玄武巖纖維載體生物接觸氧化工藝處理印染廢水

蔣　霞，吳春篤，吳智仁，徐　暢，張　波

（1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.艾特克控股集團有限公司，江蘇宜興214214）

玄武巖纖維載體生物接觸氧化工藝處理印染廢水

蔣霞1，吳春篤1，吳智仁1，徐暢2，張波1

（1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.艾特克控股集團有限公司，江蘇宜興214214）

為了考察溫度、pH和質量配比對印染廢水處理性能影響，構建了以玄武巖纖維為載體、旋流散氣管為曝氣方式的生物接觸氧化廢水處理系統(tǒng)，試驗研究了各工藝參數(shù)對處理性能的影響變化規(guī)律。結果表明：玄武巖纖維載體掛膜速度較快且在夏季具有較高的COD處理效果，HRT=20 h時，其COD去除率可穩(wěn)定在75%以上，而低溫下僅為40%左右，延長低溫運行的HRT到39 h時，COD去除率可穩(wěn)定在85%以上。另外，試驗結果還表明，低溫下系統(tǒng)最佳pH適應范圍是7～7.5，COD的去除率最高可達89.5%，而C、N、P最佳質量配比則為100∶5∶0.5。

生物接觸氧化；玄武巖纖維；印染廢水；載體

印染廢水是工業(yè)廢水排放大戶，已經(jīng)成為了我國最主要的水體污染源之一〔1〕。印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大等特點，屬于難處理的工業(yè)廢水〔2〕。

國內(nèi)外已對印染廢水的處理技術進行了廣泛的研究，開發(fā)了多種針對性的處理技術〔3〕，例如：生化法、化學凝聚法、氧化法、活性炭吸附法及超濾法等，其中主導技術主要為生化法。在實際工程應用中通常是兩級或多級組合處理工藝應用較多，而在這些多級組合的工藝之中，生化處理技術〔4〕往往是作為核心處理單元應用到印染廢水的處理中。

為了考察溫度、pH和質量配比對印染廢水處理性能影響，研究構建以玄武巖纖維為載體，旋流散氣管為曝氣頭的生物接觸氧化廢水處理系統(tǒng)，研究各工藝參數(shù)對處理性能的影響變化規(guī)律，為玄武巖纖維載體生物接觸氧化工藝在印染廢水處理中的推廣應用提供工藝指導。

1　試驗部分

1.1試驗裝置及材料

試驗裝置主要分為3個部分，即接觸氧化池、旋流曝氣裝置和生物膜載體。其中接觸氧化池外觀為頂部敞口的長方體，底部尺寸為700 mm×900 mm，高為1 m，有效容積0.47 m3，采用PP板材焊接而成；旋流散氣管（AE-30，日本株式會社OHR流體工學研究所）；空壓機（ACO-005，紹興市銀森機電有限公司）。試驗裝置如圖1所示。

圖1　　試驗裝置示意

試驗中的生物膜載體是由玄武巖纖維制成，玄武巖纖維單根直徑為7 μm，截取長度為20～30 cm的玄武巖纖維束，每束600～1 000根，設計的結構形式為螺旋式，主要通過單芯電纜線的絕緣層外側依次螺旋排列的玄武巖纖維束和對折單芯電纜線麻花式旋扭而成，如圖2所示。

試驗中，所采用的玄武巖纖維束單位長度為500 mm，并總計按照3×4的方式布置于由角鐵架制作而成的填料架上。

圖2　　玄武巖纖維載體結構示意

1.2試驗水質

試驗中印染廢水取自某特種織品有限公司，該廢水的可生化性差，BOD5/COD在0.25左右，COD 750～1 400 mg/L，廢水偏酸性，其pH為5.0～5.5，廢水中不含無機磷。

1.3試驗方法

玄武巖纖維載體的掛膜啟動主要分為3個階段：接種、培養(yǎng)和馴化。試驗先采用好氧池污泥來進行接種，然后用生活污水進行了5 d的微生物培養(yǎng)。在培養(yǎng)期間，前3 d曝氣時間為15 h，停氣2 h，后2 d曝氣時間為18 h，停氣2 h。待生物載體上面長出一層黃褐色的生物膜后，開始分比例加入試驗原水，進入生物膜馴化階段。

