内循环三相流化床生物高效降解炼油污水技术研究

论文摘要

努力研发炼油污水先进的生物降解技术,提高炼油废水净化和循环利用水平是节约水资源、实践绿色理念的需要。本文采用气升式内循环气液固三相流化床反应器,结合UBD菌固定化包埋技术,对炼油污水进行连续动态生物降解。中石化上海高桥分公司炼油污水经高效降解后,COD从624 mg/L降至93.6 mg/L,去除率85.0%,石油类含量从48.7mg/L降至2.4mg/L,去除率为95.1%,出水水质达到中华人民共和国污水综合排放一级排放标准（GB8978-1996）。首先通过间歇试验考察了UBD菌对污水的适应性,得出此菌不适宜降解含有Cl-的污水,而适合降解炼油污水体系。对于焦化废水,COD去除率在40-60%之间,石油类的去除率达到70%左右。对模拟炼油污水,COD最高去除率可以达到85%以上,石油类去除率可达到83.7%。在菌种浓度500μL/L、连续曝气、20℃的优化条件下,上海石化实际炼油污水COD从1034mg/L降到293mg/L,去除率71.7%；石油类含量从51.6mg/L降到3.3mg/L,去除率93.6%。UBD菌具有快速高效处理炼油污水的能力,相对于其他菌种在摇床培养条件下72～240h的降解时间,该菌48h内就可以达到较好的降解效果。UBD菌对B/C为0.19的难生物降解的炼油污水仍具有较强的降解能力。生物降解过程中体系的pH值呈下降趋势,主要是石油类化合物在酶的作用下生成了低级脂肪酸等小分子酸的缘故。选取聚乙烯醇（PVA）作为凝胶剂,海藻酸钠（SA）、活性碳和SiO2作为助凝剂,硼酸溶液和氯化钙溶液作为交联剂,硫酸钠溶液作为固化剂,采用凝胶包埋法固定化UBD菌,成功实现了UBD菌的固定化,用于炼油污水的处理。最佳的凝胶液配比为：PVASA、活性炭、SiO2的质量分数分别为4%、0.5%、1.5%、1%。优化的交联和固化条件为：6wt%的硼酸溶液和2wt%的氯化钙溶液作为交联剂,0.5wt%的硫酸钠溶液作为固化剂,固化时间为24h,无菌水浸润时间为24h。菌种固定化后明显改善了炼油污水的处理效果,COD和石油类物质的去除率比游离菌都有所提高。固定化小球具有良好的机械强度、弹性、渗透性等物理性质,可以重复利用并保持良好的活性。自行设计并制造了气升式内循环气液固三相流化床反应器,从流体力学角度,综合考虑气含率、液体循环时间、完全混合时间和体积氧传质系数等四方面因素,内循环气液固三相流化床优化的操作条件为：气速180 L/h,固含率5%。在此条件下三相流化床具备优良的流体力学性能,气含率为8.31%,液体循环时间为8s,液体完全混合时间为35s,体积氧传递系数为20.67min-1。结合固定化包埋技术,考察了三相流化床反应器中固定化UBD菌对炼油污水的处理效果,获得了优化的工艺条件：固体颗粒填充率5%,固定化颗粒粒径为3mm,气速180L/h,水力停留时间15h。气升式内循环气液固三相流化床反应器对水力负荷和COD容积负荷的波动有很强的适应能力,容积负荷达到2.56kgCOD/（m3-d）,比传统活性污泥法（0.4～O.9 kgCOD/（m3.d））高3-5倍。论文还考察了UBD菌降解石油类物质的动力学,UBD菌降解石油类物质的Haldane底物抑制生物降解动力学方程为（?）其中νmax=0.17h-1,Ks=25.87mg/L,底物抑制常数Ki=672.77 mg/L.说明石油类对于UBD菌已经不是难降解物质,UBD菌能够对炼油污水进行高效的生物降解。本文实现了UBD菌的扩大培养,为UBD菌降解炼油污水的工业应用提供了菌种扩大培养技术的基本保证。UBD菌适宜的培养条件为：接种量3%,溶氧空间80%,温度30℃,摇床速度190rmp,培养基为蛋白胨15 g/L、酵母粉5 g/L.NaCl 1O g/L,培养的UBD菌浓度为13.75×107个/L。利用革兰染色和16SrDNA PCR测序,确定UBD菌为Pusillimonas sp., Alcaligenaceae,Burkholderiales,Betaproteobacteria,Proteobacteria, Bacteria.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 炼油污水的特征及处理现状
• 1.1.1 炼油污水的特征
• 1.1.2 处理工艺比较
• 1.2 废水生物处理基本原理及研究进展
• 1.2.1 活性污泥法
• 1.2.2 生物膜法
• 1.2.3 厌氧生物处理法
• 1.2.4 厌氧/好氧（A/O）处理工艺
• 1.3 高效菌种处理石化废水现状
• 1.3.1 工程菌的定义
• 1.3.2 废水降解菌种的筛选
• 1.4 操作条件对微生物生化处理废水的影响
• 1.4.1 温度对微生物生化处理废水的影响
