【摘要】：焦化廢水是典型的高C/N比難降解有機(jī)廢水,其COD濃度一般在1000~4000 mg/L,NH_3-N濃度在200~400 mg/L之間,C/N在10左右。焦化廢水中含有大量酚類、含氮雜環(huán)類等難降解有機(jī)污染物,可生化性差,BOD/COD比值低于0.3。焦化廢水處理常用工藝有A/O(缺氧/好氧)、A~2/O(厭氧/缺氧/好氧)等,均是通過厭氧水解加強(qiáng)廢水可生化性,然后通過好氧池將有機(jī)物氧化為CO2,實現(xiàn)去除目的;同時在好氧池內(nèi)NH_3-N被氧化為NO_x~--N,并回流到缺氧池(A池)進(jìn)行反硝化,最終被還原為N2排出。在焦化廢水處理常用工藝中,有機(jī)物的去除主要由好氧池承擔(dān),不但加大了好氧池的動能消耗,而且大量生長的好氧微生物還抑制了自養(yǎng)硝化菌的繁殖,使得廢水硝化效率下降,從而影響到總氮的去除。為實現(xiàn)COD、總氮同時達(dá)標(biāo)排放,在A/O、A~2/O工藝基礎(chǔ)上不得不增加強(qiáng)化有機(jī)物降解的前置預(yù)處理措施和混凝、過濾等后置深度處理措施,使焦化廢水處理工藝更加復(fù)雜,處理費用更高。反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器(Upflow Blanket Filter,UBF)是指在UBF反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)同時反硝化產(chǎn)甲烷反應(yīng)。利用該反應(yīng)器處理焦化廢水,可充分發(fā)揮反硝化、產(chǎn)甲烷等厭氧菌群間協(xié)同作用,實現(xiàn)有機(jī)物和NO_x~--N的同時高效去除,不僅簡化了生化處理流程,而且提升了COD厭氧去除功效,降低進(jìn)入后續(xù)好氧段的COD濃度,從而降低好氧去除COD的曝氣能耗;同時緩解了好氧微生物對硝化菌的抑制作用,提高硝化效率;還可獲得由厭氧產(chǎn)甲烷菌降解有機(jī)物產(chǎn)生的生物能源。本研究以苯酚、喹啉、吡啶、吲哚配水模擬焦化廢水,研究了反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器的啟動條件,影響因素和穩(wěn)定運行特征,并建立了該工藝處理焦化廢水特征污染物的動力學(xué)模型,研究主要結(jié)論如下:(1)通過啟動進(jìn)料負(fù)荷模型,確定污泥初始負(fù)荷為0.10 kg COD/(kg VSS·d),負(fù)荷遞增率為20%。對比分析了先培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌后培養(yǎng)反硝化菌(方案1)與同時培養(yǎng)反硝化菌和產(chǎn)甲烷菌(方案2)兩種方案的啟動效率、運行環(huán)境和微生物特征,方案1于14周后COD去除率達(dá)85%,NO_3~--N去除率達(dá)99%。方案2在11周后即可現(xiàn)實相同去除效率,而且反應(yīng)器啟動運行更加穩(wěn)定,方案2更為高效。(2)調(diào)整進(jìn)水水力停留時間(Hydraulic Retention Time,HRT)、進(jìn)水C/N(COD/NO_3~--N)比、污泥床上升流速等影響因素,分析其對UBF反應(yīng)器處理效率影響,確定最佳工況條件為:HRT為6 h,C/N比10,污泥床上升流速為1.0 m/h~3.0 m/h。(3)考察了有機(jī)物沖擊負(fù)荷對UBF反應(yīng)器的影響,有機(jī)負(fù)荷在6.012 kg COD/(m~3·d)~10.045 kg COD/(m~3·d)時,COD和NO3--N總?cè)コ蕩缀醪皇苡绊?當(dāng)負(fù)荷增大到12.260 kg COD/(m~3·d)時,COD和NO_3~--N總?cè)コ书_始下降,但在負(fù)荷調(diào)整到正常水平時,COD和NO_3~--N去除率可迅速恢復(fù)。NH_3-N對產(chǎn)甲烷菌活性有一定影響,當(dāng)NH_3-N濃度為800 mg/L時,產(chǎn)甲烷菌受到了明顯抑制,COD去除效率下降,而反硝化去除效率幾乎不受影響。(4)反應(yīng)器在最佳工況下穩(wěn)定運行時,COD和NO_3~--N總?cè)コ蕿?9.12%和99.87%。COD污泥區(qū)去除率為60.63%,填料區(qū)去除率僅為28.49%。NO_3~--N幾乎全部是在污泥區(qū)去除,反硝化比耗碳率為5.6 g NO_3~--N/g COD,污泥區(qū)細(xì)胞產(chǎn)率0.18 g VSS/g COD。生物氣體產(chǎn)量為5.582 L/d,其中CH_4、N_2、CO_2和H_2分別占?xì)怏w組分的59.33%、16.34%、21.10%和2.56%。各取樣口出水揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFA)占COD比例范圍在1.67~15.57%之間。氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potential,ORP)在-156 m V~-302 m V之間,沿反應(yīng)器高度方向下降,p H值范圍在6.8~7.0之間,污泥區(qū)p H值較高,而填料區(qū)中部p H值最低。(5)利用不同取樣口出水的GC/MS檢測結(jié)果,推斷苯酚、喹啉、吡啶、吲哚在反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器降解途徑:苯酚降解途徑為4-羥基苯甲酸途徑;喹啉降解途徑為2,8-二羥基喹啉途徑;吡啶降解途徑為二羥基吡啶途徑;吲哚降解途徑為吲哚滿二酮開環(huán)途徑。(6)通過PCR-DGGE技術(shù)分析了污泥區(qū)和填料區(qū)微生物種群,污泥區(qū)微生物主要以擬桿菌門和變形菌門為優(yōu)勢菌種,其中Bacteroides sp.、Pseudomonas baetica、Stenotrophomonas sp.、Alicycliphilus denitrificans是反硝化功能菌,Ignavibacterium sp、Petrimonas sulfuriphila是厭氧降解有機(jī)物體系中常見菌種,具有降解多環(huán)芳烴功能。填料區(qū)微生物優(yōu)勢菌屬有Ignavibacterium sp、Petrimonas sulfuriphila、Uncultured Bellilinea sp.,主要為擬桿菌門,Uncultured Bellilinea sp.是產(chǎn)甲烷功能菌。(7)引入難降解系數(shù),修正Monod模型,建立反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器處理焦化廢水特征污染物的有機(jī)物降解動力學(xué)模型;采用雙底物Monod模型,模擬反應(yīng)器內(nèi)NO_3~--N降解動力學(xué),兩模型擬合效果良好。本研究主要創(chuàng)新點:針對高C/N焦化廢水傳統(tǒng)生物工藝的弊端,提出同時反硝化產(chǎn)甲烷體系聯(lián)合降解去除COD的工藝設(shè)想;構(gòu)建了反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器,實現(xiàn)了反硝化過程與產(chǎn)甲烷過程的功能區(qū)劃,利用反硝化、產(chǎn)甲烷等多種菌群協(xié)同作用,提高厭氧生物處理單元的效能;較為系統(tǒng)、全面地研究了反硝化產(chǎn)甲烷復(fù)合反應(yīng)器處理模擬焦化廢水的啟動特征,影響因素和運行特點,分析了苯酚、喹啉、吡啶、吲哚降解途徑,明確了反應(yīng)器污泥區(qū)與填料區(qū)微生物菌群結(jié)構(gòu),建立了有機(jī)物和NO_3~--N降解動力學(xué)模型。本研究為焦化廢水生化處理提供了全新視角,豐富了厭氧處理廢水理論,對提高焦化廢水COD厭氧去除效率、節(jié)省工程投資、降低運行成本有普遍的工程應(yīng)用價值。該工藝?yán)碚摰慕⒓凹夹g(shù)開發(fā),在工業(yè)有機(jī)廢水處理領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【圖文】：

