好氧曝氣生物懸浮填料填充方式及優(yōu)化研究

李天放，曹震，錢程，李娜，李元龍，劉長莉

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

目前，生物接觸氧化法作為一種高效的水處理工藝，生物掛膜的好壞直接決定了其最終處理效果，在整個(gè)工藝過程中起關(guān)鍵作用，是兼有活性污泥法和生物濾池法兩者優(yōu)點(diǎn)的生物處理技術(shù)［1］。生物掛膜的好壞與懸浮填料有直接關(guān)系，近幾年來，隨著懸浮填料研究的不斷深入，開發(fā)出各種各樣的具有優(yōu)異性能的懸浮填料，尤其是一種密度接近于水，具有較好親水屬性，可以直接投放并不需要固定支架，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)的懸浮填料，被視為最具發(fā)展前景的懸浮填料［2－4］。新型的懸浮填料可以直接投加到反應(yīng)器內(nèi)，由于其具有彈性所以并不需要額外的填料支架，由于其密度接近于水，生物掛膜后懸浮填料在水中只需要沖入很小氣量即可懸浮于水中。通過向污水中投加懸浮填料可以增強(qiáng)傳質(zhì)效率，且對(duì)于反應(yīng)器水利條件的改善以及生化反應(yīng)條件的優(yōu)化具有重要作用，懸浮填料的投加能夠促進(jìn)生物掛膜，進(jìn)一步提高系統(tǒng)內(nèi)的生物總量，以此來提高對(duì)于污水的處理效果［7～13］。目前，懸浮填料在普通市政污水或低鹽廢水的處理方面有所研究，但相關(guān)技術(shù)規(guī)范仍不成熟。迄今為止，未見關(guān)于三元采出水生物處理使用懸浮填料的相關(guān)報(bào)道，對(duì)于懸浮填料的填充比例以及所選用的懸浮填料的規(guī)格未有深入的研究。三元采出水采用生物法處理的過程中，懸浮填料的填充方式及其規(guī)格的選擇至關(guān)重要。作為微生物主要附著載體的懸浮填料，影響著微生物的生長、繁殖和脫落，對(duì)水質(zhì)的凈化效果有較大影響。微生物在生長過程中，由于填料在水中的流化，有利于增加傳質(zhì)效率，能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕娜芙庋?。在?duì)三元采出水的處理過程中，懸浮填料的大小、緊密度等條件對(duì)微生物的附著、生長及污染物的降解有很大影響。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料 三元采出水取自于大慶油田采油三廠某三元試驗(yàn)站，含油量為100～1 000 mg/L，表面活性劑濃度為10～30 mg/L，粘度為 1～3 mPa·S，陰離子聚丙烯酰胺(HPAM)濃度為300～800 mg/L，堿度為3 000～4 000 mg/L。所用懸浮填料為聚氨酯(Poly Urethane)型懸浮填料，其規(guī)格依次為4×4、2×2、1× 1 cm(圖1)。

1．2 試驗(yàn)方法 將已掛膜成熟的4×4、2×2、1×1 cm 3種規(guī)格的懸浮填料分別以60%、50%、40%、30%的填充比例投加至反應(yīng)器(總體積為60 L)中，每一個(gè)填充率的試驗(yàn)做一個(gè)空白對(duì)照，每個(gè)填充比例穩(wěn)定運(yùn)行116 h。依次在運(yùn)行0、6、12、18、24、32、44、68、116 h 時(shí)取樣，以三元水原水作為 0 h 的水樣。

2 結(jié)果與分析

2．1 60%填充率下不同規(guī)格懸浮填料對(duì)于三元采出水的處理效果 三元采出水原水含油量223．62 mg/L，懸浮物(SS)濃度34 mg/L，聚合物濃度 389 mg/L，粘度 2．212 mPa·S，堿度3 256 mg/L，表面活性劑濃度22．3 mg/L。由圖2可知，在60%填充率下各規(guī)格懸浮填料對(duì)三元采出水的含油和懸浮物均有很好處理效果，效果差異不大，但明顯好于未加填料的效果。從含油量上看，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料，去除率分別為81．2%、98．6%、94．3%、98．9%，1×1規(guī)格下的去除率最高，4×4規(guī)格下次之。從懸浮物含量上看，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料，懸浮物去除率分別為31．4%、50．9%、－7．9%、11．8%，2 ×2 規(guī)格下懸浮物含量增加了7．9%。

由圖3可知，在60%填充率下各規(guī)格懸浮填料對(duì)三元采出水的表面活性劑、聚合物有一定的處理效果，但對(duì)堿度效果不明顯。微生物對(duì)于三元采出水有一定的增粘作用，粘度相對(duì)略有升高。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于表面活性劑的去除率分別為53．4%、71．3%、81．2%、79．8%;聚合物濃度都有所升高，由于微生物的分解作用使聚合物上的支鏈與主鏈分離，從而使其濃度增大。

