生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器處理印染廢水的研究

李天罡, 劉紅超, 劉貴祥, 毛超群

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宜興環(huán)保研究院，宜興214205)

一般來(lái)說(shuō)，印染廢水的有機(jī)物質(zhì)量濃度比較高，成分也較為復(fù)雜，其COD質(zhì)量濃度一般在1500 mg/L以上，同時(shí)BOD5的值相對(duì)較低，廢水BOD5與COD的比值一般都小于0.3，可生化性較差[1-2].如果將廢水直接排放到水體中，不僅是一種對(duì)水資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[3].因此，如何快速、高效、低能耗的處理印染廢水正在成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn).

生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器是生物膜法污水處理技術(shù)的一種，這種處理方法可以使細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等在生物轉(zhuǎn)盤(pán)的填料載體上生長(zhǎng)繁殖，形成膜狀生物活性污泥-生物膜[4].污水經(jīng)沉淀池預(yù)處理后與生物膜接觸，生物膜上的微生物通過(guò)攝取污水中的有機(jī)污染物作為自身生長(zhǎng)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，從而使污水得到凈化[5-6]；同時(shí)生物轉(zhuǎn)盤(pán)的生物膜可以周期性地交替于空氣與廢水之間，這樣不需要曝氣處理，生物膜中的微生物就可以獲得所需的溶解氧，從而降低了處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用[7].廢水在生物轉(zhuǎn)盤(pán)表面的停留時(shí)間較長(zhǎng)，生物轉(zhuǎn)盤(pán)能夠承受沖擊負(fù)荷的能力也較強(qiáng)，即使是長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作引起處理效率降低后，轉(zhuǎn)盤(pán)恢復(fù)正常工作的時(shí)間也較短[8-9].基于生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的優(yōu)良特性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、不同水力停留時(shí)間下生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器對(duì)印染廢水的處理能力進(jìn)行了研究，以期為印染廢水處理工藝提供依據(jù).

1 材料及方法

1.1 廢水來(lái)源與水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自江蘇省宜興市某印染廠，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 污水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及操作方法

生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器又名轉(zhuǎn)盤(pán)式生物膜法濾池，是生物膜法中常用的一種水處理設(shè)備，它的主要組成部分有轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、氧化槽(進(jìn)水槽、出水槽)和驅(qū)動(dòng)裝置等.盤(pán)片之間通過(guò)串聯(lián)成組，使之形成盤(pán)體，中心用轉(zhuǎn)軸貫穿，兩端固定在氧化槽的支架上，盤(pán)片面積有45%左右浸沒(méi)在氧化槽內(nèi)的污水中，由電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)盤(pán)片緩慢旋轉(zhuǎn)，氧化槽為半圓形斷面，它與盤(pán)片形狀吻合，盤(pán)片與槽面相距15 mm，槽底位置設(shè)置排泥閥門(mén)，槽兩側(cè)設(shè)置鋸齒形溢流堰，同時(shí)各級(jí)間用導(dǎo)流管相互連接.根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，所用生物轉(zhuǎn)盤(pán)的方式為單軸三級(jí)，其實(shí)物如圖1所示.

圖1 生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器實(shí)物圖

生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的運(yùn)行操作方法：開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，使轉(zhuǎn)盤(pán)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，污水經(jīng)由提升泵引入到第一級(jí)氧化槽中，利用進(jìn)出水水堰之間的高度差，使待處理的污水可以自動(dòng)的從第一級(jí)氧化槽逐級(jí)向后流動(dòng)，最終到第三級(jí)氧化槽然后出水.

1.3 生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用的生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表2.

表2 生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)

1.4 生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器掛膜與啟動(dòng)

取處理生活污水的活性污泥作為原始菌種，將取來(lái)的活性污泥等體積引入到氧化槽的各個(gè)室中，啟動(dòng)電機(jī)讓盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣活性污泥上清液中的微生物就會(huì)附著在盤(pán)片上.由于氧化槽與盤(pán)片外形基本吻合，當(dāng)盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可以將活性污泥液攪動(dòng)起來(lái)，盤(pán)片表面就會(huì)被覆蓋上一層液膜，這就為細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖和物質(zhì)、能量的傳遞過(guò)程提供了有利條件.盤(pán)片交替與污水和空氣接觸，微生物可以利用由空氣中擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的氧氣來(lái)氧化分解污水中的有機(jī)污染物，不斷的進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖.為了有效的保證微生物一直處在最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)，接種過(guò)程中可隨時(shí)向氧化槽的各個(gè)室中加入C∶N∶P為100∶5∶1的營(yíng)養(yǎng)液，以保證微生物正常生長(zhǎng)繁殖對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求，大約15 d以后在盤(pán)片表面就會(huì)生成一層厚厚的生物膜.此時(shí)，生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的掛膜工作已經(jīng)完成，可以開(kāi)始對(duì)生物膜進(jìn)行馴化，以使其適應(yīng)所要處理的印染廢水的環(huán)境.

1.5 分析方法

COD、氨氮等采用國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[10]，生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器盤(pán)片表面的生物膜的生物相通過(guò)掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察分析[11].

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS18.0軟件(Duncan法)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)，用Origin7.5進(jìn)行圖片的繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物膜的馴化

待生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的盤(pán)片表面掛膜完成后，取實(shí)驗(yàn)所用的印染廢水，逐步提高生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)的COD負(fù)荷，直至負(fù)荷和印染廢水一樣.掛膜期間，通過(guò)鏡檢對(duì)微生物的生物相進(jìn)行觀察，并且定期采樣測(cè)定出水的COD和氨氮的值，具體結(jié)果見(jiàn)圖2和表3.

