedimentationtankenterssludgethickener,thenentersdehydrationhouse,thenitisdehydrated,atlastitiscarriedoutoftheplant.
TheoutletwateroftheplantmeetstheleveloneoftheNationalDischargeStandardofSteelindustrystandardsforwaterpollutants（GB13456-92）.
SelectingtheAnoxic-Oxicsystemforthetreatmentofcoke-plantwastewaterismoreefficientthanthecraftofSBRandthecraftofCASSetc.Itcantakelargequantityofthenitrogenfromcoke-plantwastewater.
Keywords：
TheAnoxic-Oxic;Cokeplantwastewater;Takingoffthenitrogen
1绪论
水是地球的重要组成部分，也是生物机体不可缺少的组分，人类的生存和发展离不开水资源。
地球上约有97.3%的水是海水，它覆盖了地球表面的70%以上，但由于海水是含有大量矿物盐类的“咸水”，不宜被人类直接使用。
这样，人类生命和生产活动能直接利用且易于取得的淡水资源就十分有限，不足总水量的3%，且其中约3/4以冰川、冰帽等固态的形式存在于南北极地，人类很难使用。
与人类关系最密切、又较易开发利用的淡水储量约为4×106km3，仅占地球上总水量的0.3%。
因此，解决水污染、合理地利用水资源是世界各国经济可持续发展的当务之急。
焦化污水是一种高含氮、毒性强的有机工业污水之一。
如果直接排入水体其污染程度大，毒害性强[1]。
因此，对焦化厂污水的处理无论在环境还是资源方面显得尤为重要。
本设计采用A/O工艺对某焦化厂的污水进行处理，以达到国家排放标准，对环境不造成破坏。
1.1焦化污水概况
1.1.1焦化污水来源与组成
焦化厂是钢铁企业生产的重要组成部分，焦炭是钢铁冶炼的重要原材料，炼焦回收的化工产品供给许多行业的生产。
随着社会、经济的发展，焦化行业已发挥着越来越重要的作用。
目前，国内生产焦化产品的厂家达数百家。
焦化厂生产的主要任务是进行煤的高温干馏—炼焦，以及回收处理在炼焦过程中所产生的副产品。
整个生产过程分为选煤、炼焦及化工三部分。
焦化污水则产生于炼焦、制气过程及化工产品回收过程，水质复杂，产生量较大[2]。
其主要来源有[3]：
（1）剩余氨水。
由炼焦的水分及炼焦过程中产生的化合物组成。
通常情况下，其数量占全部污水的一半以上，是氨氮污染物的主要来源；
（2）化工产品工艺排水。
包括化工产品回收和精制过程中各有关工段的分离水及各种贮槽定期排水和事故排水；（3）粗苯终冷水及煤气脱硫和煤气终冷循环的排污水。
其中含有一定数量的酚、氰、苯、硫化物及吡啶碱等。
（4）焦油车间污水：
焦油车间根据有机物的沸点不同，用蒸馏法初步分离各种产品，再经酸碱洗涤分离出粗苯、吡啶等产品。
污水主要是间断地排出高浓度含油、含酸的污水。
这部分污水一般经溶剂脱酚通过蒸氨塔后才能进入生物处理装置；（5）古马隆污水：
从酚、油、重苯中提取古马隆，要经过蒸馏、碱洗、酸洗、中和及水洗，排除含酚、吡啶、油等污染物的污水。
焦化污水产生的一般工艺流程如图1.1所示[4]：
图1.1焦化生产工艺流程
焦化污水因受原煤性质、焦化产品回收工序及方法等多种因素的影响，含有多种污染物。
焦化污水是一种含高氨氮、高有机物、成分复杂的、难处理的有机工业污水[5]。
焦化污水中的许多高毒性难降解有机物，对生态环境危害极大，如占总有机物的一半以上酚类化合物，可使蛋白质凝固，对人类、水产及农作物都有极大危害[6]。
经常接触煤焦油、沥青和某些石油化工溶剂的人，皮肤癌、唇癌以及肺癌的患病率相当高，因为吲哚、萘、吡啶碱、啡蒽、苯并芘等多种多环和杂环芳香族化合物（PAHs）[7-9]中有不少是致癌[10,11]和致突变物质。
