焦化废水厌氧氨氧化生物脱氮应用研究

论文摘要

焦化废水是煤在高温干馏过程中以及煤气净化、化学产品精制过程中形成的废水,其中含有酚、氨氮、氰、苯、吡啶、吲哚和喹啉等几十种污染物,成分复杂,污染物浓度高、色度高、毒性大,性质非常稳定,是一种典型的难降解有机废水。这些物质的超标排放对人类、水产、农作物都构成了很大危害。如何改善和解决焦化废水对环境的污染问题,加快焦化废水的治理力度,已成为焦化行业当前迫切需要解决的课题。由于焦化废水氨氮浓度比较高,生物脱氮技术成为焦化废水生物处理的主要技术。厌氧氨氧化（ANAMMOX）作为一种新型的高效污水处理生物脱氮技术,与传统的硝化反硝化脱氮工艺相比具有诸多优势。本文将厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺应用于工业焦化废水的处理,研究了厌氧氨氧化反应器的启动、用焦化废水短程硝化工艺的出水研究厌氧氨氧化反应器启动运行参数及其工艺方面的优化,并采用分子生物学方法对反应器培养的优势菌种进行鉴定。主要结果如下:（1）分别研究了厌氧生物膜反应器和上流式厌氧污泥床（UASB）对含氨氮和亚硝酸盐废水厌氧氨氧化反应器的启动进行对比研究。并对氮素废水厌氧氨氧化反应器启动的工艺条件进行优化。实验结果表明:由于ANAMMOX菌生长缓慢,实验进行100多天达到了系统稳定。完成了厌氧氨氧化菌的培养与驯化。两种反应器相比较而言,厌氧生物膜反应器先于UASB启动成功并达到稳定。从最终的去除效果上来看,厌氧生物膜反应器更好。实验后期系统运行稳定后,两个反应器对氨氮的去除率最高分别可达70%和90%,对亚硝酸盐氮的去除率最高可达75%和92%。整个实验阶段反应器内的氧化还原电位ORP均为正值,ANAMMOX菌处于一种较高的氧化态。扫描电镜观察并染色,细菌形状以球状为主,为革兰氏阴性菌。在启动过程中细菌的形貌发生了一定变化:UASB中的细菌处于游离态,由于没有填料较松散,而厌氧生物膜反应器的细菌附着在填料上,较密实。（2）采用厌氧生物膜反应器,以焦化废水短程硝化出水为研究对象,用取自攀钢煤化工厂焦化废水生化处理系统的污泥为种泥,对含氨氮和亚硝酸盐的焦化废水厌氧氨氧化反应器的启动及运行进行研究。实验结果表明,在厌氧34℃,pH在7.5～8.5,HRT在33h的条件下,经过115天成功启动厌氧氨氧化反应器。进水氨氮、亚硝酸氮浓度分别可达80 mg/L和90 mg/L左右,总氮负荷可达160 mg·L-1·d-1。氨氮和亚硝酸氮的去除率最高分别达86%和98%,总氮去除率可达75%。在处理焦化废水中提高NO2--N浓度对ANAMMOX菌有抑制作用,微生物对NO2--N的耐受范围在87.5～110mg/L。将反应器内基质浓度降低进行恢复两个星期,反应器逐步恢复其转化能力。用气相-质谱（GC-MS）对反应前后有机物变化分析表明,酚类是焦化废水中较易被生物利用的有机物,ANAMMOX过程对苯酚类有机物有去除能力。反应器启动过程中污泥的颜色逐渐变浅,随着厌氧氨氧化菌活性的提高,生物膜变为棕褐色。其形状大部分为不太规则的椭球状菌。（3）应用分子生物学手段对焦化废水厌氧氨氧化反应器中的菌种研究。本研究采用活性污泥总DNA的提取、微生物菌群16S rDNA的多聚酶链式反应PCR扩增以及多聚酶链式反应结合变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）指纹图谱分析方法对反应器内的氨氧化细菌进行研究。PCR-DGGE指纹图谱分析表明,在反应器运行的不同阶段,ANAMMOX反应器中生物污泥菌群发生了不同的进化演替。不同功能的菌种在反应器生物污泥中优势生长,发挥其优势并维持工艺的稳定运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 工业废水概况
• 1.1.1 工业废水的特点和污染现状
• 1.1.2 工业废水分类及其处理方法
• 1.2 焦化废水概述
• 1.2.1 焦化废水来源
• 1.2.2 焦化废水水质特点
• 1.2.3 焦化废水主要处理方法
• 1.3 厌氧氨氧化生物脱氮
• 1.3.1 环境中的氮元素循环及厌氧氨氧化反应机理
• 1.3.2 厌氧氨氧化生物学基础
• 1.3.3 厌氧氨氧化优缺点
• 1.4 厌氧氨氧化的启动
• 1.4.1 厌氧氨氧化启动方式
• 1.4.2 厌氧氨氧化启动影响因素
• 1.4.3 反应器国内外研究及ANAMMOX 技术工程应用情况
• 1.5 本文研究内容及意义
• 第2章 厌氧氨氧化反应器的启动研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 反应器填料
• 2.1.3 实验材料及分析方法
• 2.2 不同反应器处理氮素废水厌氧氨氧化反应的研究
• 2.2.1 处理氮素废水厌氧氨氧化反应器的启动
• 2.2.2 ANAMMOX 反应器内生物污泥形貌特征
• 2.3 结论
• 第3章 厌氧氨氧化工艺处理焦化废水
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 反应器填料
• 3.1.3 实验水质组成及材料
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 焦化废水厌氧氨氧化反应器的启动
• 3.2.2 实验主要分析仪器、分析方法
• 3.3 厌氧氨氧化处理焦化废水工艺研究
• 3.3.1 添加焦化废水对反应器启动的影响及稳定运行
• 3.3.2 焦化废水厌氧氨氧化反应器对COD 的去除
• 3.3.3 启动过程中污泥的变化
• 3.3.4 进水N02--N 浓度对厌氧氨氧化反应器性能的影响
• 3.3.5 pH 值对厌氧氨氧化反应器性能的影响
• 3.3.6 水力停留时间HRT 对厌氧氨氧化反应器性能的影响
• 3.3.7 苯酚浓度对厌氧氨氧化反应器性能的影响
• 3.3.8 厌氧氨氧化过程对有机物的去除作用
• 3.4 结论
• 第4章 厌氧氨氧化工艺处理焦化废水分子生物学基础
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 反应器中微生物厌氧氨氧化细菌的多样性研究
• 4.2.1 活性污泥总DNA 的提取
• 4.2.2 微生物菌群165 rDNA 的PCR 扩增
• 4.2.3 PCR-DGGE 指纹图谱分析
• 4.2.4 序列测定
• 4.2.5 同源性比较
• 4.3 结论
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及成果
• 致谢