焦化废水生化处理强化技术基础及应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李海波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-05-23 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 张懿 ; 曹宏斌 ; 张懿 ; 曹宏斌 |
| 关键词 | 焦化废水 生化处理 强化技术 难降解有机物 反硝化 氨氮 短程硝化 |
| 其他题名 | Study on strengthening methods of biological technology for coking wastewater treatment |
| 学位专业 | 化学工艺 |
| 中文摘要 | 焦化废水的有效治理一直是环境工程领域研究的热点和难点。本文以焦化废水中主要污染物氨氮和难降解有机物为对象研究焦化废水生化处理强化技术。首次利用生物反硝化反应去除焦化废水中大部分难降解有机物，进而在一级好氧反应器中通过短程硝化去除焦化废水中高浓度的氨氮，通过二级好氧反应器去除一级好氧阶段产生的亚硝酸根,开发了一种新颖的强化缺氧反硝化-一级好氧短程硝化-二级好氧全程硝化（A/O1-O2）生化处理工艺。主要研究内容和结果如下：（1）通过强化缺氧反应器生物反硝化作用去除焦化废水中大部分难降解有机污染物，分别在一级、二级好氧反应器实现短程硝化和全程硝化，研究通过A/O1-O2生化工艺处理焦化废水。经缺氧反应器,焦化废水中化学需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）浓度可由800-1000 mg/L降低到200-300 mg/L；控制溶解氧浓度(Dissolved Oxygen,DO)为2.0-3.0 mg/L，在一级好氧连续流生物膜反应器中实现了短程硝化；调控水力停留时间（Hydraulic Retention Time,HRT）和进水氨氮浓度，维持反应器的氨氮容积负荷为0.13-0.22 g NH4+-N/（L∙day），一级好氧反应器中氨氮去除率和亚硝基氮积累率能够同时维持在85%以上。A/O1-O2工艺出水氨氮、挥发酚、氰化物、硫氰化物、油类、pH值等指标达到国家一级排放标准，COD指标达到国家二级排放标准。（2）温度为30±1℃，pH=7.0-8.5，DO=2.0-3.0 mg/L，进水氨氮浓度为100mg/L条件下，以A/O1-O2生化工艺处理后的焦化废水配制进水，在序批式生物反应器（Sequencing Batch Reactor,SBR）中能快速实现短程硝化，15个运行周期后氨氮去除率和亚硝基氮积累率能同时达到85%以上。焦化废水中残留的难降解有机物、较高的温度和较低的溶解氧浓度对SBR反应器中硝酸菌的抑制作用可能是短程硝化能够快速启动的主要因素。（3）焦化废水中主要污染物对生物硝化过程的抑制作用应为非竞争可逆阻化，污染物对氨氮氧化和亚硝基氮氧化过程的抑制可分别用动力学模型vI=vmax∙(1/(1+CI/KI))∙(S/(KS+S))和v’I=v’max∙(1/(1+CI/K’I))∙ (S’/(K’S+S’))来描述。实验采用的污染物浓度范围内，A/O1-O2工艺出水中难降解有机物（浓度以COD计）、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、苯、喹啉、吡啶、吲哚和硫氰酸根的平均KI值分别为：112.48 mg/L、3.52 mg/L、5.63 mg/L、2.70 mg/L、5.57 mg/L、18.33 mg/L、43.69 mg/L、7.08 mg/L和48.13 mg/L；平均K’I为：12.83 mg/L、3.10 mg/L、4.77 mg/L、2.99 mg/L、4.56 mg/L、8.29 mg/L、15.14 mg/L、5.84 mg/L和26.26 mg/L。动力学模型中KI和K’I值越小，污染物对氨氮氧化和亚硝基氮氧化的抑制作用越强；同一污染物的K’I值与KI值相比越小，对亚硝基氮氧化的抑制作用相对越强，亚硝基氮积累率越大。（4）强化缺氧反应器反硝化作用去除焦化废水中难降解有机污染物最佳NO3--N/COD值为1：3，出水COD可由800-1000 mg/L降低到200-300 mg/L，COD去除率可达80%以上。气相色谱-质谱分析(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)发现，通过强化反硝化，缺氧反应器对焦化废水中总有机物的去除率由17.84%提高到88.73%以上，出水主要有机污染物种类由39种减少为16种。缺氧反应器能有效去除焦化废水中的大部分挥发酚、苯系物和含氮杂环化合物等物质，而复杂苯系物、结构复杂的酚类、结构复杂的含氮杂环化合物、酮类、长链酯类等物质去除效果不理想。强化缺氧反应器的反硝化作用可优化A/O1-O2工艺对焦化废水中难降解有机污染物的去除效果，A/O1-O2工艺出水COD浓度可由250-450 mg/L降低到150 mg/L左右；A/O1-O2工艺出水有机物含量可减少71.53%，种类可由31种减少到17种。通过强化缺氧反应器反硝化作用，去除了大部分有机污染物，某些通过生物好氧反应得不到去除的有机物能在反硝化作用下去除；减少了进入后续好氧反应器的有机物种类及浓度，可避免因有机物好氧降解产生更难被生物利用的难降解有机物，从而优化了A/O1-O2工艺对焦化废水中难降解有机物的去除效果，降低了出水COD浓度。（5）缺氧反应器中污染物浓度随反应器高度增大而减小，缺氧反应器具有推流式反应器的流体特征，污染物降解动力学可用模型来描述。缺氧反应器反硝化降解焦化废水中COD、挥发酚和硝基氮的动力学模型可分别描述为： , , 。动力学模型中，K值的大小反映污染物相对降解速率，n值的大小反映水力停留时间对污染物降解的影响。挥发酚是焦化废水中易降解有机物，在缺氧反应器中能够通过反硝化作用快速彻底地去除；挥发酚降解动力学模型中K值较大，说明实验采用的水力停留时间对挥发酚的降解没有太大影响；水力停留时间为13h的情况下，焦化废水中挥发酚也能得到有效去除。焦化废水COD的有机组成非常复杂，其中含有大量难降解有机物；COD降解动力学模型中K值很小，说明缺氧反应器中COD相对降解速率较慢，COD很难通过缺氧反应器彻底去除。COD为反硝化碳源，体现在动力学模型方面，COD和硝基氮降解动力学模型中的K值和n值比较接近。