焦化废水的处理及排放问题一直是困扰焦化厂设计、建设、运营管理的一大难题，尚未出现突破性的研究成果。该类废水中污染物组成复杂，包括酚类、多环芳香族化合物及氮、氧、硫杂环化合物，是一类典型的含有难降解有机物的工业废水。
去除焦化废水中的有机物、氨氮可采用的方法主要有化学法、物理化学法和生物法，而生产实践和多项技术经济指标表明: 生物法是焦化废水处理最经济、有效、易操作的处理方法。其中以反硝化与硝化反应为主体的缺氧、好氧处理是行之有效的。目前国内焦化废水处理工艺和研究主要采用A/O 工艺及其变形工艺诸如A/O/O 工艺或A2/O 工艺等。由于焦化产品不同，焦化废水的水质有较大差异，即需选择不同的生化处理工艺流程，其核心离不开A/O硝化反硝化处理工艺。但目前采用A/O 工艺处理焦化废水主要面临着生化处理出水很难达标的问题，主要原因有如下几点：（1）好氧池进水CODCr较高，且含有生物抑制性有机物，抑制了硝化菌活性，硝化效果差，出水氨氮不达标；（2）进水氨氮浓度高，在缺氧段进水可生化降解的CODCr较低，且缺氧段水力停留时间过短，造成反硝化效果差，不能发挥缺氧反硝化和CODCr去除作用。
首钢某焦化厂排放的焦化废水中CODCr、氨氮、硫化物、氰化物和酚等有毒有害物质浓度较高，故在常规A/O 工艺前增加预曝气池来降解有机物和有毒物质，即O1/A/O2工艺，其中第1 段好氧反应器去除CODCr和生物抑制性有机物为主，第2 段好氧反应器以去除氨氮为主。
1 焦化废水来源及排放标准
1.1 废水来源
焦化厂主要生产工艺为煤高温干馏产生焦炭和煤气，并从煤气中回收焦油、苯、萘等化工产品。炼焦、煤气净化和化工产品精制过程中会产生剩余氨水和工艺废水，剩余氨水经蒸氨处理后构成了焦化废水的主要来源。
1.2 废水水质及排放标准
焦化废水的水质因煤气净化工艺的不同而差别很大。以首钢某焦化厂为例，其废水水质见表1，处理后出水应达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）二级标准。
表1 焦化废水水质及排放标准
除pH、色度（倍）外，其他各项目单位均为mg/L。
2 O1/A/O2工艺的提出
当前焦化废水生物处理主要采用A/O 工艺，它是在硝化—反硝化理论基础上建立的，尽管在去除焦化废水有机物、脱氮方面起到了积极的作用，但传统A/O 工艺不能适应CODCr为6 000～9 500 mg/L 的高浓度工况，只有通过大量加入稀释水的方法才能保证生化系统正常运行。所以O1/A/O2工艺较A/O工艺在高浓度焦化废水处理上更有优势:（1）通过预曝气，废水中高浓度有机物及其他有毒物质在预曝气池中得以部分降解，从而为后续A 段反硝化和O2段硝化细菌提供良好的生存空间；同时经过预曝气池后，部分难以好氧生物降解的有机物在缺氧池中开链、开环，使不可生物降解的有机物进一步降低，并通过缺氧反硝化作用进行脱氮。好氧池硝化细菌也处于最佳生态环境中，菌种活性特强，处理效果好。这样就达到了去除焦化废水有机物、脱氮的目的。（2）预曝气池降解了部分有机物，系统耐冲击负荷能力加大，同时减轻了后续工段的负担，提高了系统对CODCr、NH3-N 的去除能力，同时达到控制污染物的目的。由于采用了前曝气预处理、生物强化和控制较长污泥龄等措施，系统对CODCr去除效果稳定，且能耐较大的CODCr负荷和短期高浓度NH3-N 的冲击，取得了较好的处理效果。
3 废水处理工艺流程
3.1 工艺流程及主要设计参数
为确保处理后焦化废水达到国家排放标准要求，按每个处理阶段对各污染物的去除效率，在焦化废水处理工艺设计中设置了预处理、生化处理、深度处理和泥处理4 部分。具体工艺流程和主要配置如图1 和表2 所示。
表2 主要构筑物和工艺参数
3.2 预处理工艺
当废水中含油质量浓度＞50 mg/L 时会严重影响生化处理效果，一方面由于活性污泥菌胶团表面黏附一定量的油，阻碍了微生物对氧的摄取，从而使污泥的生物活性和生化处理效果下降；另一方面，污泥表面黏附油后，整体密度减小，影响了活性污泥的沉降性能，易造成污泥流失。设置平流隔油池的目的在于去除水中的轻油和重油，平流隔油池水力停留时间为3 h。设置气浮池的目的在于去除水中的乳化油，气浮池停留时间为1.2 h。
3.3 生化处理工艺
根据生物脱氮原理〔10〕，采用O1/A/O2硝化反硝化生物脱氮处理工艺。对焦化废水生物处理而言，水力停留时间不同，活性污泥的生物相组成和废水能被去除的污染物也各不相同，通常好氧池去除酚类的水力停留时间在8 h 之内，去除氰化物和硫氰化物的水力停留时间在16 h 以上，水力停留时间超过24 h 则有可能开始氨的硝化，因此，要实现废水去除有机物并生物脱氮，确定水力停留时间非常重要。由于焦化废水含有大量难生物降解有机物和有毒有害物质，好氧生物降解速率和硝化速率相对于城市污水来说要低得多。因此，好氧池应采用较低的容积负荷和较长的水力停留时间，以保证出水水质。
