我国重点发展煤化工的地区，多为水资源匮乏及生态脆弱地区，无法满足煤化工发展所必需的水资源需求，同时排放的废水十分难处理，对环境污染严重，如何解决上述问题成为影响煤化工发展的关键因素。包头煤化工项目是世界第一个煤制烯烃项目，博天环境集团股份有限公司根据多年的水处理经验，针对该废水的特点，率先提出了行之有效的煤化工废水解决方案。
1 废水的来源及特性
包头煤化工项目是以德士古炉工艺为主的煤制烯烃项目，废水处理站接纳的废水主要以煤气化阶段产生的气化废水和甲醇制烯烃阶段产生的气提净化废水为主，占整个废水量的70% 以上，同时还包括煤气制甲醇、甲醇制烯烃、烯烃分离、聚乙烯回收、回用水、火炬等装置的生产废水及全厂地面冲洗水、污染雨水和生活污水等。
气化废水主要是煤气化炉在制造煤气的过程中所产生的废水，包括气化炉排出的气化黑水和洗涤塔的循环排水，经沉淀后排入废水处理站，其特点是: 高COD、高氨氮、高硬度，COD 组成主要为甲酸、少量的氰化物和苯酚。
煤气净化废水主要为烯烃净化所产生的废水，包括急冷塔和水洗塔的排水，经沉淀和气提回收甲醇后的排水，其特点是高COD，含有少量油，COD 组成主要为甲醇和二甲醚。
2 工程设计
2. 1 设计进、出水水质
设计水量为400 m3 /h，运行水量为400 ～ 500m3 /h，2011 年实际运行的综合进水水质见表1。出水水质需达到《污水再生利用工程设计规范》(GB50335—2002)规定的再生水用作冷却水的水质指标: pH 值为6．5 ～ 9，COD≤60 mg /L，BOD5≤10 mg /L，NH3-N≤10 mg /L，合格出水提升至回用水装置，进一步回收利用。
表1 综合进水水质
Tab．1 Influent quality
2. 2 工艺流程、主要构筑物及设计参数
工艺流程见图1。主要构筑物及工艺参数如表2 所示。
图1 废水处理工艺流程
Fig．1 Flow chart of wastewater treatment process
表2 主要构筑物及工艺参数
Tab．2 Main structures and process parameters
来自地下管网的生活污水 先经过机械回转式格栅拦污后进入集水池，由污水提升泵送至调节池; 带压生产废水直接进入调节池。调节池内设pH 在线仪表，根据需要向调节池内投加碱液，池内同时设水下推进器混合调节废水，废水由调节池提升泵送至初沉池。采用辐流式初沉池，出水经由配水井向两系列A/O 系统平均配水。
在A/O 系统的进水渠道上投加营养盐和甲醇，废水与从O 池回流的硝化液及从二沉池回流的污泥混合进入A 池，A 池中间设隔墙，呈环形廊道，在水下推进器作用下，混合液在A 池内呈环状流动，保证污泥不沉积，完成反硝化反应，A 池出水进入O池，O 池为长方形，每个O 池共分三个廊道，废水依次流经三个廊道完成好氧脱碳及硝化反应，O 池出水经廊道进入硝化液回流池，池内设硝化液回流泵，回流硝化液经管道送至污泥配水井，并与回流的污泥混合向两个A 池平均配水，其他硝化液从硝化液回流池溢流进入两座二沉池。采用辐流式二沉池，内设刮泥机，二沉池出水进入中间水池，池内设生物滤池进水泵向曝气生物滤池供水。曝气生物滤池共分两组，每组两格。曝气生物滤池出水进入排放水池，由池内回用水泵送入回用水装置。
初沉池污泥自流入储泥池，由污泥泵送至污泥浓缩池，二沉池污泥排入污泥回流池，由污泥回流泵将回流污泥送至配水井与回流的硝化液混合向A池配水，污泥回流管道上设流量计。污泥回流池内同时设剩余污泥泵，将剩余污泥送至污泥浓缩池，浓缩池排出的污泥重力流入污泥调配池，池内设混合搅拌器。调配池内污泥由污泥输送泵送至卧螺离心脱水机，脱水后进入污泥斗，由汽车外运。
