专利名称：高新生物膜生物强化焦化废水高效处理技术
技术领域：
本发明涉及一种生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，属于环境保护和难降解工业废水处理领域，特别适用于焦化废水，也同样适用于处理高C0D、高氨氮的工业废水，能够实现高效去除COD和高效脱氮。
背景技术：
焦化废水为炼制焦碳或制煤气过程中产生的难生物降解的高浓度有毒有机废水，主要来源于钢铁冶金和炼焦行业的焦化厂。焦化废水中主要含有氨氮(NH3-N)、氰化物、酚类化合物、多环芳香族化合物和含氮、氧、硫的杂环化合物及脂肪族化合物等污染物质，具有“三致”作用，对人体健康和生态环境威胁巨大。除了组成复杂外，焦化废水还具有水质变化幅度大、可生化性差、毒性大等特点。
目前，处理焦化废水的方法很多，但国内大多数焦化厂的焦化废水仍然以生物处理为主，普遍采用活性污泥法和A20(厌氧-缺氧-好氧)工艺。A2O工艺的效果优于活性污泥法，但是，经过A2O工艺处理的焦化废水往往也很难达到国家排放标准(GB8978-1996)中的二级排放标准，特别是COD和NH3-N这两个指标很难同时达标，GB8978-1996中的一级和二级排放标准是COD和NH3-N分别低于100mg/L、150mg/L和15mg/L、25mg/L。COD难以达标的主要原因是焦化废水中含有一定量的难生物降解的有机物，这些难降解有机物在生物反应器中往往不能被有效去除而直接进入出水中，导致出水COD、NH3-N偏高，此外，由于焦化废水具有毒性，当毒性有机物达到一定浓度范围时，硝化细菌将受到抑制，导致氨氮不能有效去除，难以达标。结合目前我国焦化废水的处理技术，寻找高效稳定、成本低廉、便于管理的生物处理方法成了我国焦化废水处理领域的重要任务。生物膜生物强化技术是指为提高废水处理系统的处理能力，而在此生物膜法处理系统中投加具有特定功能的菌属、微生物、营养物或基质类似物。其中的菌属可以是从自然界中经过分离、驯化、富集、筛选、培养而得到的优势菌种，通常源于被废水污染的土壤中或者污水处理厂的排水中；也可以是通过基因组合技术得到的工程菌种。与目前使用最广泛的活性污泥法相比，生物膜法生物强化技术拥有以下几点优势提高对目标污染物的去除效果；减少污泥产生，改善污泥性能；加快系统启动，减少系统故障，增强系统稳定性。目前，生物膜生物强化技术在焦化废水处理中尚无工程应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有生物处理焦化废水的不足之处，结合前人的相关研究及理论，提供一种高效稳定、成本低廉、便于管理的生物处理焦化废水工艺，使焦化废水经处理后能够达到相关国家排放标准，解决我国国内焦化废水难以处理的现状。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，包括采用厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺处理焦化废水，分为挂膜期和正式运行期；在挂膜期，首先在厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺反应器内加入膜支撑载体，然后投加睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)进行挂膜,上述菌株已于2011年3月3日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)保藏，地址北京市朝阳区北辰西路I号院3号中国科学院生物研究所，保减编号CGMCCNo. 4630 ;挂|旲完成后在系统内形成稳定的生态岛系统，进行焦化废水生物强化处理。所述的厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺以焦化废水为碳源和氮源，焦化废水处理的环境条件为温度为25-30°C，pH为7. 0-8. 5。先将睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630纯菌进行扩大培养得到睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液,扩大培养条件为pH为7. 0-7. 2的LB培养基，在150red/min、30°C摇床条件下培养8-10h。 所述的睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液投加入厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺中的生物流化床段，睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液与普通污泥活化后混合液以I : 4-1 2的比例混合后投加至生物流化床进行挂膜，挂膜方式采用前7天闷爆培养后连续进水方式。