試驗將原水與生活污水按照一定的比例混合配水，對微生物進行馴化。進水的原水負荷按依次遞增20%的方式來緩解原水對生物膜的沖擊。在馴化初期，原水負荷較低，因此在保證DO充足的情況下，將接觸氧化池內(nèi)的DO控制在2～3 mg/L左右。在不同原水負荷值下，試驗設定了一定的周期讓微生物適應改變的環(huán)境并自身鞏固，直至滿負荷。隨著原水負荷的不斷加大，生物膜的厚度也隨之增加，此時，為保證充足的DO，將接觸氧化池的DO維持在3.5～4 mg/L左右。經(jīng)過20多天的掛膜啟動，生物接觸氧化池中的生物膜生長良好，最終COD的去除率穩(wěn)定在60%以上，可以認為生物膜生長成熟，掛膜啟動成功〔5〕。

2　結果分析與討論

2.1玄武巖纖維載體掛膜試驗

采用接種掛膜法進行試驗，接種污泥量為反應器有效容積的20%，以COD去除率作為掛膜成功的指示性參數(shù)。試驗是在8月進行，水溫為28～33℃。生物膜培養(yǎng)期間的進出水COD變化如圖3所示。

由圖3可見，玄武巖纖維填料掛膜速度較快。經(jīng)過3 d培養(yǎng)后，玄武巖纖維載體表面就能明顯看出一層薄生物膜，并且COD去除率就已經(jīng)達55%以上。隨后，保持接觸氧化池中DO在2～4 mg/L，延長停留時間至18 h，可明顯觀察到生物膜變厚，且其對COD的去除率很快達到較高水平。

圖3　　生物膜培養(yǎng)階段COD的去除情況

玄武巖纖維作為一種微生物載體材料具有良好的生物親和性和吸附性能，能很快地將接種污泥中的微生物吸附，并在曝氣充氧的生活污水中大量快速繁殖，經(jīng)過5 d的短期培養(yǎng)后，生物膜系統(tǒng)就已表現(xiàn)出了良好的COD去除能力。

2.2高溫、低溫下運行試驗對比

系統(tǒng)掛膜成功以后，試驗開始進入負荷運行階段。由于此時水溫相對較高，在28～33℃之間。該試驗過程中，未對原水進行任何處理，直接進水，停留時間設定為20 h，該階段試驗的COD變化曲線如圖4所示。

圖4　　高溫負荷運行階段COD及其去除情況

由圖4可見，系統(tǒng)對廢水COD的去除效率始終保持在70%左右。并且，隨著進水負荷的增加，COD去除效率反而不斷提高，這充分表明了試驗中的微生物系統(tǒng)具有較強的抗污染物沖擊負荷能力。并且，原水呈弱酸性，在進行試驗的過程中，并未對其進行pH的調節(jié)，但是，在此情況下，系統(tǒng)對于廢水COD的去除效率還能達到70%以上，充分證明了系統(tǒng)對廢水pH具有較強的適應能力。這在實際應用中，可大大降低因原水pH過低而需要加堿調整所需的費用，從而能降低一定的處理成本。

在夏季負荷運行階段，水溫在28～33℃，HRT時間為20 h時，系統(tǒng)中COD去除率可穩(wěn)定在70%以上。

鑒于該數(shù)據(jù)分析，在研究低溫下系統(tǒng)的去除效率時，試驗首先進行了HRT為20 h時的COD去除情況分析，結果其去除效率不高，只在40%左右。因此，試驗分別檢測了HRT為34、39 h的COD，以考察玄武巖纖維載體接觸氧化工藝在低溫下對印染廢水的COD去除能力。

系統(tǒng)在低溫條件下運行時，COD的去除情況如圖5所示。

圖5　　低溫下不同HRT的COD去除情況

由圖5可見，系統(tǒng)進水COD波動不是很大，進水COD最大為1 325.3 mg/L，最小為889 mg/L。水溫在5～10℃之間，該水溫值均在午間（10：00至14：00）所測。還可以看出，HRT為34 h時，系統(tǒng)對COD去除率不高，未超過70%，由此可見，溫度對生物膜系統(tǒng)的影響十分明顯。

當延長HRT至39 h后，系統(tǒng)對COD的去除效率可穩(wěn)定在85%以上，這充分說明，當COD容積負荷相同時，停留時間越長，系統(tǒng)對COD的去除率越高。由此可見，在低溫條件下，延長系統(tǒng)的停留時間，可以達到較好的COD去除效率。

