反硝化产甲烷复合反应器(UBF)处理焦化废水特征污染物工艺研究

摘要

焦化废水是典型的高C/N比难降解有机废水，其COD浓度一般在1000～4000 mg/L，NH3-N浓度在200～400 mg/L之间，C/N在10左右。焦化废水中含有大量酚类、含氮杂环类等难降解有机污染物，可生化性差，BOD/COD比值低于0.3。焦化废水处理常用工艺有A/O（缺氧/好氧）、A2/O（厌氧/缺氧/好氧）等，均是通过厌氧水解加强废水可生化性，然后通过好氧池将有机物氧化为CO2，实现去除目的；同时在好氧池内NH3-N被氧化为NOx--N，并回流到缺氧池（A池）进行反硝化，最终被还原为 N2排出。在焦化废水处理常用工艺中，有机物的去除主要由好氧池承担，不但加大了好氧池的动能消耗，而且大量生长的好氧微生物还抑制了自养硝化菌的繁殖，使得废水硝化效率下降，从而影响到总氮的去除。为实现COD、总氮同时达标排放，在 A/O、A2/O工艺基础上不得不增加强化有机物降解的前置预处理措施和混凝、过滤等后置深度处理措施，使焦化废水处理工艺更加复杂，处理费用更高。
　　反硝化产甲烷复合反应器(Upflow Blanket Filter，UBF)是指在UBF反应器内实现同时反硝化产甲烷反应。利用该反应器处理焦化废水，可充分发挥反硝化、产甲烷等厌氧菌群间协同作用，实现有机物和NOx--N的同时高效去除，不仅简化了生化处理流程，而且提升了COD厌氧去除功效，降低进入后续好氧段的COD浓度，从而降低好氧去除COD的曝气能耗；同时缓解了好氧微生物对硝化菌的抑制作用，提高硝化效率；还可获得由厌氧产甲烷菌降解有机物产生的生物能源。
　　本研究以苯酚、喹啉、吡啶、吲哚配水模拟焦化废水，研究了反硝化产甲烷复合反应器的启动条件，影响因素和稳定运行特征，并建立了该工艺处理焦化废水特征污染物的动力学模型，研究主要结论如下：
　　（1）通过启动进料负荷模型，确定污泥初始负荷为0.10 kgCOD/（kgVSS·d），负荷递增率为20%。对比分析了先培养产甲烷菌后培养反硝化菌（方案1）与同时培养反硝化菌和产甲烷菌（方案2）两种方案的启动效率、运行环境和微生物特征，方案1于14周后COD去除率达85%，NO3--N去除率达99%。方案2在11周后即可现实相同去除效率，而且反应器启动运行更加稳定，方案2更为高效。
　　（2）调整进水水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）、进水C/N（COD/NO3--N）比、污泥床上升流速等影响因素，分析其对UBF反应器处理效率影响，确定最佳工况条件为:HRT为6 h，C/N比10，污泥床上升流速为1.0 m/h~3.0 m/h。
　　（3）考察了有机物冲击负荷对UBF反应器的影响，有机负荷在6.012 kgCOD/（m3·d）～10.045 kgCOD/（m3·d）时，COD和NO3--N总去除率几乎不受影响，当负荷增大到12.260 kgCOD/（m3·d）时，COD和NO3--N总去除率开始下降，但在负荷调整到正常水平时，COD和NO3--N去除率可迅速恢复。NH3-N对产甲烷菌活性有一定影响，当NH3-N浓度为800 mg/L时，产甲烷菌受到了明显抑制，COD去除效率下降，而反硝化去除效率几乎不受影响。
　　（4）反应器在最佳工况下稳定运行时，COD和NO3--N总去除率为89.12%和99.87%。COD污泥区去除率为60.63%，填料区去除率仅为28.49%。NO3--N几乎全部是在污泥区去除，反硝化比耗碳率为5.6 gNO3--N/gCOD，污泥区细胞产率0.18 gVSS/gCOD。生物气体产量为5.582 L/d，其中CH4、N2、CO2和H2分别占气体组分的59.33%、16.34%、21.10%和2.56%。各取样口出水挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）占COD比例范围在1.67~15.57%之间。氧化还原电位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）在-156 mV~-302 mV之间，沿反应器高度方向下降，pH值范围在6.8~7.0之间，污泥区pH值较高，而填料区中部pH值最低。
