曝氣生物濾池深度處理印染廢水的研究

龔鳴 徐樂(lè)中

摘要

[目的] 研究曝氣生物濾池對(duì)污水廠出水的深度處理效果。[方法] 采用上流式曝氣生物濾池對(duì)污水廠出水進(jìn)行深度處理，研究氣水比、水力負(fù)荷對(duì)處理效果的影響，分析濾池中沿程微生物活性與污染物降解規(guī)律。

[結(jié)果] 在氣水比4∶1，水力負(fù)荷為0.35 m3/（m2·h）時(shí)，COD的去除效率為54%，色度的去除率為78%，NH3N去除率為91%，滿足GB/T 18920-2002城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)條件下，60 cm濾料層以下為COD降解主要區(qū)域，60～90 cm為NH3N降解主要區(qū)域。生物量沿濾池高度范圍逐漸降低，并趨于穩(wěn)定，微生物活性呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢(shì)。

[結(jié)論] 該研究可為污水處理廠污水處理工藝提標(biāo)升級(jí)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

關(guān)鍵詞 生物濾池；印染廢水；深度處理

中圖分類號(hào) S183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）31-11091-04

Research on the Dyeing Wastewater Treatment with Biological Aerated Filter

GONG Ming， XU Lezhong*

（Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215011）

Abstract [Objective] The research aimed to study the advanced treatment effects of biological aerated filter on the sewage plant effluent. [Method] Sewage plant effluent was treated with upflow biological aerated filter， and the influences of gaswater ratio， hydraulic loading on the treatment effects was studied at the same time. In addition， the microbes activities from the inlet to the outlet and the degradation rules were analyzed.

[Result] The results showed that with gaswater ratio of 4∶1， hydraulic loading rate of 0.35 m3/（m2·h）， the COD removal rate was 55%， colority removal rate was 78%， NH3N removal rate was 91%. The effluent could meet the GB/T 18920-2002 urban miscellaneous water quality standards. The main COD removal area was below the 60 cm height of filter. The main NH3N removal area was between 60 cm and 90 cm area. Microbe biomass decreased from the inlet to the outlet. The microbial activity reduced after the first increase and then increased again.

[Conclusion] This study could provide basic data and theoretical supports for the improvement of sewage treatment technology in sewage plant.

Key words Biological filter； Dyeing wastewater； Advanced treatment

紡織印染行業(yè)是我國(guó)工業(yè)廢水排放大戶，由于使用多種生產(chǎn)原料和化學(xué)溶劑，導(dǎo)致出水中色度、COD等污染較為嚴(yán)重。當(dāng)前污水廠處理印染廢水常用的方法有物化法、生化法、化學(xué)法和幾種工藝結(jié)合的處理方法^[1]，出水色度、COD和氨氮等已達(dá)到GB 4287-2012中規(guī)定的企業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，但是距離城市雜用水的要求差距還很大。

印染廢水深度處理的方法有很多，如吸附技術(shù)、氧化技術(shù)、膜技術(shù)^[2-3]均具有脫色效率高、處理和運(yùn)行效果良好的優(yōu)點(diǎn)，但是單獨(dú)使用成本偏高。因此均未獲得廣泛的工業(yè)應(yīng)用。而生物技術(shù)與其他技術(shù)相比具有效果明顯、成本相對(duì)低廉而且回用率高等優(yōu)點(diǎn)^[4-5]。

曝氣生物濾池是目前廣泛應(yīng)用的一種廢水深度處理生物工藝，具有在低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)下運(yùn)行穩(wěn)定^[6]、抗有毒有害物質(zhì)能力強(qiáng)^[7]的特點(diǎn)。

生物活性炭技術(shù)借助活性炭巨大的比表面積作為微生物的載體^[8-9]，不僅能夠吸附水中有機(jī)物，并能生物降解水中有機(jī)物，大大延長(zhǎng)活性炭使用壽命，還能去除活性炭和微生物單獨(dú)作用時(shí)無(wú)法去除的污染物質(zhì)^[10-12]。

