活性污泥法处理煤化工污水的研究进展
阮玉磊
淮北矿业绿色化工新材料研究院有限公司，安徽 淮北235000
摘要：煤化工废水污染物成分复杂、可生化性较差，水体中富集氨氮、酚类以及杂环类难降解有机物，属于典型难处理工业废水。活性污泥法凭借运行成本低廉、工程适配范围广的技术优势，在煤化工污水生化处理阶段应用普遍。本文结合煤化工废水水质污染特性，介绍A/O、SBR及多种改良型活性污泥工艺的应用情况，从工艺优化、参数调控、生物脱氮、菌剂强化、智能化运维等方面提出改进方案，以期为煤化工污水生化处理系统提质改造、稳定运维提供理论参考。
关键词：煤化工废水；活性污泥法；生物脱氮；菌剂强化；工艺优化
Research Progress on Treatment of Coal Chemical Wastewater by Activated Sludge Process
Ruan Yulei
（Huaibei Mining Green Chemical New Materials Research Institute Co., Ltd, 235000 Huaibei, Anhui, China）
Abstract:Coal chemical wastewater is characterized by complex pollutant composition, poor biodegradability, and the accumulation of refractory organics such as ammonia nitrogen, phenols, and heterocyclic compounds, making it a typical type of difficult-to-treat industrial wastewater. The activated sludge process is widely adopted in the biochemical treatment stage of coal chemical wastewater due to its low operating cost and strong engineering adaptability. Based on the water quality characteristics of coal chemical wastewater, this paper reviews the application of A/O, SBR, and various modified activated sludge processes. Improvement strategies are proposed from the perspectives of process optimization, parameter regulation, biological nitrogen removal, bioaugmentation with microbial agents, and intelligent operation and maintenance, aiming to provide theoretical references for the upgrading, stable operation, and performance improvement of biochemical treatment systems for coal chemical wastewater.
Keywords: coal chemical wastewater; activated sludge process; biological nitrogen removal; bioaugmentation; process optimization
引 言
