焦化废水生化处理的进展:物质效率、能源效率和二次污染的综合评价外文翻译资料

焦化废水生化处理的进展:物质效率、能源效率和二次污染的综合评价

作者：Zhi Qin ^a, Cong Wei ^a, Tuo Wei ^a, Zemin Li ^a, Zijun Pang ^a, Pei Luo ^a,Chunhua Feng ^a, Guanglei Qiu ^a,Chaohai Wei ^a,*, Haizhen Wu ^b, Yahuan Peng ^c, Chengfu Jiang ^c, Sergei Preis ^d

摘要：

高级生物处理技术的应用，使焦化废水的出水质量得到了改善，同时降低了污水处理厂的物质和能源投入。在废水处理中，生物工艺组合的多样性影响微生物和生化反应的多样性，从而导致出水质量差异。比较了厌氧-缺氧-好氧(A/A/O)、缺氧-好氧-水解-好氧(A/O/H/O)、缺氧-好氧-好氧(A/O/O)、好氧-水解-好氧(O/H/O)四种全尺度连续波工艺的化学物质消耗和能耗。温室气体的排放和多余的污泥的产生。结合上述参数，提出了一种新的性能指标来综合评价化工厂生产能力。O/H/O工艺运行稳定可靠，化学药剂成本最低，平均能耗低，而A/A/O工艺除TN效果较好，需要大量碱性药剂才能维持稳定。此外，在 A/A/O中大量添加化学物质会导致无机污泥的平均数量增加。此外，在处理富氮贫磷的焦化废水时，单好氧装置的A/A/O工艺无法实现节能。双好氧装置工艺可以实现更彻底的脱碳脱氮，这与生化反应的顺序有关。不同的序列组合可以产生HRT和DO的变化，从而使污染物通过不同的降解通道进行降解。在CWPI的对比分析中，可以看出O/H/O是等效能量最小的生物处理工艺，在连续水处理中具有广阔的应用前景。A/O/O和A/O/H/O组合是很好的发展尝试；然而，更节能的运行模式还有待进一步研究。

关键词：

全尺寸焦化废水处理工程 生物处理 物流分析 能耗 焦化废水性能指标

工业废水处理，与标准的城市污水相比，具有更高的节能潜力，因为它们的成分是可变的，即必须采用多样化的处理方法，以尽可能减少化学品和能源的消耗，提供可接受的清洁效果 (Cui et al., 2017; Tezcan Un et al., 2017) 。各种工艺过程产生的工业废水在污染物的性质和数量上具有高度变异性。中国日益严格的环境保护标准要求我们研究和应用有效的、资源丰富的废水处理方法组合 (Malone et al., 2018) 。一种含有大量可转化化学能的高污染焦化废水的处理具有潜在的可行性(Lai et al.,2008; Zhou et al., 2018)。

据报道，2019年全国焦炭年产量达4.71 times; 108吨，连续波产量2.83 times; 108 m³ (NBSC, 2019)。焦化废水的来源是多方面的：从焦炉煤气中收集到的剩余氨冷凝水与焦油分离处收集到的焦油水混合在一起。CW的化学需氧量 (COD) 较高，偏差在2000 ~ 8000 mg O₂ L^minus;1范围内。如此大范围的污染是由煤的组成、焦炉技术的应用以及区域气候等环境因素所决定的。污染物清单包括酚类化合物、苯衍生物、长链烷烃/油、吡啶、呋喃、腈、氯代烃、多环芳烃(PAHs)以及其他有机物质(Kong et al., 2018; Zhang et al., 2019a, 2019b)。此外，CW中还存在NH⁴ 、CN^minus;、SCN^minus;、S^2minus;、F^minus;、Cl^minus;等无机污染物(Kong et al., 2019)。由于原料化学水的成分不稳定、贮存不稳定、耐高温、有毒等特点，对化学水处理中能源和化学品的需求还没有完全了解，有待进一步优化(Wei et al., 2019)。对处理工艺及其组合进行综合评价和分析，可为工程技术人员设计优化处理工艺提供依据。投入-产出关系的变化以及所追求的治疗目标大大增加了在工艺和参数方面的选择自由程度。