圖2 生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器表面生物膜的掃描電鏡圖

由圖2可以看出，轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)片上生物膜內(nèi)有明顯的分層現(xiàn)象，生物膜的內(nèi)部顏色比較黑，說(shuō)明此部分的微生物已經(jīng)完全處于厭氧狀態(tài)；生物膜的外部顏色較為透明，外層生物膜的生物相也比較豐富，后生動(dòng)物較多，菌膠團(tuán)生長(zhǎng)狀況良好.通過(guò)表3可以看出，當(dāng)馴化進(jìn)行7 d后，出水水質(zhì)的COD和氨氮的值比較平穩(wěn)，并且已經(jīng)達(dá)到《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(COD<150 mg/L、氨氮<25 mg/L)的要求，說(shuō)明此時(shí)生物膜的馴化工作已經(jīng)完成.

表3 進(jìn)出水水質(zhì)分析

2.2 不同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器處理印染廢水能力的影響

轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速是指生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器的盤(pán)片每分鐘旋轉(zhuǎn)的周期數(shù)，單位為r/min.本試驗(yàn)在進(jìn)水水質(zhì)、水力停留時(shí)間一定的條件下，研究了不同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下，生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器處理印染廢水時(shí)對(duì)COD和氨氮的去除效率，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖3 不同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速下生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器對(duì)COD和氨氮的去除效率

由圖3可知，隨著轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的逐漸升高，出水水質(zhì)的COD、氨氮的去除效率也在逐漸升高.當(dāng)盤(pán)片的轉(zhuǎn)速為2 r/min時(shí)，出水水質(zhì)的COD和氨氮較高，此時(shí)去除率僅為86.61%和80.51%，通過(guò)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)期間生物轉(zhuǎn)盤(pán)的盤(pán)片進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，附著在盤(pán)片表面的生物膜由原來(lái)較為透明變成了黑色，這可能是因?yàn)楸P(pán)片的轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致溶解氧含量不足，沒(méi)有足夠的氧氣進(jìn)入生物膜，造成生物膜內(nèi)本應(yīng)該是好氧區(qū)域逐漸變成厭氧區(qū)域，生物膜對(duì)有機(jī)物質(zhì)的氧化分解能力降低.當(dāng)盤(pán)片轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí)，出水COD和氨氮值分別為145.08 mg/L和16.37 mg/L，有機(jī)物的去除效果較好，最大去除率可以達(dá)到90.93%和91.15%.當(dāng)盤(pán)片的轉(zhuǎn)速為4 r/min和5 r/min時(shí)，出水COD和氨氮值更低，有機(jī)物的去除效果更好，但是此時(shí)由于盤(pán)片的轉(zhuǎn)速過(guò)快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，原本已經(jīng)附著在盤(pán)片上的生物膜由于受到水體剪切力的作用，會(huì)使盤(pán)片邊緣部位的生物膜脫落，導(dǎo)致單位面積內(nèi)的生物量減少，氧化分解能力下降，從而造成出水COD和氨氮值偏高.綜合來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為3 r/min，出水COD、氨氮的值已經(jīng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，并且系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，所以當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí)效果最好.

2.3 不同水力停留時(shí)間對(duì)生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器處理印染廢水能力的影響

水力停留時(shí)間(HRT)是指所處理的污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間，它可以直接反映出反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)水流量之比.本試驗(yàn)在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為3 r/min、進(jìn)水水質(zhì)一定的條件下，研究了不同的HRT條件下，生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器處理印染廢水時(shí)對(duì)COD、氨氮的去除效率，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 不同水力停留時(shí)間下生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器對(duì)COD和氨氮的去除效率

由圖4可知，當(dāng)水力停留時(shí)間(HRT)為2 h的條件下，出水水質(zhì)的COD、氨氮的去除效率并不高，僅為81.72%和79.33%，這可能是因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間(HRT)短，會(huì)使生物轉(zhuǎn)盤(pán)的單位處理量增大，有機(jī)負(fù)荷相對(duì)較高，容易對(duì)微生物的生長(zhǎng)和繁殖造成沖擊，導(dǎo)致一些原本已經(jīng)附著在生物轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)片上，但是附著不是很牢固的微生物游離到水體中，這樣一方面減少了生物反應(yīng)器內(nèi)的生物相，降低了處理污水的能力，另一方面增加了出水水質(zhì)的 COD 和氨氮的值.當(dāng)水力停留時(shí)間為4 h時(shí)，COD、氨氮的去除效率比較高，COD、氨氮去除率分別為94.12%和90.03%，此時(shí)出水水質(zhì)的COD、氨氮的值分別為94.08 mg/L和18.45 mg/L.當(dāng)水力停留時(shí)間超過(guò)6 h時(shí)，出水COD和氨氮的值更低，去除效果更好.雖然在水力停留時(shí)間超過(guò)6 h的條件下COD去除效果更好，但是對(duì)COD的去除率增加幅度并不是很高，對(duì)氨氮的去除率也沒(méi)有明顯增加，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益分析，綜合來(lái)說(shuō)水力停留時(shí)間為4h時(shí)效果最好.

3 結(jié) 語(yǔ)

生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器能夠有效的對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為3 r/min、水力停留時(shí)間為4 h時(shí)，出水水質(zhì)的 COD、氨氮的值分別為94.08 mg/L和18.45 mg/L，去除率分別為94.12%和90.03%，其出水水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；同時(shí)，該方法具有快速、高效、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，是一種適用于處理印染廢水的處理技術(shù).

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