固定化微生物处理焦化污水的性能研究

固定化微生物处理焦化污水的性能研究

与传统的高浓度处理方法相比，固定化微生物技术具有许多优点。例如，如果采用固定化微生物技术处理含有氮的废水，不仅可以更好地保持cod的去除率，还可以达到较高的nh4nh的去除率。另一方面，固定化微生物技术的研发相对缓慢，目前大部分仍停留在实验室研究阶段。当固定化微生物技术通常用于实际废水的生化处理时，它们有时显示出一些性能缺陷（如稳定性、传质性、抗逆性等），这也降低了处理效率。本文结合文献中固定化微生物处理效果的研究成果，对固定化微生物处理的主要性能进行了深入研究。在相同条件下，固定化微生物与游离微生物的性能进行了比较，阐明了文献中使用的固定化微生物技术的显著性能优势。1实验方法和仪器材料采用文献中介绍的FPUFS载体,内含羟基、环氧基和酰胺基等反应性基团,湿密度为1.0g/cm3,比表面为80～120m2/g,孔径0.3～0.7mm.高效微生物菌群含28种专用微生物及纤维酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶,堆密度为0.6～0.8g/cm3,微生物数量为30～50亿个/g.试剂为化学纯或分析纯,实验仪器、工艺和步骤的描述详见文献.实验的微生物驯化和固定化阶段历时20d,实验工艺参数和运行控制阶段历时90d.为了论证固定化微生物的特征和优点,制作了体积为500L的SBR反应池,只投加高效微生物B350.投加量为3g/L,在驯化15d后以48h为一个反应周期,对煤气厂焦化污水进行了试验,通过对进水与出水氨氮(NH4+-N)、挥发酚及化学耗氧量(COD)的检测分析,考察温度、pH值、氨氮和有机负荷等对固定化微生物性能产生的影响.通过克氏定氮法测定高效微生物菌群在FPUFS载体上的生物负载量,以便得出固定化微生物系统去除COD、挥发酚和氨氮的工艺设计参数.在实验过程中取一定量的载体,放在漏斗上滤干后,并小心用蒸馏水冲洗2～3次,放入烘箱102～105℃条件下烘干至恒重,用克氏定氮法测定固定化微生物的含氮量,折算为每升水中的微生物量为18～56g/L(H2O),平均32g/L(载体以40%体积计).固定化微生物形态采用电镜和光镜观察,给出载体放大后的电镜照片.2固定化微生物与游离微生物的处理效果比较在前面研究中,以兰州煤气厂焦化污水处理为例,说明了I-BAF系统对氨氮(NH4+-N)、挥发酚及化学耗氧量(COD)等的处理效果非常显著,系统处理出水优于国家污水综合排放的一级排放标准,显示了固定化微生物在处理高浓度、难降解有机物和高NH4+-N方面的独特优势.在本文,研究的重点将集中在固定化微生物与游离微生物处理污水的性能比较方面.表1是SBR一个周期与同期固定化B350-I-BAF系统的试验结果的比较.由表可见,无论是对COD还是对NH4+-N,I-BAF系统中的固定化微生物比SBR系统中游离微生物的去除效果要好得多.在SBR池中,未固定化的微生物对NH4+-N基本上没有去除作用,污水中NH4+-N的去除主要是曝气吹脱和细胞合成所消耗,处理出水中,经检测NO2-、NO3-的含量低,应当是亚硝化菌和硝化菌受到抑制的结果,这和传统理论是吻合的.在I-BAF系统中,出水NH4+-N很低,说明硝化菌、亚硝化菌未受抑制,检测发现出水中NO2-、NO3-浓度很低,证明反硝化菌很活跃,即在固定化微生物系统中,硝化、反硝化同时进行.2.1ph值对生物处理能力和固定物的处理效果影响图1是固定化B350-I-BAF系统和游离微生物SBR系统在不同pH值下对COD去除率的比较曲线.由图可见,游离微生物整体上对COD的去除效果比固定化微生物要差.另外,一旦pH值超出最佳范围(6～9),固定化微生物仍然保持一定的COD去除率,而游离微生物的去除效果则急剧下降.当pH值≤4或pH≥11时,微生物大部分失活、活性污泥膨胀、整个系统破坏,而固定化微生物仍然保持一定的活性.一旦pH值恢复正常,整个系统即可正常工作.这主要是因为固定化微生物中载体及载体上负载微生物的—NH2、—COOH起一个缓冲作用,同时载体孔结构的屏蔽作用以及载体外层的微生物对内层微生物起保护作用,会形成一个的浓度梯度,故当到酸碱突然侵入时不至于全部失活,而游离微生物则不具备这些条件.2.2固定化微生物对nh4+-n、ss、色度的去除效果在不同温度下,测定固定化B350-I-BAF系统和游离微生物SBR系统对COD的去除率如图2所示.由图可见,在10～55℃范围内,固定化微生物系统对COD有较好的去除效果;而游离微生物则在20～40℃内对COD显示较好的去除效果.