AO生物膜法强化处理石化废水及生物膜种群结构研究张楠

中国环境科学2015,35(1)：80~86ChinaEnvironmentalScienceA/O生物膜法强化处理石化废水及生物膜种群结构研究张楠1,2,初里冰1,丁鹏元1,王星3,杨琦2,王建龙1*(1.清华大学核研院环境技术研究室,北京100084；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083；3.湖南大学环境科学与工程学院,湖南长沙410082)摘要：采用A/O生物膜反应器处理石化综合废水.反应器在O段添加装有改性聚氨酯泡沫的多孔塑料球载体,强化有机物的降解效率.反应器进水分别为水解酸化池出水(阶段I),石化工业废水与生活污水比例为3:1(阶段II)以及单纯的石化工业废水(阶段III).结果表明,尽管进水COD和氨氮波动较大,但出水COD和氨氮的去除率保持稳定,说明生物膜反应器具有较好的抗冲击负荷能力.在HRT为30h,COD和氨氮的去除率为74%~77%和96%~93%,总氮和总磷的去除率为58%和79%.第II阶段进水为工业废水和生活污水混合的处理效果最好,出水COD和氨氮浓度分别为(63±12)mg/L和(0.75±0.28)mg/L.出水总氮主要为硝酸氮,亚硝酸氮的浓度很低(小于0.1mg/L),表明硝化作用进行得较为完全.进水中有机物的分子量主要分布在小于1kDa(70.9%)和大于100kDa(10.4%).出水中大于10kDa的有机物所占比例减小,分子量主要分布在小于1kDa(56.6%)和1~5kDa(26.2%),表明A/O生物膜反应器对大分子有机物的降解较好.454高通量测序结果表明:生物膜中变形菌门菌群所占比例最大(60.0%),其次是浮霉菌门(16.9%)和拟杆菌门(9.8%).在属的水平检测到氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas和亚硝酸盐氧化菌(NOB)NitrospiraceaeNitrospira以及反硝化菌Azospira和Thermomonas.NOB的比例较高,这与反应器较好的硝化作用相一致.关键词：石化废水；A/O生物膜工艺；454高通量测序；污水处理中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)01-0080-07EnhancedtreatmentofpetrochemicalwastewaterbyusingA/Obiofilmreactorandanalysisofbiofilmcommunity.ZHANGNan1,2,CHULi-bing1,DINGPeng-yuan1,WANGXing3,YANGQi2,WANGJian-long1*(1.LaboratoryofEnvironmentalTechnology,InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；2.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China；3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(1)：80~86Abstract：AnA/Obiofilmreactorwasdevelopedforthetreatmentofpetrochemicalwastewater.Porousplasticsphericalcarriersfilledwithmodifiedpolyurethanefoamswereaddedintheaerobicpartstoimprovethedegradationoforganicpollutants.TheA/Obiofilmreactorwasfedwitheffluentfromthehydrolysisacidificationtank(phaseI),amixedpetrochemicalanddomesticwastewaterwitharatio3:1(phaseII)andpetrochemicalwastewater(phaseIII),respectively.ResultsshowedthattheremovalefficiencyofCODandammoniummaintainedstabledespitetheirgreatfluctuationininfluent,indicatingthattheA/Obiofilmreactorhadagoodcapacitytoresisttheloadingshock.Atahydraulicretentiontimeof30h,CODandammoniumremovalreached74%~77%and96%~93%,respectively.Totalnitrogenandtotalphosphorusremovalwere58%and79%,respectively.TheperformanceofreactoratphaseIIwasthebest.TheeffluentCODandammoniumconcentrationskeptat(63±12)mg/Land(0.75±0.28)mg/L,respectively.Totalnitrogenintheeffluentexistedmainlyintheformofnitrateandnitritemaintainedatlowlevels(lessthan0.1mg/L),whichindicatedthatnitrificationproceededalmostcompletely.Themolecularweight(MW)oforganicmattersintheinfluentrangedmainlyinlessthan1kDa(70.9%)andmorethan100kDa(10.4%).Intheeffluent,MWoforganicmatterswasmainlyinlessthan1kDa(56.6%)and1~5kDa(26.2%).ThedistributionratiooforganicswithaMWofhigherthan10kDadecreased,indicatingthatA/Obiofilmreactorwasgoodatdegradationofthemacromolecularorganics.Analysisof收稿日期：2014-05-06基金项目：国家水体污染控制与治理重大专项(2012ZX07201-005-06-01);重点防控重金属汞、铬、铅、镉、砷便携/车载/在线监测仪器开发与应用(2012YQ060115)*责任作者,教授,[e-mail]1期张楠等：A/O生物膜法强化处理石化废水及生物膜种群结构研究81454pyrosequencingshowedthatProteobacteriaaccountedformostofsequence(60.0%),followedbyPlanctomycetes(16.9%)andBacteroidetes(9.8%)atthephylumlevels.Atthegenuslevels,ammoniaoxidizingbacteria(AOB)Nitrosomonasandnitriteoxidizingbacteria(NOB)NitrospiraceaeNitrospiraanddenitrifierAzospiraandThermomonaswereidentified.NOBwerehighlyenrichedwhichwasconsistentwiththegoodnitrification.Keywords：petrochemicalwastewater；A/Obiofilmprocess;454high-throughputpyrosequencing；wastewatertreatment石化废水是在石油炼化、加工过程中产生的废水,污染物种类多、水质波动大.废水中含有石油类、苯和苯的衍生物等多种难降解有机物,具有较强的生物毒性.单一的处理工艺很难达到处理要求,一般采用几种工艺的组合.常采用物化法预处理,厌氧/好氧生化法二级处理,普遍存在有机物降解不稳定,硝化效果差等问题[1].缺氧/好氧(A/O)工艺具有较好的有机物降解能力和脱氮能力,在石化废水处理中常与厌氧水解酸化联用[2].A/O生物膜复合工艺是在20世纪80年代后期,为了应对污水处理日益严格的排放标准而发展起来的工艺类型.该工艺是在活性污泥工艺的曝气池中直接投加填料,反应池内的生物量由悬浮态污泥和附着态生物膜组成,这样可大幅度提高反应池内的生物量,防止生长缓慢的硝化菌流失.增加系统耐冲击负荷能力,减少污泥产量.尤其适用于现有污水厂的提标改造[3].本研究采用A/O生物膜法处理某石化综合污水处理厂废水.通过在好氧段投加载体提高难降解有机物与氮磷的去除效率.研究不同水质条件下反应器对有机污染物的降解效果,并对生物膜的菌群结构进行解析.1材料与方法1.1实验装置试验装置如图1所示,反应器由有机玻璃制成,有效容积为43.4L,由一个缺氧A段和2个好氧O段组成,3段的体积比为1:2:2.二沉池有效容积为27.8L,底部回流污泥通过蠕动泵回流至A段,回流比为100%.上清液外排.A段设有搅拌,溶解氧浓度为(0.06±0.03)mg/L,pH7.74±0.29.O段通过曝气砂棒进行曝气,溶解氧浓度保持在5~7mg/L,pH7.71~7.89.在O段投加多孔塑料球载体,球内装有1cm见方的改性聚氨酯泡沫,体积填充率为40%.通过在发泡配方中加入N-甲基二乙醇胺,同时加入适量的酸性抑制剂,直接发泡制备亲水化阳离子改性的聚氨酯载体,促进微生物在载体表面的吸附作用.改性载体的接触角为66°,总阳离子含量为0.372mmol/g.蠕动泵气体流量计曝气泵排水管二沉池剩余污泥外排A段01段02段搅拌器污泥回流蠕动泵进水箱图1A/O生物膜试验装置示意Fig.1SchematicdiagramoftheA/Obiofilmexperimentalequipment1.2实验用水和运行方案实验装置建在某化工园区石化综合污水处理厂区内.该污水厂的进水由工业废水和生活污水两部分构成,比例约为3:1.工业废水来源于该公司下属的炼油厂、化肥厂、电石厂、树脂厂等工厂处理后的出水.生活污水主要来自该区域内生活、商业、及学校排水.污水处理采用厌氧水解酸化-A/O工艺.A/O生物膜反应器接种污泥取自该污水厂的O段曝气池,进水为污水厂水解酸化池的出水.2013年4月下旬开始启动,A段搅拌,O段闷曝,待反应器出水COD去除率达到70%以上时,连续进水.水力停留时间(HRT)为30h,污泥回流率100%,反应器温度通过加热棒控制在23~28.℃启动运行约1个月后,出水水质稳定,载体上可明显观察到生物膜附着,表明反应器启动成功.反应器处理效果稳定后,运行分3个阶段:第Ⅰ阶段45d,进水为厂区水解酸化池出水;第Ⅱ阶82中国环境科学35卷段40d,进水为污水厂进水(即工业废水与生活污水的比例为3:1);第Ⅲ阶段25d,进水为工业废水.以研究直接采用A/O生物膜工艺处理石化废水的可行性.3个阶段进水的水质列在表1,可以看出,随着工业废水比例的增加,进水COD浓度增大,C/N值增大.进水中总磷的含量较低,pH值稳定在7~8之间,适合微生物生长.BOD5/COD在3个阶段没有显著差别.定期(每隔2~3d)取样测定反应器进水、出水的COD和氨氮浓度.不定期检测反应器各段COD和氮化合物的浓度分布以及进出水TN和TP浓度.所有的水样均采用0.4