CN110921817A - 一种低能耗高效处理化工废水的sbr改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，属于化工废水处理技术领域。上述方法包括步骤1：室温下，将化工废水泵入SBR反应器中；步骤2：对化工废水进行曝气处理；步骤3：然后搅拌1‑3h；步骤4：静止沉降1‑2h；步骤5：然后进行污水排放，排放时间为5min，排放速率为30L/h；然后再泵入废水5min，进水速率为30L/h；步骤6：设备每运行三天闲置4‑5h。本发明方法与现有技术相比增加闲置阶段，有效提高了COD和NH3‑N去除效果；在此基础上添加菌剂，进一步提高了化工废水的处理效果，方法简单，可应用于实际生产过程中。

Description

一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法
技术领域
本发明涉及化工废水处理技术领域，具体提供一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法。
背景技术
我国具有丰富的煤炭资源，而且其价格相对低廉，特别是在我国西北部地区，这一现状促使该地区煤化工产业迅速发展。但是，其快速发展在相当程度上是以破坏环境为代价的，其中一些煤化工企业为了追求效益，而忽视生产过程带来的环境破坏问题；同时该行业耗水量大，约10吨水/吨产品，在煤炼焦、煤气净化及化工产品回收精制等过程中会产生大量工业废水。由于我国地理位置和气候的影响，降雨的地区性和季节性分布不均，造成我国西北大部分地区受到干旱缺水的困扰。目前水资源短缺、经济发展和生态环境保护之间旳矛盾越来越突出，这一现状极大地阻碍了该地区煤化工企业的可持续发展。
煤化工是以煤为原料，通过一系列化学工艺的反应，将其转化为气体、液体、固体燃料及生产出各种化学化工品的工业。煤化工废水的特点主要表现为：组分复杂，含大量固体悬浮颗粒、挥发酚、稠环芳烃、吡咯、呋喃、咪唑、萘、含氮、氧、硫的杂环化合物、氰、油、氨氮及硫化物等有毒、有害物质，COD值和色度都很高。煤化工废水由于煤质以及工艺的不同，不同工厂的废水水质存在很大差别。据报道，煤化工废水生化处理的进水共检出244种有机污染物，其中以酚类污染物为主，还含有萘、喹啉、吡啶等多环和杂环类难降解有机物。总体来说，煤化工废水的COD值一般在1000～5000mg/L，pH在7.0～10.0，氨氮在100～600mg/L，总酚在300～1000mg/L，挥发酚在50～500mg/L，氰化物在10～30mg/L。废水若未经处理或处理不当外排，将对水体产生严重污染，因此实现煤化工废水的达标排放有十分重要的意义。
生化处理环节中常用的是序批示活性污泥法(SBR)工艺，SBR工艺极为简单，大大节省了处理系统构筑物的占地面积，缩短了构筑物间的管道连接，减少了输送液体的设备，是一节约型的污水处理好工艺。其最大优点就是采用理想的推流过程，使得生化反应推动力和污染物去除效率同步达到最大化。并且由于SBR在时间上的理想推流状态，底物浓度梯度大且由于进水与反应阶段的缺氧(或厌氧)与好氧状态的交替，既能抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖，防止污泥膨胀，又不会对多数微生物产生不利影响。就城市生活污水和工业废水处理而言，SBR工艺有着极为广阔的推广前景。
在水处理工程中，单一菌种对废水中有机物质的利用极为有限，将多种菌群进行组合，可以增强菌群对有机物利用的能力。废水处理系统中微生物组成决定着处理效率，高效复合菌剂就是由此而发展起来的。现阶段新型工业合成越来越多难以被降解的有机物，这些有毒有害的物质进入到水体中会造成严重的环境问题，对此类废水的达标处理具有重大意义。当生化处理中的普通菌群无法处理某些有机物时，高效复合菌可以发挥其作用，有效地解决这些问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法。本发明方法增加闲置阶段，有效提高了COD和NH3-N去除效果；在此基础上添加菌剂，进一步提高了化工废水的处理效果，方法简单，可应用于实际生产过程中。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
本发明提供一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，包括：
步骤1：室温下，将化工废水泵入SBR反应器中；
步骤2：对化工废水进行曝气处理；
步骤3：然后搅拌1-3h；
步骤4：静止沉降1-2h；