綜上分析，在60%填充率下，各個(gè)規(guī)格的填料對(duì)于三元水的處理效果有所差異，對(duì)于含油的處理效果差異不明顯，但對(duì)于懸浮物的去除，投加4×4規(guī)格填料的效果最好，達(dá)50%左右，粘度均有所增加;對(duì)于表面活性劑，投加2×2規(guī)格填料的去除效果最好。從實(shí)際的生產(chǎn)要求考慮，選擇4×4規(guī)格的填料最為實(shí)用。

2．2 50%填充率下不同規(guī)格懸浮填料對(duì)于三元采出水的處理效果 三元采出水原水含油量105．87 mg/L，懸浮物濃度36 mg/L，表面活性劑濃度12．7 mg/L，聚合物濃度625 mg/L，堿度3 487 mg/L，粘度1．938 mPa·S。由圖4可知，50%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料，對(duì)于含油及懸浮物都有較好的處理效果。其中，含油的去除率分別為 81．7%、84．7%、95．9%、92．3%，4 ×4 規(guī)格下的效果最佳;懸浮物的去除率分別為 －11．1%、27．8%、61．1%、33．3%，未投加填料下懸浮物增加了11．1%，2×2規(guī)格下對(duì)于懸浮物的處理效果最佳。

由圖5可知，在50%填充率下各規(guī)格的懸浮填料對(duì)于三元采出水中表面活性劑的處理效果較好，由于微生物的作用粘度相對(duì)有所升高，堿度逐步增加。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于表面活性劑的去除率分別為16．5%、78．0%、67．0%、64．6%，投加 4 ×4 規(guī)格填料對(duì)表面活性劑的處理效果最佳。

綜上分析，在50%填充率下，各個(gè)規(guī)格的填料對(duì)于三元水的處理效果有所差異，對(duì)于含油都達(dá)到很好的處理效果，去除率都在80%以上;但對(duì)于懸浮物的去除，2×2規(guī)格的效果最好，去除率達(dá)60%左右;粘度均有所增加;對(duì)于表面活性劑的去除，4×4規(guī)格的最好，但4×4規(guī)格的對(duì)于懸浮物的去除率低于其他規(guī)格填料;雖然1×1規(guī)格的對(duì)于含油、表面活性劑的去除效果較好，但對(duì)于懸浮物的去除效果較之2×2規(guī)格的差，因此選擇2×2規(guī)格的填料最為合適。

2．3 40%填充率下不同規(guī)格懸浮填料對(duì)于三元采出水的處理效果 三元采出水原水含油量240．54 mg/L，懸浮物濃度54 mg/L，表面活性劑濃度14．8 mg/L，聚合物濃度596 mg/L，堿度3 496 mg/L，粘度1．975 mPa·S。由圖6可知，在40%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于含油的去除率分別為 88．1%、99．3%、98．5%、98．3%，4 ×4規(guī)格下的去除效果最佳，2×2規(guī)格下次之;對(duì)于懸浮物的去除率分別為22．2%、74．0%、70．4%、66．7%，4 ×4 規(guī)格下最佳，2×2規(guī)格下的效果次之。

由圖7可知，在40%填充率下各規(guī)格的懸浮填料對(duì)于三元采出水中表面活性劑的處理效果較好，聚合物含量有所波動(dòng);由于微生物的作用，粘度相對(duì)有所升高，但漲幅低于未投加填料的;堿度逐步增加，但總體低于未投加填料的。未投加填料對(duì)于表面活性劑的去除率為20．9%，投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于表面活性劑的去除率均為71．6%。

綜上分析，在40%填充率下，各個(gè)規(guī)格的填料對(duì)于三元水的處理效果有所差異，對(duì)于含油的處理效果差異不明顯，但對(duì)于懸浮物的去除，2×2、4×4規(guī)格的最終效果相差不大，在70%左右，但在24 h時(shí)2×2規(guī)格的效果最好，在80%左右，粘度均有所增加。從實(shí)際的生產(chǎn)要求考慮，選擇2×2規(guī)格的填料最為合適。

2．4 30%填充率下不同規(guī)格懸浮填料對(duì)于三元采出水的處理效果 三元采出水原水含油量104．05 mg/L，懸浮物濃度102 mg/L，表面活性劑濃度12．7 mg/L，聚合物濃度715 mg/L，堿度3 741 mg/L，粘度1．663 mPa·S。由圖8 可知，在30%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于含油的去除率分別為 80．0%、92．6%、87．8%、94．8%，1×1規(guī)格下去除效果最佳，4×4規(guī)格下的效果次之;對(duì)于懸浮物的去除率分別為66．7%、94．1%、82．4%、88．2%，4 × 4規(guī)格下的效果最佳，1×1規(guī)格下的效果次之。