现代煤化工产业涵盖煤气化、煤焦化、煤制油等加工流程，生产工序耗水量大，伴随产生数量庞大的工艺废水与洗涤废水[1]。我国富煤贫油少气的资源禀赋推动煤化工产业在西北、华北煤炭富集区域集中落地，大型煤化工基地单厂日产生废水可达数千至数万立方米，废水处置压力持续加大。生产过程中原料煤炭经过高温气化、催化裂解、精馏提纯等多道工序，原料中的含氮、含氧、芳香烃类杂质随冷凝水、设备冲洗水汇入废水体系，造成污染物持续累积。这类废水成分结构复杂，不仅含有酚类、多环芳烃、含氮杂环化合物，还伴有高浓度无机盐组分，具备较强生物毒性，自然降解难度大，一直是工业废水治理领域亟待攻克的技术难题。在环保管控标准日趋严苛的行业背景下，污水稳定达标排放、水资源循环回用已经成为煤化工企业生产运营的硬性要求[2]。各地陆续出台煤化工废水回用、近零排放相关地方规范，常规一级排放标准已无法满足厂区中水回用需求，倒逼生化处理单元不断优化处理能力。
相较于物化处理技术，生物处理工艺经济性突出、二次污染程度低，是当前煤化工废水处理的主流技术手段。其中活性污泥法作为成熟的悬浮式生物处理技术，依托微生物絮体的吸附、分解以及硝化反硝化作用，同步去除水体中有机污染物与氮素污染物[3]。混凝沉淀、高级氧化等物化工艺药剂投加量大、运行能耗偏高，大规模废水连续处理经济性不足，而活性污泥依靠本土微生物代谢降解污染物，基建与日常运行费用更低，更加契合煤化工连续化大规模产水工况。但受限于煤化工污水水质波动幅度大、有毒污染物含量高的特性，生化系统极易出现污泥沉降性能变差、微生物活性受抑、脱氮效率不足等问题[4]。范利茹[5]针对煤化工生化脱氮系统开展试验研究，指出水质毒性与碳源缺失是限制工艺稳定运行的关键因素（其研究显示，分段进水两级A/O工艺总氮去除率可达85.8%，比传统A/O/O工艺提高近70%；一体式PN/A工艺氮去除速率达0.65±0.09kgN/（m³·d）。实际工程运行中，原料煤种更换、生产装置启停检修都会短时间改变进水水质，突发性高毒废水进入生化池极易造成功能菌大量失活，外加碳源投加过量或短缺同样会破坏硝化反硝化平衡。本文通过分析活性污泥工艺在煤化工污水处理中的应用现状，探讨运行制约因素与强化改良技术，总结现存技术瓶颈并预判行业发展方向，为煤化工污水生化处理系统优化升级提供理论依据。
1 煤化工废水水质特征及污染危害
1.1 水质基本特征
煤化工不同生产工段产出的废水水质差异显著，赵玮[6]在研究中归纳煤化工废水共性水质特征，指出该类废水普遍具备高有机物、高氨氮、低碳氮比、生物毒性强、含盐量高、水质波动明显的特点。焦化废水酚类污染物浓度远高于气化废水，煤制油废水长链烷烃、环状有机物占比更高，各工段废水混合后整体C/N比值普遍低于4:1，无法满足反硝化微生物碳源需求，成为生物脱氮的先天短板。原水含盐主要来源于原煤矿物质以及生产过程中投加的酸碱药剂，长期高盐环境会逐步改变微生物细胞渗透压。
卢育兵[7]针对煤气化废水开展水质检测，其通过复合诱变筛选的高效菌株对COD降解率达80%、氨氮降解率60%，且能耐受800mg/L氨氮和400mg/L酚，该研究表明气化废水污染物富集程度高，有机污染负荷突出，酚类与杂环污染物对微生物代谢存在明显抑制作用。徐云川[8]研究发现，煤焦化、煤制油废水同样富集大量难降解有机物质，常规生化工艺难以保障出水水质长期稳定达标。常规活性污泥驯化菌种仅能高效降解醇类、短链脂肪酸等易生化组分，吡啶、喹啉、吲哚等杂环有机物苯环结构稳定，开环降解难度大，长时间残留在水体中提升出水COD数值。
1.2 污染物毒害及环境危害
煤化工废水中酚类、杂环有毒物质对微生物存在明显毒害作用。支尧等[9]通过不同类型工业废水毒性对比试验，发现化工废水能够破坏微生物细胞膜结构，抑制胞内代谢酶活性，降低污泥呼吸速率与氨氧化能力，造成活菌占比下降，当化工废水比例达40%时，固定化污泥的比呼吸速率降低2.51mgO₂/（gVSS·h），氨氧化速率降低0.46mgNH₄⁺-N/（gVSS·h），活性细胞比例降至82.75%。