由于所需深度處理的污水來(lái)自盛澤鎮(zhèn)某污水處理廠二沉池，具有可生化性較差，COD和色度超標(biāo)，濁度較低的水質(zhì)特點(diǎn)。故筆者采用上流式活性炭曝氣生物濾池深度處理污水樣品，研究了運(yùn)行過(guò)程中氣水比和水力停留時(shí)間，沿程微生物活性與生物量變化特征以及污染物降解規(guī)律，為該廠污水處理工藝提標(biāo)升級(jí)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與污水樣品

試驗(yàn)裝置如圖1所示。曝氣生物濾池采用有機(jī)玻璃制作，上向流浸沒(méi)式設(shè)計(jì)，總高度1 300 mm，內(nèi)徑50 mm，鵝卵石承托層。使用粒徑3～4 mm的活性炭填料，填料層總高900 mm。反應(yīng)器底部曝氣。儲(chǔ)水箱的污水經(jīng)泵抽入反應(yīng)器底部，在濾池內(nèi)自下而上流動(dòng)。

試驗(yàn)所用污水來(lái)自盛澤某污水處理廠二池，出水COD為70～100 mg/L；NH3N為5～8 mg/L，B/C在0.10～0.15之間；色度70～90度，濁度5～10 NTU；pH 7～8。

1.2 分析測(cè)試方法

1.2.1 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定方法。

NH3N：納氏試劑分光光度法測(cè)定。

COD：重鉻酸鉀法測(cè)定。

色度：采用APHA（鉑鈷色度）法，使用哈希便攜式光度計(jì)DR890測(cè)定。

pH采用PB10型號(hào)pH計(jì)測(cè)定。

1.2.2 微生物指標(biāo)的分析方法。

微生物量的測(cè)定：生物膜用超聲波剝落后采用可揮發(fā)灰分法（MLVSS）測(cè)定微生物量，結(jié)果用mg/g表示，即單位干重填料上的微生物量。

微生物比耗氧速率：采用溶氧儀測(cè)定，單位用mg O2/[g（MLVSS）·h）表示，即單位重量微生物的耗氧速率，可以用來(lái)表征微生物活性^[13-14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣水比對(duì)曝氣生物濾池運(yùn)行效果的影響

試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行階段保持水力負(fù)荷0.35 m3/（m2·h），通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)改變氣水比的大小分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1，每改變一次氣水體積比，穩(wěn)定運(yùn)行5 d，結(jié)果如圖2～4所示。

由圖2～4可知，運(yùn)行期間，氣水比從2∶1逐步上升到7∶1，這期間內(nèi)出水污染物濃度都有明顯降低，氣水比在2∶1時(shí)，出水口DO質(zhì)量濃度在1.8 mg/L以下，過(guò)低的DO抑制了好氧微生物的活性，此時(shí)COD去除率為29%，出水COD穩(wěn)定在53～70 mg/L ；NH3N去除率為50%，出水NH3N穩(wěn)定在2.69～2.95 mg/L；色度去除率為65%，出水色度為28～36度。

當(dāng)氣水比為4∶1時(shí)，出水口DO濃度上升到5.7 mg/L。此時(shí)COD去除率上升至55%，出水COD為37～46 mg/L；NH3N去除率為91%，出水NH3N為0.38～0.70 mg/L；色度去除率為75%，出水色度在17～21度，達(dá)到了較好的處理效果。這一氣水比取值要低于文獻(xiàn)報(bào)道^[15]。

氣水比再提高后，污染物去除率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明過(guò)量曝氣無(wú)法讓污染物去除效果進(jìn)一步提高。

以上數(shù)據(jù)表明，反應(yīng)器對(duì)于有機(jī)污染物的去除需要保證一定量DO，但由于進(jìn)水中污染物濃度較低，過(guò)高的氣水比無(wú)疑是一種浪費(fèi)。主要原因是氣水比過(guò)大造成較大的水力剪切力，造成部分溶解氧的溢出，同時(shí)填料表面生物膜遭受較大程度的擾動(dòng)，影響生物膜活性，導(dǎo)致出水水質(zhì)的下降。綜合來(lái)看最佳氣水比為4∶1。