所述的闷爆培养期间每日进水为含有5% -7% LB培养基的焦化废水，连续进水时进水为纯焦化废水，并在COD 50-600mg/L之间逐渐增加焦化废水浓度。所述的三相好氧生物循环流化床反应器中膜支撑载体为聚丙烯材质悬浮生物载体，载体投加体积为反应器容积的30% 40% ;厌氧生物滤池中的载体为聚丙烯材质悬浮生物载体，投加体积为反应器容积的60% 80%。所述的生态岛系统由菌群、原生动物及藻类构成，其中厌氧生物滤池内共49种菌，P-protebacteria菌为优势菌属，占39. 20% ;好氧生物流化床内共31种细菌，其中3-protebacteria 菌为优势菌属，占 47. 69*%。所述的原生动物为表壳虫类；所述的藻类为娃藻门。此生态岛系统对焦化废水有良好的降解消纳作用，可以将废水COD浓度从1196mg/L降到64. 8mg/L, NH3-N浓度从102mg/L降到I. 43mg/L,出水均达到国家一级排放标准和回用标准,可实现100%回用。基于焦化废水水质变动大的特点，对该工艺的相关工艺参数进行了试验研究，将生物反应器的设计参数确定如下水力停留时间为14-18小时，回流比为4 1-3 1，曝气量为I. 00-1. 25L/min。在此参数下进行运行，COD可从1195. 95ml/L降低到64. 82mg/L，去除率为94. 58% ;氨氮可以从102. lmg/L降到I. 428mg/L，去除率为98. 60%。出水COD和氨氮指标均能达到国家一级排放标准，水质达到回用标准。本发明生物强化焦化废水处理方法的优点及用途(I)该技术具有较高的容积负荷和抗冲击能力。焦化废水的水质波动较大，尤其是氨氮，焦化废水的进水NH3-N氨氮浓度一般在100mg/L 600mg/L之间波动，对处理系统的冲击很大，该技术均采用生物强化法，生物量大，生物活性强，不仅容积负荷高，而且抗冲击能力强，可以满足焦化废水的特点，保证废水达标排放。(2)该技术投加睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630为焦化废水高效降解菌，系统正常运行后，形成优势菌属为P -protebacteria菌属。睾丸酮丛毛单胞菌CGMCCNo. 4630生长不受焦化废水中有毒物质及高浓度污染物的影响，对环境适应性强，能够在焦化废水中保持一定的微生物量。0 -protebacteria优势菌属对含氮有机物有很强的降解效果,对总氮的去除有关键作用，对长链有机物的断链、大分子有机物向小分子转化都有积极的作用，此过程是焦化废水中污染物彻底被去除的限制性环节。(3)该技术中形成的优势微型生物舟型藻对整个体系的运转起到积极作用。舟型藻含有叶绿体，能够进行光合作用产生氧气，这反应器中的细菌提供了很好的溶解氧源，可以代替部分曝气效果，进一步降低动力消耗，节省成本。舟型藻所提供氧源具有分布均匀，溶解成分闻等优点。(4)本技术所形成的优势原生动物表壳虫对系统剩余污泥的减少及保持藻类和菌类活性有重要作用。表壳虫为食藻、食菌、食碎屑者，减少死亡藻类和死亡菌类的产生，进而减少了剩余污泥的产生，还能通过优胜劣汰的生态法则保持藻类和菌类的生物活性，保持生物膜厚度与或活性。(5)经过该工艺的处理，焦化废水COD去除率可达到94%以上，NH3-N去除率达到98%以上，出水能达到国家污水排放标准(GB9878-1996)的一级排放标准和回用标准，能 够实现废水100%回用。总之，本发明的工艺方法利用所形成的独特生态岛具有处理焦化废水，处理效果好、减少污泥产量、水力负荷高、运行稳定。下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。生物材料保藏信息辜丸丽丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni),已于2011年3月3日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏(简称=CGMCCJia :北京市朝阳区北辰西路I号院3号中国科学院生物研究所)，保藏编号=CGMCC No. 4630。
图I为载体上生物膜剖面图。图2为载体上生物膜3D模型图。图3为优势微型生物(舟型藻和表壳虫)的电镜图。
