厌氧同时反硝化产甲烷复合床处理模拟焦化废水的研究

【摘要】：焦化废水成分复杂,不仅含有氨氮、氰化物、酚类化合物等无机污染物,同时还含有杂环化合物、多环芳烃(PAHs)等众多有机难降解污染物,可生化性差,处理难度大。国内大部分企业采用预处理、生物处理及深度处理的三级组合工艺处理焦化废水,传统的生物处理工艺(A2/O、A2/O2等)流程长,运行费用高。厌氧复合床是一种新型复合反应器,由上部填料层和下部污泥床两部分组成,填料层和污泥床的结合不仅能提高反应器中的微生物量,提升处理效率,而且使反应器具有更强的抗冲击负荷能力,提高了运行的稳定性。本实验拟在厌氧复合床中实现同时反硝化产甲烷,将传统工艺中的A1和A2两段合并,利用产甲烷和反硝化的双重作用同时脱氮除碳,缩短工艺流程,节省能耗。实验以焦化废水中的典型组分苯酚、喹啉、吡啶、吲哚按一定比例(苯酚：喹啉：吡啶：吲哚=76：18：4：2；以理论COD计)配制作为模拟焦化废水,投加NaNO3模拟好氧段硝化液回流,以厌氧消化污泥接种,在中温(35±2℃)条件下启动厌氧复合床(UBF),并实现同时反硝化产甲烷。对厌氧复合床的启动情况、运行条件的优化、有机底物竞争关系以及底物降解动力学进行分析研究,得到以下结果：1、以厌氧消化污泥接种,在中温(35±2℃)条件下用模拟焦化废水启动厌氧复合床,对活性污泥和生物膜进行同步驯化,在首先实现产甲烷的基础上加入硝态氮进行反硝化耦合。经过4个月的培养,实现了同时反硝化产甲烷,厌氧复合床中COD和硝态氮负荷分别达到1.3gCOD/(L·d)和0.13g NO2-N/(L·d),反应器运行稳定,COD和硝态氮去除率分别达到85%和99%以上。2、通过对厌氧复合床在不同HRT (24-4.3h)条件下脱氮除碳效果的研究分析得知：厌氧复合床的最佳水力停留时间为7.2h,当水力停留时间为7.2h时,厌氧复合床对COD和硝态氮的去除率稳定在94%和99%左右,即使时间再延长,去除率基本保持不变。当水力停留时间低于7.2h时,COD去除率逐渐下降。3、通过对厌氧复合床在不同进水COD/NO3-N比(25-3)条件下运行效果的研究分析,得出结论：厌氧复合床适宜的进水COD/NO3-N比为4-12,在该范围内,COD和硝态氮的去除率可达到94%和99%左右,当进水COD/NO3-N比12时,COD去除率下降。当进水COD/N03-N比4时,碳源不足,反硝化反应不彻底,产生亚硝酸盐积累,脱氮除碳效果均降低。4、上升流速的大小决定了下部污泥床的混合程度,对污染物去除效果有重要影响。通过对厌氧复合床在不同上升流速(0.5-5m／h)下脱氮除碳效果的研究分析,得出结论：厌氧复合床适宜的上升流速范围为1.5-3.5m／h,在此范围内,COD和硝态氮的去除率可达到94%和99%左右,上升流速过大或过小时,厌氧复合床出水COD明显升高,除碳效果下降。5、当厌氧复合床在适宜条件(HRT=7.2h,进水COD/NO3-N比=10,上升流速=2m/h)下运行时,厌氧复合床对COD和NO3--N的去除率分别达到94.7%和99.7%。其中下部污泥床对COD和NO3--N的去除率分别为67%和99%。6、通过对厌氧复合床进行碳平衡分析得出：反硝化基本集中在下部污泥床进行,而产甲烷贯穿整个厌氧复合床。当进水COD/N03-N比从15下降到8时,反硝化对整个反应器的COD去除贡献率从26.1%上升到47.79%,而产甲烷去除的COD占总COD去除量的比例从73.9%下降到52.21%。7、Monod模型能够很好的表征厌氧消化过程中COD的降解规律,通过Matlab曲线拟合得到模型参数：最大比基质降解速率为3.456d-1；半饱和常数为253.62mg/L；难降解COD浓度为100.8mg/L。8、采用双底物Monod微分方程对反硝化过程中NO3-N、NO2-N以及COD浓度变化情况进行模拟,结果表明,拟合曲线与实测值相关性良好,得到模型参数：硝态氮和亚硝态氮的最大比降解速率分别为1.13d-1和0.66d-1；硝态氮和亚硝态氮的半饱和常数分别为2.0mg/L和2.5mg/L；基于硝态氮和亚硝态氮的有机物半饱和常数分别为90.8mg/L和96.8mg/L；反硝化难降解COD浓度为79.8mg/L。 【关键词】：模拟焦化废水 同时反硝化产甲烷 厌氧复合床 动力学
