CN113716688A - 一种煤化工废水厌氧处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤化工废水厌氧处理的方法，是向煤化工废水厌氧生物处理系统中投加活性炭和引入混合气。本发明利用活性炭促进厌氧微生物形成种间电子传递，利用混合气促进嗜乙酸产甲烷途径；通过二者的联用在厌氧系统中形成种间直接电子传递‑乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。该方法不但增强了嗜乙酸产甲烷菌的富集，而且提高了废水厌氧产甲烷的效率和耐毒性。

Description

一种煤化工废水厌氧处理的方法
技术领域
本发明属于化工废水生物处理领域，具体涉及一种煤化工废水厌氧处理的方法。
背景技术
煤化工废水中的煤制醇、烯烃废水是先由煤转化为丙烯、氢气等合成气，再把合成气转化为醇类等有机物过程中产生的废水。废水中的主要污染物有大量的醇类和醛类等毒性较高物质。此类废水具有毒性强和有机物浓度高等特点。
目前，煤化工废水的处理方式主要有酸化法、气浮法、酸化-萃取、芬顿氧化法和DTRO膜分离技术。但是这些方法都存在一定问题如：(1)酸化法、气浮法均只能在短停留时间实现化学需氧量(COD)的70％去除率；(2)酸化-萃取法随着萃取剂再生次数的增加，再生温度也会提高，增加了工艺难度；(3)芬顿氧化法会消耗大量的氧化剂同时会产生含铁的危险废弃物；(4)DTRO膜分离技术当压力达到8.5MPa时，需要用强碱循环清洗。因此为了解决此类废水的处理问题，迫切需要探索一种全新的处理方式。
厌氧消化是一种有前景的煤化工废水处理技术，可以降解有机物，同时实现甲烷回收利用。现有的厌氧消化普遍存在着对抑制因素敏感，生物质利用率低以及产甲烷效率低等缺点。煤化工废水中含有大量的醇类和醛类等毒性较高物质，会抑制厌氧微生物的代谢活性和生长，降低了煤化工废水厌氧处理效率。与嗜氢产甲烷途径相比，嗜乙酸产甲烷是一种更高效的产甲烷途径，然而传统的厌氧消化过程中嗜乙酸菌耐毒性差，嗜乙酸产甲烷途径在毒性环境下会受到抑制。因此为了提高煤化工废水厌氧产甲烷的效率和耐毒性，我们需要探索一种更有效的处理方法。
发明内容
本发明旨在提供一种煤化工废水厌氧处理的方法，能够大大提高煤化工废水厌氧产甲烷的效率和耐毒性，以达到对有毒有害物质有效降解和对能源进行回收利用的目的。
本发明煤化工废水厌氧处理的方法，是向煤化工废水厌氧生物处理系统中投加活性炭并引入混合气，以提高煤化工废水厌氧产甲烷速率和耐毒性。本发明利用活性炭促进厌氧微生物形成种间电子传递，利用混合气促进嗜乙酸产甲烷途径；通过二者的联用在厌氧系统中形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。
煤化工废水的组分根据加工工艺可分为煤制气废水、煤制油废水、煤制焦废水和煤制醇、烯烃废水等几类。所述煤化工废水为煤制醇、烯烃废水，废水中含有大量的醇类和醛类物质，COD浓度为5000～12000mg/L。
所述活性炭种类必须是颗粒活性炭。颗粒活性炭便于提取，在反应器中可循环使用，并且具有较大表面积可以供微生物生长，所以本次发明使用颗粒活性炭。
所述混合气由氢气和二氧化碳组成，二者的体积比为氢气:二氧化碳＝4:1。若有含二氧化碳的气体，则可通过向其中补充氢气获得氢气:二氧化碳＝4:1的混合气。
所述活性炭必须是和混合气联用，单独的氢气或者二氧化碳均不可。
所述活性炭的投加量按照反应器总容积计算为1-100g/L。
所述混合气采用反应器顶部注入或反应器液面下通入，控制反应器顶部集气区的氢分压范围为0.2atm-0.5atm，氢分压过高或过低均不可。
所述活性炭和混合气联用时，必须先加活性炭或者同时加活性炭和混合气。
本发明煤化工废水厌氧处理的方法，是先向反应器中投加活性炭和混合气，待混合气中氢气消耗完，为一个运行周期；间歇1-7天后再次向厌氧生物处理系统中导入混合气，至再次导入混合气进入下一个运行周期，经过1-10个周期连续驯化才能形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。
本发明利用活性炭促进厌氧微生物形成种间电子传递，利用混合气促进嗜乙酸产甲烷途径；通过二者的联用在厌氧系统中形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。该方法不但增强了嗜乙酸产甲烷菌的富集，而且提高了废水厌氧产甲烷的效率和耐毒性。
