多级生物膜反应器对煤气化废水的处理

第11卷　第5期环境工程学报Vol.11,No.52017年5月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMay2017基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2015AA050501)收稿日期:2015-12-22;录用日期:2016-01-26第一作者:郑彭生(1983—),男,工学硕士,助理研究员,研究方向:水处理技术。E-mail:[e-mail]∗通信作者多级生物膜反应器对煤气化废水的处理郑彭生1,∗,陆小泉2,周如禄1,郭中权11.煤科集团杭州环保研究院有限公司,杭州3112012.煤炭科学技术研究院有限公司,北京100013摘　要　采用4级生物膜反应器串联处理煤气化废水,分析了反应器的启动过程、污染物去除能力及沿程水质特征,考察了水力停留时间(HRT)、进水污染物负荷对处理效果的影响。结果表明:系统在16d的培养时间内可快速完成微生物的驯化及固定化;在连续进水、持续曝气的运行方式下,各反应器均具备对NH+4-N、COD、TN及SS的同步去除能力,在HRT=55.6h、ρ(NH+4-N)=245~363mg·L-1、ρ(COD)=761~1764mg·L-1、ρ(TN)=262~377mg·L-1、ρ(SS)=121~143mg·L-1的进水条件下,反应器出水NH+4-N、COD、TN及SS的质量浓度分别为0.23~1.37、16.3~26.1、91.6~139和12.3~18.5mg·L-1,平均去除率分别为99.8%、98.1%、65.8%和88.2%,同步硝化反硝化效率为70.1%;在HRT≥39.2h、进水NH+4-N负荷≤0.203kg·(m3·d)-1、进水COD负荷≤1.357kg·(m3·d)-1的条件下,出水NH+4-N、COD浓度均能满足GB31571-2015排放标准要求。关键词　煤气化废水;生物膜;生物载体;脱氮中图分类号　X703　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)05-2748-06　　DOI　10.12030/j.cjee.201512157TreatmentofmultistagebiofilmreactoroncoalgasificationwastewaterZHENGPengsheng1,∗,LUXiaoquan2,ZHOURulu1,GUOZhongquan11.HangzhouEnvironmentalProtectionResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Hangzhou311201,China2.ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,ChinaAbstract　Amultistagebiofilmreactorcomposedoffourtandemunitswasusedtotreatcoalgasificationwastewater.Thestart-upprocedure,abilitytoremovepollutants,andwaterqualitycharacteristicsalongthereac-torwereanalyzed.Inaddition,howhydraulicretentiontime(HRT)andpollutantburdeninfluencedtheremovalefficiencywasinvestigated.Theresultsindicatedthatmicrobialacclimationandimmobilizationrapidlyfinishedin16d.EachreactionunitsimultaneouslyremovedNH+4-N,COD,TN,andSSundertheoperationalmodeofcontinuousinflowandaeration.UndertheinfluentconditionsofHRT55.6h,ρ(NH+4-N)245to363mg·L-1,ρ(COD)761to1764mg·L-1,ρ(TN)262to377mg·L-1,andρ(SS)121to143mg·L-1,themasscon-centrationsofNH+4-N,COD,TN,andSSinthelasteffluentwerefrom0.23to1.37,16.3to26.1,91.6to139,and12.3to18.5mg·L-1,respectively,withanSNDratioof70.1%andmeanremovalratesof99.8%,98.1%,65.8%,and88.2%.TheeffluentmassconcentrationsofNH+4-NandCODmettheemissionstandardofpollutantsforpetroleumchemistryindustry(GB31571-2015),whenHRT≥39.2h,inflowNH+4-Nburden≤0.203kg·(m3·d)-1,andCODburden≤1.357kg·(m3·d)-1.Keywords　coalgasificationwastewater;biofilm;bio-carrier;nitrogenremoval　　煤气化在我国能源化工领域占有重要地位,但废水治理已成为制约该产业发展的关键问题。固定床、流化床及气流床3种气化工艺所产生的废水水质并不相同,但其共同点是NH+4-N及COD含量高[1]。