具体实施例方式本发明的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，包括采用厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺处理焦化废水，分为挂膜期和正式运行期；在挂膜期，首先在厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺反应器内加入膜支撑载体，然后投加睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630进行挂膜，挂膜完成后在系统内形成在特定环境下独特的生态岛系统。本发明的厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺的具体结构和流程可参阅中国专利CN101597125A(由于生化过程在三相好氧生物循环流化床段即可达到预期效果，故斜板沉降前的缺氧生物滤池的作用本申请忽略)。首先，准备一株能够适应焦化废水毒性、对焦化废水有强降解作用、不需要外加营养源的高效降解菌；本发明采用的是睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630，可自行从焦化废水活性污泥中分离、培养，也可直接从厂家购买，将高效菌加入生物滤池-生物流化床耦合反应器中进行挂膜，使反应器内形成功能健全、结构独特的生态岛；正常运行反应器，利用生态岛的系统净化作用将污染物进行降解，并将各类微生物保持在一定的数量范围内，减少污泥产生，保证各类微生物活性，达到良好的污染物去除效果。挂膜期间，先往反应器中放入生物膜载体，厌氧生物滤池和好氧生物流化床中的生物膜载体为聚丙烯材质悬浮生物载体，载体为空心圆柱体，内部有交叉隔板，表面呈波纹状，凹凸不平，长为10 15mm，直径为8 12mm，厌氧生物滤池中载体投加体积为反应器容积的60% 80%，好氧生物流化床中载体投加体积为反应器容积的30% 40%。将采集、分离、驯化的睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630纯菌，进行扩大培养，其扩大培养条件为=PH为7. 0-7. 2的LB培养基，以10%的接种量转接入2 I的选择培养基，在150red/min、30°C摇床条件下培养8-10h。之后将纯菌种扩大培养的睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液与焦化废水生化处理产生的普通污泥按照体积比I :4混合后投加至好氧生物流化床进行挂膜。挂膜方式采用前7天闷爆培养后连续进水方式。闷爆培养期间每日进水为含有5% LB培养基的焦化废水，逐渐增加焦化废水投加比例，直至连续进水时进 水为纯焦化废水，并在C0D50-600mg/L之间逐渐增加焦化废水浓度。挂膜23天后COD和氨氮的去除率均达到90%以上，生物膜成熟。系统启动时间短，挂膜速度快。此时生物膜厚度最厚处为I. 25mm，最薄处为0. 25mm，如图1、2所示分别为载体上生物膜剖面图和载体上生物膜3D模型图。本发明的厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床(_缺氧生物滤池)耦合工艺以焦化废水为碳源和氮源，焦化废水处理的环境条件为温度为25-30°C，pH为7. 0-8. 5。本发明使用的高效菌株为睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630，用此菌来处理焦化废水，在25-30°C、150red/min摇床条件下对pH为7. 2、COD浓度为503mg/L的焦化废水作用48h后，去除率可达到68. I %。将此菌与普通污泥以I : 4-1 2的比例混合处理焦化废水，同样条件下，可将普通污泥对COD的处理效果提高9. 6%，说明此菌能降解焦化废水中的难降解物质，对处理难降解污染物起到了重要作用，是彻底去除污染物的关键因素。本发明的生态岛系统由菌群、原生动物及藻类构成，其中厌氧生物滤池内共49种菌，0 -protebacteria菌为优势菌属，占39. 20 % ;好氧生物流化床内共31种细菌，好氧生物流化床内优势微型生物为硅藻门舟型藻属和原生动物门表壳虫属，其中3-protebacteria菌为优势菌属，占47.69*%。高效菌株辜丸丽丛毛单胞菌CGMCCNo. 4630也属于P-protebacteria菌属。原生动物为表壳虫类,藻类为娃藻门。本发明在好氧生物流化床内形成了功能健全、组成特殊的生态岛系统，含有31种细菌，其中 I 种 a-protebacteria 菌、19 种 0-protebacteria 菌、9 种 Y-protebacteria菌、I 种 Acidobacteria 菌和 I 种 Chlamydiales 菌。3 -protebacteria 占总数的 49. 96%,为优势菌群，其中包括投加的高效菌种睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630。菌属结构与优势菌属如表I所示。系统中存在除细菌外的微型生物，优势微型生物分别为舟型藻和表壳虫，分属于娃藻门和原生动物门，如图3所不。表I好氧流化床细菌的16S rRNA基因克隆文库的克隆子序列相似性分析结果