为使生化入水水质均和、水量稳定，设置调节池，其停留时间31 h。预曝气池为推流方式，采用微孔曝气器的充氧方式，水力停留时间为16 h。缺氧池为竖流式，池内满布固定生物填料，水力停留时间为20 h。好氧池为推流运行，采用微孔曝气充氧方式，水力停留时间为56 h。为便于生产灵活调节，缺氧池、好氧池按三系列设计。
3.4 深度处理工艺
深度处理采用混凝沉淀工艺，进一步脱除生化处理难以降解的CODCr、悬浮物和色度等有害物质。生化出水进孔室隔板反应池，混凝剂聚合硫酸铁与水中的非水溶物质作用形成絮体，同时投加助凝剂PAM 增强混凝效果。混凝反应池污水停留时间20 min，为保证最佳混凝效果，向反应池中投加NaOH 调节pH。之后废水低流速进入两座辐流式混凝沉淀池进行固液分离，混凝沉淀池表面负荷0.88 m3/（m2·h），停留时间为3.4 h。混凝沉淀池出水CODCr≤150 mg/L，色度≤70 倍。3.5 污泥处理工艺混凝沉淀污泥和剩余污泥等混合泥渣进入浓缩池浓缩，污泥含水率99%，停留时间12 h。浓缩后的泥浆再经2 台厢式压滤机脱水，污泥含水率75%。
4 工程运行结果与分析
本工程经过调试合格，正式投产一段时间后，各工序处理效果平均值见表3。
表3 各工序处理效果mg/L
由表3 可见，经过预处理工段，CODCr、酚、悬浮物等含量都有不同程度的降低，为后续生化处理创造了良好的条件。经过生化处理后CODCr、酚、氰等指标大幅降低。投加600～800 mg/L 聚合硫酸铁、1～2 mg/L PAM 后，CODCr去除率可达50%左右，出水各项指标达到了二级排放标准要求。O1/A/O2工艺对CODCr及NH3-N 的去除效果如图2、图3 所示。
从图2 可见，当生化池进水CODCr为3 500～5 800 mg/L 时，二沉池出水CODCr能保持在280 mg/L左右，O1/A/O2工艺对CODCr的平均去除率达到了93％以上。再经过混凝沉淀后，出水CODCr保持在150 mg/L 以下，出水达到了《污水综合排放标准》二级排放标准要求。同时由表3 可以看出，预曝气池对CODCr和酚降解起到了重要作用，去除率分别达到了70%和98%，为后续缺氧池和好氧池减轻了负荷，同时为使好氧池中硝化菌成为优势菌创造了条件。从图2 可以得出O1/A/O2工艺能够耐冲击负荷，即使进水CODCr偏高，也能对CODCr保持良好的去除效果。
由图3 可以看出，当进水氨氮在36～285 mg/L之间波动时，O1/A/O2工艺对NH3-N 的平均去除率为89％，且出水NH3-N＜25 mg/L。分析其原因是由于O1/A/O2工艺中的预曝气池去除了大量有机物，为硝化菌创造了最佳生存环境，同时在硝化区硝化菌对氨氮的降解时间较长，降解比较充分。。
综上可以得出O1/A/O2工艺的主导思想为分级处理。即先通过O1段对高浓度焦化废水进行预处理，降解有机物和有毒物质，为后续A 段反硝化创造了良好条件。再通过O2段进行完全碳化和硝化，最后通过上清液回流在A 段中最大程度的反硝化，最终达到去除CODCr和NH3-N 的目的。分级处理的特点是:由于碳氧化菌的世代周期远比硝化菌短，因此当有机物过剩时，菌落中碳氧化菌占优势，并消耗了硝化菌生存所必需的氧，影响了硝化反应的进行；通过设置预曝气池，使一部分抑制硝化菌的污染物得以碳化分解或去除，有利于硝化过程达到最佳状态，当硝化液回流比R=3～5 时，O1/A/O2工艺的处理效果良好。CODCr、NH3-N 去除率高且稳定，CODCr、NH3-N 的去除率分别在95%和89%以上。
O1/A/O2工艺取得良好的污染物去除效果，主要是让微生物在各自适宜的环境中得到优势生长，充分发挥其活性并利用了优势菌进行专性降解污染物的能力，使每个反应器尽可能地发挥作用，还利用了缺氧池生物填料降解能力强，处理效率高的特点，最终使出水达标排放。但是出水CODCr略高，未达到污水处理一级标准，还需进一步研究改进，以提高处理效果。同时应强化污染源头的治理，完善化工生产工艺，控制生产工艺全过程，稳定生产废水排水水质、水量，这是生化处理正常运行的前提。
5 结语
（1）采用以O1/A/O2硝化反硝化生物脱氮为核心的生物处理工艺处理高浓度焦化废水，在经过预处理、生化处理和深度处理后，出水达到了《污水综合排放标准》二级排放标准要求，部分指标达到了一级排放标准要求。
（2）采用平流隔油池和气浮池预处理能够有效去除水中的油，为后续生化处理创造了条件。
（3）O1/A/O2硝化反硝化生物脱氮处理工艺运行稳定，操作方便，耐冲击负荷强。在进水CODCr3 500～5 800 mg/L，进水NH3-N 36～285 mg/L 时，系统对CODCr和NH3-N 去除率分别达95%、89%以上。
（4）O1/A/O2工艺中预曝气池对CODCr和酚的去除率达到了70%、98%，有效降低了后续处理构筑物污泥负荷。
（5）采用聚合硫酸铁絮凝剂和PAM 助凝剂，当投加量分别为600～800 mg/L、1～2 mg/L 时，CODCr去除率可达50%左右，且脱色效果好。（工业水处理）
