桑蠶絲生產(chǎn)廢水生物處理回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究（一）

杜怡昕 劉華平 劉發(fā)富

（1江蘇省蘇豪控股集團公司 南京 2100122鑫緣繭絲綢集團股份有限公司 江蘇海安 22660）

我國年生絲產(chǎn)量約10萬噸左右，正常情況下，生產(chǎn)1噸生絲需用800噸-1000噸水資源，生產(chǎn)10萬噸生絲則產(chǎn)生8000萬噸廢水，這些廢水中含有大量的COD、BOD值排放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

2007我公司承擔(dān)了國家科技支撐計劃項目《家蠶天然彩色繭新品種選育及蠶絲蛋白資源深加工關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》，該項目由4個子課題組成，其課題4《彩絲精練廢水提取絲膠蛋白關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》（2007BAD72B04）中涉及桑蠶絲生產(chǎn)廢水和蠶絲被廢水處理回收利用兩項關(guān)鍵技術(shù)研究，其中桑蠶絲生產(chǎn)生產(chǎn)廢水處理主要內(nèi)容為采用生物工程技術(shù)進(jìn)行處理，使其達(dá)到回用于原生產(chǎn)工序水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過本課題的研究，掌握桑蠶絲生產(chǎn)廢水生物處理回收利用關(guān)鍵技術(shù)，回收利用排放的90%廢水，解決桑蠶繭深加工過程中排放的廢水對環(huán)境污染問題，達(dá)到既保護環(huán)境水體資源又提高企業(yè)經(jīng)濟效益目的，對絲綢行業(yè)的振興和可持續(xù)發(fā)展具有很好的示范意義。

1 試驗概況

1.1 試驗水質(zhì)

試驗用廢水取自海安縣鑫緣桑蠶絲生產(chǎn)有限公司總下水道廢水，試驗期間廢水水溫為26℃－30℃。

表1 桑蠶絲生產(chǎn)廢水水質(zhì)情況

1.2 工藝流程及方法

工藝流程如圖1所示：

圖1 桑蠶絲生產(chǎn)廢水生物凈化裝置工藝流程示意圖

廢水在生化調(diào)節(jié)池1內(nèi)經(jīng)過一段時間預(yù)處理后，用廢水泵2抽取送至壓力式氣水混合裝置3，來自空壓機5的空氣在壓力式氣水混合裝置內(nèi)與廢水混合后送至壓力式生物接觸氧化裝置4，壓力式生物接觸氧化裝置內(nèi)的壓力來之于空氣加壓機，加壓的目的主要是加速生化過程，廢水經(jīng)生化處理后，被送至壓力式生物過濾裝置6，過濾剩余的污物，經(jīng)壓力式生物過濾裝置過濾后的水被送至壓力式生物活性炭吸附裝置7，水經(jīng)活性碳處理后脫除氣味和色度后，水質(zhì)已達(dá)到桑蠶絲生產(chǎn)工藝要求，即水的透明度＞100cm，COD≤15mg/L，BOD≤5mg/L，SS值＜5mg/L。達(dá)到桑蠶絲生產(chǎn)工藝要求后的水被送入供水塔8和反沖水蓄水池9，日常生產(chǎn)過程中的用水由供水塔8提供，反沖泵11用于壓力式生物接觸氧化裝置4、壓力式生物過濾裝置6、壓力式生物活性炭吸附裝置7的日常清洗。

調(diào)試壓力式生物接觸氧化裝置、壓力式生物過濾裝置、壓力式生物活性炭吸附裝置時，各自的填料先在裝置內(nèi)常壓下用選用的活性菌種加桑蠶絲生產(chǎn)廢水接種培育而成進(jìn)行培養(yǎng)掛膜和成膜，并根據(jù)鏡檢生物相的變化控制掛膜和成膜條件，經(jīng)7天培養(yǎng)后，鏡檢可見菌膠團質(zhì)密、色澤透明，并已有一定的有機物去除率，說明生物膜已基本成熟，隨后將桑蠶絲生產(chǎn)廢水逐步供入廢水生物凈化系統(tǒng)，加壓開始正常運行，并按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的標(biāo)準(zhǔn)方法定期取樣測定CODcr、BOD5、SS、NH3-N等指標(biāo)，共累計了穩(wěn)定運行3個多月的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，每一數(shù)據(jù)均為10次以上測定結(jié)果的平均值。本文將壓力式生物接觸氧化裝置、壓力式生物過濾裝置、壓力式生物活性炭吸附裝置的研究情況分別介紹如下。