这是因为游离微生物低温时活性较差、高温(≥37℃)时又因蛋白质变性而导致失活,相比之下固定化微生物可在较宽的温度范围内保持较好活性,显示良好的温度耐受性能.固定化B350-I-BAF系统在驯化完成后,连续运转三个月,出水中挥发酚、COD、NH4+-N、SS、色度未见反弹.图3是I-BAF系统三个月的运转中对NH4+-N和COD的去除率图.由图3可见,在未补加微生物的情况下,固定化微生物对NH4+-N和COD的去除效果非常稳定,证明了微生物的活力没有损失,且随着微生物的增殖和进一步驯化,处理效果更加稳定,重复使用性能更加优良.2.4游离氨活性抑制硝化反应的物质主要有重金属、酚、硫脲及其衍生物、游离氨等,其中游离氨的影响最大.游离氨的抑制允许浓度为:硝化菌(Nitrosomonas),10～150mg/L;亚硝化菌(Nitrobacter),0.1～1mg/L.在本次中试的废水中:NH4+-N为451mg/L,pH为9.07～9.29.故游离氨的浓度为:[NH3]=[NH4+][OH-]/K=451×10-5×17/18×1.75×10-5=243.3mg/L.其中,K为氨水的电离常数.显然,游离氨的浓度已远远超出了文献中的所给出的抑制极限、尤其是对亚硝化菌(Nitrobacter).一旦亚硝化菌(Nitrobacter)受抑制,去除氨氮是不可能的.但在I-BAF系统中,氨氮的去除率接近100%,证明固定化硝化菌(Nitrosomonas)和固定化亚硝化菌(Nitrobacter)活性很高,即硝化菌(Nitrosomonas)和亚硝化菌(Nitrobacter)通过固定化,提高了其对游离氨毒物的耐受能力.2.5有机负荷对硝化率的影响大量资料报道硝化菌和亚硝化菌只有在有机物浓度很低(接近于0)的条件下或BOD负荷很低的情况下才能存活与繁殖,才能够完成污水中氨氮的氧化,当有机负荷为0时,硝化效率接近100%;当有机负荷为0.5kg/m3·d时,硝化率仅为18%;而当有机负荷为1.0kg/m3·d时,硝化率接近于0.表2是三级I-BAF系统的氨氮硝化率、氨氮负荷与有机负荷COD氧化率的测定值,由表2可见,在有机负荷和氨氮负荷很高的情况下,COD的氧化率和氨氮的硝化率都很高,证明硝化菌和亚硝化菌活力较高,进一步说明大孔载体形态结构为硝化菌和亚硝化菌的生存和繁殖创造了较为适宜的微环境,这也是本研究的主要特色之一.2.6固定化微生物测量图4是FPUFS载体放大1000倍的电镜照片,由图可见,载体孔壁表面光滑.图5是FPUFS载体固定化微生物进行4个月后的电镜照片,由图可见,载体上负载大量的微生物,但载体上的孔道仍然畅通,从而避免了其他载体由于微生物负载和增殖而堵塞孔道,比表面积减小,气、液、固传质推动力下降,处理效果变差.测量结果还表明固定化微生物品类较多,丝状微生物非常发达,为处理难降解有机物和大分子污染物提供了保障,从而使得固定化微生物处理污水的效果显著.2.7nh4+-n的浓度变化图6为固定化微生物养生驯化第三级I-BAF出口期间NH4+-N和[NO2-+NO3-]浓度的变化关系图,由图可见,NH4+-N和[NO2-+NO3-]浓度的变化呈现一定的顺变关系,即硝化反应进行到一定程度,由于NO2-、NO3-的积累而对硝化反应产生抑制,随后硝酸根离子下降、即反硝化反应开始,NH4+-N的浓度随之下降、且保持了较为稳定的态势,表明了硝化和反硝化同时进行.一个载体集好氧、兼性、厌氧反应为一体,在同一个反应器内可实现水解酸化、甲烷化、碳氧化、硝化和反硝化,在处理难降解有机物和氨氮方面有其独特的优点.2.8tod的容积负荷容积负荷是表示生物反应器处理能力的一项重要指标,也是设计反应器大小的重要依据.对于煤气厂焦化污水,在出水满足TCOD≤100mg/L的要求时,可采用的容积负荷最大为8.91kg/m3·d.在出水满足NH4+-N≤15mg/L的要求时,可采用的NH4+-N最大容积负荷为1.16kg/m3·d.3煤气厂焦化污水的生物处理以固定化微生物为核心技术构成的曝气生物滤池(I-BAF系统)具有微生物负载量大,反应速度快,处理效率高,出水稳定的特点.微生物负载量平均为32g/L,各污染物去除率分别为COD:98.3%,挥发酚:99.7%,氨氮:99.9%,处理出水优于《国家污水综合排放GB8978-1996》中的一级排放标准.由于载体具有多孔网状结构,适宜于好氧、厌氧和兼性菌的生长和繁殖,且丝状微生物非常活跃,因而具有处理高浓度焦化污水和高氨氮污水的能力,且硝化和反硝化同时进行,氨氮和总氮同时下降,这是对传统生物处理脱氮的重大突破.水质的变化尤其是氨氮的变化未发现对硝化菌及其他菌种有抑制现象.突破了污水中NH4+-N浓度超过200mg/L不