论文部分内容阅读
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。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。控制溶解氧浓度(Dissolved Oxygen,DO)为2.0-3.0mg/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。
(2)控制工艺参数,以A/O1-O2生化工艺处理后的焦化废水配制序批式生物反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR)进水,在反应器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V1=Vmax·(1/(1+C1/K1))·(S/(Ks+S))和V’.1=v’max·(1/(1+C1/K’1))·(S’/(K’s+S’))来描述。动力学模型中K1和K’1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’1值与K1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。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。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Se/So=e-KD/Ln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:
Se,COD/So,COD=e-0.01439D/L1.1345,Se,phenols/So,phenols=e-0.2132D/L0.8358,Se,NO3--N/So,NO3--N=e-0.01929D/L1.0381。
(5)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(PolycyclicAromatic 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,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％。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。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,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。
(6)通过聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(Polymerase ChainReaction—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。
将研究结果应用于攀钢焦化废水生化处理示范工程,强化工业装置中COD的去除效果并降低处理成本,生化系统出水氨氮、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。