CN115124143B

CN115124143B - 一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法及其装置

Info

Publication number: CN115124143B
Application number: CN202210916546.6A
Authority: CN
Inventors: 黄勇; 王征洋; 陈梦雪
Original assignee: Nanjing Gaoke Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Gaoke Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2042-08-01
Also published as: CN115124143A

Abstract

本发明提供了一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法和装置，所述方法包括以下步骤：步骤I：在装置中启动厌氧氨氧化反应；步骤Ⅱ：设定一个苯酚浓度梯度，每增加一个梯度反应一段时间后就将苯酚降低至前一个阶段时的浓度，然后投入微量元素诱导剂并进行污泥外循环，让厌氧氨氧化反应有一个恢复的过程以减轻苯酚的抑制，通过循环交替提高苯酚浓度和强化反应活性来提高厌氧氨氧化菌群耐受性。本发明方法同时以苯酚为有机碳源，降低了焦化废水生物脱氮过程对碳源的需求，在降低曝气能耗的同时也减少了脱氮过程对有机物的消耗，实现了焦化废水的自养脱氮处理。

Description

一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法及其装置

技术领域

本发明属于污水处理领域，特别提供了一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法及其装置。

背景技术

焦化废水是一种低C/N比、高氨氮、有一定毒性和难降解的工业废水，包括酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等数十种化合物，传统生物脱氮技术虽然可以处理达标，但是处理流程复杂、成本较高；厌氧氨氧化是厌氧氨氧化细菌(AnAOB)在缺氧条件下，以氨为电子供体、以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮直接氧化成氮气的自养脱氮过程，可节省60％以上的供氧量，且无需外加有机碳源，具有污泥产量低、运行成本低、脱氮效率高等优势。

由于焦化废水中有毒有机物特别是以苯酚为代表的酚类，很容易对AnAOB菌群产生抑制作用，将厌氧氨氧化技术应用于有毒的焦化废水生物脱氮领域受到一定制约。但是，随着研究的深入，已经发现苯酚对AnAOB菌群的抑制在某些浓度范围内是可逆的，经过一定的改进措施可以恢复AnAOB菌群的活性；在处理焦化废水时，也可以利用苯酚作为碳源进行反硝化反应，从而可以减少碳源的投加成本，达到自养脱氮、同步除酚的效果，因此适当浓度的苯酚在焦化废水自养脱氮处理过程中是可以接受的。

目前，已有报道通过逐步提高苯酚浓度来实现AnAOB菌群耐苯酚抑制的驯化，包括连续投加、脉冲式投加等，这几种投加方式均有一定效果，但是连续投加时间长、见效慢，脉冲式投加容易使异养脱氮菌的倍增，系统波动大时甚至造成厌氧氨氧化反应失衡，AnAOB菌群受苯酚抑制后也未能获得一个有效的恢复时间，因此如何提高焦化废水中AnAOB菌群耐苯酚的抑制性，实现厌氧氨氧化反应活性的快速恢复，对厌氧氨氧化技术在焦化废水自养脱氮处理过程的实际工程应用具有重要作用。

发明内容

发明目的：针对现有技术问题，本发明公开了一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法及其装置，本发明方法通过循环交替提高苯酚浓度和强化反应活性来提高厌氧氨氧化菌群耐受性，同时以苯酚为有机碳源，降低了焦化废水生物脱氮过程对碳源的需求，在降低曝气能耗的同时也减少了脱氮过程对有机物的消耗，实现了焦化废水的自养脱氮处理。

技术方案：本发明提供了一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，包括以下步骤：

步骤I：接种AnAOB菌群种泥，以人工配水的形式进水，启动厌氧氨氧化；

步骤II：待上述步骤I的反应稳定后，设定一个苯酚浓度梯度，进水中苯酚浓度按照“提高-降低和恢复-再提高”的三个阶段依次循环进行：首先在进水中提高一个苯酚浓度梯度；反应持续一段时间后再降低一个浓度梯度，并且在进水中持续投加微量元素诱导剂、进行污泥外循环；继续反应一段时间后再提高一个浓度梯度，最后重复至第一个阶段继续提高一个苯酚浓度梯度，反应按照三个阶段依次循环进行，直至苯酚浓度达到驯化的目标浓度，且总氮去除负荷大于等于0.3gN/(L·d)时，焦化废水自养脱氮过程驯化成功。

