一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法

2023-12-02 18:59:46

專利名稱：一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法
技術領域：
本發明涉及一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，屬於環境保護和難降解工業廢水處理領域，特別適用於焦化廢水，也同樣適用於處理高C0D、高氨氮的工業廢水，能夠實現高效去除COD和高效脫氮。
背景技術：
焦化廢水為煉製焦碳或制煤氣過程中產生的難生物降解的高濃度有毒有機廢水，主要來源於鋼鐵冶金和煉焦行業的焦化廠。焦化廢水中主要含有氨氮(NH3-N)、氰化物、酚類化合物、多環芳香族化合物和含氮、氧、硫的雜環化合物及脂肪族化合物等汙染物質，具有「三致」作用，對人體健康和生態環境威脅巨大。除了組成複雜外，焦化廢水還具有水質變化幅度大、可生化性差、毒性大等特點。
目前，處理焦化廢水的方法很多，但國內大多數焦化廠的焦化廢水仍然以生物處理為主，普遍採用活性汙泥法和A20(厭氧-缺氧-好氧)工藝。A2O工藝的效果優於活性汙泥法，但是，經過A2O工藝處理的焦化廢水往往也很難達到國家排放標準(GB8978-1996)中的二級排放標準，特別是COD和NH3-N這兩個指標很難同時達標，GB8978-1996中的一級和二級排放標準是COD和NH3-N分別低於100mg/L、150mg/L和15mg/L、25mg/L。COD難以達標的主要原因是焦化廢水中含有一定量的難生物降解的有機物，這些難降解有機物在生物反應器中往往不能被有效去除而直接進入出水中，導致出水COD、NH3-N偏高，此外，由於焦化廢水具有毒性，當毒性有機物達到一定濃度範圍時，硝化細菌將受到抑制，導致氨氮不能有效去除，難以達標。結合目前我國焦化廢水的處理技術，尋找高效穩定、成本低廉、便於管理的生物處理方法成了我國焦化廢水處理領域的重要任務。生物膜生物強化技術是指為提高廢水處理系統的處理能力，而在此生物膜法處理系統中投加具有特定功能的菌屬、微生物、營養物或基質類似物。其中的菌屬可以是從自然界中經過分離、馴化、富集、篩選、培養而得到的優勢菌種，通常源於被廢水汙染的土壤中或者汙水處理廠的排水中；也可以是通過基因組合技術得到的工程菌種。與目前使用最廣泛的活性汙泥法相比，生物膜法生物強化技術擁有以下幾點優勢提高對目標汙染物的去除效果；減少汙泥產生，改善汙泥性能；加快系統啟動，減少系統故障，增強系統穩定性。目前，生物膜生物強化技術在焦化廢水處理中尚無工程應用。

發明內容
本發明的目的在於克服現有生物處理焦化廢水的不足之處，結合前人的相關研究及理論，提供一種高效穩定、成本低廉、便於管理的生物處理焦化廢水工藝，使焦化廢水經處理後能夠達到相關國家排放標準，解決我國國內焦化廢水難以處理的現狀。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，包括採用厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝處理焦化廢水，分為掛膜期和正式運行期；在掛膜期，首先在厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝反應器內加入膜支撐載體，然後投加睪丸酮叢毛單胞菌(Comamonas testosteroni)進行掛膜,上述菌株已於2011年3月3日在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(CGMCC)保藏，地址北京市朝陽區北辰西路I號院3號中國科學院生物研究所，保減編號CGMCCNo. 4630 ;掛|旲完成後在系統內形成穩定的生態島系統，進行焦化廢水生物強化處理。所述的厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝以焦化廢水為碳源和氮源，焦化廢水處理的環境條件為溫度為25-30°C，pH為7. 0-8. 5。先將睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630純菌進行擴大培養得到睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液,擴大培養條件為pH為7. 0-7. 2的LB培養基，在150red/min、30°C搖床條件下培養8-10h。 