目前，在成熟的连续波处理技术中，物理化学一级处理方法与活性污泥系统中的二级生物氧化和后续高级氧化相结合的方法占主导地位(Wang et al., 2019; Wei et al., 2020)。厌氧消化/水解 好氧氧化组合在生物处理中表现出良好的应用前景。例如厌氧-缺氧-好氧(A/A/O)工艺被广泛应用于城市污水中氮、磷的同时去除。这种组合也应用于CW处理，尽管它在进水的高有机负荷下表现不佳，表明即使在长水力滞留时间(HRT)下，厌氧罐的效率也很低。(Lin et al., 2017)。单一好氧处理对COD的降解作用不足，不能充分降低毒性，抑制进一步脱氮(Shi et al., 2017)。结果，许多其他工艺组合开始被尝试。例如，焦化废水处理厂(CWTPs)通常采用缺氧-好氧-好氧(A/O/O)等生物处理方法的组合(Ou et al., 2014; Yang et al., 2015)，缺氧-好氧-水解-好氧（A/O/H/O）(Zhang et al., 2012; Kong et al., 2018; Kong et al., 2019)，和好氧-水解-好氧（O/H/O）(Zhou et al., 2018; Zhu et al., 2019; Wei et al., 2020; Wei et al., 2021). 这些过程的时间、地点和水质背景不一致，缺乏对具体的全规模工程进行合理的比较和分析。在连续水处理中，生物处理过程的效率取决于细菌培养接触组织，即污泥或生物膜，操作参数和反应器设计在化学品和能源消耗方面的差异 (Guo et al., 2009; Zhu et al., 2009; Li et al., 2011)。

随着人们越来越重视可持续发展的概念，污水处理厂的效率也得到了更多的考虑(Baleta et al., 2019). 例如,Lorenzo-Toja(Lorenzo-Toja et al., 2015)以及Torregrossa和同事(Torregrossa et al., 2018) 采用LCA DEA方法对污水处理厂进行了生态效率分析。Chen (Chen et al., 2020a) 采用LCA方法评估各种化武的生命周期成本，制定政策建议。连续水处理工艺的发展目标是实现液体零排放。对于严重污染的工业废水，这一目标要求对修改了化学物质消耗、温室气体排放、污泥资源化利用等指标的化学废物处理系统的电力投入进行分析，因为化学废物处理系统的性能是从能源费用、总成本、和生态安全。复杂工业废水处理的目标还包括在最小时空占用条件下，在不产生二次污染物的前提下，以化学品消耗为约束，将关键污染物去除到合格的程度。为了追求这些目标，对CW生物学进行了比较讨论工艺提供的工艺特性足以作为新建化学废物处理设施进一步设计和决策的指导方针。

长期以来，焦炭生产发展过程中，水污染问题一直是人们关注的焦点，然而，对水污染问题的关注主要集中在政策法规和排放结果的评价上。技术方面的研究没有引起足够的重视(Ji et al., 2016; Pan et al.,2012). 一些研究小组已经将各种关键性能指标(KPIs )用于污水处理厂，如生化需氧量( BOD₅ )、COD和总氮(TN)去除方面的能源支出(Longo et al., 2016)。然而，在分析处理性能、化学品和能源消耗时，必须建立处理效率和成本之间的关系。焦化废水性能指标( CWPIs )结合化学品和能源消耗、温室气体排放和污泥生产，将指定的影响因素和操作条件归一化为过程建模中使用的电力消耗当量。根据CWPIs的计算，不仅可以比较评价不同CWTPs的处理性能，还可以准确分析各电厂的实际运行情况。

本研究的目的是开发一种化学疗法，作为一种帮助选择最佳化学疗法策略的工具。某企业四种不同类型的CWTPs所衍生的不同CW生物工艺组合的分析数据，为组合CWPIs的设计提供了依据。一个合格的水处理工艺不仅需要追求出水水质标准，还需要重视稳定性和生态安全。作为为企业环保服务的主要设施，所有四个全面的化学废物处理设施均以最少的投资达到排放标准，确保研究的中立性。本研究完成以下任务:

