AAO 法處理焦化廢水中氨氮及COD的實(shí)驗(yàn)研究

高雯雯，張智芳，孫琪，李貝貝

(1.榆林學(xué)院 陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000;2.榆林學(xué)院 榆林市綠色化學(xué)與化工過(guò)程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000;3.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000)

焦化廢水是煤制焦炭、煤氣凈化以及焦化產(chǎn)品回收精制過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，含有多種有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物，其中難生物降解物質(zhì)主要為多環(huán)芳烴類(lèi)和含氮、含硫及含氧雜環(huán)類(lèi)化合物，是一種典型難降解的工業(yè)廢水［1］。生物法由于具有處理效率高、成本低、容易操作等特點(diǎn)，常用來(lái)處理焦化廢水［2-3］。常用的方法有AO 法及其變形工藝如AAO、AAOO 等。

AAO 法在AO 法的基礎(chǔ)上增加了厭氧酸化段(A 段)，不僅提高了廢水的可生化性，同時(shí)對(duì)有毒污染物也具有明顯的轉(zhuǎn)化和降解作用，因此整個(gè)系統(tǒng)有較高的處理能力和效率［4-5］。相對(duì)其他AO 變形工藝，AAO 工藝具有工藝簡(jiǎn)單、總水力停留時(shí)間短、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率較好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該工藝厭氧(缺氧)/好氧交替運(yùn)行，不宜絲狀菌的繁殖，基本不存在污泥膨脹問(wèn)題［6-7］。因此，AAO 工藝已被廣泛應(yīng)用于焦化廢水處理中，但對(duì)AAO 各段處理COD、NH3-N 的效果及降解機(jī)理研究的較少。

本文采用AAO 法處理焦化廢水中的COD 及NH3-N 并對(duì)AAO 各段運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

焦化廢水，取自陜北榆林某焦化廠經(jīng)蒸氨、氣浮后的預(yù)處理廢水，COD 1 800 ～2 500 mg/L，NH3-N 160 ～240 mg/L，pH 7.8 ～8.4;接種污泥，取自其曝氣池;鄰菲羅啉、硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、氫氧化鈉、氧化鎂、碘化鉀、碘化汞、酒石酸鉀鈉、氯化銨、葡萄糖、磷酸二氫鈉、濃硫酸、鹽酸均為分析純。

5B-3C 型COD 快速測(cè)定儀;pHS-3C 型酸度計(jì);WTW inoLab Oxi730 溶氧儀;FA1104N 型電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。厭氧池和缺氧池內(nèi)有填料，其中厭氧池、缺氧池和好氧池容積比為1 ∶1 ∶3，裝置有效容積為60 L，廢水由儲(chǔ)水池經(jīng)恒流泵到缺氧池后依靠重力的作用流入其他池內(nèi)，缺氧池和好氧池通過(guò)微孔曝氣砂頭進(jìn)行連續(xù)曝氣，厭氧池不進(jìn)行攪拌，混合液回流以及污泥回流通過(guò)蠕動(dòng)泵控制流量。

圖1 AAO 系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of AAO system

將活性污泥投加到曝氣池內(nèi)，池內(nèi)注入經(jīng)稀釋后的焦化廢水，加入葡萄糖及磷酸二氫鈉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，悶曝24 h，活性污泥顏色逐漸變?yōu)橥咙S色，連續(xù)曝氣，每隔1 d 停止曝氣，靜沉30 min，取出上清液，加入實(shí)驗(yàn)用原水，污泥濃度升高到一定數(shù)值(一般為由高速增長(zhǎng)期轉(zhuǎn)入緩慢生長(zhǎng)期，MLSS ＞2 g/L)時(shí)，開(kāi)始培養(yǎng)亞硝化菌及硝化菌［8］。培養(yǎng)馴化開(kāi)始時(shí)，向厭氧池、缺氧池和好氧池中分別投加1/3 的活性污泥，同時(shí)加入濃度為20%的實(shí)驗(yàn)原水及適量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行連續(xù)曝氣，1 d 后將上清液的1/3 ～1/2左右取出，并加入稀釋后的實(shí)驗(yàn)原水，同時(shí)投加葡萄糖和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物，嚴(yán)格控制進(jìn)水的氨氮濃度，使其＜150 mg/L。繼續(xù)曝氣，反復(fù)進(jìn)行3 次后開(kāi)始小流量連續(xù)進(jìn)水，保持較高的HRT 和大回流比，待出水COD 穩(wěn)定后，按20%的遞增速率逐漸增大焦化廢水的濃度，直至設(shè)計(jì)值。期間對(duì)一些常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，如COD、氨氮(納氏試劑比色法)、pH、溶解氧、溫度等。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中各參數(shù)為:混合液回流比300% ～400%;污泥回流比80% ～100%;溫度20 ～25 ℃;pH 進(jìn)水用磷酸控制pH =6.7 ～7.2，好氧段通過(guò)投加NaHCO3溶液使其pH 維持在6.5 ～7.5;溶解氧DO:厭氧池＜0.5 mg/L，好氧池3 ～5 mg/L;總水力停留時(shí)間40 ～55 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性污泥培養(yǎng)、馴化

