煤化工危废处理与回用的可行性分析

煤化工危废处理与回用的可行性分析

煤化工废水处理的有机物处理方法中国是一个富煤、减油、少气的国家。煤炭资源的开发利用对经济发展非常重要。在煤矿资源深度加工生成化工产品过程中，会产生大量废水，其COD浓度为100～5000mg/L现代煤化工废水处理过程一般经过以下几步：化学氧化、生物氧化、反渗透脱盐等工业有机废水的有机物去除方法主要分为化学法(高级氧化法)和生物法本研究通过筛选高效降解煤化工反渗透浓水中有机物的耐盐菌株，制备出高效耐盐复合菌剂，显著缩短生化反应器达到稳定的时间，取得良好的有机物去除效果。本研究提出了一种生物强化处理高盐煤化工难降解废水的工艺。1材料和方法1.1实验用水实验用水为中国石化长城能源化工有限公司零排放系统中的反渗透浓水，进反渗透之前已经过多级生化及氧化处理，流程示意图如图1所示。1.2细菌的筛选、培养和鉴定方法1.2.1耐盐菌的富集煤化工、石油炼化、精细化工高盐废水排放口周边土壤和相关生化处理系统中污泥。(2)培养基合成培养基：FeSO废水培养基：煤化工反渗透浓水中投加尿素、KHLB培养基：NaCl10g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，去离子水，pH调节为7.2～7.4，若为固体培养基则添加2%琼脂。(3)耐盐菌的分离纯化富集：取污泥或土壤样品1g于废水培养基中30℃下振荡培养，富集时间以4d为周期重复三次，获得富集的耐盐微生物群落。菌株的分离与纯化：采用稀释涂布法和平板划线法进行菌株分离纯化。首先吸取1ml所富集的菌液于无菌试管中，加入9ml无菌去离子水，充分混匀后从中取出1ml放入另一支加有9ml无菌去离子水的试管中，以此类推，将菌液稀释至6个不同的梯度(101.2.2pcr扩增体系及测序(1)使用DNA试剂盒(天根生化科技有限公司)提取菌株DNA。16SrDNA的PCR引物序列为27f:AGAGTTTGATCMTGGCTCAG,1492R:TACGGYTACCTTGTTACGACTT。PCR反应体系如下：17.8μlH(2)测序由北京六合华大基因科技有限公司武汉分公司完成。测序结果在NCBI数据库用BLAST于GeneBank中比较同源性，并用MEGA5.0软件1.2.3培养基的制备氧化酶实验：在滤纸上滴加1%的二盐酸四甲基对苯二胺使之浸润，用玻璃棒蘸取菌液并滴加在滤纸上，10s内出现红色则为阳性，不变为阴性。触酶实验：载玻片上滴加50μl活化后的菌液，然后滴加5%H淀粉水解实验：用1%可溶性淀粉制备培养基，倒平板后接种新鲜菌液。培养长出菌落后，用Lugol’s碘液(lg碘，2g碘化钾，300ml水)滴加在培养基表面，如培养基上菌落周围出现透明圈则为阳性，仍为蓝黑色则为阴性。产H吲哚实验：将菌株接种至蛋白胨培养基后培养48h，滴加1～2ml乙醚振荡，静置分层后滴加5滴吲哚试剂(1g对二甲基氨基苯甲醛，95ml95%乙醇，20ml浓盐酸)，如液层界面变红则为阳性，不变为阴性。酪素水解实验：用1%脱脂牛奶配制培养基，平板倒置24h至表面无水分，然后将活化后的菌液滴加在平板上，如出现透明圈则为阳性，不变为阴性。明胶液化实验：用120g/L明胶配制培养基，穿刺接种后，20℃培养7d，若明胶水解且不再凝固为阳性，不变为阴性。脲酶实验：用0.012g/L酚红配制培养基，pH调节至6.8～6.9，高压灭菌后冷却至50～55℃；将20%的尿素溶液过滤除菌后滴加至培养基中(尿素终浓度为2%)，接种后室温培养4d观察颜色变化，若培养基变为红色则是阳性，不变为阴性。菌株耐盐特性实验：菌株培养24h后以1%(体积)接种量接种于含有0%、1%、3%、5%、10%、15%、20%Na1.2.4微生物的培养耐盐菌株培养24h后以1%(体积)接种量接种于废水中，30℃、180r/min培养48h，检测反应始末TOC值，不接种微生物的废水作为空白对照。