2 壓力式生物接觸氧化裝置

本研究分析了壓力式生物接觸氧化裝置在運行過程中壓力、氣水比及溶解氧、停留時間等對污染物去除效果的影響。

2.1 壓力對污染物去除效果的影響

來自壓力式氣水混合裝置廢水進(jìn)入壓力式生物接觸氧化裝置時的進(jìn)水量為22L/s，流速30m/h，曝氣強度（即氣水比）為4∶1的條件下，研究了在不同壓力時對廢水中CODcr、BOD5、SS去除率的影響及壓力生化裝置內(nèi)溶解氧（DO）濃度的變化情況，試驗結(jié)果見表2所示。

表2 不同壓力（表壓）下污染物去除率及反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量

由表2可看出，在氣水比和流經(jīng)時間相同的條件下，廢水中CODcr、BOD5、SS等污染物的去除率隨著壓力的增加而增加，同時反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量也隨之升高。

對于一定濃度的廢水而言，有機物降解速度主要受生物動力學(xué)氧化速率及含氧量控制，處理可生化性較好的桑蠶絲生產(chǎn)廢水，其生物動力學(xué)氧化速率主要取決于活性微生物量。加壓生物接觸氧化法通過“加壓”方式提高了廢水中含氧量，增大了氧向生物膜內(nèi)移動的推力，使溶解氧移向細(xì)菌細(xì)胞膜的速度加快，向生物膜內(nèi)滲透程度增加，使得好氧生物膜增厚和活性提高，隨著活性微生物量增多，有機物降解速度得到提高。在不加壓生物接觸氧化法中，活性生物膜厚度在2mm左右，加壓生物接觸氧化法活性生物膜可達(dá)5mm而不脫落[1]。通過分析，壓力升高后，廢水中污染物去除率提高的主要原因是加壓接觸氧化法能有效提高廢水中的溶解氧含量和生物膜活性，增加活性微生物數(shù)量。

表2還可看出，污染物的去除率隨壓力增加而變化的速率是不同的，在壓力由低向高變化的過程中，污染物去除率增加的速率逐漸衰減。當(dāng)壓力由0.2Mpa（表壓）增加至0.3Mpa時，污染物去除率已增加很小。由于壓力增加使反應(yīng)設(shè)備制造成本提高以及壓力增加引起的能耗提高等因素，確定將壓力定為0.2Mpa。

與常壓相比，當(dāng)壓力在0.2Mpa時，污染物去除率提高10%-18%，生物反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量由2.1mg/L上升到5.5mg/L。

2.2 氣水比及溶解氧對污染物去除率分析

在一定壓力范圍內(nèi)，氣水比的大小直接影響到桑蠶絲生產(chǎn)廢水中溶解氧含氧量的高低，從而影響處理效果。試驗在水流速30m/h，壓力分別為0.2Mpa和0.3Mpa條件下，不同氣水比時反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量的變化及污染物的去除效果見表3、表4。

表3 壓力為0.2Mpa時，不同氣水比時反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量及污染物去除率

表4 壓力為0.3Mpa時，不同氣水比時反應(yīng)裝置內(nèi)濃度溶解氧及污染物去除率

由表3、表4可看出，在相同的壓力下，隨著氣水比的提高，反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含氧量升高，污染物去除率也隨之升高；在不同的壓力條件下，為使污染物去除率達(dá)到一定要求，使處理出水中COD、BOD、SS等主要污染物含量達(dá)到廢水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)，所需水氣比是不同的，壓力越高，所要求的水氣比就越小。試驗表明，水氣比的選擇主要由反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含量決定，當(dāng)溶解氧含量達(dá)到某一值（4.5mg/L以上）以后，繼續(xù)加大水氣比，污染物的去除率增加很小，而當(dāng)水氣比過低時（如當(dāng)壓力P= 0.2Mpa，水氣比為2.5∶1時），反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含量及污染物去除率都會明顯下降，這一現(xiàn)象說明壓力生物反應(yīng)裝置能提高廢水中污染物去除效果的主要因素之一是溶解氧含氧量提高。因此，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)水質(zhì)狀況，綜合考慮運行費用和處理效果，以溶解氧含量作為控制參數(shù)來確定合適的運行壓力和水氣比，實際使用中也可通過調(diào)節(jié)壓力和水氣比來滿足生物氧化對溶解氧的需要。所以，這種壓力式生物接觸氧化設(shè)施能適應(yīng)水量和水質(zhì)的變化，耐沖擊負(fù)荷能力強。試驗表明，壓力在0.2－0.3Mpa范圍內(nèi)，采用水氣比3－4∶1時，能使壓力式生物反應(yīng)裝置內(nèi)溶解氧含量維持在4.5mg/L以上，經(jīng)生化處理后水中主要污染物含量可達(dá)到廢水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 流速對污染物去除效果的分析