所述的睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液投加入厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝中的生物流化床段，睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液與普通汙泥活化後混合液以I : 4-1 2的比例混合後投加至生物流化床進行掛膜，掛膜方式採用前7天悶爆培養後連續進水方式。所述的悶爆培養期間每日進水為含有5% -7% LB培養基的焦化廢水，連續進水時進水為純焦化廢水，並在COD 50-600mg/L之間逐漸增加焦化廢水濃度。所述的三相好氧生物循環流化床反應器中膜支撐載體為聚丙烯材質懸浮生物載體，載體投加體積為反應器容積的30% 40% ;厭氧生物濾池中的載體為聚丙烯材質懸浮生物載體，投加體積為反應器容積的60% 80%。所述的生態島系統由菌群、原生動物及藻類構成，其中厭氧生物濾池內共49種菌，P-protebacteria菌為優勢菌屬，佔39. 20% ;好氧生物流化床內共31種細菌，其中3-protebacteria 菌為優勢菌屬，佔 47. 69*%。所述的原生動物為表殼蟲類；所述的藻類為娃藻門。此生態島系統對焦化廢水有良好的降解消納作用，可以將廢水COD濃度從1196mg/L降到64. 8mg/L, NH3-N濃度從102mg/L降到I. 43mg/L,出水均達到國家一級排放標準和回用標準,可實現100%回用。基於焦化廢水水質變動大的特點，對該工藝的相關工藝參數進行了試驗研究，將生物反應器的設計參數確定如下水力停留時間為14-18小時，回流比為4 1-3 1，曝氣量為I. 00-1. 25L/min。在此參數下進行運行，COD可從1195. 95ml/L降低到64. 82mg/L，去除率為94. 58% ;氨氮可以從102. lmg/L降到I. 428mg/L，去除率為98. 60%。出水COD和氨氮指標均能達到國家一級排放標準，水質達到回用標準。本發明生物強化焦化廢水處理方法的優點及用途(I)該技術具有較高的容積負荷和抗衝擊能力。焦化廢水的水質波動較大，尤其是氨氮，焦化廢水的進水NH3-N氨氮濃度一般在100mg/L 600mg/L之間波動，對處理系統的衝擊很大，該技術均採用生物強化法，生物量大，生物活性強，不僅容積負荷高，而且抗衝擊能力強，可以滿足焦化廢水的特點，保證廢水達標排放。(2)該技術投加睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630為焦化廢水高效降解菌，系統正常運行後，形成優勢菌屬為P -protebacteria菌屬。睪丸酮叢毛單胞菌CGMCCNo. 4630生長不受焦化廢水中有毒物質及高濃度汙染物的影響，對環境適應性強，能夠在焦化廢水中保持一定的微生物量。0 -protebacteria優勢菌屬對含氮有機物有很強的降解效果,對總氮的去除有關鍵作用，對長鏈有機物的斷鏈、大分子有機物向小分子轉化都有積極的作用，此過程是焦化廢水中汙染物徹底被去除的限制性環節。(3)該技術中形成的優勢微型生物舟型藻對整個體系的運轉起到積極作用。舟型藻含有葉綠體，能夠進行光合作用產生氧氣，這反應器中的細菌提供了很好的溶解氧源，可以代替部分曝氣效果，進一步降低動力消耗，節省成本。舟型藻所提供氧源具有分布均勻，溶解成分聞等優點。(4)本技術所形成的優勢原生動物表殼蟲對系統剩餘汙泥的減少及保持藻類和菌類活性有重要作用。表殼蟲為食藻、食菌、食碎屑者，減少死亡藻類和死亡菌類的產生，進而減少了剩餘汙泥的產生，還能通過優勝劣汰的生態法則保持藻類和菌類的生物活性，保持生物膜厚度與或活性。(5)經過該工藝的處理，焦化廢水COD去除率可達到94%以上，NH3-N去除率達到98%以上，出水能達到國家汙水排放標準(GB9878-1996)的一級排放標準和回用標準，能 夠實現廢水100%回用。總之，本發明的工藝方法利用所形成的獨特生態島具有處理焦化廢水，處理效果好、減少汙泥產量、水力負荷高、運行穩定。下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保護範圍的限制。生物材料保藏信息辜丸麗叢毛單胞菌(Comamonas testosteroni),已於2011年3月3日在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保藏(簡稱=CGMCCJia :北京市朝陽區北辰西路I號院3號中國科學院生物研究所)，保藏編號=CGMCC No. 4630。


圖I為載體上生物膜剖面圖。圖2為載體上生物膜3D模型圖。圖3為優勢微型生物(舟型藻和表殼蟲)的電鏡圖。