步骤5：然后进行污水排放，排放时间为5min，排放速率为30L/h；然后再泵入废水5min，进水速率为30L/h；
步骤6：设备每运行三天闲置4-5h。
进一步的，还包括：在曝气处理之前，向化工废水中投加菌剂。
进一步的，所述菌剂为活菌数之比为1：1：1：1：1的StenotrophomonasmaltophiliaK279a，ArthrobacterarilaitensisRe117，Exiquobacteriumsp.AT1b，SerratialiquefacinesATCC27592和ParacoccusdenitrificansPD1222复合菌剂。
进一步的，所述菌剂活菌数为108-109CFU/mL，开始时每天投加一次，运行稳定后每三天投加一次菌剂。
优选的，所述菌剂用量为化工废水体积百分比的2-6％。
优选的，所述菌剂用量为化工废水体积百分比的10-15％。
进一步的，所述曝气强度为1-2L/min，溶解氧浓度小于5mg/L，所述曝气处理时间为6-8h。
SBR工艺流程一般分为进水，曝气，沉淀，排水，闲置五个阶段，连续工作的工艺一般将排水与闲置阶段合在一起，很少将闲置阶段独立成一个阶段来运行。事实上在进入闲置阶段，反应器处于静止状态，在此期间停止污泥曝气，活性污泥不会腐化并处于营养饥饿状态，因此，在流入下一个周期过程期间，活性污泥能起到很强的吸附去除能力，闲置进程是SBR工艺的重要组成部分。活性污泥中微生物具有很高的碳存储能力，煤化工废水中含有大量不易生物降解的碳源，这种能力更应该被强化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明依托实际工程，在实验室运行小型SBR反应器，对其进行调试及生物强化菌剂投加强化处理，污水及污泥均取自于陕西榆林某煤化工废水处理厂(利用SBR反应器处理煤化工废水)。本发明通过对SBR反应阶段进行调整，整个反应在室温下运行，并增加了闲置厌氧阶段，整体降低了反应能源消耗。并对反应器进行了菌剂投加强化处理。本实验探究改进工艺后及菌剂投加后的SBR污水处理效果，并与现场处理效果进行对比，从而为实际工程寻求最优反应步骤，优化煤化工废水SBR处理系统运行，提高煤化工废水处理效果，节省能量消耗提供理论参考。
本实验SBR反应器在室温条件下运行，同时增加5h闲置阶段，使整个系统的运行能耗大大降低，并经过一段时间调整后，COD以及NH3-N去除效率成功稳定保持在99％、98％左右。
加入菌剂后，反应器经过短时间适应，COD及NH3-N去除率均达到了99％左右，可能原因是菌剂微生物一方面协助解除氨氮积累，另一方面能促进一些有益微生物的生长，有助于增进反应器系统菌群相互配合，保证了废水处理效果，此结果对工程实践提供了理论借鉴作用。
整个工艺过程中，活性污泥状态比较稳定，整个反应期间污泥膨胀现象几乎没有出现，从污泥角度说明调试方法可行。从污泥镜检角度来看，加菌剂前后，活性污泥中均出现了指示性生物钟虫和累枝虫且污泥絮凝效果好，直观表现出了污水处理效果的提升。
附图说明
图1为本发明实施例1中SBR反应器结构示意图；
图2为本发明实施例1和对比例1的工艺流程图；
图3为本发明实施例1和对比例1中SBR反应器进出水COD含量图；
图4为本发明实施例1和对比例1中SBR反应器进出水COD去除率图；
图5为本发明实施例1和对比例1中SBR反应器进出水NH3-N含量图；
图6为本发明实施例1和对比例1中SBR反应器进出水NH3-N去除率及出水NO3-N含量图；
图7为本发明实施例2中不同比例投加复合菌剂降解效果图；
图8为本发明实施例3和实施例4中复合菌剂投加前后SBR反应器进出水COD含量图；
图9为本发明实施例3和实施例4中复合菌剂投加前后SBR反应器COD去除率图；
图10为本发明实施例3和实施例4中复合菌剂投加前后SBR反应器进出水NH3-N含量；
图11为本发明实施例3和实施例4中复合菌剂投加前后SBR反应器NH3-N去除率及出水NO3-N含量图；
图12为本发明实施例3中SBR反应器整个运行期间MLSS、MLVSS、SV变化图；
图13为本发明SBR反应器中污泥镜检图；其中，A是对比例1反应初期的污泥；B为对比例1运行的后期的污泥；C为实施例1的污泥；D是实施例4加入菌剂期间的污泥镜检图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。
本发明提供一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，具体实施例如下。
实施例1
一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，流程图见图2B，包括：
