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炼油碱水碱渣是石油炼制过程中油品碱洗精制时产生的一种含有大量硫化物和酚类等有毒有害污染物的碱性废液(pH>12)。该废水排放量不大,但其污染物的浓度高,危害大,成为炼油厂的主要恶臭污染源,直接影响污水处理场的正常运行和对周围环境产生严重的危害。湿式空气氧化法(Wet Air Oxidation,WAO)是一种成熟的高浓度炼油碱水碱渣处理方法,但由于该技术对操作条件(高温高压)和对反应器设备(耐高温高压和防腐等)要求较高,且投资和运行成本大,从而限制了该技术的推广应用。而生物处理法是一种新型的炼油碱水碱渣处理方法,由于其反应条件温和、安全、成本低,有广阔的应用前景。因此,本论文对炼油碱水碱渣的生物预处理工艺和机理进行了研究,为炼油碱水碱渣的生物预处理提供理论和技术依据。
生物预处理工艺选择研究结果表明,上流式厌氧污泥床-厌氧滤池(Upflow Anaerobic Sludge Bed-Anaerobic Filter,UASB-AF)厌氧生物处理工艺可以提高碱水的可生化性,对碱水各污染物有一定的去除效果。而生物曝气滤池(Biological Aerated Filter,BAF)好氧生物处理炼油碱水能够获得良好的处理效果。但BAF处理碱水存在反冲洗周期短、布气不均匀等缺点。本文开发了一种新型循环生物曝气滤池(Circulating Biological Aerated Filter,CBAF)反应器,具有高效、反冲洗周期长和低成本等优点,适合高浓度炼油碱水碱渣的处理。
采用四级CBAF反应器和两种填料(拉西环、陶粒)进行了4种填料与反应器组合选择试验,结果表明拉西环和陶粒填料是CBAF生物反应器处理炼油碱水碱渣的理想载体,适宜的填料与反应器组合是：拉西环-陶粒-陶粒-陶粒。但作为高浓度污水的预处理,为了节约处理成本和降低工程投资费用,选用二级CBAF反应器处理炼油碱水碱渣是适宜的,且第一级反应器选用拉西环填料,第二级反应器选用陶粒填料。
采用两级CBAF反应器分别对中和后的炼油碱水和碱渣进行生物预处理试验,研究了不同气水比、水力停留时间、反冲洗周期、DO浓度、温度、pH值等因素对污水中各污染物处理效果的影响,结果表明DO浓度和pH值是影响CBAF生物处理效果的关键控制因素。
当碱水处理量为0.5 m3·h-1时,炼油废碱水经两级CBAF生物反应器处理后,COD、硫化物、挥发酚和石油类污染物的平均去除率分别达到72.0％、98.8％、79.6％和85.2％,其中一级反应器对硫化物的平均去除率和降解负荷分别达到97.7％和1.37kg·m-3·d-1,对COD的平均去除率和降解负荷分别达到52.9％和4.35 kg·m-3·d-1。当碱渣经10倍稀释中和后处理量为1.0 m3.h-1时,炼油碱渣经两级CBAF生物反应器处理后,COD、硫化物、挥发酚和石油类污染物的平均去除率分别达到89.3％、99.8％、93.9％和85.1％。其中一级反应器对硫化物的平均去除率和降解负荷分别达到99.2％和4.44kg·m-3·d-1,对COD的平均去除率和降解负荷分别达到83.4％和8.37kg·m-3·d-1。
两级CBAF生物反应器均能分离、纯化出具有优良降解性能的硫细菌和酚细菌。经过常规生理生化特征试验和16S rDNA序列分析结果,鉴定该细菌分别为排硫硫杆菌和产碱菌属。并对其生长和降解特性进行研究,为炼油碱水碱渣的生物脱硫除酚机理提供了生物学依据,并为实际废水处理提供参考数据。
硫化物转化机理研究结果表明,在常温常压下,炼油碱水碱渣中硫化物的去除主要由生物脱硫作用而去除,化学氧化作用和曝气吹脱作用对硫化物的去除率较低。pH值对硫化物的生物处理和曝气吹脱作用影响较大。当一级处理出水pH值在7～8.5时,曝气对硫化物的吹脱作用不明显,其吹脱去除率在1％以下。
硫化物转化形态研究结果表明,炼油碱水碱渣中的硫化物在好氧硫细菌的作用下主要转化成为单质S,基本不生成SO32-和S2O32-,生成SO42-的比例也很低。且硫化物转化成单质S的过程是一个产碱的过程,会造成pH值升高,与理论分析结论一致。