具體實施例方式本發明的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，包括採用厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝處理焦化廢水，分為掛膜期和正式運行期；在掛膜期，首先在厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝反應器內加入膜支撐載體，然後投加睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630進行掛膜，掛膜完成後在系統內形成在特定環境下獨特的生態島系統。本發明的厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝的具體結構和流程可參閱中國專利CN101597125A(由於生化過程在三相好氧生物循環流化床段即可達到預期效果，故斜板沉降前的缺氧生物濾池的作用本申請忽略)。首先，準備一株能夠適應焦化廢水毒性、對焦化廢水有強降解作用、不需要外加營養源的高效降解菌；本發明採用的是睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630，可自行從焦化廢水活性汙泥中分離、培養，也可直接從廠家購買，將高效菌加入生物濾池-生物流化床耦合反應器中進行掛膜，使反應器內形成功能健全、結構獨特的生態島；正常運行反應器，利用生態島的系統淨化作用將汙染物進行降解，並將各類微生物保持在一定的數量範圍內，減少汙泥產生，保證各類微生物活性，達到良好的汙染物去除效果。掛膜期間，先往反應器中放入生物膜載體，厭氧生物濾池和好氧生物流化床中的生物膜載體為聚丙烯材質懸浮生物載體，載體為空心圓柱體，內部有交叉隔板，表面呈波紋狀，凹凸不平，長為10 15mm，直徑為8 12mm，厭氧生物濾池中載體投加體積為反應器容積的60% 80%，好氧生物流化床中載體投加體積為反應器容積的30% 40%。將採集、分離、馴化的睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630純菌，進行擴大培養，其擴大培養條件為=PH為7. 0-7. 2的LB培養基，以10%的接種量轉接入2 I的選擇培養基，在150red/min、30°C搖床條件下培養8-10h。之後將純菌種擴大培養的睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液與焦化廢水生化處理產生的普通汙泥按照體積比I :4混合後投加至好氧生物流化床進行掛膜。掛膜方式採用前7天悶爆培養後連續進水方式。悶爆培養期間每日進水為含有5% LB培養基的焦化廢水，逐漸增加焦化廢水投加比例，直至連續進水時進 水為純焦化廢水，並在C0D50-600mg/L之間逐漸增加焦化廢水濃度。掛膜23天後COD和氨氮的去除率均達到90%以上，生物膜成熟。系統啟動時間短，掛膜速度快。此時生物膜厚度最厚處為I. 25mm，最薄處為0. 25mm，如圖1、2所示分別為載體上生物膜剖面圖和載體上生物膜3D模型圖。本發明的厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床(_缺氧生物濾池)耦合工藝以焦化廢水為碳源和氮源，焦化廢水處理的環境條件為溫度為25-30°C，pH為7. 0-8. 5。本發明使用的高效菌株為睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630，用此菌來處理焦化廢水，在25-30°C、150red/min搖床條件下對pH為7. 2、COD濃度為503mg/L的焦化廢水作用48h後，去除率可達到68. I %。將此菌與普通汙泥以I : 4-1 2的比例混合處理焦化廢水，同樣條件下，可將普通汙泥對COD的處理效果提高9. 6%，說明此菌能降解焦化廢水中的難降解物質，對處理難降解汙染物起到了重要作用，是徹底去除汙染物的關鍵因素。本發明的生態島系統由菌群、原生動物及藻類構成，其中厭氧生物濾池內共49種菌，0 -protebacteria菌為優勢菌屬，佔39. 20 % ;好氧生物流化床內共31種細菌，好氧生物流化床內優勢微型生物為硅藻門舟型藻屬和原生動物門表殼蟲屬，其中3-protebacteria菌為優勢菌屬，佔47.69*%。高效菌株辜丸麗叢毛單胞菌CGMCCNo. 4630也屬於P-protebacteria菌屬。原生動物為表殼蟲類,藻類為娃藻門。本發明在好氧生物流化床內形成了功能健全、組成特殊的生態島系統，含有31種細菌，其中 I 種 a-protebacteria 菌、19 種 0-protebacteria 菌、9 種 Y-protebacteria菌、I 種 Acidobacteria 菌和 I 種 Chlamydiales 菌。3 -protebacteria 佔總數的 49. 96%,為優勢菌群，其中包括投加的高效菌種睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630。菌屬結構與優勢菌屬如表I所示。系統中存在除細菌外的微型生物，優勢微型生物分別為舟型藻和表殼蟲，分屬於娃藻門和原生動物門，如圖3所不。表I好氧流化床細菌的16S rRNA基因克隆文庫的克隆子序列相似性分析結果