　　（5）利用不同取样口出水的GC/MS检测结果，推断苯酚、喹啉、吡啶、吲哚在反硝化产甲烷复合反应器降解途径：苯酚降解途径为4-羟基苯甲酸途径；喹啉降解途径为2,8-二羟基喹啉途径；吡啶降解途径为二羟基吡啶途径；吲哚降解途径为吲哚满二酮开环途径。
　　（6）通过PCR-DGGE技术分析了污泥区和填料区微生物种群，污泥区微生物主要以拟杆菌门和变形菌门为优势菌种，其中Bacteroides sp.、Pseudomonas baetica、Stenotrophomonas sp.、Alicycliphilus denitrificans是反硝化功能菌，Ignavibacterium sp、Petrimonas sulfuriphila是厌氧降解有机物体系中常见菌种，具有降解多环芳烃功能。填料区微生物优势菌属有Ignavibacterium sp、Petrimonas sulfuriphila、Uncultured Bellilinea sp.，主要为拟杆菌门，Uncultured Bellilinea sp.是产甲烷功能菌。
　　（7）引入难降解系数，修正Monod模型，建立反硝化产甲烷复合反应器处理焦化废水特征污染物的有机物降解动力学模型；采用双底物Monod模型，模拟反应器内NO3--N降解动力学，两模型拟合效果良好。
　　本研究主要创新点：针对高C/N焦化废水传统生物工艺的弊端，提出同时反硝化产甲烷体系联合降解去除COD的工艺设想；构建了反硝化产甲烷复合反应器，实现了反硝化过程与产甲烷过程的功能区划，利用反硝化、产甲烷等多种菌群协同作用，提高厌氧生物处理单元的效能；较为系统、全面地研究了反硝化产甲烷复合反应器处理模拟焦化废水的启动特征，影响因素和运行特点，分析了苯酚、喹啉、吡啶、吲哚降解途径，明确了反应器污泥区与填料区微生物菌群结构，建立了有机物和NO3--N降解动力学模型。
　　本研究为焦化废水生化处理提供了全新视角，丰富了厌氧处理废水理论，对提高焦化废水COD厌氧去除效率、节省工程投资、降低运行成本有普遍的工程应用价值。该工艺理论的建立及技术开发，在工业有机废水处理领域有广泛的应用前景。

目录

声明

符号说明

第一章 前 言

1.1研究背景

1.2研究内容

第二章 文献综述

2.1有机废水厌氧生物处理优点

2.2反硝化原理及影响因素

2.3产甲烷原理及影响因素

2.4反硝化产甲烷特征及影响因素

2.5复合床反应器特征及应用

2.6小结

第3章 材料、方法与分析测试

3.1 材料与方法

3.2 分析项目与测试

第4章 反硝化产甲烷UBF反应器启动特征

4.1反应器启动进料负荷模型

4.2反应器启动方案

4.3污泥菌群形态

4.4 小结

第5章 反硝化产甲烷UBF反应器影响因素和运行特征

5.1 反硝化产甲烷UBF反应器影响因素

5.2反硝化产甲烷 UBF反应器运行特征

5.3 小结

第6章 同时反硝化产甲烷处理焦化废水动力学研究

6.1动力学模型选择

6.2 材料与方法

6.3 焦化废水反硝化产甲烷动力学分析

6.4小结

第7章 结论与建议

7.1 研究结论

7.2 研究创新点

7.3 存在问题与建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研情况

博士学位论文独创性说明