大量研究表明向厌氧系统中投加导电材料能够提高厌氧系统稳定性以及甲烷产量，本发明中向厌氧系统中投入活性炭，其具有良好的吸附性以及优异的导电性，因此大大提高了互营菌和产甲烷菌之间的电子传递效率，进而增加有机物的甲烷生成速率以及产量。除此，投加混合气也是提高甲烷产量的有效途径，加入厌氧消化系统的混合气通过同型产乙酸过程转化成乙酸，促进了嗜乙酸菌的富集，大大提高了其在毒性环境下的竞争力。通过实验证明本发明中添加活性炭和混合气促进煤化工废水厌氧消化的作用机制为：颗粒活性碳可以提高参与种间直接电子传递的Geobacter菌的相对丰度，大大提高了互营菌和产甲烷菌之间的电子传递效率，加快了中间产物乙酸向甲烷的转化速率。混合气可以促进嗜乙酸菌的富集，提高了嗜乙酸产甲烷途径在毒性环境的竞争力。活性炭和混合气的联用使得煤化工废水的厌氧产甲烷过程的效率大大提高，同时可以提高沼气中甲烷的含量，进一步提纯沼气。因此本发明能够大大提高煤化工废水产甲烷的效率和耐毒性，以达到对有毒有害物质有效降解和对能源进行回收利用的目的。
附图说明
图1为加入单独活性炭组的甲烷累计产量图，实施例1中加入活性炭后甲烷累计产量显著提高，是空白组的1.84倍。
图2为加入单独混合气组的甲烷累计产量图，实施例2中加入单独混合气后，甲烷产量略低于空白组。
图3为活性炭和混合气联用组的甲烷累计产量图，实施例3中活性炭和混合气联用后，甲烷累计产量提高到289mL/g COD，分别是空白组和单独加活性炭组的1.98和1.07倍。
图4为不同氢分压甲烷累计产量图，从图4可以看出不同氢分压组的甲烷累计产量均明显高于空白组。实施例4中0.2、0.3和0.5atm混合气/活性炭组甲烷累计产量分别是空白组(146mL/g COD)的1.82、1.90和1.98倍。
图5对比了空白组、活性炭组、0.5atm混合气/活性炭组和0.5atm混合气组的甲烷累计产量。如图5所示与空白组相比，活性炭组和0.5atm混合气/活性炭组的产甲烷累计产量分别提高了85％和98％，而0.5atm混合气组的甲烷累计产量降低了3％。
图6为对比颗粒碳和粉末碳对废水厌氧消化产甲烷影响图，分别设置0.5atm混合气/活性炭和0.5atm混合气/粉末碳实验组。0.5atm混合气/粉末碳组经过13天厌氧培养后甲烷产量达到最大值为29mL/g COD,仅为0.5atm混合气/活性炭组的10％。
图7为不同氢气和二氧化碳比例对废水厌氧产甲烷量影响图，设置了氢气与二氧化碳体积比分别为4：1、3：1和2：1的实验组。如图7所示3：1和2：1组在厌氧培养13天后甲烷累计产量达到最大值分别为121和115mL/g COD。
具体实施方式
本发明是一种煤化工废水厌氧处理的方法，是向煤化工废水厌氧生物处理系统中投加活性炭和引入混合气。本发明利用活性炭促进厌氧微生物形成种间电子传递，利用混合气促进嗜乙酸产甲烷途径；通过二者的联用在厌氧系统中形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。该方法不但促进了嗜乙酸产甲烷菌的富集，而且提高了废水厌氧产甲烷的效率和耐毒性。
以煤化工废水为例，考察混合气/活性炭对煤化工废水厌氧产甲烷的影响，活性炭投加量根据最优化实验结果确定采用5g/L，混合气采用反应器顶部注入或反应器液面下通入，控制反应器顶部集气区的氢分压范围为0.2atm-0.5atm。本发明设置四个实施例：
实施例1——加入单独活性炭；实施例2——加入单独混合气；实施例3——同时加入活性炭和混合气；实施例4——加入0.2、0.3和0.5atm混合气/活性炭。实施例中煤化工废水浓度为5000mgCOD/L。既不加混合气也不加活性炭为空白组；加入单独活性炭为活性炭组；同时加入活性炭和混合气为混合气/活性炭组，混合气/活性炭组根据氢分压又分为0.2、0.3和0.5atm混合气/活性炭组。实施例1-4的运行周期为32天。本发明中有机物厌氧消化产生的气体成分采用GC测定。
在实施例1中加入单独活性炭后甲烷累计产量显著提高，是空白组的1.84倍。这可能是活性炭具有一定吸附作用，缓解了有毒物质对产甲烷菌的抑制作用。
实施例2中加入单独混合气后，甲烷产量略低于空白组，说明仅加入单独混合气不但不能提高废水厌氧产甲烷效率，反而可能抑制废水产甲烷。