2.2 水力負(fù)荷對(duì)于曝氣生物濾池運(yùn)行效果的影響

該階段采用氣水比4∶1，水力負(fù)荷分別在0.15、0.20、0.26、0.35、0.45、0.55 m3/（m·h）條件下運(yùn)行，每改變一次水力負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行5 d，結(jié)果如圖5～7所示。

由圖5～7可知，水力負(fù)荷從0.15 m3/（m2·h）增大到0.55 m3/（m2·h）期間，COD平均去除率從65%分別下降為62%、57%、53%、46%、22%；色度的去除率從81%分別下降為80%、78%、76%、71%、57%；NH3N去除率從93%分別下降為91%、90%、90%、86%、86%、80%。由此可見(jiàn)，水力負(fù)荷對(duì)COD的影響較大，色度次之，NH3N影響最小。

在水力負(fù)荷0.15～0.35 m3/（m2·h）范圍內(nèi)污染物去除率均較為穩(wěn)定，但當(dāng)水力負(fù)荷繼續(xù)增高后，去除率明顯下降。分析原因認(rèn)為，在水力負(fù)荷相對(duì)較低的情況下，污染物沿著水流方向不斷被氧化降解，到達(dá)填料層上部后，由于底物濃度不足，限制了反應(yīng)速率。隨著水力負(fù)荷的提高，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入濾池的污染物量增加，濾池下部降解的有機(jī)物要比低負(fù)荷時(shí)增加，但總?cè)コ式档?，于是更多的污染物進(jìn)入濾池上部，使得部分有機(jī)物在此處得到降解，使濾池總?cè)コЧ兓淮?，?dāng)水力負(fù)荷進(jìn)一步增大，上層填料上微生物來(lái)不及降解時(shí)，去除率便顯著下降。

印染廢水二沉池出水中COD為70～100 mg/L，色度70～90度，NH3N 5～8 mg/L。由于過(guò)低的水力負(fù)荷會(huì)造成基建成本的增加，綜合考慮將水力負(fù)荷定為0.35 m3/（m2·h），此時(shí)水力停留時(shí)間為1.73 h，出水COD為37～46 mg/L，色度為15～20度，NH3N為0.45～0.72 mg/L，滿足GB/T 18920-2002城市雜用水水質(zhì)要求。

2.3 曝氣生物濾池沿程降解特征

如圖8所示，濾池對(duì)COD的去除率隨著填料層高度的增加而增大，進(jìn)水口30 cm厚填料層內(nèi)COD的去除率為40%，反應(yīng)器對(duì)于廢水總COD去除率約為55%，表明廢水中大部分COD都在0～30 cm填料層內(nèi)得到去除。之后隨著填料層的升高，COD去除率逐漸提高，但是單位高度填料層COD去除率卻在逐漸遞減。

