曝气生物滤池处理炼油生产废水.doc

曝气生物滤池处理炼油生产废水 炼油厂加氢裂化、加氢精制和铂重整等装置所排废水排放量约70th，酚类污染物在100160mgL，这股高酚废水未作任何处理直接排至污水处理场，本实验采用上向流曝气生物滤池(Biological Aerated Filter,简称BAF)对含酚废水的处理进行了研究。1 实验部分1.1 含酚废水水质分析课题组对含酚废水水质进行了分析，监测方法1：，及测试结果的统计见表1。由表1可见，该废水的COD，BODs，硫化物，石油类和氨氮等污染物均处于常见水平，而酚污染则处于较高状态，是这股废水的主要污染物；由于酚类物质易为微生物降解1，因此废水的可生化性较好，结果也表明m(BOD5)m(COD)值较高，平均为0.56。表1 含酚废水水质及测定方法测试项目平均值变化范围测定方法(COD)/(mgL-1)574366797重铬酸钾回流(BOD)/(mgL-1)322212419五日生化法(酚)/(mgL-1)13596.5160溴酸钾滴定法(油)/(mgL-1)26.212.544.0紫外分光光度(COD)/(mgL-1)37.017.052.2电位测定法(COD)/(mgL-1)27.811.850.8碘量法1.2 实验装置及工艺参数本实验采用上向流曝气生物滤池(BAF)对含酚废水进行处理，BAF是一种新型高负荷淹没式三相反应器，它将生化反应与吸附过滤两种处理过程合并在同一构筑物中完成。本实验设计的曝气生物滤池结构见图1，主要是由生物反应过滤区、曝气装置、反冲洗装置等三部分组成，生物反应过滤区由生物滤料层和碎石垫层组成，滤料层采用粒径4-6mm的轻质生物陶粒，高度2.0m，垫层采用10-20mm的碎石，厚度0.2m，滤池有效容积75L；曝气生物滤池所需空气通过布置碎石垫层内的穿孔曝气管直接进入生物滤料层；反冲洗装置采用配水和配气联合系统，实验中把配气管与曝气管合并，把配水管与进水管合并。本实验设计的工艺参数及操作条件见表2。 表2 实验的工艺参数及操作条件项目控制参数处理水量25.042.0水力停留时间/h1.52.5曝气量(m3h-1)0.200.35水温25.040.0进水pH值7.08.01.3 降酚菌培养为了培养出高效的降酚菌类，课题组分别采用炼油废水生化污泥和生活污泥进行微生物培养，培养时控制的参数见表3。表3 降酚菌培养控制参数项目控制参数水力停留时间/h2.02.5(酚)/(mgL-1)70100(COD)/(mgL-1)300500(DO)/(mgL-1)2.54.0温度2540进水pH值7.08.0氨、磷适量采用炼油废水生化污泥经过近1个月的培养，发现载体上生长了大量的微生物(以浅色疏松的丝状菌为主)，废水中COD有一定的降解(降解量为4080mg/L)，但是，废水中的酚基本上没有得到降解(降解量仅为28mgL)。这说明，在高浓度酚的存在下，生化污泥中的细菌受到了抑制，缺乏耐酚型微生物。改用生活污泥进行微生物培养，结果发现，生活污泥中的微生物种类较多，大量的不同类型的微生物为降酚菌的培养提供了菌源；培养效果可从图2反应出来。结果显示，在3-4d的时间，由生活污泥培养出的生物膜即可达到很强的降酚能力，酚去除率已接近90；同时镜检发现：生物膜中的菌胶团结构良好，其中含大量的球菌、双球菌、链球菌。2 结果与问题讨论2.1 主要污染物的降解根据酚的可生化性能及进水有机负荷，对含酚废水的处理进行了三种水力停留时间(HRT)的实验，分别为2.5h，2.0h和1.5h主要污染物的平均进、出水变化见表4。表4 主要污染物的平均进、出水变化结果 mgL-1停留时间h(COD)(酚)(BOD)(S2-)(油)(氨氮)进水出水进水出水进水出水进水出水进水出水进水出水1.55072331284426791351.0281229292.05451441328.238153470.5417.147462.55291271416.432536400.5376.53434从表4数据发现，因为实验采用的是好氧生化，酚、S2-及BOD5这些易于氧化的物质或指标去除效果最好，NH3-N则没有得到降解，其它如COD和油也有不同程度的降解。2.2 水力停留时间与去除效果的关系 图3描述了停留时间对COD和酚降解的影响情况，可知，在一定范围内，停留时间对COD和酚的去除率影响不大，均有较好的出水水质和较高的去除率；进一步发现，当停留时间从2.5h减小到2.0h后，COD的平均去除率虽由76.0降到73.6，但它的去除负荷却由3.22kg(m.d) 升高到4.49kg(md)；酚的平均去除率虽由95.5降到93.8，但它的去除负荷却由1.08 kg(m3.d) 升高到1.39kg(m3d)；但是，如果停留时间再进一步减小到1.5h，则降解效果明显下降。