作为优选或者具体实施方案：

所述步骤I和II均处于避光、恒温和厌氧环境，温度为32～35℃，溶解氧浓度为0.1～0.2mg/L。

所述步骤I和II均为连续进水，控制进水中NO₂ ^--N与NH₃ ⁺-N的质量浓度比为1.30～1.35:1，NH₃ ⁺-N浓度为50～150mg/L，污泥浓度为4000～8000mg/L。

所述步骤I中，人工配水以氯化铵NH₄Cl和亚硝酸钠NaNO₂为基质，调节pH至7～8，每次进水前需用氮气吹脱5～10min。

所述步骤I中，当厌氧氨氧化反应总氮去除负荷大于等于0.3gN/(L·d)时，认为装置内厌氧氨氧化反应启动成功，装置转入下一步骤II。

所述步骤II中，设定的苯酚浓度梯度在10～30mg/L之间，驯化的目标浓度在50～175mg/L之间。

步骤II中，所述三个阶段依次循环进行，其中，每个阶段反应持续时间为3～5天。

所述步骤II中，降低和恢复阶段进水时按比例投加微量元素诱导剂，投加比例为1～3mL/L，优选地，比例为2mL/L；所述微量元素诱导剂选自含有含Fe²⁺的微量元素诱导剂，优选地，所述微量元素诱导剂的组成成分为：4500-5500mg/L的EDTA、4000-5000mg/L的FeSO₄和450-550mg/L的FeS。

所述步骤Ⅱ中，当进水中苯酚浓度达到驯化的目标浓度，但总氮去除负荷未达到0.3gN/(L·d)时，继续转入“降低和恢复”阶段，降低一个浓度梯度，并且在进水中持续投加微量元素诱导剂、进行污泥外循环，然后依次重复“提高-降低和恢复-再提高”的三个阶段，直至进水中苯酚浓度达到驯化的目标浓度且总氮去除负荷大于等于0.3gN/(L·d)时，完成驯化。

所述步骤II中，“提高”和“再提高”阶段污泥外循环比例为45～55％，“降低和恢复”阶段污泥外循环比例为95～100％。“降低和恢复”阶段提高污泥外循环比例能最大限度的维持装置内耐受苯酚抑制的污泥浓度，促进厌氧氨氧化活性的恢复。

本发明还提供了一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化装置，包括反应罐、进水装置、污泥外循环装置、无纺布层和反冲洗装置，所述无纺布层设于反应罐内部，边缘与反应罐内壁连接，将反应罐内部分割为下方的反应区和上方的集气区，反应罐的进水口位于反应区靠近底部的侧壁，出水回流口位于集气区的侧壁，进水装置设于反应罐外部并且连接所述进水口和出水回流口；反应区的下部为污泥沉淀段，上部为折流段，两者通过延伸至污泥沉淀段底部的垂直管式通道相连通，污泥出口位于垂直管式通道的上方，污泥进口位于污泥沉淀段靠近底部的侧壁，污泥外循环装置设于反应罐外部并且连接所述污泥出口和污泥进口；反冲洗装置位于反应罐内无纺布层的上方。

作为改进或者具体实施方案：

所述集气区的顶部设有集气口；所述集气区的顶部设有水质检测仪；所述集气区的侧壁还设有出水口。

所述折流段内部设有折流板，折流板固定在反应罐的内壁上；所述反冲洗装置与进水装置连接。

所述进水装置包括进水泵和出水外循环泵/反冲洗泵，进水泵与反应罐的进水口连接，出水外循环泵/反冲洗泵的一端与反应罐的出水回流口连接，另一端与进水泵和所述进水口之间的管路连接。