（6）A/O1-O2工艺各反应器中生物污泥能对焦化废水中多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs）如萘、蒽、菲、芘、荧蒽、苯并蒽和苯并芘等吸附富集。生化系统运行160天后，通过气质联用（GC-MS）分析了焦化废水原水以及各生物反应器中生物污泥富集的有机物污染物的种类和含量。结果表明，多环芳烃占焦化废水原水，缺氧反应器、一级好氧反应器和二级好氧反应器生物污泥中总有机污染物的质量百分比分别为5.232、37.193、55.224和51.150％；主要多环芳烃分别为1、9、17和8种。萘是焦化废水原水中检出的唯一多环芳烃类物质，而荧蒽、芘、苯并蒽、苯并荧蒽和苯并芘是生物污泥富集的主要多环芳烃类物质。焦化废水原水中分子量较大的多环芳烃含量很低，可通过吸附作用在生物污泥中积累富集。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）观察生物污泥表面结构，结合多环芳烃的物化性质分析，可认为多环芳烃的强吸附性可能是其强疏水性以及分子间范德华力共同作用的结果。（7）通过聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,PCR-DGGE)指纹图谱分析表明，在不同工艺条件下，A/O1-O2工艺各反应器中生物污泥菌群结构发生了不同的进化演替。不同菌种在各反应器生物污泥中优势生长，使各反应器发挥特定功能，维持了A/O1-O2工艺稳定运行。结合实验室研究成果，在攀钢煤化工厂建立两级缺氧-三级好氧（A1-A2/O1-O2-O3,A2/O3）焦化废水生化处理示范工程并调试运行，示范工程对COD、挥发酚和氨氮的去除率分别为95.7、99.9、和99.9%，系统出水氨氮、挥发酚、氰化物、油类物质等指标达到国家一级排放标准，COD达到国家二级排放标准。 |
| 英文摘要 | Coking wastewater contains biorefractory organic pollutants, which are persistent in the environment and have adverse effects on wildlife and humans, and ammonium nitrogen which may lead to nutrition unbalance in water environment, and thus its effective treatment has become a hot study in environmental engineering field. This paper developed novel methods to optimize the biological treatment technology for coking wastewater. The biodegradation of biorefractory organic pollutants was carried out through the denitrification process and the ammonium nitrogen was degraded via shortcut nitrification in the continuous flow biofilm bioreactor, which was first applied in the field of biological treatment for coking wastewater. (1) Coking wastewater was treated by the A/O1-O2 biological process, which was composed by an anoxic bioreactor and two aerobic ones. The biorefractory organic pollutants were biodegraded through the denitrification process in the anoxic bioreactor and ammonium nitrogen was oxidized through shortcut nitrification process in the first aerobic process. The COD (Chemical Oxygen Demand) concentration was reduced from 800-1000 mg/L in the influent to 200-300 mg/L in the effluent of the anoxic bioreactor. Shortcut nitrification was obtained in the first aerobic bioreactor when the temperature was 35±1℃ and the DO (Dissolved Oxygen) concentration was 2.0-3.0 mg/L. The ammonia oxidation rate and nitrite accumulation rate could be both maintained more than 85%, adjusting the HRT (Hydraulic Retention Time) and the ammonium nitrogen concentration in the influent of the first aerobic bioreactor to keep the ammonium nitrogen volume load between 0.13-0.22 g NH4+-N/(L·day). |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-22 |
| 页码 | 151 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1621]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李海波. 焦化废水生化处理强化技术基础及应用研究[D]. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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