从生态保护角度分析，酚类物质可穿透菌体细胞膜，破坏胞内酶蛋白空间结构，致使硝化菌、反硝化菌关键代谢酶失活，污泥絮体松散破碎，生化系统处理能力逐步衰减。王丹[10]指出未经无害化处理的煤化工废水直接外排，其中的有毒有机物与盐分会破坏水体生态结构、造成土壤板结，对区域自然环境与人体健康构成潜在威胁。
2 煤化工污水处理中主流活性污泥工艺应用
2.1 A/O及其改良工艺
A/O工艺流程简洁、脱氮逻辑清晰、运行稳定性强，是煤化工行业应用普及率较高的基础活性污泥处理工艺。伍忠磊[11]结合工程实例，采用软化澄清耦合两级A/O组合工艺处理气化灰水，结果表明该工艺能够同步去除水体硬度、氨氮与总氮，适配化工装置长期连续运行工况。
为弥补单级A/O工艺抗冲击能力弱、脱氮上限有限的缺陷，分段进水两级A/O改良工艺逐步投入应用。陈凌跃[12]根据污水站运行数据总结，常规A/O工艺仍存在生物泡沫滋生、异味扩散、高负荷适应性差等实操弊端。
2.2 SBR及其组合工艺
SBR序批式活性污泥法无需独立二沉构筑物，运行调控灵活，适配煤化工水质波动频繁的工况。颜启辰[13]对比不同运行模式下的SBR处理效果，发现A/O运行模式对各类污染物的净化效果优于全程好氧模式，适配中小型煤化工污水处置场景。
孙威[14]采用SBR+CASS组合工艺处理甲醇工段废水，通过时序调控优化硝化、反硝化反应进程，有效削减污水中污染负荷。贺海波[15]搭建SBR智能化控制系统，实现运行参数精准调控，大幅提升污水站自动化运维水平。智能系统依托在线COD、氨氮监测仪表实时反馈水质数据，自动切换曝气设备启停与回流泵运行频率，减少人工现场取样化验频次，降低人为操作失误带来的系统波动。
2.3 新型改良活性污泥工艺
随着环保标准升级，各类改良活性污泥工艺逐步应用于煤化工难降解废水处理。杨俞[16]将IMC多段短程硝化反硝化工艺应用于高浓度煤化工废水处理，试验证明该工艺污染物去除效果优异，净化稳定性突出。
刘汝康[17]针对煤化工反渗透浓水高盐、难降解特性，采用MABR膜曝气生物膜工艺开展试验，在最优参数下COD去除率69.4%，氨氮去除率81.0%，总氮去除率54.3%；微生物群落中以变形菌门为优势菌群，结果表明该工艺菌群结构复杂、耐毒耐盐性强，对尾水处理效果优异，具备良好工程推广价值。MABR依靠透气膜原位供氧，氧气利用率远高于传统微孔曝气，生物膜分层形成好氧、缺氧微环境，同步实现硝化与反硝化，专门针对常规活性污泥难以处理的后端高盐浓水。
3 煤化工污水体系下活性污泥影响因素分析
3.1 有毒有机物抑制作用
污泥沉降性能直接决定生化系统运行稳定性。王炉光[18]研究发现，煤化工有毒污染物会破坏菌胶团完整结构，造成污泥松散、沉降指数升高，严重时引发污泥膨胀。
3.2 环境工况参数影响
温度、pH、碳氮比是影响污泥活性的核心环境参数。马彦蓉[19]研究表明，高温、高盐极端水环境会压缩功能微生物生存区间，造成硝化菌、反硝化菌丰度衰减，菌群结构失衡，极易诱发污泥膨胀等运行故障，其分离的耐热氨氧化菌在42℃下最大氨氮转化速率达1.62mgN·gprotein⁻¹·h⁻¹，耐热反硝化菌在40℃下亚硝氮去除速率达18.34mgN·gprotein⁻¹·d⁻¹，短程硝化-反硝化工艺在42℃时氮素去除率可达100%。
3.3 进水负荷与污泥理化性质
污水处置期间，进水负荷突增、悬浮物浓度超标，易引发污泥过度增殖、理化性质劣化，占用反应器有效处理空间，进而破坏整个工艺系统的稳定运行。同时，污泥颗粒粒径、胞外聚合物含量及菌胶团密实度，均会受进水水质条件和工艺运行参数影响，直接决定污泥的沉降与分离性能。生产装置开停车阶段大量废渣、细小煤粉随废水进入生化系统，惰性悬浮物富集在污泥絮体内部，降低污泥活性，曝气池有效容积被惰性杂质挤占，实际水力停留时间缩短，污染物来不及充分降解便随出水外排。
4 微生物群落结构及生物强化技术
4.1 驯化污泥菌群结构特征
长期污水驯化可筛选出耐毒性功能菌群，污染物种类决定群落演替规律。化工废水可定向富集鞘氨醇杆菌、鞘氨醇单胞菌等耐毒菌属。孙国平[20]通过微氧生化试验，发现固氮菌、甲苯单胞菌对吡啶类杂环有机物具备优异降解能力。持续的有毒环境筛选淘汰敏感菌种，耐受高毒的功能菌逐步成为优势菌群，驯化周期通常需要30～90天，进水水质频繁变动会打乱菌群演替节奏，延缓污泥驯化进程。
