论文部分内容阅读
焦化废水是一种典型的高COD，高氨氮，难降解的工业废水，主要含有高浓度苯酚及大量吡啶，喹啉，吲哚等含氮杂环有机化合物。难降解有机物和氮高效去除是焦化废水生化出水达标的难点和关键。传统单点进水、一段式缺氧/好氧（A/O）活性污泥法很难实现难降解有机物和氮高效去除目标，为此本研究提出了一种分段进水A/O复合式曝气生物滤池新工艺(Step-feed Multiple Hybrid Anoxic/Oxic Biological Aerated Filter，SMHA/OBAF)。分段进水方式保证了有机物负荷在各段合理分配和碳源均衡利用，将多级A/O和曝气生物滤池有机结合，利用BAF中间曝气自然分隔形成缺氧区和好氧区，使有机物在缺氧区为反硝化细菌提供碳源，剩余的有机物在好氧区中被进一步地去除，交替多段A/O保证了高效硝化和反硝化，从而实现对焦化废水中难降解有机物和氮的同步去除。
本研究采用三段式的SMHA/OBAF小试系统处理模拟焦化废水，以苯酚作为主要底物，同时添加不同浓度和比例的吡啶，喹啉和吲哚以反映实际焦化废水水质特性，重点研究在长期运行和不同进水条件下，考察系统及工艺各段对COD、苯酚、含氮杂环和TN的去除特性，研究各段出水光谱学特征，并对原水和出水的有机组分进行了鉴定分析；分析工艺各段微生物群落多样性和群落结构组成，重点分析了关键菌群功能特性，明确各段对COD和总氮的贡献程度，最后对系统COD和TN去除动力学进行了分析。研究成果将为SMHA/OBAF工艺高效处理实际焦化废水中难降解有机污染物和氮提供理论基础和技术参数。本研究的主要结论如下：
（1）考察了不同运行条件下系统对COD，苯酚，吡啶，喹啉和吲哚的去除效能，结果表明：延长HRT至48h，并逐步提高进水COD负荷和氨氮负荷至1.993kg/m3d（410mg/L）和0.072kg/m3d(150mg/L)，COD，苯酚，吡啶，喹啉和吲哚去除率均高达99.9%，去除效果最佳。有机物去除贡献表明：大部分的苯酚和吲哚主要在缺氧区被降解利用；而吡啶和喹啉在A2和A3区的去除贡献率为(21.66%，32.58%)和(22.79%,25.89%)，高于相应的好氧区。
（2）对各段出水进行了光谱学分析，紫外-可见光谱表明：系统处理后的出水芳香性、分子量及聚合度明显下降。红外光谱分析表明：A1中产生了大量带有C=C和C=O双键的酰胺类有机物，少量带有C-O的多糖及醇类物质，以及苯酚的中间产物等。从缺氧区到好氧区，吸收峰的强度和数量呈现不同程度的下降。三维荧光光谱表明：缺氧区存在大量的芳香蛋白，可溶性微生物副产物和海洋类腐殖酸等物质，经好氧处理后仅剩少量的芳香蛋白类有机物并伴随荧光强度的明显下降。气相色谱-质谱联用分析表明：原水中的四种有机物经系统处理后，出水仅存在着少量的苯酚及一些小分子醇类，烷烃烯烃，苯系物，酮类，酯类等有机物。
（3）探讨了不同因素对系统脱氮性能的影响，通过水质参数和运行参数的调整实现了TN去除能力的提高。研究表明：提高HRT，TN去除率会随着进水COD和氨氮负荷的提高略有提升；而降低COD负荷并提高进水PH可以显著强化脱氮性能，TN去除率由69.3%提高到98%。沿程三氮分析表明：O2和O3中存在高强度的同步硝化反硝化（SND）作用。A3区对TN去除贡献率最高，为25.9%，其次为O2（24.4%）和O3区（19.2%）。
（4）高通量测序发现进水COD负荷和有机组成是影响微生物群落丰度和多样性的主要原因。在属水平上，A1，A2的优势菌属为甲烷丝菌属(Methanothrix)，而A3的优势菌属为芽殖杆菌属(Gemmobacter)。系统中含有大量的苯酚降解菌，杂环降解菌，产甲烷菌，产酸菌和反硝化菌等多种功能菌。O1，O2和O3的优势菌分别为Ferruginibacter（2.78%），Dokdonella（8.39%）和芽殖杆菌属(20.18%）。亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）是主要的AOB，在各段占比分别为0.39%，0.32%和0.05%。而NOB基本没有检测，表明系统以发生短程硝化为主。大量的异养硝化-好氧反硝化细菌被发现，在各段的占比分别为4.53%，3.59%和2.99%。此外，厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia在三个好氧区也被检测到，功能微生物的比例分配表明：A1区以有机物酸化和产甲烷为主，A2区以产甲烷功能为主，并带有反硝化功能和有机物降解作用，A3区以反硝化脱氮为主。O1和O2区以异养硝化-好氧反硝化及短程硝化-厌氧氨氧化作用为主，而O3区以异养硝化-好氧反硝化作用为主。