上述实验均进行了3组平行实验，取平均值作为最终数据。1.3复合耐盐菌剂连续剂制备采用LB培养基分别活化9株菌(液体培养基的0.1%，接种体积相同)，置于摇床中30℃、180r/min培养24h，使用冷冻离心机收集菌体，接着加入0.9%(质量)生理盐水制备成9组菌悬液(菌体干重相同)，然后取相同体积的菌悬液振荡混合，即可获得复合耐盐菌剂。反应器由有机玻璃组成，总容积3L，有效容积2L，反应器内放置30%(体积)组合填料作为微生物生长载体，组合填料包括纤维填料(聚丙烯醛化纤维丝材料)、悬浮填料(聚丙烯材料)、海绵填料(聚氨酯材料)；同时放置曝气头供氧（图2）。反应开始时投加制备的复合耐盐菌剂，闷曝72h，进水分别为煤化工反渗透浓水、臭氧氧化处理反渗透浓水后的产水，反应器HRT(水力停留时间)为12h，换水比为50%(体积)，每周期换水后静置10min后加入新的废水。1.4织物体积、容积臭氧氧化反应器为圆柱形结构，由有机玻璃组成，反应器底部设有多孔布气板，上部设置排气口，装置高100cm，直径4.5cm，有效容积1.3L。实验前将臭氧浓度检测仪、臭氧发生器预热30min，随后将1L煤化工反渗透浓水加入反应器中，待臭氧浓度稳定打开臭氧发生器进行氧化反应，臭氧投加量为10.4mg/min，反应时间为1h，反应后的臭氧尾气由碘化钾溶液吸收后外排。1.5测量分析TOC(总有机碳)采用InnovOxTOC分析仪测定，样品3500r/min离心20min进行自动测量和分析。BOD(生化需氧量)采用哈希BODTrakII检测仪测定，COD有机物成分采用固相微萃取-气质联用法测定，实验仪器为安捷伦6890GC-5973MS，其中毛细柱为HP5MS(30m×0.25mm×0.25μm)，载气为流速1ml/min的高纯度氦气，模式选用无分流进样。1.6微生物培养仪器TOC分析仪(TOCANALYZER,InnovOx，美国)，分光光度计(MAPADAUV-6100s，美谱达仪器有限公司，中国)，微生物自动培养系统(FP-1100-C，芬兰)，冷冻离心机(AllegraX-12R,BECKMANCOULTER，美国)，臭氧发生器(SOZ-YB-16G，中国)，臭氧浓度检测仪(BMT-964BT,BMT，德国)，海尔超低温冰箱(DW-86L578J，中国)，超净工作台，高压灭菌锅，恒温振荡培养箱，隔水式培养箱。2结果与讨论2.1有机物降解能力研究废水为某煤化工厂零排放处理系统中的反渗透浓水，其水质分析结果如下：COD针对本研究废水水质特征，从煤化工、石油炼化、精细化工高盐废水排放口周边土壤和相关生化处理系统的污泥中，经过多次富集、筛选、纯化，分离得到9株有机物降解能力较强的菌株，分别编号为L-141～L-147和L-275、L-276。如图3所示，9株菌对煤化工反渗透浓水中TOC的去除率能达到40.0%～62.0%，远高于对照组(blank，不接种微生物)的7%，因此，选择这9株菌株为降解煤化工反渗透浓水的耐盐菌，开展进一步研究工作。2.2耐盐菌株的鉴定2.2.1srrna基因序列及测序分析对上述9株菌进行DNA提取、PCR扩增、电泳产物鉴定，得到16SrDNA基因序列，将基因序列提交至NCBI数据库进行序列比对，查找相似度最高的菌株确定亲缘关系，具体如表1所示。9株菌与数据库中现有菌株的最高相似度均在99%以上，16SrDNA基因序列比对表明，菌株L-141和L-142属于假单胞菌属，菌株L-143、L-145、L-146、L-147、L-275以及L-276属于芽孢杆菌属，菌株L-144属于嗜盐单胞菌属。据前人研究可知，假单胞菌属多种微生物具有良好的耐盐特性选取与9株耐盐菌相似度在98%以上的菌株序列进行BLAST分析，使用MEGA5.0软件ClustalW比对分析，设置自展值(Bootstrap)为1000，用Neighbor-joining算法构建系统发育树，如图4。