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焦化废水处理焦粉利用技术分析

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摘要:焦粉具有与活性炭相似的性质,可作为活性炭的替代材料应用于焦化废水处理。文章介绍了关于焦粉改性为焦粉活性炭以及直接作为吸附剂处理焦化废水的研究,总结了各研究焦粉投加量、焦粉粒径、吸附时间、废水pH值对焦化废水处理效果的影响,同时分析了该技术在工程应用中存在的问题。结果表明该技术有待优化,其巨大的潜力应引起更多的关注。

关键词:焦粉;焦粉活性炭;焦化废水;水处理;有机污染物

随着我国对焦化行业环保要求的提高,焦化行业“三废”治理问题逐渐成为制约企业发展的重要因素,其中焦化废水因其产量大、危害高、处理难成为焦化行业亟待解决的问题。生产每吨焦炭焦化废水产量约0.3~0.4t,来源主要有:①焦炉煤气冷凝液进行了废氨回收处理的剩余氨水;②焦炉煤气中的化学产品回收和精制过程中工艺介质的分离水;③循环系统排水、水封水、冲洗水;④厂区生活污水等。焦化废水含有酚、氨氮、氰、苯、吡啶、吲哚和喹啉等几十种污染物,成分复杂,污染物浓度高、色度高、毒性大,性质非常稳定,是一种典型的难降解有机废水[1]。现阶段焦化企业对焦化废水的处理工艺一般为:物化处理→预处理→常规处理→熄焦。其中物化处理主要是工艺段的“脱酚、蒸氨”,预处理主要是混凝、除油,常规处理主要是生化处理(A2/O等)+混凝沉淀,出水进行湿法熄焦[2],这样看似达到焦化废水的“零排放”,实则用于熄焦的废水蒸发对环境造成了较大的破坏。随着干法熄焦的推广,焦化废水已再无出路,必须为企业回用,然而早期的常规处理工艺对氨氮和COD等物质去除能力有限,很难达到严格的回用水质要求。归纳焦化企业废水处理存在的主要问题主要有以下方面:焦化废水含有大量难生物降解有机物,需要配合高级催化氧化等化学处理,导致废水处理成本偏高;经过生化处理后,氨氮可有效去除,但COD去除有限且色度过高,增大了后续深度处理回用的难度。如何使焦化废水在较低成本投入下取得良好的处理效果以达到回用目的成为现今行业研究的课题。焦粉是破碎焦炭过程中产生的粒径小于5mm的焦炭。焦粉作为焦化企业副产品之一,约占焦炭成品的4%[3],主要来源于焦化厂的筛分工段、环境除尘站以及干法熄焦工艺除尘站,可连续大量产出。收集后的焦粉一般用做配煤回炉炼焦,也可作为碳材料用于高分子、电子、建筑等行业。焦粉经过高温煅烧和活化,具有与活性炭相似的孔隙结构,兼具自产自用、无需粉碎和廉价易得的特点[4],正逐渐引起人们重视并被研究应用于替代活性炭成为焦化厂废水达标处理的吸附材料。

1焦粉活化改性

焦粉与活性炭相比孔隙较少,吸附能力较差,因此需要通过改性活化增强其吸附能力。张彩荣等[5]用焦粉及煤焦油为原料,经过高温炭化活化制备出中孔大孔发达的焦粉活性炭材料;雒和明等[6]在活化时间80min,活化温度900℃,KOH与废弃焦粉的质量比为4,焦粉粒径小于0.05mm条件下制备出亚甲基蓝吸附值远高于净水炭的焦粉活性炭,产率为35.6%;田陆峰[7]、张劲勇[8]将焦粉经过高温活化后,再分别利用H2SO4、HNO3和NaOH改性,表明不同的改性剂有不同的改性机理,酸改性能较好地提高焦粉的吸附性能。将焦粉活化改性生产焦粉活性炭可替代商品活性炭是焦化厂实现焦粉综合利用处理焦化废水的可行方法,但活化改性工艺将导致水处理成本增加。

2焦粉直接作为吸附剂

国内外进行了大量关于焦粉直接作为吸附剂处理焦化废水的研究,其中有将焦粉用于生化处理后的深度处理工艺[9-12];还有将焦粉用于吸附未经生化处理的焦化废水[13-15]。各研究者在焦粉吸附条件如:焦粉投加量,焦粉粒径,吸附时间以及pH值等方面做了以下研究。