所述污泥外循环装置为污泥外循环泵，其一端连接所述污泥出口，另一端连接所述污泥进口。

整个装置外部有黑色薄膜和加热带包裹。该装置中，污泥外循环比例在50～100％之间，出水外循环比例在200～400％之间，通过调节进水和污泥循环比例控制反应罐内基质浓度和污泥浓度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明采用循环交替提高苯酚浓度的方法，每增加一个浓度梯度反应一段时间后就将苯酚降低至前一个阶段时的浓度，让厌氧氨氧化反应有一个恢复的过程以提高菌群耐受性，以减轻苯酚的抑制，实现了含中低浓度苯酚的焦化废水自养脱氮处理过程。

(2)本发明通过降低和恢复阶段投加含Fe²⁺的微量元素诱导剂，提高肼脱氢酶活性、促进合成AnAOB菌群生长所需的含铁蛋白质，污泥外循环能维持装置内污泥浓度，大大减少污泥的流失，有利于实现受苯酚抑制后的AnAOB菌群快速恢复活性。

(3)本发明所驯化的焦化废水自养脱氮过程可耐受苯酚浓度范围为50～175mgL，驯化周期为1～2个月，相比常规驯化方法3个月及以上的时长，大大缩减了驯化周期，提高了厌氧氨氧化技术在焦化废水处理过程中实际工程应用的可行性。

附图说明

图1为本发明耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮装置示意图；

图2为本发明种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法流程示意图；

图3为本发明采取循环交替提高苯酚浓度的方法，投加苯酚前后120天内的进出水氨氮浓度和氨氮去除率参数指标结果；

图4为对照组采用连续提高苯酚浓度的方法，投加苯酚前后120天内的进出水氨氮浓度和氨氮去除率参数指标结果。

具体实施方式

下面对本发明作出进一步说明。

实施例1

一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化装置，如图1所示，包括反应罐1、进水装置2、污泥外循环装置3、无纺布层4和反冲洗装置5，无纺布层4设于反应罐1内部，边缘与反应罐1内壁连接，将反应罐1内部分割为下方的反应区11和上方的集气区12，反应罐1的进水口位于反应区11靠近底部的侧壁，出水回流口位于集气区12的左侧壁，进水装置2设于反应罐1外部并且连接所述进水口和出水回流口，出水口15位于集气区12的右侧壁；反应区11的下部为污泥沉淀段111，上部为折流段112，两者通过延伸至污泥沉淀段111底部的垂直管式通道相连通，污泥出口位于垂直管式通道的上方，污泥进口位于污泥沉淀段111靠近底部的侧壁，污泥外循环装置3设于反应罐1外部并且连接所述污泥出口和污泥进口；反冲洗装置5位于反应罐1内无纺布层4的上方，并且与进水装置2连接。

集气区12的顶部设有集气口13和水质检测仪14。折流段112内部设有折流板16，折流板16固定在反应罐1的内壁上；

进水装置2包括进水泵21和出水外循环泵/反冲洗泵22，进水泵21与反应罐1的进水口连接，出水外循环泵/反冲洗泵22的一端与反应罐1的出水回流口连接，另一端与进水泵21和所述进水口之间的管路连接。污泥外循环装置3为污泥外循环泵，其一端连接所述污泥出口，另一端连接所述污泥进口。

整个装置外部有黑色薄膜和加热带包裹。该装置中，污泥外循环比例在50～100％之间，出水外循环比例在200～400％之间，反应阶段通过调节进水和污泥循环比例控制反应罐内基质浓度和污泥浓度。所述无纺布层4兼具生物膜载体和固液分离双重功能，反应阶段通过形成生物膜拦截厌氧氨氧化颗粒污泥，富集AnAOB菌群的同时减少菌群流失。当观察到所述无纺布层4附近颗粒污泥堆积、堵塞和液位明显下降时，出水外循环泵/反冲洗泵22切换至反冲洗模式，持续2～3min，通过产水间歇性反冲洗防止无纺布生物膜出现堵塞。