氨氮是水体富营养化的主要污染物，近年来，国家不仅对COD的排放做了严格的规定，对氨氮的危害也越来越重视，并对氨氮的排放也做了严格的规定。
1.1.2焦化污水的特点及危害
1、水质特点
（1）成分复杂
焦化污水组成十分复杂，浓度高、毒性大。
核磁共振—色谱分析显示：
焦化污水中含有数十种无机和上百种有机化合物[12]。
无机污染物主要是大量的氨盐、硫氰化物、硫化物及氰化物等。
有机污染物除酚类化合物以外，还包括脂肪族化合物、杂环类化合物和多环芳香族化合物等。
其中酚类化合物为主，占总有机污染物的80％左右，主要成分有苯酚、邻甲酚、对甲酚、邻对甲酚、二甲酚、邻苯二甲酚及其同系物等；杂环类化合物包括二氮杂苯、氮杂联苯、氮杂苊、氮杂蒽、吡啶、喹啉、咔唑及吲哚等；多环类化合物包括萘、蒽、菲及α-苯并芘等[13]。
（2）水质变化幅度大
焦化污水中氨氮变化系数可达2.7，COD变化系数可达2.3，酚和氰化物浓度变化系数达3.3和3.4。
（3）含有大量的难降解物，可生化性较差
焦化污水中有机物（以COD计）含量高，且由于污水中所含有机物多为芳香族化合物和稠环化合物及吲哚、吡啶、喹啉等杂环化合物，其BOD5/COD值低，一般为0.3~0.4，有机物稳定，微生物难以利用，污水的可生化性差。
（4）污水毒性大
其中含有的氰化物、芳烃、稠环及杂环化合物都是有毒物质，有的甚至是致癌物质，毒性极强。
2、危害
（1）对人的危害
焦化污水中含有的酚类化合物是原型质毒物，可以通过皮肤、黏膜的接触和经口服而侵入人体体内。
高浓度的酚可以引起剧烈腹痛、呕吐和腹泻、血便等症状，重者甚至死亡。
低浓度的酚可引起积累性中毒，有头痛、头晕等不良反应。
污水中的氰化物毒性很大。
当pH值在8.5以下时，氰化物的安全浓度为5mg/L。
人食用的平均致死量氰氢酸为30~60mg/L，氰化钠为0.1g，氰化钾为0.12g。
另外污水中含有大量的氨氮，可能转化为NO2－或NO3－。
人体若饮用了NH4＋-N>10mg/L或NO3－-N>50mg/L的水，可使人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去输氧能力，出现缺氧症状。
若亚硝酸盐长时间作用于人体，可引起细胞癌变。
（2）对水体和水生生物的危害
大量的有机污染物进入水体，会消耗水体当中大量的溶解氧，水体发臭，水质恶化。
同时由于有毒物质的进入使得水中水生生物的生存受到影响，鱼类和贝类等的大量减产与死亡，并能通过食物链传递给人类造成食物中毒等。
此外，含氮化合物还能导致水体的富营养化，尤其对湖泊等封闭水域的危害更大。
（3）对农业的危害
采用未经处理的焦化污水直接灌溉农田，将使农作物减产和枯死，特别是在播种期和幼苗发育期，幼苗因抵抗力弱，含酚的污水使其腐烂；焦化污水中的油类物质能堵塞土壤孔隙，含盐量高而使土壤盐碱化；农业灌溉用水中TN含量如超过1mg/L，作物吸收过剩的氮能产生贪青倒伏现象[14]。
1.2国内外焦化污水处理技术
目前，国内80％的焦化厂普遍采用的是以传统生物脱氮处理为核心的工艺流程。
分为预处理、生化处理以及深度处理。
预处理主要采用物理化学方法，如除油、蒸氨、萃取脱酚等；生化处理工艺主要为A/O、A2/O等工艺；深度处理主要工艺有活性炭吸附法、活性炭-生物膜法及氧化塘法。
在欧洲，焦化污水处理普遍的工艺为先去除悬浮物和油类污染物质，然后利用蒸氨法去除氨氮，再采用生物氧化法去除酚硫氰化物和硫代硫酸盐。
在某些情况下还对污水做排放前的最后深度处理。
在美国，炼焦厂的污水处理工艺为：
脱焦油—蒸氨工艺—活性污泥法及污泥脱水系统。
综合看起来，国外的焦化污水的治理方法与我国基本一致[15,16]。
1.2.1物理化学法
1、吸附法
吸附法是利用多孔性吸附剂吸附污水中的一种或几种溶质，使污水得到净化。
活性炭是最常用的一种吸附剂，活性炭吸附法适用于污水的深度处理。