權利要求
1.一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於包括採用厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝處理焦化廢水，分為掛膜期和正式運行期；在掛膜期，首先在厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝反應器內加入膜支撐載體，然後投加睪丸酮叢毛單胞菌(Comamonas testosteroni) CGMCC No. 4630進行掛膜,掛膜完成後在系統內形成穩定的生態島系統，然後進行焦化廢水生物強化處理。
2.根據權利要求I所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝以焦化廢水為碳源和氮源，焦化廢水處理的環境條件為溫度為25-30°C，pH為7. 0-8. 5。
3.根據權利要求I所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於先將睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630純菌進行擴大培養得到睪丸酮叢毛單胞菌CGMCCNo. 4630菌液，擴大培養條件為pH為7. 0-7. 2的LB培養基，在150red/min、30°C搖床條件下培養8-10h。
4.根據權利要求3所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液投加入厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝中的生物流化床段，睪丸酮叢毛單胞菌CGMCC No. 4630菌液與普通汙泥活化後混合液以I : 4-1 2的比例混合後投加至生物流化床進行掛膜，掛膜方式採用前7天悶爆培養後連續進水方式。
5.根據權利要求4所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的悶爆培養期間每日進水為含有5% -7% LB培養基的焦化廢水，連續進水時進水為純焦化廢水，並在COD 50-600mg/L之間逐漸增加焦化廢水濃度。
6.根據權利要求I所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的三相好氧生物循環流化床反應器中膜支撐載體為聚丙烯材質懸浮生物載體，載體投加體積為反應器容積的30% 40% ;厭氧生物濾池中的載體為聚丙烯材質懸浮生物載體，投加體積為反應器容積的60 % 80 %。
7.根據權利要求I所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的生態島系統由菌群、原生動物及藻類構成，其中厭氧生物濾池內共49種菌，3 -protebacteria菌為優勢菌屬，佔39. 20 % ；好氧生物流化床內共31種細菌，其中3-protebacteria 菌為優勢菌屬，佔 47. 69*%。
8.根據權利要求7所述的生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，其特徵在於所述的原生動物為表殼蟲類；所述的藻類為硅藻門。
全文摘要
本發明涉及一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法，包括採用厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝處理焦化廢水，分為掛膜期和正式運行期；在掛膜期，首先在厭氧生物濾池-三相好氧生物循環流化床耦合工藝反應器內加入膜支撐載體，然後投加睪丸酮叢毛單胞菌(Comamonas testosteroni)CGMCC No.4630進行掛膜，掛膜完成後在系統內形成生態島系統。經過本發明工藝的處理，焦化廢水COD去除率可達到94％以上，NH3-N去除率達到98％以上，出水能達到國家汙水排放標準(GB9878-1996)的一級排放標準和回用標準，能夠實現廢水100％回用。
文檔編號C02F9/14GK102674618SQ20111005835
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者宋洪全, 張雪, 朱芳, 李素芹, 熊國宏, 王俏, 蒼大強, 駱詩梅 申請人:北京科技大學, 北京麥爾得科技有限公司