步骤1：室温下，将化工废水泵入SBR反应器中，废水体积为4L；
所用SBR反应器如图1所示，容量为6L，材质为聚甲基丙烯酸甲酯，配有自控装置(控制曝气、搅拌、静置以及出水等反应阶段的时间及顺序)，机械搅拌器，曝气泵。
所用污水及污泥取自陕西榆林某煤化工废水处理厂，该厂上游工艺为煤制烯烃。初始污泥浓度MLSS约为4000mg/L。污水水质如表1所示。
表1污水水质
Figure BDA0002264224610000061
步骤2：对化工废水进行曝气处理；曝气阶段，曝气强度维持在1L/min，温度即为室温，约18℃～23℃，曝气处理时间为7.5h。
步骤3：然后搅拌2h；
步骤4：静止沉降1.5h；
步骤5：然后进行污水排放，排放时间为5min，排放速率为30L/h；然后再泵入废水5min，进水速率为30L/h；
步骤6：设备每运行三天闲置5h。
为进一步说明本发明的有益效果，以实施例2为例构建如下对比例。
对比例1
省略步骤6，其余步骤与实施例1相同，流程图见图2A。
水中氨氮的测定采用纳氏试剂比色法，COD的测定采用消解法，亚硝氮、硝氮以及污泥的MLSS和MLVSS指标的测定均依据标准监测方法。溶解氧、温度以及pH的测定采用Hach便携式多参数测定仪。
1.COD去除情况
对上述实施例1和对比例1的出水水质进行检测，进出水COD含量如图3所示，COD去除率如图4所示。进水COD平均值为1500mg/L，波动范围为500～2500mg/L，出水COD整体较为稳定。COD去除率有一定波动，但整体比较理想。对比例1，反应器开始启动，污泥需要逐渐适应新环境，导致出水COD较高，由于采用现场工艺及原始泥水启动运行，SBR反应器的启动驯化阶段较短，七天左右COD去除率即达到90％以上。但随着反应器运行时间延长，COD去除率一直有波动，不能稳定在一个较高水平。本发明实施例1，开始对反应阶段进行调整，反应器污泥需要一个重新适应的过程，COD去除率波动较大，去除率下降到72.50％，随着时间延长，调整第13天后，去除率达到了93.77％，随后经历了一段波动时间，最终在125天达到99％以上的去除率，最高为99.35％，且一直稳定保持到阶段末，时长39天。
两个运行阶段对比可见，调整反应阶段后，反应器COD处理效率有提升，保证了污水处理效果并且能稳定维持。与现场工程对比，该实验在室温进行，小试环境较为稳定，曝气充足，实施例1增加了5个小时的闲置厌氧阶段，没有任何加热设施，COD处理效率达到99％以上，大大降低运行能耗。
2.NH3-N去除情况
进出水NH3-N含量如图5所示，去除率以及出水NO3-N如图6所示。进水NH3-N波动范围为60～180mg/L，在对比例1中，反应器氨氮去除率远远低于现场反应器，仅为20％～60％，出水氨氮含量高且波动较大，处理效果不理想。实施例1调整后，前40天氨氮处理效果仍然不理想，有波动，但整体有上升趋势，在第146天，调整64天后，氨氮去除效率达到了91.85％，随后一直上升，最后稳定保持在98％左右，最高达到98.95％。从出水NO3-N浓度看，对比例1，氨氮去除率低，出水NO3-N浓度低，仅为0.5mg/L左右，实施例1，随着氨氮去除率增高，出水NO3-N浓度也随之增高，能达到20mg/L左右。
两个阶段对比可见，调整反应阶段后，反应器处理NH3-N效率有很大提升，并且不再出现波动，稳定在一个较高水平。与现场工程对比，该实验在室温进行，NH3-N处理效果稳定保持在98％左右，调整改进后的小试SBR反应器NH3-N去除效果较为理想，可见增设的5h闲置阶段对硝化类细菌的活性、硝化作用起到了较好的促进作用。在对比例1，反应器硝化效果较差，一方面由于反应器运行温度为室温，比现场运行温度低，而硝化类细菌通常在20℃-30℃左右时会更好地发挥作用。另一方面，硝化细菌是自养菌，对环境因子的变化极为敏感,生长缓慢，世代周期较长，约10h，而一般细菌代时约为几十分钟，伴生的异样细菌生长较快，超过硝化细菌，导致硝化菌絮凝效果差于对有机物有降解作用的异养菌，小试装置中污泥稳定性差于现场长期运行的大型装置，再加上频繁的排泥使得硝化菌难以絮凝富集生长，而增加的闲置时间有利于微生物群落的自我调整，经较长适应期后，处于非优势种群地位的硝化菌富集起来，起到了硝化作用。
实施例2
摇瓶小试实验确定菌剂投加比例，取100ml小试SBR曝气阶段泥水混合物并加入100ml污水于250ml锥形瓶中，按2％、4％、6％、8％、10％、15％、20％体积比加入菌剂。测试结果见图7。
综合考虑NH3-N、COD去除率以及经济效益，取菌液体积与反应器泥水混合物体积比6％为最佳比例，该比例下COD去除率为65.38％，NH3-N去除率为98.63％。