刘俊峰等采用高温炉渣过滤，再用南开牌H2103大孔树脂吸附处理含酚520mg/L、COD3200mg/L的焦化污水，处理后出水达到国家排放标准[17]。
黄念东等研究了细粒焦渣对焦化污水的净化作用，温度25℃的条件下，酚的去除率为98%[18]。
2、混凝和絮凝沉淀法
混凝法是向污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，中和污水中某些物质表面所带的电荷，使这些带电物质发生凝集，是用来处理污水中自然沉淀法难以沉淀去除的细小悬浮物及胶体微粒，以降低污水的浊度和色度，但对可溶性有机物无效，常用于焦化污水的深度处理。
该法处理费用低，既可以间歇使用也可以连续使用。
上海焦化总厂选用厌氧-好氧生物脱氮结合聚铁絮凝机械加速澄清法对焦化污水进行综合治理，使出水中COD<158mg/L，NH3-N<15mg/L[19]。
近年来，新型复合混凝剂在焦化污水处理中的应用得到广泛的研究。
3、Fenton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污水时，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。
1.2.2生化处理法
生化处理法是一种利用微生物氧化分解污水中有机物的方法，常作为焦化污水处理系统中的二级处理。
1、A/O与A2/O法
目前国内主要采用A/O与A2/O工艺及其变异型脱氮工艺进行焦化污水的脱氮处理，脱氮效果较好。
MinZhang[20]等对A-A-O工艺与A-O工艺进行了比较，实验表明：
A-A-O工艺在NH3-N去除和反硝化方面均优于A-O工艺，特别是反硝化率方面A-A-O工艺是A-O工艺的两倍。
目前宝钢一、二期焦化污水就是对原A-O工艺优化后，采用了A-A-O工艺。
目前系统运行稳定，但由于条件控制复杂，投资费用高，为保证处理效果，运行中污泥及污水回流量较大，增加了动力消耗，且内循环液带入大量溶解氧，使反硝化池内难于保持理想的缺氧状态，影响反硝化过程降低了脱氮效率。
2、SBR法
SBR池兼均化、沉淀、生物降解及终沉等功能于一体。
国内外对SBR法研究的结果表明此法工艺简单、运行费用低、运行管理简单，同时不必设调节池，多数情况下可省去初沉池。
SBR反应池生化反应能力强，处理效果好，能有效地防止污泥膨胀，耐冲击负荷能力强，工作稳定性强。
用它来处理焦化污水，NH3-N的去除率达60%，传统SBR法对焦化污水降解效率不高[21]。
3、氧化沟技术
随着氧化沟技术的发展，出现了一系列脱氮技术与氧化沟技术相结合的污水处理工艺流程。
按照运行方式，氧化沟可以分为连续工作式、交替工作式和半交替工作式。
连续工作式氧化沟，如帕斯韦尔氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟。
奥贝尔氧化沟在我国应用比较多，这些氧化沟通过设置适当的缺氧段、好氧段都能取得较好的脱氮效果。
1.2.3化学处理法
1、催化湿式氧化技术
催化温式氧化技术是在高温、高压条件下，在催化剂作用下，用空气中的氧将溶于水或在水中悬浮的有机物氧化，最终转化为无害物质N2和CO2排放。
该技术的研究始于20世纪70年代，是在Zim-merman的湿式氧化技术的基础上发展起来的。
湿式催化氧化法具有适用范围广、氧化速度快、处理效率高、二次污染低、可回收能量和有用物料等优点。
但是，由于其催化剂价格昂贵，且在高温高压条件下运行，对工艺设备要求严格，国内很少将该法用于污水处理[23]。
2、臭氧氧化法
臭氧是一种强氧化剂，能与污水中大多数有机物，微生物迅速反应，同时还可起到脱色、除臭、杀菌的作用。
该法不会造成二次污染，操作管理简单方便。
但是，这种方法也存在投资高、电耗大、处理成本高的缺点。
同时若操作不当，臭氧会对周围生物造成危害。
因此，目前臭氧氧化法还主要应用于污水的深度处理。
在美国已开始应用臭氧氧化法处理焦化污水。
3、光催化氧化法