1. 通过将处理技术的化学品和能源消耗、温室气体排放和污泥生产正常化来估算处理技术的成本。考虑到成本因素，可以确定CW处理技术组合的优缺点。
2. 对考虑的全量程化学废物处理装置的性能应用一个简单的修正模型
3. 澄清工业废水处理过程中污染控制的目标:污染物转化中的命运和物质流，能量流及其对环境风险控制的影响。
4. 方法
   1. CWTPs和研究边界

21世纪初，中国钢铁工业呈现出快速发展的态势。随着钢铁产量的增长，宝武集团广东韶关钢铁有限公司充足的焦炭供应是由新建的焦炉提供的。烘箱建成后，四个处理废水的化学废物处理系统投入使用。随着对化学化学的认识不断加深，以及环保要求日益严格，新的生物工艺组合已被提出，并应用于新的化学废物处理设施，这就是本次研究的主题。这些流程在相似的外部环境、进水CW质量背景、人员操作和气候条件下运行。这种相似性为在稳定的可比条件下交叉比较四种全尺寸生物过程组合提供了很好的机会。

图S1-S4展示了A/A/O, A/O/O, A/O/H/O, O/H/O，以及它们的简要特征。A/O/O、A/O/H/O和O/H/O组合采用污泥的内循环三相流化床，并在不使用沉淀池的情况下对后者进行原位分离，而A/A/O采用集成生物反应器(IBR)，即内部循环生物反应器被认为具有节能效果。钢铁生产区设有一体化污水处理装置，使连续水排放采用较软的间接排放标准（表S1）。表1显示联合过程的主要单元的能力和组成。焦化废水进水水质特征如表S2所示。生产条件的变化导致连续进水参数的变化（表2）。表S3列出了出水CW的平均统计质量指标，总结了CW质量参数和处理目标。图S5给出了该范围下的工艺组合180天的进水、出水和COD去除率的参数。据统计，O/H/O工艺平均COD去除率最高，达到98.12%。A/A/O工艺稳定性较差，平均出水浓度为97.5 mg O₂·L^minus;1，平均COD去除率为97.7%。

过程组合分析考虑了各种外部因素，使得过程比较复杂。然而，对生物过程性能的主要影响是化学品和能源消耗作为一种投入，并产生二次污染物，如温室气体和污泥:这些参数限制了为消除与生物过程组合性能无关的外部因素的干扰而制定的研究框架。图1概述了CW处理的流程和流程的概念。

图1研究边界:化学物质和能源有限公司

图2.实际生物过程中化学品的消耗

图3.实际生物工艺组合中的化学费用(月平均超过12个月)

图4.考虑的生物工艺组合的总能量费用

• 1. 物流分析(MFA)

物质流动分析，指的是物质流动和转化的动力学，涉及到现场调查收集的基础数据，综合计算一个国家、地区或企业所考虑的资源的投入和产出。CWTP过程中能量流动和物质转化的复杂性使得统计方法在数据分析中是最可靠的方法。化学废物处理站的所有化学品流动和转化数据均来自其日常运作。

• 1. 焦化废水性能指标(CWPIs)

人们已经制定了多种指标来分析和评价CWTPs的性能(Quadros et al., 2010)。常用指标包括进水和出水质量、运行成本指数(OCI) (Flores-Alsina et al., 2011)和能源消耗(Panepinto et al.,2016)。关键性能指标( KPI )以一种标准化的形式，根据输入与输出的比率，对CWTPs消耗的资源进行有效而快速的评估。这些指标通常应用于污水处理厂的性能分析(Benedetti et al., 2008; Longo et al., 2016)。然而，CWTPs的多种输出形式提供了反映性能的多个关键指标，当整体考虑时，单个指标通常无法系统地反映运行状态，因此需要使用多维概念(Benedetti et al., 2008; Longo et al., 2016)。

表1四种不同焦化废水处理厂流程