实施例3
一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，流程图见图2B，包括：
步骤1：室温下，将化工废水泵入SBR反应器中，废水体积为4L；
污水水质如表2所示。
表2污水水质
Figure BDA0002264224610000081
步骤2：对化工废水进行曝气处理；曝气阶段，曝气强度维持在1L/min，温度即为室温，约18℃～23℃，曝气处理时间为8h。
步骤3：然后搅拌1h；
步骤4：静止沉降2h；
步骤5：然后进行污水排放，排放时间为5min，排放速率为30L/h；然后再泵入废水5min，进水速率为30L/h；
步骤6：设备每运行三天闲置6h。
实施例4
一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，流程图见图2B，包括：
步骤1：同实施例1；
步骤2：向化工废水中投加菌剂，然后对化工废水进行曝气处理；曝气阶段，曝气强度维持在1L/min，温度即为室温，约18℃～23℃，曝气处理时间为7.5h。
所述菌剂为活菌数之比为1：1：1：1：1的Stenotrophomonasmaltophilia K279a，ArthrobacterarilaitensisRe117，Exiquobacteriumsp.AT1b，SerratialiquefacinesATCC27592和ParacoccusdenitrificansPD1222复合菌剂；菌剂活菌数为108-109CFU/mL。菌剂用量分别为化工废水体积百分比的6％。
步骤3-6同实施例3。
3.菌剂投加前后的COD去除情况
将菌剂投加到反应器中运行，开始时每天投加一次，运行稳定后每三天投加一次菌剂，加入菌剂前后运行时间共计100天，对上述实施例3和实施例4出水结果进行检测，所得去除效果如图8-9所示。在整个运行阶段，进水COD变化范围为500mg/L-2500mg/L。出水COD在加菌剂前，呈现波动趋势，有些天数偏高，COD去除效果不好，加菌剂后，出水COD值低且很稳定。
实施例3在室温23℃将SBR污水处理效果提升到很理想的效果，但随着实验室温度降低，反应器内温度仅为18℃，实施例3的效果不能继续保持下去，COD去除率开始波动，整体处理效果不理想，加入菌剂后，开始10天，对池内去除率并没有很大影响，COD去除率仍在小范围内波动。加入菌剂10天后，COD去除率开始稳步上升，达到99％左右，并稳定维持到实验结束，稳定时长为25天。
4.菌剂投加后的NH3-N去除情况
加菌剂前后小试反应器运行时长100天。如图10-11所示，反应器进水NH3-N变化范围为100mg/L-200mg/L，加菌剂前，出水NH3-N较高且有波动，反应器在18℃运行去除NH3-N效果很差。加入菌剂后，NH3-N处理效果稳步上升，最终稳定在99％左右，持续到实验结束，稳定时长为20天。
由此可见该菌剂对反应器COD及NH3-N去除效果有积极作用，提高了反应器处理效果。从菌剂微生物角度分析原因：Paracoccusdenitrificans为革兰氏阴性菌，属于反硝化细菌，它能在厌氧或者缺氧情况下将硝酸盐转化为氮气，完成脱氮作用，该菌种对于废水中的氨氮去除有重大作用。Arthrobacterarilaitensis被发现在奶酪表面，尤其是在被污染的奶酪表面上。该菌对于奶酪独特的气味、颜色以及质地起到了很大贡献。A.arilaitensisRe117含有降解有机碳如氨基酸、脂肪酸和乳酸等物质的酶。Exiquobacterium属于厚壁菌门，在温泉和冰川中都可以存活，能适应极端温度条件。其它两种微生物能利用有机物质，降解碳源。投加菌剂后，反应器处理效果提升，可能是菌剂一方面协助解除氨氮积累，降解有机物，另一方面能促进一些有益微生物的生长，有助于增进反应器系统菌群相互配合，保证了废水处理效果，此结果对工程实践提供了理论借鉴作用。
5.整个实验期间反应器MLSS、MLVSS、SV及镜检图片
SBR反应器处理阶段，实施例3中污泥沉降比(SV)、污泥浓度(MLSS、MLVSS)如图12所示。反应器运行期间，污泥MLSS保持在3000-5500mg/L，MLVSS/MLSS保持在在0.7-0.8，污泥沉降比变化范围为30％-70％，活性污泥状态比较稳定，整个反应期间污泥膨胀现象几乎没有出现，从污泥角度说明调试方法是可行的。
6.反应器运行期间污泥微生物镜检如图13所示。其中A是对比例1反应初期的污泥，没有指示性生物，且污泥较松散，B为对比例1运行的后期的污泥，出现了指示性生物钟虫，污泥絮凝比前期好。C、D是实施例1及实施例4加入菌剂期间的污泥镜检图，出现了累枝虫，累枝虫的出现代表了污水处理效果好，污泥絮凝效果好。反应器废水处理效果的好坏在镜检结果中能直观地表现出来。