（5）生化动力学研究表明，一阶基质去除模型和莫诺接触氧化模型均不适用于系统对COD和TN去除，而改进的Stover-Kincannon模型可以很好地描述系统对COD（R2=0.9997）和TN（R2=0.9935）去除，可作为SMHA/OBAF工艺生化动力学描述。
本研究采用三段式的SMHA/OBAF小试系统处理模拟焦化废水，以苯酚作为主要底物，同时添加不同浓度和比例的吡啶，喹啉和吲哚以反映实际焦化废水水质特性，重点研究在长期运行和不同进水条件下，考察系统及工艺各段对COD、苯酚、含氮杂环和TN的去除特性，研究各段出水光谱学特征，并对原水和出水的有机组分进行了鉴定分析；分析工艺各段微生物群落多样性和群落结构组成，重点分析了关键菌群功能特性，明确各段对COD和总氮的贡献程度，最后对系统COD和TN去除动力学进行了分析。研究成果将为SMHA/OBAF工艺高效处理实际焦化废水中难降解有机污染物和氮提供理论基础和技术参数。本研究的主要结论如下：
（1）考察了不同运行条件下系统对COD，苯酚，吡啶，喹啉和吲哚的去除效能，结果表明：延长HRT至48h，并逐步提高进水COD负荷和氨氮负荷至1.993kg/m3d（410mg/L）和0.072kg/m3d(150mg/L)，COD，苯酚，吡啶，喹啉和吲哚去除率均高达99.9%，去除效果最佳。有机物去除贡献表明：大部分的苯酚和吲哚主要在缺氧区被降解利用；而吡啶和喹啉在A2和A3区的去除贡献率为(21.66%，32.58%)和(22.79%,25.89%)，高于相应的好氧区。
（2）对各段出水进行了光谱学分析，紫外-可见光谱表明：系统处理后的出水芳香性、分子量及聚合度明显下降。红外光谱分析表明：A1中产生了大量带有C=C和C=O双键的酰胺类有机物，少量带有C-O的多糖及醇类物质，以及苯酚的中间产物等。从缺氧区到好氧区，吸收峰的强度和数量呈现不同程度的下降。三维荧光光谱表明：缺氧区存在大量的芳香蛋白，可溶性微生物副产物和海洋类腐殖酸等物质，经好氧处理后仅剩少量的芳香蛋白类有机物并伴随荧光强度的明显下降。气相色谱-质谱联用分析表明：原水中的四种有机物经系统处理后，出水仅存在着少量的苯酚及一些小分子醇类，烷烃烯烃，苯系物，酮类，酯类等有机物。
（3）探讨了不同因素对系统脱氮性能的影响，通过水质参数和运行参数的调整实现了TN去除能力的提高。研究表明：提高HRT，TN去除率会随着进水COD和氨氮负荷的提高略有提升；而降低COD负荷并提高进水PH可以显著强化脱氮性能，TN去除率由69.3%提高到98%。沿程三氮分析表明：O2和O3中存在高强度的同步硝化反硝化（SND）作用。A3区对TN去除贡献率最高，为25.9%，其次为O2（24.4%）和O3区（19.2%）。
（4）高通量测序发现进水COD负荷和有机组成是影响微生物群落丰度和多样性的主要原因。在属水平上，A1，A2的优势菌属为甲烷丝菌属(Methanothrix)，而A3的优势菌属为芽殖杆菌属(Gemmobacter)。系统中含有大量的苯酚降解菌，杂环降解菌，产甲烷菌，产酸菌和反硝化菌等多种功能菌。O1，O2和O3的优势菌分别为Ferruginibacter（2.78%），Dokdonella（8.39%）和芽殖杆菌属(20.18%）。亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）是主要的AOB，在各段占比分别为0.39%，0.32%和0.05%。而NOB基本没有检测，表明系统以发生短程硝化为主。大量的异养硝化-好氧反硝化细菌被发现，在各段的占比分别为4.53%，3.59%和2.99%。此外，厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia在三个好氧区也被检测到，功能微生物的比例分配表明：A1区以有机物酸化和产甲烷为主，A2区以产甲烷功能为主，并带有反硝化功能和有机物降解作用，A3区以反硝化脱氮为主。O1和O2区以异养硝化-好氧反硝化及短程硝化-厌氧氨氧化作用为主，而O3区以异养硝化-好氧反硝化作用为主。
（5）生化动力学研究表明，一阶基质去除模型和莫诺接触氧化模型均不适用于系统对COD和TN去除，而改进的Stover-Kincannon模型可以很好地描述系统对COD（R2=0.9997）和TN（R2=0.9935）去除，可作为SMHA/OBAF工艺生化动力学描述。