壓力在P=0.2Mpa，水氣比在4∶1的條件下，分析不同流速對污染物去除率的影響結(jié)果見表5。

表5 不同停留時間下污染物的去除率

通過分析表5中數(shù)據(jù)，廢水中污染物去除率隨著流速的降低而增加，但其速度逐漸變小，當(dāng)流速為30m/h以上，繼續(xù)加大流速，處理水中COD、BOD、SS的去除率的變化不明顯，因為這時廢水中有機物含量已相當(dāng)?shù)?。壓力?.2Mpa時，壓力生物接觸氧化設(shè)施處理廢水只需30m/h的流速就能使出水的COD、BOD、SS等污染物含量達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)，為常規(guī)生物處理法流經(jīng)時間的1/3-1/4，可有效節(jié)省生化池容積。但當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度較高時，要使出水氨氮達(dá)標(biāo)（不超過15mg/L）所需停留時間要延長，因硝化反應(yīng)要求很低的F/M，本試驗流速采用10m/h，且異養(yǎng)菌的最大比生長速率比自養(yǎng)硝化菌要大，只有當(dāng)有機物濃度很低以后，硝化菌的比生長速率與異養(yǎng)菌相比足夠大時，硝化反應(yīng)才會發(fā)生。

3 壓力式生物過處理裝置

壓力式生物接觸氧化處理裝置的出水引至壓力式生物過濾處理裝置。在此單元中，廢水中懸浮物質(zhì)被截留并部分降解。其工作原理主要有過濾、吸附和生物代謝[2]。過濾裝置工作時，過濾裝置中填裝有符合要求的粒狀濾料，生物膜在濾料表面生長，廢水在過濾裝置內(nèi)部流經(jīng)曝氣時利用濾料上高濃度生物膜的強氧化降解能力，對廢水進(jìn)行快速凈化；廢水流經(jīng)時濾料呈壓實狀態(tài)，由于濾料粒徑較小及生物膜的生物絮凝作用，截留了廢水中大部分懸浮物和濾料上脫落的生物膜；此外，填料及附著其上生長的生物膜對溶解性有機物具有一定的吸附作用。運行一段時間水頭損失增加，濾池需進(jìn)行反沖洗，以去除截留的懸浮物并促進(jìn)生物膜更新。壓力式生物過濾裝置通過這種反復(fù)的周期性處理達(dá)到再生目的。

廢水在過濾裝置中既被過濾又被生物降解，實質(zhì)是將生物降解功能與常規(guī)過濾功能合二為一，因此去污能力遠(yuǎn)高于一般的機械過濾裝置，且外排物極少，二次污染現(xiàn)象減少。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

壓力式生物過濾裝置的結(jié)構(gòu)與普通快濾池基本相同，差別在于壓力式生物過濾裝置下部增加了曝氣裝置且廢水向上流。早期的壓力式生物過濾裝置廢水下向流，其納污效率不低、易堵、再生周期短，因此本課題研究采用上向流方式(即氣水同向)，使水氣分布更均勻。同時，水氣在上升過程中將底部截留的SS帶入濾池中上部，增強了過濾裝置的處理能力，再生周期延長。

為了適應(yīng)桑蠶絲生產(chǎn)廢水水質(zhì)，我們對壓力式生物過濾裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與改造，采用脈沖反沖洗、氣水同向流的形式加強桑蠶絲生產(chǎn)廢水深度處理。為了解決濾頭堵塞問題，將其改成穿孔管并降低空氣擴散管的高度，研究結(jié)果表明該技術(shù)用于桑蠶絲生產(chǎn)廢水的處理取得了良好的效果。