3 工程运行分析
3. 1 调试
本项目重点在于A/O 调试，为了较快地培养出活性污泥，采用接种污泥法，即向生物反应池内投加接种污泥。接种污泥一次投加量为150 t(含水率为80%)，加水调节，使生化池污泥浓度达到1 000 mg /L，在20 ℃左右进行闷曝。然后逐步少量进水、排水，反复闷曝以恢复污泥活性，直至污泥沉降比＞10%。
接着进行渐增的间歇进水和间歇闷曝，使污泥沉降比＞ 20%，并逐步提高废水BOD5负荷，直至达到设计负荷［0．08 kgBOD5 /(kgMLSS·d)］。污泥浓度达到设计要求的浓度(4 000 mg /L)以后进行生物脱氮系统的调试，虽然废水B /C 比值较高、氨氮浓度较高(200 mg /L)，可生化性较好，但需要投加磷酸盐及甲醇以保证生化系统、硝化及反硝化过程顺利进行，使整个生化系统保持稳定运行，从而达到良好的处理效果。
3. 2 运行效果
本系统24 h 连续运行，正常运行时对主要水质参数(COD、氨氮)的监测平均值及去除效果分别如图2、3 所示。
图2 A/O+BAF工艺对COD 的去除效果
Fig．2 Removal of COD by A/O+BAF process
图3 A/O+BAF工艺对NH3-N 的去除效果
Fig．3 Removal of NH3-N by A/O+BAF process
综合废水的COD 值受煤气化和净化废水水质影响，波动范围较大，实际运行时COD 值为800 ～1 800 mg /L，水量和水质均大于设计值，但工艺去除效果稳定，BAF 出水COD ＜ 60 mg /L，COD 去除率＞92%。综合废水的NH3-N 主要来自煤气化废水，浓度为150 ～ 250 mg /L，A/O工艺对NH3-N 有很好的去除效果，出水NH3-N ＜ 10 mg /L，NH3-N 去除率＞ 95%，均达到设计要求。
另外，在实际运行过程中，监测到气化废水中钙、镁离子含量很高，其中钙离子的平均浓度约为500 mg /L，镁离子的平均浓度约为40 mg /L。气化废水平均总硬度约为1 500 mg /L(以CaCO3计)，导致设备容易结垢。
具体分析结垢的主要原因包括: ①煤原料中钙的含量很高; ②德士古炉煤气化工艺的灰熔点要求在1 500 ℃以下，劣质煤为了排熔渣的需要，往往需要添加石灰作为助熔剂，又人为地增加了熔渣和气化废水中钙的含量。考虑硬度对膜片式曝气器影响，在二期改造中采用防堵塞煤化工专用的旋流曝气器。。
3. 3 运行费用
该工程运行费用主要包括电费、药剂费、水费、人工费。工程电耗为3．59 kW·h /m3，按电价为0．4元/(kW·h )计，电费为1．44 元/m3 ; 吨水消耗PAM、32% 的NaOH、磷盐分别为0．007 7、0．014、0．005 7 kg，各药剂价格分别为20 000、700、5 500元/t，则药剂费为0．20 元/m3 ; 吨水水耗为0．083m3，生产水价按0．8 元/m3 计，则水费为0．07 元/m3 ; 定员6 人，工资按平均为4 000 元/(月·人)计算，则人工费为0．08 元/m3 ; 运行费用合计1．79 元/m3。
4 结论
针对采用德士古炉工艺的煤制烯烃项目废水特点，采用A/O + BAF 生化工艺，系统运行稳定，处理成本低，出水水质达到《污水再生利用工程设计规范》(GB 50335-2002) 规定的再生水用作冷却水水质标准。另外，根据煤质及工艺特点，废水硬度较高，生化池曝气器建议选用防堵塞旋流曝气器。