本实验的目的在于寻求一种高效的含酚废水的处理方式及较适宜的水力停留时间，使大部分的COD尤其酚得到降解，防止这些污染物在后续的综合生化处理中产生冲击，显然，当水力停留时间为2.0h时，就已经达到了目的：出水中酚的平均质量浓度为8.5 mgL，平均去降率达到93，而且此时COD和酚的去除负荷相对也大。2.3 影响因素影响BAF对酚降解的因素主要有温度、pH值、水中溶解氧和曝气量。温度微生物降解有机物是随着温度升高而速度加快的，温度低于25，菌的活性明显下降，而高于45时，菌的活性也受到抑制，处理效果明显降低。试验得出耐酚噬酚菌的适宜温度是25-40。原水pH值进水pH值在7.08.0范围内较为适宜。由于汽提废水中含有S2-，其氧化后生成酸，若进水pH值偏低时，会造成出水pH值过低，抑制生物膜的活性。曝气量和水中DO试验中发现生物床的微生物容量很大，水力负荷及有机去除负荷都相当高，所需的曝气量相应较大，一般气水体积比为58；另外，从BAF不同位置采样分析，发现DO的质量浓度池顶较池底低0.51.0mgL，充分表明耐酚噬酚菌是一种好氧微生物，出水的DO的质量浓度不宜低于2.53.0mgL，若过低，则影响降酚菌的繁殖和活性。2.4 BAF的反冲洗随着运行时间的延长，生物陶粒中截留的SS的增多和生物膜的增厚及脱落会造成水头的增加，且会引起陶粒中水和气的分布不均，这时必须对BAF进行反冲洗。反冲周期的长短主要与水力负荷、进水有机负荷有关，也受反冲强度和时间的影响；水力、有机负荷大，滤池中产生的污泥量就多，反冲的周期就短；从装置上安装的压差计显示，反冲洗时装置的水头损失约3545cm，冲洗周期为23 d。实验中对BAF采用气水联合反冲，反冲洗的气、水强度较小，气强度为8.512.5 1(ms)，水强度为4.08.5 1(m2s)，冲洗时间20-30min。3 结论选用生物陶粒作为曝气生物滤池的滤料，利用生活污泥可快速培养出高效的降酚菌种。曝气生物滤池作为含酚废水的处理装置，具有设计简单、处理时间短、去除率和去除负荷高的特点。含酚废水在进水酚的质量浓度不大于160mgL，COD的质量浓度不大于800mgL的条件下，水力停留时间仅需2.0h，经过曝气生物滤池的处理，出水中酚和COD的平均质量浓度分别不大于8.5mgL和140mgL，酚的平均去除率达到93，COD的平均去除率达到73。某炼油厂含酚废水量约70th，设计的曝气生物滤池有效容积仅140m，可设计为直径8.45m、有效高度2.5m的圆柱形的曝气生物滤池。曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究曝气生物滤池是一种新型污水生物处理技术，具有占地面积小、处理效率高、能耗较低等特点,可进行模块化应用，在对有机物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果1。 1 试验装置与方法 1.1 试验装置 模型曝气生物滤池由有机玻璃加工而成，尺寸为50mm80mm2000mm，底部为100mm高的砾石承托层，填料选用粒径为35mm的陶粒，填充高度为1600mm。承托层以上每隔150mm设一个取样口，共设9个。进气口位于距底部400mm处，压缩空气经曝气扩散器进入反应器。试验装置见图1。1.2 试验方法 原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2?H2O、MgSO4.7H2O、FeSO4.7H2O、食用碱等按一定比例配制而成，其COD为86.61424.6mg/L、NH3-N为34.344.38mg/L、TN为41.2646.16mg/L、NO3-N为00.82mg/L、NO2-N为00.32mg/L、pH值为5.88.18、BOD5为56.31236.45mg/L，TP为46mg/L。 采用下向流进水，气水逆向流。反应器启动时投加一定量的消化污泥作为种泥，闷曝3d后改为连续流进水，系统运行15d后对COD和NH3-N的去除率分别达到75%和60%，至此标志挂膜成功，试验分别在1、2m/h的滤速下进行，气水比为31，水温为2126.5，定时测定反应器进、出水及曝气处水样的COD、NH3-N、TN、NO3-N、NO2-N、pH值、溶解氧以考察反应器去除有机物和硝化反硝化的效能及反应器内含氮化合物的空间变化特点。分析项目均按标准方法进行。采用气水联合反冲洗方式，按运行时的水头损失和处理效果确定冲洗强度及频率，周期一般为2448h。 2结果及分析 2.1 处理效果 NH3-N 曝气生物滤池对NH3-N的去除效果见图2。 由图2可知，在进水COD负荷为1.185.57kg/(m3*d)、NH3-N负荷为0.260.63kg/(m3*d)时，曝气生物滤池出水的氨氮含量316mg/L，对NH3-N的平均去除率为81.4%。