4.2 生物强化技术应用
功能菌株选育是提升处理效能的重要手段。陈琳琳[21]构建短程硝化-厌氧氨氧化体系，研究证实硝化菌与厌氧氨氧化菌协同完成脱氮反应，菌群结构随运行周期呈现规律性演替。厌氧氨氧化工艺无需大量有机碳源，契合煤化工低碳氮比废水特征，通过外源投加富集菌种，缩短系统启动时间，大幅降低外加碳源运行成本，是现阶段低碳生化处理热门技术方向。
5 优化策略与发展趋势
5.1 工艺优化与参数调控
结合现有学者研究成果，可依据废水水质实行分质处理：气化灰水采用软化澄清+两级A/O工艺，水质波动较大的污水选用SBR组合工艺，高盐浓水适配MABR、IMC新型工艺。运行过程中需精准管控溶解氧、污泥龄、水力停留时间等参数，优化菌胶团结构，严控进水污染物负荷，维持污泥浓度稳定，保障系统长效运行。分质分流预处理从源头拆分不同污染浓度废水，避免高毒浓水稀释大量常规废水，降低整体生化处理负荷；溶解氧分区管控，缺氧段DO控制在0.2mg/L以下，好氧段维持2～3mg/L，平衡硝化与反硝化反应需求。
5.2 生物强化与智能管控
结合诱变育种、人工投菌等方式定向添加耐毒、耐热功能菌剂，搭配污泥固定化、缓释碳源、藻菌共生等强化技术，降低外加碳源依赖。以呼吸速率、氨氧化速率为监测指标，搭建水质毒性预警体系，搭载智能控制系统实现参数自动调节，减少人工干预，提升运维智能化水平。商品化复合菌剂包含多种耐酚、耐盐功能菌种，定期补投可快速修复受毒性冲击的生化系统；藻菌共生体系利用藻类光合作用产氧，辅助供氧同时吸收氮磷营养盐，节能降耗效果突出。
5.3 污泥资源化与行业发展方向
优化污泥浓缩脱水工艺，推广厌氧消化技术，实现污泥减量与能源回收。张明[22]提出构建预处理-生化处理-深度净化-污泥处置全流程体系，推动污水治理低碳化、资源化发展。田茂远[23]认为，未来煤化工水处理行业应聚焦耐高温耐毒菌种研发、低能耗改良工艺开发、智能预警系统搭建以及污泥资源化利用，打造绿色节能的污水处理体系。生化剩余污泥经过厌氧发酵产生沼气，沼气可作为厂区锅炉燃料实现能源回用，脱水后的污泥经无害化处置可协同掺烧，实现固废资源化闭环处置，契合双碳政策发展要求。
6 结 论
本文围绕活性污泥法处理煤化工污, 水的技术现状，系统梳理了煤化工废水的水质特征、主流活性污泥工艺（A/O、SBR及IMC、MABR等改良工艺）的应用效果、微生物群落结构特征及生物强化技术的研究进展，并分析了有毒有机物抑制、环境参数波动、进水负荷变化等因素对系统稳定性的影响机制。
现有研究已形成以下共识：
（1）煤化工废水的高毒性、低碳氮比（C/N常低于4）及水质剧烈波动是制约活性污泥系统稳定运行的核心瓶颈；
（2）传统A/O、SBR工艺虽应用广泛，但在脱氮效率和抗冲击能力上存在固有不足。相比之下，分段进水两级A/O、IMC短程硝化反硝化、MABR膜曝气生物膜等改良工艺显著提升了污染物去除效果，尤其在应对高盐、难降解尾水方面展现出优势；
（3）长期驯化可定向富集耐毒功能菌群，而外源投加厌氧氨氧化菌或复合菌剂能有效缩短系统启动时间、降低碳源依赖。
然而，当前研究仍存在明显不足：多数成果来源于实验室规模或短期工程案例，缺乏对大型煤化工基地长期连续运行数据的系统分析；新型工艺（如MABR、PN/A）在真实波动水质条件下的经济性与稳定性尚需进一步验证；智能化运维与污泥资源化技术的工程集成案例仍然有限。
综上，活性污泥法仍是煤化工污水生化处理的核心技术，但其效能提升需依赖多工艺耦合、参数精准调控、生物强化及智能管控的综合集成。未来应重点开发耐高温、耐毒功能菌剂与低能耗工艺，完善基于在线监测的智能预警系统，并推动剩余污泥的能源化与资源化利用，形成面向近零排放的全流程低碳治理体系。这些方向的持续突破将推动活性污泥工艺向高效、抗毒、智能、绿色的方向迭代升级。
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