光催化氧化法是由光能引起电子和空隙之间的反应，产生具有较强反应活性的电子（空穴对），这些电子（空穴对）迁移到颗粒表面，便可以参与和加速氧化还原反应的进行。
光催化氧化法对水中酚类物质及其他有机物都有较高的去除率。
在最佳光催化条件下，控制污水流量为3600mL/h，就可以使出水COD值由472mg/L降至100mg/L以下，且检测不出多环芳烃。
目前，这种方法还仅停留在理论研究阶段。
1.3本工程概况
1.3.1工程总体设计
本工程主要任务为某焦化厂污水处理工艺设计。
主要任务是完成污水处理厂初步设计和单项处理构筑物施工图设计。
本工程选用的处理工艺为A/O工艺，工艺主要由缺氧反应池和好氧反应池组成。
污水首先进入缺氧池，在缺氧池内反硝化细菌利用原水中的酚等有机物作为电子受体将回流的硝化液液中的NO2－和NO3－还原成气态氮化合物N2、N2O。
反硝化出水流经过好氧池曝气后，残留的有机物被氧化，含氮化合物被硝化，硝态氮随硝化液回流至缺氧池进行反硝化。
经过本工艺的处理，此焦化污水处理后的出水优于国家《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456—92）中焦化行业一级标准。
1.3.2建厂当地自然条件
1、地理位置
此焦化厂位于某市东北部，西临某国道，南面和东面为某河流，北面临高速公路。
污水处理厂拟建在焦化厂的东北角。
2、地貌
此地地势低洼平坦，为退海冲积平原，地面高程一般在2～4m之间，最高为18.2m，最低0.4m，海拔高度3m～10m。
地势北高南低，由北向南的坡降为万分之一。
平原中部地势低洼平坦，海拔高度在2.5m～4m之间。
平原西南近海地带是沼泽地区，海拔高度在1.7m～3m之间。
3、气候
此市属暖温带大陆性半湿润季风气候区。
其特点是：
四季分明、雨热同季、干冷同期、温度适宜、光照充裕。
历年平均气温10.5℃；历年降水量为676.4mm；历年日照时数为2725.9h；年平均风速为3.0m/s，全年主导风向为西南；全年大于等于8级的大风日数为14天；土壤在11月中旬开始冻结，下旬封冰；解冰期在3月上旬，4月上旬化通；全年无霜期204d，终霜为4月上旬，初霜为10月中旬。
此地区降雪量很少。
年降雪日数平均为10d，最多为15d，最少为5d。
一般从11月4日左右开始见雪，最早的出现在10月3日，最晚在11月14日左右。
终雪一般在4月5日，结束最早在2月25日，最晚的4月23日，初终间日数为153d，最长达187d，最短为107d。
最大降雪深度为20cm（1964年12月1日）。
4、水文
此市境内有大、中、小型河流21条，境内总流域面积3750.3km2。
其中，全程流域面积大于5000km2的大型河流有4条：
辽河、大辽河、绕阳河、大凌河；中型河流有一条：
西沙河；小型河流有十几条：
月牙子河、南屁岗河、鸭子河、丰屯河、旧绕阳河、大羊河、外辽河、新开河、张家沟、东鸭子河、西鸭子河、潮沟、小柳河、太平河、一统河等。
其中，外辽河与新开河是辽河与大辽河的连通河道。
5、自然灾害
1）洪涝
此市地处诸河下游，素有“九河下梢，十年九涝”之说。
暴雨多出现在7月下旬至8月上中旬，常诱发洪涝灾害。
1840～1990年的150年间，境内共发生重大水灾67次，平均2.3年发生一次。
解放后，境内水灾仍较频发。
2）干旱
1840～1949年，平均不到6年发生一次旱灾。
水文站资料记载1950～1990d，大旱年有12年。
新中国成立后，本境采取了抗旱措施，修建排灌站和桥、涵、闸、渠，大部分旱田改水田，旱灾减少。
但春旱和伏旱时有发生，严重影响水田用水和水质。
3）地震
本境位于下辽河断陷盆地。
本境尚未发生破坏性地震，除1975年海城地震和1976年唐山地震波及此市外，最大的一次是1978年1月21日，辽滨苇场发生的3.5级地震。
2工艺设计
2.1设计任务
本设计的主要任务是完成某焦化厂焦化污水处理工艺设计。
2.1.1内容及要求
（1）设计内容：
①确定工艺流程，画出工艺平面布置图；
②选择处理构筑物，并通过计算确定其尺寸；
③画出工艺流程高程布置图；