好氧池污泥培養(yǎng)過(guò)程中，由于NO－2的出現(xiàn)，pH開(kāi)始降低，說(shuō)明硝化反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，因此需采用20 g/L 的純堿溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，缺氧池水面開(kāi)始產(chǎn)生微小的氣泡，表明發(fā)生反硝化反應(yīng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)馴化，系統(tǒng)出水COD、NH3-N 已基本穩(wěn)定，至此可認(rèn)為馴化基本完成。隨后經(jīng)過(guò)一系列的參數(shù)調(diào)整，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

2.2 系統(tǒng)對(duì)COD 的處理效果

穩(wěn)定運(yùn)行期間，系統(tǒng)對(duì)COD 的處理情況見(jiàn)圖2。

由圖2 可知，進(jìn)水濃度821 ～933 mg/L 時(shí)，出水濃度保持在130 mg/L 以下，COD 去除率為86.7%。厭氧池、缺氧池和好氧池對(duì)COD 的去除率分別為10.9%，64.9%和24.2%，表明缺氧段對(duì)COD 的降解效果最好，好氧段次之，厭氧段較差。其原因可能是厭氧段的主要作用是進(jìn)行水解酸化，經(jīng)過(guò)該步反應(yīng)后，廢水中部分大分子、難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子、易被好氧微生物降解的有機(jī)物，因此COD 變化較小。經(jīng)過(guò)厭氧段的水解酸化后，易降解的有機(jī)物進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化反應(yīng)，該反硝化過(guò)程利用這部分有機(jī)物作為碳源，因此該段有機(jī)物COD 變化最大。廢水進(jìn)入好氧段后，有機(jī)物也可以被降解，但去除率不高［9］。

圖2 AAO 系統(tǒng)各段對(duì)COD 的處理效果Fig.2 The removal efficiency of COD in units of the AAO system

2.3 系統(tǒng)對(duì)氨氮的處理效果

穩(wěn)定運(yùn)行期間，系統(tǒng)對(duì)氨氮的處理情況見(jiàn)圖3。

圖3 AAO 系統(tǒng)對(duì)氨氮的處理效果Fig.3 The removal efficiency of NH3-N in units of the AAO system

由圖3 可知，進(jìn)水濃度為165 ～203 mg/L 時(shí)，出水濃度保持在8.6 mg/L 以下，氨氮去除率97.2%。厭氧池、缺氧池和好氧池對(duì)氨氮的去除率分別為－2.4%，26.0%和76.4%。表明好氧段對(duì)氨氮的降解效果最好，缺氧段次之，厭氧段最差，且氨氮濃度不降反升。原因是厭氧段的水解酸化過(guò)程可以將廢水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，從而造成厭氧出水氨氮略為升高的現(xiàn)象［10］，但這種現(xiàn)象絕不能代表厭氧池對(duì)氨氮的去除沒(méi)有任何作用。李詠梅等［11］認(rèn)為，厭氧段的存在可以減輕后續(xù)反硝化-硝化系統(tǒng)中-N的積累，提高廢水有機(jī)氮去除率和削減廢水毒性;經(jīng)過(guò)厭氧酸化的廢水及從沉淀池回流的廢水進(jìn)入缺氧池，氨氮濃度被稀釋?zhuān)瑫r(shí)在缺氧段反硝化菌將由硝化菌產(chǎn)生的硝態(tài)鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，并消耗廢水中的有機(jī)物作為反硝化菌生長(zhǎng)繁殖的基質(zhì)，這可使氨氮因同化作用而被去除。另外，回流液中的高濃度溶解氧使缺氧段底部有少量硝化菌存在，使得部分氨氮因硝化作用而被去除，因此缺氧段對(duì)氨氮有一定的去除作用［12］;好氧段進(jìn)行的是硝化反應(yīng)，硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)鹽，因此相對(duì)缺氧段，好氧段對(duì)氨氮的去除貢獻(xiàn)最大。

3 結(jié)論

(1)采用厭氧酸化-缺氧-好氧法處理焦化廢水，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)COD、NH3-N 的去除率分別為86.7%、97.2%，出水COD、氨氮平均濃度為118.0，5.1 mg/L，達(dá)到焦化廢水一級(jí)排放要求，這說(shuō)明厭氧-缺氧-好氧工藝是處理焦化廢水效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定的有效途徑。

(2)系統(tǒng)各段對(duì)COD 和氨氮的去除效果明顯不同，COD 的變化由大到小分別為缺氧池、好氧池和厭氧池;氨氮的變化由大到小依次為好氧池、缺氧池和厭氧池。

(3)AAO 系統(tǒng)各段的共同作用使焦化廢水COD、氨氮得到很大程度的降解，其中，厭氧段將廢水中的大分子物質(zhì)水解酸化為小分子物質(zhì)，提高了廢水有機(jī)氮去除率和削減廢水毒性，使廢水的可生化性得到提高;缺氧段的反硝化反應(yīng)以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體，利用有機(jī)物作為電子供體氧化分解有機(jī)物;好氧段的硝化反應(yīng)以氨氮為電子供體，利用溶解氧作為電子受體分解廢水中的氨氮。

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