由圖9可知，在30%填充率下各規(guī)格的懸浮填料對(duì)于三元采出水中表面活性劑的處理效果較好，在24 h左右對(duì)于表面活性劑的去除趨于穩(wěn)定，聚合物含量有所波動(dòng)，總體高于未投加填料的，粘度相對(duì)有所升高，堿度逐步增加，但總體低于未投加填料的。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1規(guī)格填料對(duì)于表面活性劑的去除率分別為16．5%、33．1%、32．3%、33．1%，4×4、1×1 規(guī)格下效果最好，2 ×2 規(guī)格下的效果次之。

綜上分析，在30%填充率下，各個(gè)規(guī)格的填料對(duì)于三元水的處理效果有所差異。對(duì)于含油的處理效果，4×4和1×1規(guī)格下最好;對(duì)于懸浮物的去除，4×4規(guī)格下的最終效果最好，去除率達(dá)94．1%左右;粘度均有所增加。從實(shí)際的生產(chǎn)要求考慮，選擇4×4規(guī)格下的填料最為合適。

2．5 40%填充率下加球與不加球下2×2規(guī)格填料對(duì)于三元采出水的處理 將2×2規(guī)格的填料裝填到直徑為10 cm塑料球中，每個(gè)球裝填30～40個(gè)填料，使懸浮填料的外部形成好氧環(huán)境而內(nèi)部形成微氧環(huán)境，更有利于處理三元采出水。該試驗(yàn)設(shè)立3種條件:第一，將40%的填料全裝球，然后投加到反應(yīng)器中，即“40%填料加球”;第二，將填料裝球后投至反應(yīng)器的40%容積，即“加球后40%填充”;第三，直接投加40%的填料到反應(yīng)器即“40%填料”。此次試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行120 h，分別在運(yùn)行 0、12、24、48、72、120 h 時(shí)取樣，原水作為 0 h水樣。

2．5．1 處理效果分析。三元采出水原水含油量137．89 mg/L，懸浮物濃度 33．33 mg/L，表面活性劑濃度 15．9 mg/L，聚合物濃度460 mg/L，堿度3 561 mg/L，粘度1．872 mPa·S。由圖10可知，3種條件下多余懸浮物的處理隨著時(shí)間的增加，懸浮物含量逐步減少。其中，40%填料加球處理效果較好，前72 h降幅很大，之后逐漸平穩(wěn)，去除率為82．8%。加球后40%填充處理效果次之，前48 h降幅較大，去除率為70．0%。40%填料對(duì)懸浮物的去除率為61．0%，處理效果較之前兩者較差。從含油量上來看，12 h后含油量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，隨著時(shí)間的增加，含油量也隨之有所波動(dòng)，但基本保持穩(wěn)定，去除率分別是40%填料加球?yàn)?5．8%、加球后40%填充為94．0%、40%填料為95．6%，三者相差不大。

由圖11可知，3種條件下對(duì)于表面活性劑均具有較好的處理效果，40%填料加球?qū)τ诒砻婊钚詣┑娜コ蕿?7．2%，加球后40%填充對(duì)其的去除率為52．1%，40%填料對(duì)其的去除率為52．0%。40%填料對(duì)于聚合物的去除效果較好。粘度、堿度隨著時(shí)間有所增加，微生物在處理三元水的過程中會(huì)分泌出一些物質(zhì)致使出水的粘度增大。

2．5．2 GC-MS分析。對(duì)3種條件下處理的三元采出水水樣，采用MTBE(甲基叔丁基醚)溶液為萃取劑，萃取原水及120 h出水，進(jìn)行GC-MS分析。氣質(zhì)聯(lián)機(jī)的操作條件為:進(jìn)樣溫度設(shè)定為250℃，柱溫采用程序升溫，初始溫度設(shè)為35℃，保持3 min，隨后以10℃/min的速度升溫至280℃，并保持5 min;質(zhì)譜的離子源溫度設(shè)定為240℃，載氣為高純氮?dú)?。?jīng)分析，三元采出水原水中含有有機(jī)污染物61種，這些污染物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且難以被降解。3種條件下的出水被檢測出分別含有31、11、16種有機(jī)污染物。3種條件下處理的出水中，盡管低峰值的有機(jī)污染物有所增加，但高峰值有機(jī)污染物及其含量有明顯降低(圖12)。表明三元采出水原水經(jīng)過3種條件下的處理后，3種出水中含有的有機(jī)污染物都有所減少，絕大部分有機(jī)污染物被直接降解或者被分解為具有簡單結(jié)構(gòu)的小分子有機(jī)污染物，由于反應(yīng)的填料條件不同，所以三者之間對(duì)于有機(jī)污染物的處理能力有所不同。

3 結(jié)論

(1)在60%和30%填充率下，4×4規(guī)格的懸浮填料對(duì)于三元采出水的處理效果最好;而在40%和50%填充率下，2×2規(guī)格的懸浮填料能夠較好地處理三元采出水。從實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)條件與經(jīng)濟(jì)性考慮，40%填充率、2×2規(guī)格填料是最佳的選擇。

(2)按照40%填充率，將2×2規(guī)格填料裝球后，40%填料加球?qū)τ谌沙鏊奶幚硇Ч噍^于另兩種方式效果更佳。

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