• 1.4.2 酸碱度对微生物生化处理废水的影响
• 1.4.3 营养物质对微生物生化处理废水的影响
• 1.4.4 溶解氧对微生物生化处理废水的影响
• 1.5 微生物反应动力学
• 1.5.1 微生物反应动力学研究进展
• 1.5.2 微生物反应动力学经验模型
• 1.5.3 微生物反应动力学基本模型
• 1.6 本论文技术路线和主要研究内容
• 1.6.1 技术路线
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验原料与试剂
• 2.2 实验仪器与分析设备
• 2.3 试验装置
• 2.4 实验分析项目与分析方法
• 2.4.1 紫外分光光度法测定炼油污水中的石油类含量
• 2.4.2 色质联用（GC/MS）法炼油污水中有机物测定
• 第3章 UBD菌对典型污水的降解适应性考察
• 3.1 UBD菌对含氯化工污水的降解效果
• 3.2 UBD菌对焦化废水的降解
• 3.2.1 UBD菌对焦化废水中COD的降解效果
• 3.2.2 UBD菌对焦化废水中石油类的降解效果
• 3.3 UBD菌对模拟炼油污水的降解
• 3.3.1 UBD菌对模拟炼油污水中COD的降解效果
• 3.3.2 UBD菌对模拟炼油污水中石油类的降解效果
• 3.4 UBD菌对实际炼油污水的降解
• 3.4.1 UBD菌对实际炼油污水中COD的降解效果
• 3.4.2 UBD菌对实际炼油污水中石油类的降解效果
• 3.5 小结
• 第4章 UBD菌对炼油污水生物降解效果影响因素研究
• 4.1 菌种浓度对污水生物降解效果的影响
• 4.2 曝气方式对污水生物降解效果的影响
• 4.3 降解温度对污水生物降解效果的影响
• 4.4 初始COD值对污水生物降解效果的影响
• 4.5 初始石油类含量（TPH）对污水生物降解效果的影响
• 4.6 实际炼油污水优化条件下的炼油污水降解效果
• 4.7 生化需氧量（BOD5）和污水可生化性分析
• 4.8 降解前后污水水质分析
• 4.8.1 降解过程中炼油污水pH的变化
• 4.8.2 总有机碳含量（TOC）分析
• 4.8.3 色谱质谱分析
• 4.9 小结
• 第5章 UBD菌降解炼油污水动力学研究
• 5.1 Monod生物降解动力学方程的简化
• 5.1.1 零级简化
• 5.1.2 一级简化
• 5.1.3 线性简化
• 5.2 Monod生物降解动力学方程
• 5.3 Haldane底物抑制生物降解动力学方程
• 5.4 小结
• 第6章 UBD菌的生命特性研究
• 6.1 菌浓度的测定
• 6.1.1 比色法
• 6.1.2 计数器测定法
• 6.2 菌种的扩大培养
• 6.2.1 接种量对菌种培养的影响
• 6.2.2 溶氧空间对菌培养的影响
• 6.2.3 培养基的组成优化
• 6.3 菌种的生长曲线
• 6.4 革兰染色和PCR鉴定
• 6.4.1 UBD菌的革兰染色
• 6.4.2 UBD菌的PCR鉴定
• 6.5 小结
• 第7章 UBD菌包埋法固定化技术
• 7.1 UBD菌包埋法固定化小球的制备
• 7.1.1 凝胶液的制备
• 7.1.2 交联剂的制备
• 7.1.3 固定化小球的制备
• 7.2 UBD菌包埋法固定化小球的工艺优化
• 7.2.1 凝胶液各组成配比的确定
• 7.2.2 交联和固化时间的确定
• 7.3 固定化生物小球与游离菌处理炼油污水效果比较
• 7.4 小结
• 第8章 内循环气液固三相流化床反应器的流体力学性能考察
• 8.1 气升式内循环气液固三相流化床反应器的结构
• 8.2 操作条件对反应器中气含率的影响
• 8.3 操作条件对反应器中液体循环时间的影响
• 8.4 操作条件对反应器中液体完全混合时间的影响
• 8.5 操作条件对反应器中氧传递效率的影响
• 8.6 小结
• 第9章 内循环气液固三相流化床反应器处理炼油污水工艺研究
• 9.1 内循环气液固三相流化床反应器的操作
• 9.1.1 实验炼油污水
• 9.1.2 内循环气液固三相流化床反应器的启动和运行
• 9.2 三相流化床操作条件对炼油污水降解效果的影响
• 9.2.1 内循环三相流化床反应器进料口位置对出水水质的影响
• 9.2.2 固定化颗粒粒径度的影响
• 9.2.3 固体颗粒填充率对三相床中炼油污水降解效果影响
• 9.2.4 气速对三相床中炼油污水降解效果影响
• 9.2.5 水力停留时间（HRT）的影响
• 9.2.6 COD容积负荷的影响
• 9.2.7 返混对内循环三相流化床反应器降解效果的影响
• 9.3 三相流化床优化条件下的污水处理效果
• 9.4 小结
• 第10章 结论
• 参考文献
• 本论文的创新点
• 本论文的不足
• 攻读博士学位期间论文发表情况
• 致谢
• 卷内备考表