氮杂环化合物冲击负荷对厌氧滤池曝气生物滤池工艺处理焦化废水的影响

1118北京大学学报(自然科学版)第52卷第6期2016年11月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.52,No.6(Nov.2016)doi:10.13209/j.0479-8023.2016.118含氮杂环化合物冲击负荷对厌氧滤池-曝气生物滤池工艺处理焦化废水的影响黄毅1,2刘思彤1,2,†1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院,深圳518055;2.北京大学环境科学与工程学院,北京100871;†通信作者,E-mail:[e-mail]摘要采用生物强化及未生物强化厌氧滤池(AF)–曝气生物滤池(BAF)两套反应器处理焦化废水,并研究外加杂环化合物咔唑、喹啉和吡啶对工艺处理效果的影响。结果表明:未添加杂环化合物,两套AF-BAF反应器系统厌氧段COD的去除率均为35%,厌氧出水可生化性从进水的0.33上升为0.59;添加100mg/L咔唑后,生物强化反应器厌氧段COD去除率仍维持在35%,出水可生化性变为0.53,未生物强化反应器厌氧段COD去除率降为23%,出水可生化性降为0.45;同时添加100mg/L喹啉和50mg/L吡啶,生物强化反应器厌氧段COD的去除率降为27%,出水可生化性降为0.48,未生物强化反应器厌氧段COD去除率降为12%,出水可生化性降为0.38。生物强化有效地提高了反应器对高浓度杂环化合物的耐冲击能力。高效液相色谱结果显示,外加的咔唑、喹啉和吡啶在生物强化反应器厌氧段的去除率可达83%,91%和88%,而在未生物强化反应器厌氧段的去除率仅为57%,66%和55%。气相色谱–质谱分析表明,外加杂环化合物导致生物强化反应器厌氧出水烷烃与含苯环酯类物质种类的增加。研究结果揭示了高浓度杂环化合物咔唑、喹啉和吡啶负荷对A/O工艺处理焦化废水效果的影响。关键词焦化废水;含氮杂环化合物;可生化性;生物强化;AF-BAF工艺中图分类号X172EffectofNitrogenousHeterocyclicCompoundsonAnaerobicFilterandBiologicalAeratedFilterforTreatingCokingWastewaterHUANGYi1,2,LIUSitong1,2,†1.SchoolofEnvironmentandEnergy,PekingUniversityShenzhenGraduateSchool,Shenzhen518055;2.CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871;†Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]lter(AF)-BiologicalAeratedFilter(BAF)systems,oneforbioaugmentedsystemandanotherforcontrolsystem,wereset-uptotreatcokingwastewater,andtheinfluenceoftheintroducednitrogenousheterocycliccompoundsonthereactorperformancewasinvestigated.TheresultsshowedthattheCODremovalefficiencyofAFinbothbioaugmentedandcontrolsystemwas35%whiletheBOD5/CODincreasedfrom0.33to0.59afterthetreatmentofAFinbothsystems.When100mg/Lcarbazolewasintroducedtotheinfluent,theCODremovalefficiencyofthebioaugmentedAFremained35%andBOD5/CODofthebioaugmentedAFeffluentdecreasedto0.53,whiletheCODremovalefficiencyofthecontrolAFdeclinedto23%andBOD5/CODofthecontrolAFeffluentdroppedto0.45.When100mg/Lquinolineand50mg/Lpyridinewereintroducedtotheinfluentsimultaneously,theCODremovalefficiencyofthebioaugmentedAFdecreasedto27%andBOD5/CODofthebioaugmentedAFeffluentdecreasedto0.48,whiletheCODremovalefficiencyofthecontrolAFdeclinedto12%andBOD5/CODofthecontrolAFeffluentdecreasedto0.38.Moreover,theremovalefficienciesoftheintroducedcarbazole,quinoloneandpyridinewere83%,91%and88%respectivelyafterbioaugmentedAF国家自然科学基金(21261140336)资助收稿日期:20150529;修回日期:20150720;网络出版日期:20161106黄毅等含氮杂环化合物冲击负荷对厌氧滤池曝气生物滤池工艺处理焦化废水的影响1119图1AF-BAF组合工艺试验装置Fig.1SchematicdiagramoftheAF-BAFsystemtreatment,whiletheremovalefficienciesoftheintroducedcarbazole,quinoloneandpyridinewere57%,66%and55%respectivelyafterthecontrolAFtreatment.Thisindicatedthatthebioaugmentedsystemwasmoreeffectivetoresisttheimpactofhighconcentrationnitrogenousheterocycliccompounds.TheGC-MSanalysisofthebioangmentedAFeffluentindicatedthattheintroductionofnitrogenousheterocycliccompoundsledtoanincrementofthealkaneandbenzoicestersintheAFeffluent.ThisstudyrevealedtheimpactofthehighconcentrationoforganiccompoundsonA/Osystemfortreatingcokingwastewater.Keywordscokingwastewater;nitrogenousheterocycliccompounds;biodegradability;bioaugmentation;AF-BAFsystem焦化废水是煤制焦炭、煤气净化及焦化产品回收过程中产生的副产物,因其水量大,成分复杂多变,含有高浓度的氨氮、酚、氰等有毒物质以及吲哚、萘、吡啶、喹啉等难降解的杂环及多环芳香族化合物,故如何有效地处理焦化废水已成为废水处理领域的难题[1–3]。目前研究较多的焦化废水处理工艺有SBR,A/O工艺和A/A/O工艺等[4]。这些工艺在CN–、苯酚、杂环芳香烃的去除效果及机理方面取得可观的进展[5–9],并发现A/O工艺或A/A/O工艺的厌氧段处理使大分子有机物降解为小分子有机物,降低了焦化废水的毒性,提高了焦化废水的可生化性,使得处理效果更加稳定。对焦化废水中难降解有机物的研究目前集中在单一菌株对酚类、杂环化合物和多环芳香烃化合物(PAHs)等物质的生物强化降解效果与机理上[8–12]。例如,Zhang等[13]发现,在A/A/O工艺中,喹啉的生物降解与Burkholderiaceae的生物强化有极大的相关性;柏耀辉等[14]利用沸石作为生物固定化的载体,在生物滤池中用Pseudomonassp.BW003和Paracoccussp.BW001降解吡啶和喹啉,发现在HRT为37.5h,喹啉和吡啶浓度均为100~130mg/L时,喹啉和吡啶的去除率都超过90%,且新加入的强化菌并没有成为优势菌群。这些研究侧重于一种或几种难降解有机物的好氧生物降解特性,而对高浓度难降解有机物厌氧降解的报道还不多[14–15]。本研究对处理焦化废水的厌氧滤池–曝气生物滤池(AF-BAF)生物强化反应器与未生物强化反应器进行研究,通过添加3种典型含氮杂环化合物(咔唑、喹啉和吡啶)来考察该生物强化A/O工艺与未生物强化A/O工艺在含氮杂环化合物高冲击负荷条件下的稳定性与处理效果。1材料与方法1.1废水水质焦化废水原水取自山西大同煤炭实业的焦化废水处理厂,原水的颜色为深棕色,伴有强烈的刺激性气味。原水未经过任何预处理,其中氨氮、酚类物质和油类物质含量均高于其他研究报道水质的含量[16–17],水质特性如表1所示。由于原水缺少微生物生长所必须的磷元素,因此,在反应器进水中加入0.05g/LKH2PO4以补充磷元素,并加一定量2mol/L的硫酸,调节pH为7~8.5。表1焦化废水水质Table1Qualityofcokingwastewater含量/(mg·L-1)pHCODNH4+-N挥发酚氰化物20000~350004300~60002700~4500120~3207.6~9.41.2实验装置启动两套AF-BAF反应器处理焦化废水。其中,一套作为生物强化反应器,生物强化反应器接种B350菌剂,菌剂以0.1g/L的量加入生物强化厌氧滤池(AF),B350菌剂购买自BIO-SYSTEMS公司(美国)。B350菌剂已被证实可以高效降解石油类物质[18];另一套作为对照试验反应器。两套反应器均加入MLSS为7.6g/L的污泥2.3L,使得启动时反应器中的MLSS为3.5g/L。污泥取自大同煤炭实业的焦化废水处理厂。AF-BAF(图1)由一个厌氧生物滤池(AF,有效体积5L)和一个曝气生物滤池(BAF,有效体积5L)组成。反应器均由有机玻璃管制成,尺寸均为北京大学学报(自然科学版)第52卷第6期2016年11月1120Φ100mm×700mm。每个反应器侧壁不同位置处均设有取样口,并附以加热套,以保持温度恒定。两个反应器均采用上流式进水,所装填料为一种专用的合成高分子载体[17,19–20]。该填料可与微生物形成氢键、离子键和共价键,用于固定微生物,其结合力牢固,与常规生物膜技术相比,可以获得更多的生物量。AF反应器的溶解氧(DO)控制在0.3mg/L以下,BAF的溶解氧控制在4~6mg/L。温度控制在35±2℃以模拟实际焦化废水处理厂的温度[10]。1.3运行条件生物强化反应器与对照反应器处理效果稳定后,用自来水把焦化废水原水COD浓度稀释至2000~2200mg/L,将进水改为稀释后的实际焦化废水。反应器运行分3个阶段:阶段Ⅰ(0~49天),不添加杂环有机物;阶段Ⅱ(50~127天),添加约100mg/L的咔唑;阶段Ⅲ(128–191天),停止添加咔唑,添加100mg/L喹啉和50mg/L的吡啶。1.4分析方法1.4.1水质指标检测BOD5,COD,NH4+-N,NO3–-N和挥发性酚类物质均采用标准方法[21]测定。喹啉、吡啶和咔唑的浓度通过高效液相色谱仪(岛津LC10ADvp,SPD10AvpUV-VisDetector;DiamonsilC18色谱柱,250mm×4.6mm,5μm)测定,其中,喹啉检测用流动相