权利要求
1.一种生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于包括采用厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺处理焦化废水，分为挂膜期和正式运行期；在挂膜期，首先在厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺反应器内加入膜支撑载体，然后投加睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni) CGMCC No. 4630进行挂膜,挂膜完成后在系统内形成稳定的生态岛系统，然后进行焦化废水生物强化处理。
2.根据权利要求I所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺以焦化废水为碳源和氮源，焦化废水处理的环境条件为温度为25-30°C，pH为7. 0-8. 5。
3.根据权利要求I所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于先将睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630纯菌进行扩大培养得到睾丸酮丛毛单胞菌CGMCCNo. 4630菌液，扩大培养条件为pH为7. 0-7. 2的LB培养基，在150red/min、30°C摇床条件下培养8-10h。
4.根据权利要求3所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液投加入厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺中的生物流化床段，睾丸酮丛毛单胞菌CGMCC No. 4630菌液与普通污泥活化后混合液以I : 4-1 2的比例混合后投加至生物流化床进行挂膜，挂膜方式采用前7天闷爆培养后连续进水方式。
5.根据权利要求4所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的闷爆培养期间每日进水为含有5% -7% LB培养基的焦化废水，连续进水时进水为纯焦化废水，并在COD 50-600mg/L之间逐渐增加焦化废水浓度。
6.根据权利要求I所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的三相好氧生物循环流化床反应器中膜支撑载体为聚丙烯材质悬浮生物载体，载体投加体积为反应器容积的30% 40% ;厌氧生物滤池中的载体为聚丙烯材质悬浮生物载体，投加体积为反应器容积的60 % 80 %。
7.根据权利要求I所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的生态岛系统由菌群、原生动物及藻类构成，其中厌氧生物滤池内共49种菌，3 -protebacteria菌为优势菌属，占39. 20 % ；好氧生物流化床内共31种细菌，其中3-protebacteria 菌为优势菌属，占 47. 69*%。
8.根据权利要求7所述的生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，其特征在于所述的原生动物为表壳虫类；所述的藻类为硅藻门。
全文摘要
本发明涉及一种生物膜生物强化焦化废水高效处理方法，包括采用厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺处理焦化废水，分为挂膜期和正式运行期；在挂膜期，首先在厌氧生物滤池-三相好氧生物循环流化床耦合工艺反应器内加入膜支撑载体，然后投加睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)CGMCC No.4630进行挂膜，挂膜完成后在系统内形成生态岛系统。经过本发明工艺的处理，焦化废水COD去除率可达到94％以上，NH3-N去除率达到98％以上，出水能达到国家污水排放标准(GB9878-1996)的一级排放标准和回用标准，能够实现废水100％回用。
文档编号C02F9/14GK102674618SQ20111005835
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者宋洪全, 张雪, 朱芳, 李素芹, 熊国宏, 王俏, 苍大强, 骆诗梅 申请人:北京科技大学, 北京麦尔得科技有限公司
