【摘要】：焦化廢水成分復雜，處理難度大，因其中含有氨氮和難降解有機物，對環(huán)境可造成嚴重的危害。氨氮濃度過高可直接導致魚類等水生生物的死亡，氨氮氧化后產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽也具有致癌作用。焦化廢水中的難降解有機物主要有酚類化合物、多環(huán)芳香族化合物及含氮、氧、硫的雜環(huán)有機化合物等，其中烷基酚、鄰苯二酸(酯)、吡啶等污染物屬于環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，而多環(huán)芳烴等物質也被美國EPA認定為優(yōu)先控制污染物。這類廢水中氨氮和有毒、難降解有機物的產(chǎn)生和累積，導致針對此類廢水的常規(guī)處理方法處理后難降解有機物仍有痕量存在，且處理所需的總水力停留時間長。 電化學生物法處理有機廢水和氨氮廢水有很高的電流效率和很好的水處理效果，但技術尚且不成熟，有許多問題有待解決，如電極上生物掛膜問題，電子傳遞問題等。因此，開展電化學生物法處理焦化廢水的實際研究具有重要意義和價值。 本研究針對含有高濃度氨氮和難降解有機物的模擬焦化廢水，首先構建AO生物流化床反應器并保持穩(wěn)定運行，再采用優(yōu)勢菌富集培養(yǎng)和電化學誘導的強化方法，提高了廢水中氮和有機污染物的去除效率。通過反應器中活性污泥的流態(tài)化和電解質的添加，該電化學生物流化床系統(tǒng)不需要進行生物掛膜，即可使電子在電極、微生物和污染物直接傳遞。 通過對實際焦化廢水處理站工程運行數(shù)據(jù)的檢測分析發(fā)現(xiàn)，，在生物處理的總水力停留時間為76h的情況下，焦化廢水經(jīng)生物三相流化床A/O1/H/O2組合工藝處理后，生物處理出水平均COD、酚和氨氮分別為145.5mg/l、0.10mg/l和0.53mg/l。GC-MS分析表明，焦化廢水中的酚類、吡啶、喹啉等易降解有機物得到了高效去除，長鏈烷烴、多環(huán)芳烴、苯系物等難降解、有毒物質在處理后的出水中仍然存在。 針對焦化廢水處理所需時間長的問題，本研究首先構建了生物流化床處理系統(tǒng)，其試驗中的穩(wěn)定運行最佳條件為：無機碳氮比CO32--C/N=2:1，有機碳氮比CH2-C/N=1.5:1。氨氮進水濃度300mg/l以下時，其去除率維持在95%以上；而厭氧反應階段硝酸鹽氮的去除效率在進水氨氮濃度低于200mg/l時也可達到95%以上。在低溫條件下，AO生物流化床處理系統(tǒng)對硝酸鹽氮和有機物的去除不徹底，22℃時硝酸鹽氮的去除速率僅為2.87mg/l/h，約80%的硝酸鹽氮不能被去除。 焦化廢水處理后出水中含有多環(huán)芳烴等難降解有機物，因此馴化和培養(yǎng)高效降解此類有機物的功能菌株來強化焦化廢水降解可以減少出水中有毒物質的含量，降低環(huán)境風險。以多環(huán)芳烴芘為代表，通過富集培養(yǎng)和高濃度馴化的方法，從焦化廢水處理站的活性污泥中篩選分離出以芘為唯一碳源生長的特異降解微生物菌，分別命名為Pyr2、Pyr41和Pyr42，通過16S rDNA基因片段序列鑒定，Pyr2，Pyr41和Pyr42分別可能屬于Castellaniella菌屬，Pseudomonas菌屬和Burkholderia菌屬。Pyr2的最佳生長環(huán)境是pH6.5，溫度32℃和搖床轉速為70rpm，在最佳條件下12d內(nèi)可將100.39mg/l芘降解97.2%。Pyr2的芘降解過程與硝化和反硝化作用同步進行，其生物代謝過程中的C/N約為1.776。Pyr4（包括兩個菌株Pyr41和Pyr42）的最佳生長環(huán)境是pH7.0，溫度35℃和搖床轉速為100rpm，在最佳條件下48h內(nèi)可將50.00mg/l芘降解65.02%，其生物降解過程符合一級動力學反應。根據(jù)動力學計算，Pyr4對芘的代謝速度可達到文獻中所述速度的10倍左右。添加葡萄糖或蒽醌，對Pyr4芘生物降解的促進作用最明顯，可使比降解速率從0.0337h-1增加到0.0689h-1或0.0721h-1。通過GC-MS的分析結果，Pyr2的生物降解過程中沒有檢測到中間產(chǎn)物，而在Pyr4生物降解過程中檢測到1-萘酚的存在。 將篩選并擴大培養(yǎng)的芘降解菌添加到運行中的生物流化床反應器中，并通過電化學方法強化生物降解來處理模擬焦化廢水。研究發(fā)現(xiàn)，電流與生物反應具有協(xié)同作用，但10mA以上的電流對生物電化學反應速率的促進作用不明顯。電流為10mA生物電化學作用下，當反應器進水氨氮負荷為200mg/l，COD負荷為650mg/l，運行溫度為22℃，回流比為1:1.5，反應器總HRT為15h時，硝酸鹽氮的去除速率可達到10.92mg/l/h，其去除速率為單純生物反應器的3倍左右。廢水中添加Cu2+作為電解質可促進生物電化學反硝化過程。單純生物反應器處理過程中苯酚、喹啉和芘的去除率僅為63.1%、50.4%和56.2%，而生物電化學系統(tǒng)處理的有機污染物的去除速率都明顯增大，苯酚、喹啉和芘的去除率都達到95%以上。通過PCR-DGGE分析，電化學誘導后在厭氧反應器中，有2個菌株含量明顯增加，經(jīng)進化樹分析分別為Pseudomonas sp.和Rhodobacter sp.；在好氧反應器中，微生物群落的多態(tài)性卻呈現(xiàn)減少的趨勢，有3個菌株逐漸消失，經(jīng)進化樹分析，這些菌株分別為Bacillus sp.，Rhodococcus sp.和Sphingomonas sp.。 由此得到結論：從活性污泥中篩選得到的Castellaniella Pyr2菌，對芘的降解過程與硝化反硝化作用相偶聯(lián)。焦化廢水中一般都同時含有氨氮和難降解有機物，如何同時降解氮和有機物是目前的難題，而Castellaniella Pyr2具備同時降解的能力，可為工業(yè)廢水處理的科學研究乃至工程應用提供菌種來源。 電化學生物流化床處理方法是首次將流化床結構應用于生物電化學法處理廢水的工藝中，有效解決了生物電化學過程中的電子傳遞問題，避免了電極生物膜法工藝微生物掛膜困難且電極表面積小等限制因素。電化學生物流化床處理方法應用于模擬焦化廢水處理過程中，可使得達標處理所需的水力停留時間縮短3倍以上，并可有效去除焦化廢水中含有的難降解有機物，避免環(huán)境危害。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X784

【參考文獻】

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本文編號：2697097