2.1焦粉投加量

在焦粉投加量对吸附效果的影响研究中,其他条件基本相同时(吸附时间为3h,焦粉粒径为0.1~2mm),焦粉投加量越大,吸附效果越好。李娅[9]以生化处理后的焦化废水(COD约为275mg/L,色度1396°,pH值为4)为研究对象,在焦粉投加量为100g/L时,COD去除率为70%,色度去除率75%;徐渊皓[10]以生化处理二沉池出水(COD约为200mg/L,pH值为4)作为研究对象,在焦粉投加量为133g/L时,COD去除率为71%;陈鹏等[11]以生化处理+催化氧化出水(COD约为60~80mg/L,色度40~50倍)为研究对象,在焦粉投加量为80g/L时,COD去除率为37.4%,色度降低至23倍;余柏林等[12]以生化处理出水(COD约为176mg/L,pH值为7~9)作为研究对象,以焦粉为滤料,1t焦粉过滤200t废水(滤料量为5g/L),COD去除率为60%。张洪恩等[13]以除油蒸氨处理后的焦化废水(COD约为3750mg/L,pH值为8)为研究对象,在焦粉投加量为20%,即200g/L时,吸附时间为1min,COD去除率为60%;MoheZhang等[14]以焦化废水(COD约为16000mg/L,色度25000°,pH值为9.1)为研究对象,在焦粉投加量为200g/L时,吸附时间为6h,COD去除率为91.6%,色度去除率为90%。

2.2焦粉粒径

在焦粉投加量对吸附效果的影响研究中,其他条件基本相同时,李娅[9]、陈鹏[11]、余柏林[12]、张洪恩[13]研究表明焦粉粒径为0.1~0.2mm吸附效果最好,徐渊皓[10]研究表明焦粉粒径为2.2mm吸附效果最好。随着焦粉粒度的增大,其比表面积和气孔率明显降低,有效吸附能力下降,因此焦粉粒度越小吸附性越好[13]。

2.3吸附时间

李娅[9]、徐渊皓[10]、余柏林[12]研究表明在匀速搅拌条件下,3h为吸附的最佳时间。吸附时间过短,由于受焦粉吸附速率的影响,废水中有机物不能在焦粉表面被充分吸附,吸附处理后的出水和色度均不达标;吸附时间过长,单位质量焦粉的水力负荷就会减小,焦粉用量随之增大[9]。2.4pH值李娅[9]、徐渊皓[10]、陈鹏[11]研究表明pH值为2~4时,焦粉对COD去除率更高。废水呈酸性更有利于焦粉发挥吸附作用,这也与前面所述焦粉酸性改性增强吸附能力相吻合。张洪恩[13]研究表明废水pH值对焦粉吸附去除COD、挥发酚几乎没有影响。

3存在的问题

3.1投加量在各研究中,使焦化废水COD去除率为40%到75%的焦粉投加量为80g/L到200g/L(吸附时间约为3h)。然而在实际工程中,吨焦产生废水为0.3~0.4t,吨焦产焦粉约为4%,可用于焦化废水处理的焦粉约为1%~2%,加上焦化生产间歇周转,在仅用自产焦粉的情况下,投加量大于80g/L都是不合理的。

3.2投加方式

一些研究者在发明专利中对焦粉投加方式以及工业生产模式进行了设计。刘宪[15]将焦粉替代活性炭装在吸附塔中进行吸附,吸附时间为3~4h,一旦吸附饱和,过滤设备中的焦粉更换无法进行机械化操作,完全是间歇式的加入和排出,人工用量和强度都极大。而且该设计未考虑过滤速度问题,若使用其推荐的方法所需吸附塔数量极大,实际布置操作都有一定难度。余柏林、凌亮以投加装置将焦粉加入反应器(池)内进行吸附的方法[16,17]也值得商榷,因为焦粉来源于除尘站,粒径极小,如果直接投加没有做好防尘措施,可能造成粉尘的二次污染,而且焦粉密度小于水导致与焦化废水搅拌混合难度大。

4结论与展望

综上所述,焦粉对焦化废水中的污染物有较强的吸附能力,但焦粉的投加量和投加方式存在一定的问题。后续的研究应该对焦粉物化性质进行更深入的分析,筛选吸附能力强的焦粉,并对焦化废水分级分类处理,做到焦化企业自产焦粉的合理利用。另外,焦粉投加工艺应经济实用、操作简便、易于实现自动化,这对该工艺系统的设计提出了更高的要求。国内关于焦粉处理焦化废水的实践经验较少,技术尚未成熟,各操作参数有待于优化论证。但不可否认的是焦粉有着巨大的使用价值,应进行更多的研究最终实现大规模工业化,突破焦化企业环保难关。

作者:王海峰 蒋召友 张秋丹 单位:西安华江环保科技股份有限公司

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