电化学生物流化床法处理模拟焦化废水

发布时间：2020-06-04 22:57

【摘要】：焦化废水成分复杂，处理难度大，因其中含有氨氮和难降解有机物，对环境可造成严重的危害。氨氮浓度过高可直接导致鱼类等水生生物的死亡，氨氮氧化后产生的硝酸盐和亚硝酸盐也具有致癌作用。焦化废水中的难降解有机物主要有酚类化合物、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环有机化合物等，其中烷基酚、邻苯二酸(酯)、吡啶等污染物属于环境内分泌干扰物，而多环芳烃等物质也被美国EPA认定为优先控制污染物。这类废水中氨氮和有毒、难降解有机物的产生和累积，导致针对此类废水的常规处理方法处理后难降解有机物仍有痕量存在，且处理所需的总水力停留时间长。电化学生物法处理有机废水和氨氮废水有很高的电流效率和很好的水处理效果，但技术尚且不成熟，有许多问题有待解决，如电极上生物挂膜问题，电子传递问题等。因此，开展电化学生物法处理焦化废水的实际研究具有重要意义和价值。本研究针对含有高浓度氨氮和难降解有机物的模拟焦化废水，首先构建AO生物流化床反应器并保持稳定运行，再采用优势菌富集培养和电化学诱导的强化方法，提高了废水中氮和有机污染物的去除效率。通过反应器中活性污泥的流态化和电解质的添加，该电化学生物流化床系统不需要进行生物挂膜，即可使电子在电极、微生物和污染物直接传递。通过对实际焦化废水处理站工程运行数据的检测分析发现，，在生物处理的总水力停留时间为76h的情况下，焦化废水经生物三相流化床A/O1/H/O2组合工艺处理后，生物处理出水平均COD、酚和氨氮分别为145.5mg/l、0.10mg/l和0.53mg/l。GC-MS分析表明，焦化废水中的酚类、吡啶、喹啉等易降解有机物得到了高效去除，长链烷烃、多环芳烃、苯系物等难降解、有毒物质在处理后的出水中仍然存在。针对焦化废水处理所需时间长的问题，本研究首先构建了生物流化床处理系统，其试验中的稳定运行最佳条件为：无机碳氮比CO32--C/N=2:1，有机碳氮比CH2-C/N=1.5:1。氨氮进水浓度300mg/l以下时，其去除率维持在95%以上；而厌氧反应阶段硝酸盐氮的去除效率在进水氨氮浓度低于200mg/l时也可达到95%以上。在低温条件下，AO生物流化床处理系统对硝酸盐氮和有机物的去除不彻底，22℃时硝酸盐氮的去除速率仅为2.87mg/l/h，约80%的硝酸盐氮不能被去除。焦化废水处理后出水中含有多环芳烃等难降解有机物，因此驯化和培养高效降解此类有机物的功能菌株来强化焦化废水降解可以减少出水中有毒物质的含量，降低环境风险。以多环芳烃芘为代表，通过富集培养和高浓度驯化的方法，从焦化废水处理站的活性污泥中筛选分离出以芘为唯一碳源生长的特异降解微生物菌，分别命名为Pyr2、Pyr41和Pyr42，通过16S rDNA基因片段序列鉴定，Pyr2，Pyr41和Pyr42分别可能属于Castellaniella菌属，Pseudomonas菌属和Burkholderia菌属。Pyr2的最佳生长环境是pH6.5，温度32℃和摇床转速为70rpm，在最佳条件下12d内可将100.39mg/l芘降解97.2%。Pyr2的芘降解过程与硝化和反硝化作用同步进行，其生物代谢过程中的C/N约为1.776。Pyr4（包括两个菌株Pyr41和Pyr42）的最佳生长环境是pH7.0，温度35℃和摇床转速为100rpm，在最佳条件下48h内可将50.00mg/l芘降解65.02%，其生物降解过程符合一级动力学反应。根据动力学计算，Pyr4对芘的代谢速度可达到文献中所述速度的10倍左右。添加葡萄糖或蒽醌，对Pyr4芘生物降解的促进作用最明显，可使比降解速率从0.0337h-1增加到0.0689h-1或0.0721h-1。通过GC-MS的分析结果，Pyr2的生物降解过程中没有检测到中间产物，而在Pyr4生物降解过程中检测到1-萘酚的存在。将筛选并扩大培养的芘降解菌添加到运行中的生物流化床反应器中，并通过电化学方法强化生物降解来处理模拟焦化废水。研究发现，电流与生物反应具有协同作用，但10mA以上的电流对生物电化学反应速率的促进作用不明显。电流为10mA生物电化学作用下，当反应器进水氨氮负荷为200mg/l，COD负荷为650mg/l，运行温度为22℃，回流比为1:1.5，反应器总HRT为15h时，硝酸盐氮的去除速率可达到10.92mg/l/h，其去除速率为单纯生物反应器的3倍左右。废水中添加Cu2+作为电解质可促进生物电化学反硝化过程。单纯生物反应器处理过程中苯酚、喹啉和芘的去除率仅为63.1%、50.4%和56.2%，而生物电化学系统处理的有机污染物的去除速率都明显增大，苯酚、喹啉和芘的去除率都达到95%以上。通过PCR-DGGE分析，电化学诱导后在厌氧反应器中，有2个菌株含量明显增加，经进化树分析分别为Pseudomonas sp.和Rhodobacter sp.；在好氧反应器中，微生物群落的多态性却呈现减少的趋势，有3个菌株逐渐消失，经进化树分析，这些菌株分别为Bacillus sp.，Rhodococcus sp.和Sphingomonas sp.。由此得到结论：从活性污泥中筛选得到的Castellaniella Pyr2菌，对芘的降解过程与硝化反硝化作用相偶联。焦化废水中一般都同时含有氨氮和难降解有机物，如何同时降解氮和有机物是目前的难题，而Castellaniella Pyr2具备同时降解的能力，可为工业废水处理的科学研究乃至工程应用提供菌种来源。电化学生物流化床处理方法是首次将流化床结构应用于生物电化学法处理废水的工艺中，有效解决了生物电化学过程中的电子传递问题，避免了电极生物膜法工艺微生物挂膜困难且电极表面积小等限制因素。电化学生物流化床处理方法应用于模拟焦化废水处理过程中，可使得达标处理所需的水力停留时间缩短3倍以上，并可有效去除焦化废水中含有的难降解有机物，避免环境危害。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X784

【参考文献】