国内外普遍采用预处理+生物处理+深度处理的工艺路线处理煤气化废水[2-6],NH+4-N及COD的去除主要第5期郑彭生等:多级生物膜反应器对煤气化废水的处理在生物处理单元实现,而现有的生物处理工艺基本上都是以活性污泥法为主体,利用传统原理脱氮除碳,将硝化及反硝化限制在不同反应器[7-9]或不同时间段[10-12],存在着工艺流程复杂、附属构筑物多、运行成本高、处理效果不稳定等问题[13-14]。与活性污泥法相比,生物膜法占地面积较小,不会发生污泥膨胀。在常规生物膜工艺中,仅有曝气生物滤池成功应用于煤气化废水的处理,但曝气生物滤池对进水水质要求高,滤料容易堵塞,仅作为后端辅助工艺与A/O法联用[15]。本文所采用的多级生物膜反应器结合了生物膜法及生物固定化技术的优势[16-18],可同步去除NH+4-N、TN、COD及SS,使生物膜反应器具备一体化处理能力,对NH+4-N及COD具备深度去除能力,可作为模块化处理技术应用于不同种类煤气化废水的生物处理。在工艺结构上,该反应器不设置反冲洗装置,污泥回流及混合液回流系统,节省了反冲洗和回流的能耗,无需二沉池进行泥水分离,在减少构筑物的同时缩小了整个处理系统的占地面积。图1　实验装置示意Fig.1　Schematicdiagramofexperimentaldevices1　材料与方法1.1实验装置实验装置如图1所示,其主体为4级生物膜反应器,由T1、T2、T3、T4等4个好氧反应单元串联而成,有效容积分别为1.71、1.71、1.64和1.61m3,废水在反应器中呈折流状态逐级流动。各单元均设有填充率为70%的亲水性网状交联大孔载体、微孔曝气装置及穿孔排泥管,载体为自制3cm×3cm×3cm立方体,孔隙率96.7%、持水倍率31.2、比表面积3.8×105m2·m-3、孔径范围为2.5~5mm,处理过程中呈悬浮状态。载体上脱落的生物膜可沉积至污泥斗,通过穿孔排泥管定期排出反应器。反应器外部设有风机、进水调节系统及碱液补充系统。处理过程中通过回转式风机持续供气,供气量根据在线DO仪读数和PLC控制系统调整风机频率,与在线pH计联锁的碱液补充系统可根据pH变化向需要补充碱度的单元及时投加氢氧化钠溶液,进水调节系统中可根据实验需要调整进水污染物负荷。1.2实验水质实验用水为某煤制甲醇厂综合废水,该厂通过德士古气化炉及低温甲醇洗工艺生产甲醇,气化废水占废水总量的85%~90%,另外还含有煤浆系统冲洗水、甲醇充装站冲洗水、精馏废液及生活污水。原水中的有机物以甲酸和甲醇为主,BOD5/COD一般为0.35~0.45,实验期间调节池ρ(NH+4-N)=217~385mg·L-1、ρ(COD)=761~1917mg·L-1、ρ(SS)=126~475mg·L-1、pH=8.2~8.7。1.3实验方法实验由启动、稳定运行及关键参数分析3个阶段组成。启动阶段的前3d进行闷曝,将废水引入反应器使各单元水位达到设计要求,开启回转式风机进行曝气,每天向各单元投加由枯草芽胞杆菌、产碱杆菌、亚硝化单胞菌、铜绿假单胞菌组成的复合微生物菌剂1次,投加量依次为60、40和20g。养生3d后开始以0.12m3·h-1的流量连续进水、连续曝气并维持各单元ρ(DO)=3~5mg·L-1,期间向需要补碱的单元投加氢氧化钠溶液并保证反应器出水pH7,每天定时检测反应器进、出水NH+4-N及COD变化。稳定运行阶段考察系统处理效果的稳定性及反应器沿程水质变化特征,共运行21d,期间HRT=55.6h,ρ(DO)=2.1~3.2mg·L-1、水温18.7~24.1℃,在T3单元投加氢氧化钠溶液。关键参数分析阶段主要考察HRT、进水NH+4-N负荷及进水COD负荷变化对处理效果的影响,通过调整进水流量改变HRT,投加氯化铵溶液改变进水NH+4-N浓度,投加甲醇改变进水COD浓度,操作过程中控制各单元ρ(DO)=2.5~3.5mg·L-1、水温18.7~24.1℃,控制反应器出水pH7。按各阶段实验内容对环境参数及废水中的主要污染物进行分析,DO测定采用Endress+HauserLiquisysMCOM223/253溶解氧测量仪,pH测定采用HACHP33型pH/ORP分析仪,NH+4-N测定采用纳氏试剂比色9472环境工程学报第11卷法,COD测定采用重铬酸钾法,TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,SS测定采用重量法。2　结果与分析2.1启动过程分析图2　启动阶段NH+4-N去除效果Fig.2　RemovaleffectsofNH+4-Ninstart-upstage启动阶段第4~16天,反应器以0.12m3·h-1的流量连续进水,NH+4-N、COD及TN去除效果的变化如图2~图4所示。闷曝养生(启动阶段前3d)结束后,NH+4-N及COD的去除效果即呈现显著提高的趋势,而TN去除效果则在第9天之后呈现显著提高的趋势。启动阶段第8天,肉眼可见载体表面附着黄褐色生物膜,第13天通过显微镜观察可发现生物膜系统已形成完整的生物群落,第16天通过扫描电镜观察可以发现载体表面及内部孔道负载大量杆菌和球菌,微生物固定化过程基本完成。经过16d的培养,反应器较快地完成了微生物的驯化及固定化,对NH+4-N、COD及TN的去除率分别达到99.8%、97.8%和62.7%。图3　启动阶段COD去除效果Fig.3　RemovaleffectsofCODinstart-upstage图4　启动阶段TN去除效果Fig.4　RemovaleffectsofTNinstart-upstage分析认为,硝化细菌及降解有机物的异养菌可在底物充足且好氧的条件下快速繁殖,而反硝化细菌的繁殖则需要稳定的厌氧环境。由于多级生物膜反应器不单独设置厌氧段,在载体上生物膜未形成稳定的厌氧微环境时,反硝化细菌的生长受到抑制;所以在第9天之后,当载体表面形成较完整的生物膜且厌氧微环境构基本形成,TN去除效果得到显著提升。2.2污染物沿程变化稳定运行阶段的21d内,HRT=55.6h,ρ(DO)=2.1~3.2mg·L-1、水温18.7~24.1℃,反应器出水pH7,反应器沿程污染物变化情况见表1。表1　污染物沿程变化Table1　On-waypollutantsvariationmg·L-1