3.2 啟用

壓力式生物過濾裝置的啟用與壓力式生物濾池的啟用方式相同。一般采用三種方式：①間歇培養(yǎng)并逐步加大流量；②在設(shè)計流量下或逐步加大流量進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)；③用活性污泥接種后穩(wěn)態(tài)運行。三種啟用方式中生物膜的分布、生長速率和對污染物的去除率等變化規(guī)律有各自的特點，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用時間基本相同。本課題根據(jù)國內(nèi)外的試驗結(jié)果采用設(shè)計流量連續(xù)培養(yǎng)方法，獲到更加穩(wěn)定的生物量。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)的研究

3.3.1 濾料選用

壓力式生物過濾裝置的功效取決于濾料的合理選用，它關(guān)系到壓力式生物過濾裝置的結(jié)構(gòu)形式和制造成本。目前，一些濾料為專利產(chǎn)品或?qū)儆谏虡I(yè)機密，本課題通過收集研究國內(nèi)外有關(guān)資料，對壓力式生物過濾裝置常用的幾種濾料進(jìn)行了物理化學(xué)性能對比研究后，對選定的濾料做了桑蠶絲生產(chǎn)廢水處理試驗，對以往的研究結(jié)果進(jìn)行試驗論證，確定了適合用作本課題的濾料。

濾料的粒徑主要取決于壓力式生物過濾裝置的功能。本課題就濾料粒徑對壓力式生物過濾裝置的影響進(jìn)行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濾料粒徑越小曝氣生物濾池的效果越好，但小粒徑會使其工作周期變短，濾料也不易清洗，相應(yīng)的反沖洗水量也會增加，因此應(yīng)綜合考慮各種因素選定了本課題合適的濾料粒徑。本課題做了類似試驗，結(jié)果表明濾料粒徑為2-4mm時，壓力式生物過濾裝置濾池的硝化功能比濾料粒徑為4-8mm和5.6-11.2mm時的要好得多。本課題壓力式生物過濾裝置采用的濾料粒徑確定為3-6mm，濾層厚度確定為3.5m。

3.3.2 負(fù)荷

壓力式生物過濾裝置一般采用兩種負(fù)荷：容積負(fù)荷［kg/(m3/d)］和水力負(fù)荷［m3/(m2/h)，也稱濾速］。早期的壓力式生物過濾裝置均采用了較低的負(fù)荷值，本課題對壓力式生物過濾裝置的負(fù)荷進(jìn)行了深入的研究，采用了碳化+硝化+反硝化方式對桑蠶絲生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，采取了加大負(fù)荷的措施，突破了早期的壓力式生物過濾裝置均采用較低的負(fù)荷值的理論。表7是壓力式生物過濾裝置負(fù)荷率對比值。

本課題就水力負(fù)荷對出水水質(zhì)的影響做了探討，結(jié)論為水力負(fù)荷對BOD5的去除效率影響甚微，只要溫度、曝氣量、反沖洗等因素在不受制約的條件下應(yīng)盡量加大水力負(fù)荷以獲得盡可能大的處理能力。本課題試驗證實了濾速在6m/h、13m/h時BOD5的去除率基本不變。本課題研究發(fā)現(xiàn)低濾速使傳質(zhì)不均勻，從而造成底部堵塞(上向流)，影響壓力式生物過濾裝置功能，提高濾速有利于傳質(zhì)。本課題研究表明壓力式生物過濾裝置的碳化+硝化+反硝化功能與濾速無關(guān)，在COD負(fù)荷＜10kgCOD/ (m3/d)、濾速為35m/h時硝化率穩(wěn)定在90%-98%，課題研究表明在其他因素不受制約的條件下濾速越高越好。

表7 壓力式生物過濾裝置負(fù)荷率對比值

3.3.3 反沖洗

本課題設(shè)計采用的反沖洗方式是氣水聯(lián)合反沖洗，即先用氣沖，再用氣、水聯(lián)合沖洗，最后再用水漂洗。不同形式、不同濾料的壓力式生物過濾裝置，其反沖洗強度、歷時、周期各不相同，用水量和用氣量也存在較大差異。表8是本課題通過試驗和研究后所整理出的壓力式生物過濾裝置采用的反沖洗參數(shù)。

3.3.4 氣水比

表8 壓力式生物過濾裝置的反沖洗參數(shù)

氣水比的大小與進(jìn)水水質(zhì)、壓力式生物過濾裝置功能和形式、濾料粒徑大小和濾層厚度等因素有關(guān)。從有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)表明壓力式生物過濾裝置氣水比一般采用(1-3)∶1。本課題通過反復(fù)試驗選擇確定的氣水比為（4-6）∶1。