实施例2

在如实施例1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮装置内启动焦化废水自养脱氮过程，装置尺寸为H＝1500mm，有效容积10L，停留时间为12h。

采用如图2所示的自养脱氮驯化方法，具体包括以下两个步骤：

步骤I：在装置内接种含AnAOB菌群的种泥，污泥浓度为5000mg/L；以人工配水的形式进水，进水前用氮气吹脱5～10min，控制装置内温度为35℃、溶解氧浓度为0.1～0.2mg/L。

步骤I中，人工配水进料液水质如下：以氯化铵NH₄Cl和亚硝酸钠NaNO₂为基质，NH₃ ⁺-N浓度为100±5mg/L，NO₂ ^--N浓度为132±8mg/L，加入适量碳酸氢钠(NaHCO₃,1mol/L)调节pH至7～8。

装置运行至第43天，水质检测仪14检测到氨氮去除率为84.5％，总氮去除负荷为0.425gN/(L·d)，认为厌氧氨氧化反应启动成功，装置转入下一步骤Ⅱ。

步骤Ⅱ：设定苯酚浓度梯度为20mg/L，驯化目标浓度为160mg/L，进水中苯酚浓度按照“提高-降低和恢复-再提高”的三个阶段依次循环进行：首先在进水中投加苯酚达到20mg/L；反应持续3天后，逐步降低进水中投加的苯酚直至浓度为0mg/L，改为进水中持续投加微量元素诱导剂(组成成分为：EDTA5000mg/L、FeSO₄4500mg/L、FeS500mg/L)2mL/L并控制污泥外循环比例为100％，以恢复厌氧氨氧化污泥活性；继续反应3天后再提高苯酚浓度至20mg/L，最后重复至第一个阶段继续提高苯酚浓度至40mg/L。反应按照三个阶段依次循环进行，每个阶段反应持续时间为3天，经过8个周期后即装置运行至第115天苯酚浓度达到160mg/L，如图3所示，此时氨氮去除率为76.7％，总氮去除负荷为0.398gN/(L·d)，厌氧氨氧化反应活性只是略有下降，可认为装置内一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮过程驯化成功。

同时设置一组对照组，对照组采用的装置、进水方式和主要操作步骤同试验组基本一致，区别在于步骤Ⅱ中按照连续投加的方式提高苯酚浓度，每个阶段提高的苯酚浓度梯度为6～7mg/L：首先在进水中投加苯酚达到7mg/L；反应持续3天后，逐步提高进水中投加的苯酚直至浓度为13mg/L，并且进水中持续投加微量元素诱导剂2mL/L并控制污泥外循环比例为100％，以刺激厌氧氨氧化污泥活性；继续反应3天后再提高苯酚浓度至20mg/L，最后重复至第一个阶段继续提高苯酚浓度至27mg/L。如图4所示，对照组经过8个周期后苯酚浓度达到160mg/L，但在装置运行至第115天时氨氮去除率仅为44.1％，总氮去除负荷为0.245gN/(L·d)，表明连续投加苯酚的方法下厌氧氨氧化反应活性受到较大抑制。

试验结果表明：本发明采用的循环交替提高苯酚浓度和强化反应活性方法，可以提高厌氧氨氧化菌群耐受性，苯酚的抑制作用大大减轻，并且本驯化方法可耐受苯酚浓度范围高，驯化周期短，有利于实现含中低浓度苯酚的焦化废水自养脱氮处理过程。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤II：待上述步骤I的反应稳定后，设定一个苯酚浓度梯度在10~30mg/L之间，进水中苯酚浓度按照“提高-降低和恢复-再提高”的三个阶段依次循环进行：首先在进水中提高一个苯酚浓度梯度；反应持续一段时间后再降低一个浓度梯度，并且在进水中持续投加微量元素诱导剂、进行污泥外循环；继续反应一段时间后再提高一个浓度梯度，最后重复至第一个阶段继续提高一个苯酚浓度梯度，每增加一个浓度梯度反应一段时间后就将苯酚降低至前一个阶段时的浓度，反应按照三个阶段依次循环进行，每个阶段反应持续时间为3~5天，直至苯酚浓度达到驯化的目标浓度50~175mg/L之间，且总氮去除负荷大于等于0.3 gN/(L·d)时，焦化废水自养脱氮过程驯化成功；当进水中苯酚浓度达到驯化的目标浓度，但总氮去除负荷未达到0.3 gN/(L·d)时，继续转入“降低和恢复”阶段，降低一个浓度梯度，并且在进水中持续投加微量元素诱导剂、进行污泥外循环，然后依次重复“提高-降低和恢复-再提高”的三个阶段，直至进水中苯酚浓度达到驯化的目标浓度且总氮去除负荷大于等于0.3 gN/(L·d)时，完成驯化。