实施例3中活性炭和混合气联用后，甲烷累计产量提高到289mL/g COD，是空白组的1.98倍，说明加入混合气/活性炭后大大提高煤化工废水的厌氧产甲烷速率和耐毒性，并且二者联用对产甲烷的促进作用大于单独加入二者的作用之和。这说明混合气和活性炭的联用对煤化工废水的厌氧产甲烷具有协同促进作用。0.5atm混合气/活性炭组的甲烷累计产量是单独加活性炭组的1.07倍，这是因为较高压强的混合气(0.5atm)促进了同型产乙酸过程，富集了Methanosaeta菌，有利于在Methanosaeta和Geobacter菌之间形成种间直接电子传递，因此大大提高了废水厌氧产甲烷效率。
在实施例4中如图4所示，各组的甲烷累积产量降序排列为0.5atm混合气/活性炭组(289mL/gCOD)＞0.3atm混合气/活性炭组(278mL/gCOD)＞0.2atm混合气/活性炭组(266mL/gCOD)，0.2atm混合气/活性炭组和0.3atm混合气/活性炭组的甲烷累计产量均低于0.5atm混合气/活性炭组(289mL/gCOD),说明随着氢分压的增加，混合气/活性炭组的甲烷累计产量也会增加，说明高氢分压有利于提高废水的产甲烷效率和耐毒性。
本次发明在实例5中对比了空白组、活性炭组、0.5atm混合气/活性炭组和0.5atm混合气组的甲烷累计产量。如图5所示与空白组相比，活性炭组和0.5atm混合气/活性炭组的产甲烷累计产量分别提高了85％和98％，而0.5atm混合气组的甲烷累计产量降低了3％，说明同时加入活性炭和混合气对煤化工废水厌氧产甲烷的促进作用大于分别只添加活性炭和纯混合气的作用之和，证明了混合气和活性炭对煤化工废水厌氧产甲烷效率具有协同促进作用。
为了对比颗粒碳和粉末碳对煤化工废水厌氧消化的影响，在实例6中分别设置0.5atm混合气/活性炭和0.5atm混合气/粉末碳实验组。如图所示，0.5atm混合气/粉末碳组经过13天厌氧培养后甲烷产量达到最大值为29mL/g COD,仅为0.5atm混合气/活性炭组的10％，这可能是因为一定浓度的粉末碳对微生物具有抑制作用。实例6的结果说明与粉末碳相比，颗粒活性碳在提高煤化工废水厌氧产甲烷效率上具有更大潜力。
实例7中设置了氢气与二氧化碳体积比分别为4：1、3：1和2：1的实验组。如图7所示3：1和2：1组在厌氧培养13天后甲烷累计产量达到最大值分别为121和115mL/g COD,仅为4：1组的42％和40％。实例7的结果证明氢气与二氧化碳体积比为4：1是提高煤化工废水厌氧产甲烷效率的最佳比例。

Claims (7)

1.一种煤化工废水厌氧处理的方法，其特征在于：
向煤化工废水厌氧生物处理系统中投加活性炭并引入混合气，利用活性炭促进厌氧微生物形成种间电子传递，利用混合气促进嗜乙酸产甲烷途径，通过二者的联用在厌氧系统中形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径，提高了煤化工废水厌氧产甲烷速率和耐毒性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述煤化工废水为煤制醇、烯烃废水，废水中含有大量的醇类和醛类物质，COD浓度为5000～12000mg/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述活性炭为颗粒活性炭。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述颗粒活性炭的投加量按照反应器总容积计算为1-100g/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述混合气由氢气和二氧化碳组成，二者体积比为氢气:二氧化碳＝4:1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述混合气采用反应器顶部注入或反应器液面下通入，控制反应器顶部集气区的氢分压范围为0.2atm-0.5atm。
7.根据权利要求1-6所述的任一种方法，其特征在于：
先向反应器中投加活性炭和混合气，待混合气中氢气消耗完，为一个运行周期；间歇1-7天后再次向厌氧生物处理系统中导入混合气，至再次导入混合气进入下一个运行周期，经过1-10个周期连续驯化形成种间直接电子传递-乙酸营养型产甲烷复合代谢途径。
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