2.2.2菌株能水解淀粉的菌株对9株耐盐菌进行生理生化特性鉴定，结果如表2所示。菌株L-141为革兰阴性菌，其余菌株均为革兰阳性菌。菌株L-141、L-276能水解淀粉，其余菌株均不能水解淀粉。所有菌株均为好氧菌，均能水解酪素、分解尿素，所有菌株均不能合成氧化酶，也不能产生触酶，均不能分解色氨酸生成吲哚、产生H2.2.3基于盐度的toc去除效率对9株耐盐菌的耐盐特性进行测试鉴定，将不同菌株分别扩培后以1%(体积)接种量接种于含0%、1%、3%、5%、10%、15%、20%Na在盐度小于15%时，所有菌株均可良好生长(图5)，当盐度为5%时(目标煤化工反渗透浓水盐度为5%)，菌株L-141、L-144及L-146生长最快，结合图3可知，这三株菌在该盐度下有良好TOC去除效率(均在50%以上)，可以预计这三株菌在该盐度下发挥有机物降解的主导作用。对于工业废水而言，盐浓度等水质波动是不可避免的先前的研究同样证明，相比于单一菌种，混合菌剂在工业废水处理过程的应用更加广泛，这是由于丰富的生物多样性可以提高生化处理系统的稳定性2.3基于菌体干重的复合耐盐菌剂选用复合耐盐菌剂(L-HBP)进行煤化工反渗透浓水生化降解系统连续式运行研究，反应器采用装有填料的有机玻璃容器(图2)。启动时投加0.01g/L(基于菌体干重)的复合耐盐菌剂，闷曝72h进行挂膜；然后，每12h为一个周期进行换水，运行7d后投加0.25g/L(基于菌体干重)的复合耐盐菌剂进行强化。反应器运行进出水的TOC及去除率如图6所示，进水TOC在220～245mg/L，出水TOC前期波动较大，稳定后维持在150～170mg/L,TOC去除率为28.6%～30.0%。相比复合耐盐菌剂降解有机物摇瓶实验(图3)中TOC去除率(55%)，反应器连续运行的TOC去除率较低，推测摇瓶实验中微生物对有机物的吸附起了重要作用，导致TOC的显著下降为了进一步提高煤化工反渗透浓水中有机物的降解效果，采用高级氧化法和生化法联合工艺探究废水中有机物的去除效果。高级氧化法处理速度快，应用范围广且能将废水中难降解的大分子有机物转化成小分子有机物，改善废水的可生化性煤化工反渗透浓水是一种极难处理的废水，该废水浓缩了前期高级氧化及生化氧化残余的极难降解有机物(表3)且浓缩了大量无机盐，因此TOC去除率很难提高。前人在研究煤化工反渗透浓水时，TOC去除率也普遍较低，例如Fang等2.4机物的变化选取复合耐盐菌剂处理产水、臭氧氧化预处理产水、臭氧氧化和复合耐盐菌剂联合工艺处理后进入稳定期的出水进行气相色谱-质谱联用分析，对比处理前后有机物的变化。由表3可知煤化工反渗透浓水中的有机物多以环状为主，以及部分短链烃及醚类等，大部分物质对微生物生长代谢具有极大的毒害作用原水经过臭氧氧化预处理后，2,3-双环呋喃未发生明显变化，四氧杂环乙烷占比明显减少，其他物质转化成易被降解的烃类和醇类(二十烷烃、二十六烷烃、3-乙基-2-戊烯、3-己烯-2,5-二醇等)，说明臭氧氧化法可以破坏原水中环类物质的结构，使其开环形成烃类等，从而降低废水毒害作用，提高可生化性。任明等3复合耐盐菌剂处理煤化工反渗透浓水(1)从不同处理高盐废水的污泥和土壤中分离出9株耐盐菌，分别属于假单胞菌属、芽孢杆菌属以及嗜盐单胞菌属。其中菌株Pseudomonassp.L-141、BacillusaltitudinisL-276能水解淀粉，其余菌株均不能水解淀粉。所有菌株均为好氧菌，均能水解酪素、分解尿素，所有菌株均不能合成氧化酶，也不能产生触酶，均不能分解蛋白质中色氨酸生成吲哚，不能产生H(2)上述经过筛选得到的9株耐盐菌均可有效降解煤化工反渗透浓水中的有机物，去除率可达40.0%～62.0%；为了应对盐度等因素冲击，将