2.5 曝氣生物濾池沿程微生物比耗氧速率（SOUR）變化

一般認(rèn)為，微生物活性會(huì)隨著底物濃度沿程遞減而降低，即濾池底部微生物活性最高，出水口附近微生物活性最低，但由圖11可以看出，微生物活性呈現(xiàn)先增高后降低再增高的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在30 cm填料高度附近，最小值出現(xiàn)在60 cm填料高度附近，即0～30 cm、60～90 cm這兩段填料內(nèi)微生物活性遞增。這與楊波等使用ttc-脫氫酶法測(cè)得的單位生物量活性曲線極為相似^[17]。朱小彪等^[18]認(rèn)為進(jìn)水口附近填料和微生物截留了大量懸浮惰性物質(zhì)使得營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的擴(kuò)散受到了影響；雖然此處微生物能夠大量生長(zhǎng)，但是增殖速度受到了限制。而在30 cm填料高度附近，底物濃度與傳質(zhì)條件均較為適宜，因此生物活性在這里達(dá)到最大。國(guó)外學(xué)者Peter和Daniel通過(guò)觀察填料表面生物膜發(fā)現(xiàn)，填料生物膜過(guò)厚導(dǎo)致生物膜內(nèi)部微生物由于傳質(zhì)阻力較大，代謝活力要低于生物膜表面微生物，這就導(dǎo)致出現(xiàn)了生物膜較薄、生物活性較高的現(xiàn)象^[14]。 國(guó)內(nèi)學(xué)者邱立平等也得出了類似的結(jié)論^[19]。但筆者認(rèn)為，這能夠解釋0～30 cm填料高度處微生物活性增加的現(xiàn)象，但還無(wú)法解釋30～90 cm填料高度處微生物活性先降低后增加的現(xiàn)象。由上述NH3N沿程降解特征可以看出，60 cm填料高度以上為NH3N去除區(qū)域，故筆者認(rèn)為底物濃度的降低導(dǎo)致30～60 cm填料高度區(qū)域異養(yǎng)菌活性下降，60 cm填料高度以上硝化細(xì)菌等自養(yǎng)微生物開(kāi)始活躍，導(dǎo)致60～90 cm填料高度區(qū)域微生物活性顯著增加。

此外，測(cè)定微生物SOUR時(shí)直接采用濾池進(jìn)水，其基質(zhì)濃度要高于對(duì)應(yīng)高度填料層水中實(shí)際基質(zhì)濃度。微生物活性的本質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)各種酶促反應(yīng)的反映，而酶數(shù)量的多少反映了微生物活性的高低。微生物細(xì)胞內(nèi)的酶分為組成酶和誘導(dǎo)酶兩種^[16]，其細(xì)胞內(nèi)大部分酶為后者。微生物可靈活依據(jù)底物的多少通過(guò)某種反饋機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)酶數(shù)量的調(diào)節(jié)。因此試驗(yàn)測(cè)得的濾池內(nèi)生物膜SOUR值實(shí)際上是該高度微生物所能達(dá)到的活性的最大值，而通常情況下，該處微生物活性要低于這個(gè)值，且濾層高度越高，數(shù)值越低。這也是濾池具有一定抗沖擊負(fù)荷能力的根本原因之一。

3 小結(jié)

采用上向流活性炭曝氣生物濾池對(duì)印染廢水二級(jí)出水的深度處理的試驗(yàn)表明，正常運(yùn)行過(guò)程中，氣水比對(duì)于COD和NH3N的去除影響較大，而對(duì)色度影響較低。水力負(fù)荷的變化對(duì)COD影響較大，對(duì)色度次之，而對(duì)NH3N的影響最小，在氣水比4∶1，水力負(fù)荷0.35 m3/（m2·h）的條件下運(yùn)行時(shí)，出水色度為15～20度，COD為37～46 mg/L，NH3N為0.45～0.72 mg/L，滿足GB/T 18920-2002規(guī)定的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

濾池30 cm以下為COD主要去除區(qū)域，在該區(qū)域COD去除率為40%，30～60 cm為COD次要去除區(qū)域，此區(qū)域COD去除率為15%，在0～60 cm區(qū)域內(nèi)NH3N無(wú)去除效果。60～90 cm區(qū)域處為NH3N主要去除區(qū)域，表明自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌在填料上各自占據(jù)了不同的高度。

濾池沿程生物量受底物濃度的影響較大，生物量從進(jìn)水口開(kāi)始逐漸下降，60 cm填料層高度附近微生物量?jī)H為進(jìn)水口處微生物量的31%左右，60 cm填料層高度以上微生物量趨于穩(wěn)定。

濾池填料上微生物活性在0～30 cm填料層高度上升，在30 cm填料層高度處達(dá)到最大值后下降，在60 cm填料層高度達(dá)到最小值，之后又逐漸上升。

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