滤速为1、2m/h时反应器对NH3-N的去除率没有明显变化，其中在运行的第17天由于改变滤速而引起处理效率下降，但是很快在一个过滤周期内即恢复到原有水平，这说明在一定的负荷条件下滤速对硝化的效率影响较小，但在较高滤速下的出水水质相对更稳定一些。 TN 试验期间系统对TN的去除效果见图3。 图3系统对TN的去除效果由图3可知，在进水TN负荷为0.280.63kg/(m3*d)、滤速为12m/h的条件下，曝气生物滤池对TN的去除率可达60%左右，出水TN为12.3319.46mg/L。提高滤速对TN去除率有一定的影响，其原因可能是提高滤速则相应地增加了曝气量，从而抑制了反硝化细菌的活性。 COD 试验表明，曝气生物滤池对COD的平均去除率为79.53%，最高可达90%以上。个别水样的COD去除率有些下降，可能是进水COD较低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低为15.87mg/L)，说明反应器对COD的去除效果相当稳定，而滤速在12m/h内变化对COD的处理效果没有影响。 NO2-和NO3-含量的变化 曝气处的NO2-和NO3-含量的变化见图4。 由图4可知，曝气处的NO2-含量显著高于NO3-含量，说明在反应器内部发生了NO2-的积累，而同期NH3-N的减少量却明显地高于NO2-和NO2-生成量之和，说明这一过程中发生了反硝化作用。试验中发现，提高滤速会加快水头损失的增加速度，相应地增加反冲洗次数，而滤速为2m/h时的NO2-积累现象比滤速为1m/h时更加明显，说明反应器内的NO2-积累与反冲洗有关。 试验表明，出水的NO3-含量几乎为零，NO2-含量在10mg/L左右(明显高于NO3-含量)，其与图4的结果相比，NO2-含量减少了约520mg/L，可以推测减少的NO2-主要经反硝化作用去除。上述试验结果表明，曝气生物滤池在氨氧化过程中出现了明显的NO2-积累现象，而出水中NO2-的减少并未带来NO3-的增加，说明对TN的去除主要是通过将NH3-N氧化成NO2-，进而由反硝化细菌将NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途径进行的。 2.2 结果分析 根据传统生物脱氮理论，硝化过程的产物主要是NO3-N，稳态运行时不会出现NO2-的积累，但试验中对反应器内NO2-和NO3-含量的测定结果表明，单级曝气生物滤池不仅在去除有机物的同时具有较好的脱氮能力，而且其机理不同于传统硝化反硝化理论，此时氨氧化的产物主要是NO2-N，出水中NO2-N降低而NO3-N未见增加，说明大部分NO2-并没有进一步被氧化为NO3-，而是被直接反硝化去除，表现出明显的短程硝化反硝化特征。 3短程硝化反硝化 含氮化合物的空间变化 试验期间对曝气生物滤池内各种不同含氮化合物含量沿水流方向的空间变化进行了研究，采样时间为反冲洗后6h、水温为22、气水比为31，试验结果见图5。 由图5可知，NH3-N的减少与NO2-的增加表现出一定的相关性，但在数量上却没有表现出稳定的同步变化，与此同时的NO3-含量几乎没有变化(数量低且变化趋势平稳)。从进水到0.7m深的滤层处NH3-N的减少量稍高于NO2-和NO3-的生成量，随后NH3-N量急剧下降，而NO2-的增幅却明显低于NH3-N减少量；到1m深的滤层处及往后的变化比较平稳，而NO2-的含量在11.3m深的滤层处也达到了最大值，随后表现出与NH3-N降低相一致的变化趋势。由图5可以得出两点结论：a.曝气生物滤池对NH3-N的去除主要集中于0.71m深的滤层处，另外在0.40.7m深的滤层和1.3m深的滤层以上也有一定的去除；b.NH3-N被氧化的主要产物是NO2-N，但NO2-N并没有进一步被氧化为NO3-N，而是直接被反硝化去除。在曝气处(1.3m深的滤层处)附近区域出现明显的NO2-积累现象，但在反应器的最下段又急剧下降，说明该区域氨氧化过程比较活跃，而NO2-氧化和反硝化能力较低主要是受曝气作用所带来的溶解氧浓度和紊流强度变化的影响。 短程硝化反硝化机理 近来的研究表明2、3，在一定条件下生物反应器可以进行短程硝化反硝化脱氮，即控制硝化过程至产生NO2-阶段，然后再由NO2-直接还原为N2逸出，或在厌氧或缺氧条件下由NO2-与NH3-N作用形成N2，实现反硝化脱氮。试验期间发现的反应器中NO2-积累现象和较高的脱氮效能说明在曝气生物滤池中产生了短程硝化反硝化作用，而曝气生物滤池独特的结构特征和运行特点是其能够进行短程硝化反硝化脱氮的根本原因。曝气生物滤池采用陶粒作为过滤和生物氧化的介质和载体，进水沿填料推流而下，但在填料空隙间则为局部紊流，因而在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度梯度分布，也为各种不同生