圖 1-2 某焦化廠焦化廢水 GC 圖譜Fig. 1-2 GC Spectrum of the coking wastewater表 1-2 某焦化廠焦化廢水的有機(jī)物組成Table 1-2 Organic compositions of the coking wastewater物質(zhì)名稱RT（min）所占質(zhì)量百分比(%)物質(zhì)名稱RT（min）所占質(zhì)量百分比(%)苯酚5.625.6636.33 2-丁炔 23.13 0.17戊炔 5.98 0.071,3-二氛-異過氧化-二氫異苯并呋喃24.09 0.042-甲基苯酚7.407.447.924.17 2-萘酚24.9925.020.263-甲基苯酚8.148.3028.14 6-氫基苯呋喃-3-酮 25.49 0.10環(huán)丙烷8.748.670.052-（2-氯代-4-磺化苯氧基）乙酸31.74 0.07

9圖 1-4 反硝化產(chǎn)甲烷 UBF 反應(yīng)器功能分區(qū)Fig.1-4 The functional zoning of anaerobic simultaneous denitrification and methanogenesis in UBUBF 反應(yīng)器下部污泥區(qū)為反硝化產(chǎn)甲烷協(xié)同作用區(qū)，顆粒污泥將難降解有機(jī)物水化后為反硝化和產(chǎn)甲烷過程持續(xù)提供碳源，該功能區(qū)理想設(shè)計狀態(tài)主要以反硝化產(chǎn)為主要功能。上部填料區(qū)主要以產(chǎn)甲烷去除有機(jī)物為主要功能，同時還原殘余O3--N。.2 研究內(nèi)容本文以模擬焦化廢水為研究對象，，在 UBF 反應(yīng)器實現(xiàn)同時反硝化產(chǎn)甲烷反應(yīng)，考察反應(yīng)器啟動方式、運行特點以及影響因素和微生物特征，為該工藝應(yīng)用提供理
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X784

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5 陳t

本文編號：2690169