④画出主要构筑物单体的平面、剖面图，要求图中注明施工（制作）
尺寸、构件明细表及技术要求等内容；
⑤编写设计说明书、计算书。
（2）处理要求：
要求经过处理后水质达到国家《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456—92）中焦化行业一级标准（CODCr≤100mg/L，NH3-N≤10mg/L，SS≤70mg/L,油类≤8mg/L）。
2.1.2设计水质及水量
已知设计参数：
CODCr≤2000mg/L；
BOD5≤610mg/L；
NH3-N≤200mg/L；
SS≤220mg/L；
油类≤230mg/L；
水量150m3/h，其中污水75m3/h，在生化阶段加入75m3/h的自来水作
为稀释水。
2.2处理工艺的选择
2.2.1处理工艺流程选择应考虑的因素
污水处理厂的工艺流程系指在保证处理水达到所要求的处理程度的前提下，所采用的污水处理技术各单元的有机组合。
在选定处理工艺流程的同时，还需要考虑各处理单元构筑物的形式，两者互为制约，互为影响。
污水处理工艺流程的选定，主要以下列各项因素作为依据。
1、污水的处理程度
2、工程造价与运行费用
3、当地的各项条件
4、原污水的水量与污水流入工程
该污水处理厂日处理能力约3600吨，属于中小规模的污水处理厂。
按《城市污水处理和污染防治技术政策》要求推荐，20万t/d规模大型污水厂一般采用常规活性污泥法工艺，10-20万t/d污水厂可以采用常规活性污泥法、氧化沟、SBR、AB法等工艺，小型污水厂还可以采用生物滤池、水解好氧法工艺等。
对脱磷脱氮有要求的城市，应采用二级强化处理，如A2/O工艺，A/O工艺，SBR及其改良工艺，氧化沟工艺，以及水解好氧工艺，生物滤池工艺等。
由于该焦化污水含氮量比较高，故脱氮是必须考虑的一项主要任务，在去除有机物等污染物的同时必须考虑对氮的去除。
故选取二级强化处理。
可供选取的工艺：
A/O工艺，A2/O工艺，SBR及其改良工艺，氧化沟工艺。
2.2.2具有脱氮能力的工艺
1、A2/O工艺
（1）A2/O处理工艺是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，A2/O工艺是在厌氧－好氧除磷工艺的基础上开发出来的，该工艺同时具有脱氮除磷的功能。
（2）A2/O工艺的特点：
1）厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类的微生物菌群的有机配合，能同时具有去除有机物、脱氮除磷功能；
2）在同时脱氮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它工艺。
3）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。
4）污泥中含磷量高，一般为2.5%以上[24]。
2、A/O工艺
该工艺于20世纪80年代初开发，其工艺流程如图2.2所示。
该工艺将反硝化段设置在系统的前面，因此又称为前置式反硝化生物脱氮系统，是目前较为广泛采用的一种生物脱氮工艺。
反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气混合液中含有大量硝酸盐，通过内循环回流到缺氧池中，在缺氧池中进行反硝化脱氮[1]。
N2
回流污泥
剩余污泥
硝化液回流
硝化反应器
（好氧）
反硝化反应器
（缺氧）
（缺氧
进水
沉淀池
图2.2A/O生物脱氮工艺
该工艺具有以下特点：
1）反硝化产生碱度补充硝化反应之需，约可补偿硝化反应中所消耗碱度的50%左右；
2）利用原污水中的有机物，无需外加碳源；
3）利用硝酸盐作为电子受体处理进水中有机物，这不仅可以节省后续曝气量，而且反硝化菌对碳源的利用更广泛，甚至包括难降解有机物；
4）前置缺氧池可以有效控制系统的污
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