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X784
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 符号说明12-13
• 第一章 引言13-17
• 1.1 研究课题的提出及意义13-15
• 1.1.1 焦化废水处理现状及存在的问题13-14
• 1.1.2 同时反硝化产甲烷的可行性及优越性14-15
• 1.1.3 厌氧复合床的优越性15
• 1.2 研究目标及内容15-17
• 1.2.1 研究目标15
• 1.2.2 研究内容15-17
• 第二章 文献综述17-43
• 2.1 焦化废水的产生、水质特征及处理方法17-27
• 2.1.1 焦化废水的来源17-18
• 2.1.2 焦化废水的水质特征18-19
• 2.1.3 处理焦化废水的常用方法19-27
• 2.2 厌氧消化及微生物脱氮基本理论27-35
• 2.2.1 厌氧生物处理原理27-31
• 2.2.2 微生物脱氮技术原理31-35
• 2.3 同时反硝化产甲烷的理论研究和发展35-39
• 2.3.1 同时反硝化产甲烷基本理论35-36
• 2.3.2 同时反硝化产甲烷的可行性及优越性36-37
• 2.3.3 影响同时反硝化产甲烷的主要因素37-38
• 2.3.4 同时反硝化产甲烷的研究和应用现状38-39
• 2.4 厌氧复合床的研究及应用现状39-43
• 2.4.1 厌氧复合床简介39-40
• 2.4.2 厌氧复合床应用现状40-43
• 第三章 实验设计43-49
• 3.1 实验思路43-44
• 3.2 实验装置及设备44-46
• 3.2.1 实验装置44
• 3.2.2 相关设备及参数44-46
• 3.3 实验参数控制46-47
• 3.4 原水配制47-48
• 3.5 测试项目及分析方法48-49
• 第四章 厌氧复合床的启动49-55
• 4.1 启动方案的制定49-50
• 4.2 微生物驯化过程50-55
• 4.2.1 填料的选择50-51
• 4.2.2 接种污泥51
• 4.2.3 驯化过程51-55
• 第五章 厌氧复合床运行参数优化及碳平衡分析55-73
• 5.1 厌氧复合床运行参数优化55-67
• 5.1.1 水力停留时间对脱氮除碳效果的影响55-59
• 5.1.2 进水COD/NO_3~--N比对脱氮除碳效果的影响59-63
• 5.1.3 下部污泥床上升流速对脱氮除碳效果的影响63-67
• 5.2 厌氧复合床的运行效果分析67-69
• 5.3 厌氧复合床的碳平衡分析69-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第六章 反硝化和产甲烷的动力学研究73-83
• 6.1 厌氧消化动力学分析73-75
• 6.1.1 材料与方法73
• 6.1.2 结果与讨论73-75
• 6.2 反硝化动力学分析75-81
• 6.2.1 材料与方法76
• 6.2.2 结果与讨论76-81
• 6.3 本章小结81-83
• 第七章 结论与建议83-85
• 7.1 结论83-84
• 7.2 建议84-85
• 参考文献85-93
• 致谢93-95
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录95

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