2.根据权利要求1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤I和II均处于避光、恒温和厌氧环境，温度为32~35℃，溶解氧浓度为0.1~0.2mg/L。

3.根据权利要求1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤I和II均为连续进水，控制进水中NO₂ ^--N与NH₃ ⁺-N的质量浓度比为1.30~1.35:1，NH₃ ⁺-N浓度为50~150mg/L，污泥浓度为4000~8000mg/L。

4.根据权利要求1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤I中，人工配水以氯化铵NH₄Cl和亚硝酸钠NaNO₂为基质，调节pH至7~8，每次进水前需用氮气吹脱5~10min；当厌氧氨氧化反应总氮去除负荷大于等于0.3 gN/(L·d)时，认为装置内厌氧氨氧化反应启动成功，装置转入下一步骤II。

5.根据权利要求1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤II中，降低和恢复阶段进水时按比例投加微量元素诱导剂，投加比例为1~3mL/L；所述微量元素诱导剂选自含有含Fe²⁺的微量元素诱导剂。

6.根据权利要求5所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤II中，降低和恢复阶段进水时按比例投加微量元素诱导剂，投加比例为2mL/L；所述微量元素诱导剂的组成成分为：4500~5500mg/L的EDTA、4000~5000mg/L的FeSO₄和450~550mg/L的FeS。

7.根据权利要求1所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法，其特征在于，所述步骤II中，“提高”和“再提高”阶段污泥外循环比例为45~55%，“降低和恢复”阶段污泥外循环比例为95~100%。

8.权利要求1-7任一项所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法的专用装置，其特征在于，包括反应罐（1）、进水装置（2）、污泥外循环装置（3）、无纺布层（4）和反冲洗装置（5），所述无纺布层（4）设于反应罐（1）内部，边缘与反应罐（1）内壁连接，将反应罐（1）内部分割为下方的反应区（11）和上方的集气区（12），反应罐（1）的进水口位于反应区（11）靠近底部的侧壁，出水回流口位于集气区（12）的侧壁，进水装置（2）设于反应罐（1）外部并且连接所述进水口和出水回流口；反应区（11）的下部为污泥沉淀段（111），上部为折流段（112），两者通过延伸至污泥沉淀段（111）底部的垂直管式通道相连通，污泥出口位于垂直管式通道的上方，污泥进口位于污泥沉淀段（111）靠近底部的侧壁，污泥外循环装置（3）设于反应罐（1）外部并且连接所述污泥出口和污泥进口；反冲洗装置（5）位于反应罐（1）内无纺布层（4）的上方。

9.根据权利要求8所述的耐苯酚抑制的焦化废水自养脱氮驯化方法的专用装置，其特征在于，所述折流段（112）内部设有折流板（16），折流板（16）固定在反应罐（1）的内壁上；所述反冲洗装置（5）与进水装置（2）连接；所述进水装置（2）包括进水泵（21）和出水外循环泵/反冲洗泵（22），进水泵（21）与反应罐（1）的进水口连接，出水外循环泵/反冲洗泵（22）的一端与反应罐（1）的出水回流口连接，另一端与进水泵（21）和所述进水口之间的管路连接。