在实验室进行SBR小试实验，对其进行了变阶段调试及生物强化菌剂投加强化处理，两部分结果如下：
(1)变阶段调试共进行了164天，对比例1，反应器COD处理效率能达到99.19％，但有波动。反应器NH3-N处理效果较差，去除效率在20％～60％，且波动较大。实施例1，在不改变其他条件下，增加了闲置阶段，反应器经过适应阶段，处理效果稳定上升，COD去除效率最高能达到99.35％，且能稳定维持在99％左右。NH3-N处理效率在第146天去除效率达到了91.85％，随后一直上升，最高去除率达到98.95％，最终稳定在98％左右。工程现场SBR反应器有加热设施，池温为32℃，COD去除率平均水平97.30％，NH3-N去除率平均水平92.30％，本实验SBR反应器在室温条件下运行，同时增加5h闲置阶段，使整个系统的运行能耗大大降低，并经过一段时间调整后，COD以及NH3-N去除效率成功稳定保持在99％、98％左右，二者相比，本实验有很大优势，此结果为现场寻求最佳反应阶段和节省能量提供了理论支撑。
(2)本发明选用的菌剂为：StenotrophomonasmaltophiliaK279a，ArthrobacterarilaitensisRe117，Exiquobacteriumsp.AT1b，SerratialiquefacinesATCC27592，ParacoccusdenitrificansPD1222。菌剂投加前后运行时间为100天，将菌剂投加后，运行结果显示加菌剂前反应器对于COD以及NH3-N的处理效率波动很大且不理想，加入菌剂后，反应器经过短时间适应，COD及NH3-N去除率均达到了99％左右，且能稳定维持20余天，可能原因是菌剂微生物一方面协助解除氨氮积累，另一方面能促进一些有益微生物的生长，有助于增进反应器系统菌群相互配合，保证了废水处理效果，此结果对工程实践提供了理论借鉴作用。
(3)变阶段调试以及菌剂投加调试两个阶段，活性污泥状态比较稳定，整个反应期间污泥膨胀现象几乎没有出现，从污泥角度说明调试方法可行。从污泥镜检角度来看，变阶段后以及加菌剂后，活性污泥中均出现了指示性生物钟虫和累枝虫且污泥絮凝效果好，直观表现出了污水处理效果的提升。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，包括：
步骤1：室温下，将化工废水泵入SBR反应器中；
步骤2：对化工废水进行曝气处理；
步骤3：然后搅拌1-3h；
步骤4：静止沉降1-2h；
步骤5：然后进行污水排放，排放时间为5min，排放速率为30L/h；然后再泵入废水5min，进水速率为30L/h；
步骤6：设备每运行三天闲置4-5h。
2.根据权利要求1所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，还包括：在曝气处理之前，向化工废水中投加菌剂。
3.根据权利要求2所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述菌剂为活菌数之比为1：1：1：1：1的Stenotrophomonas maltophilia K279a，Arthrobacterarilaitensis Re117，Exiquobacterium sp.AT1b，Serratia liquefacines ATCC 27592和Paracoccus denitrificans PD1222复合菌剂。
4.根据权利要求3所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述菌剂活菌数为108-109CFU/mL。
5.根据权利要求4所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述菌剂用量为化工废水体积百分比的2-6％。
6.根据权利要求4所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述菌剂用量为化工废水体积百分比的10-15％。
7.根据权利要求1所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述步骤2中，曝气强度为1-2L/min，溶解氧浓度小于5mg/L。
8.根据权利要求7所述的低能耗高效处理化工废水的SBR改进方法，其特征在于，所述曝气处理时间为6-8h。
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