將工況3～7條件下的COD去除效率進行對比可見，當將HRT延長至39 h時，進水COD負荷值越高，系統(tǒng)對COD的去除效率反而越高，而進水負荷較小的，其COD去除率也相對較小。分析其原因，可能是因為對于進水COD較小的工況，隨著停留時間的加長，印染廢水中存在一些難被生物降解的物質，反應槽中可被微生物分解的有機物供應不足，微生物處于內(nèi)源呼吸期，分解自身有機物所造成的。因此，在低溫條件下，應該根據(jù)進水負荷的大小，適當?shù)匮娱L停留時間，以便達到較好的COD去除效率。

2.3pH對低溫條件下廢水處理性能影響

低溫條件下，在未對原水進行任何調試的情況下，以COD作為進行系統(tǒng)處理效果的指示性參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，適當?shù)匮娱L停留時間，生物膜對該印染廢水的處理也可達到較高的去除效率。但是停留時間的加長，無疑會加大系統(tǒng)運行的能耗成本。因此，為了探尋解決這一問題的途徑，試驗對原水進行了適當?shù)膒H調整。

選取兩個pH調整范圍：7.0～7.5和8.0～8.5。將廢水的pH調至所選取的范圍內(nèi)，穩(wěn)定運行2 d后，開始進行COD濃度的測定。

在水溫為5～10℃，HRT為30 h的相同條件下，連續(xù)測定每組pH范圍下的COD濃度變化情況，具體情況如表1所示（其中pH為7.0～7.5對應的是前5個工況，pH為8.0～8.5對應的是后5個工況）。

表1　　調pH后的COD變化值

由表1可見，在低溫條件下，對原水進行pH調節(jié)以后，系統(tǒng)的處理效率明顯升高了。在HRT為30h的條件下，調節(jié)pH為7.0～7.5時，系統(tǒng)對印染廢水的COD去除率最高可達89.5%，與未進行原水pH調節(jié)的工況條件下相比，其對COD的去除率甚至高于HRT為39 h后的COD去除率。當將廢水的pH調至8～8.5時，系統(tǒng)對該廢水依然保持了較高的去除效率，但較pH為7.5～8.0時系統(tǒng)的處理效率來看，其對COD的去除率相對較小。由此可見，在低溫條件下，需要將廢水的pH調至適宜的范圍內(nèi)，才更有利于生物膜系統(tǒng)對廢水的處理。

在工況3、4、6中，在進水污染物負荷較大的情況下，僅調整pH，污染物的去除率并不能達到較高水平，此時，可適當?shù)难娱LHRT，提高其對COD的去除效果。

2.4質量配比對低溫條件下廢水處理性能影響

廢水中營養(yǎng)物質的含量以及相互之間的比例對微生物的細胞合成、生長以及繁殖都會產(chǎn)生影響〔6〕。因此，在最佳pH條件下，考察不同C、N、P質量配比對系統(tǒng)處理低溫廢水效率的影響。

采用葡萄糖、尿素和磷酸二氫鉀分別作為調節(jié)廢水中COD、氨氮、TP濃度的試劑，調整廢水中的質量配比。控制運行條件為：HRT=27 h，pH為7.5± 0.1。系統(tǒng)在每組質量配比下運行8 d，每天對廢水中COD、NH4+-N和TP濃度值進行檢測。

經(jīng)過24d的檢測可知：最大進水COD為1321.56 mg/L，最小進水COD為 797.4 mg/L。三組質量配比下，系統(tǒng)對COD、氨氮以及TP的去除效果如表2所示。

表2　　不同質量配比下的污染物去除情況

由表2可見，當進水質量配比發(fā)生變化時，生物膜表現(xiàn)出一定的不適應性，但COD去除率仍能維持在較高的水平。經(jīng)過一段時間的適應后，系統(tǒng)對COD的去除基本都能穩(wěn)定在80%以上。因此，廢水中質量配比的不同對系統(tǒng)處理COD的效果影響不大。

還可以看出廢水中磷含量的多少對系統(tǒng)去除氨氮和TP的效果影響顯著。當進水基本不含磷時，出水含磷量反而升高，分析其原因可能是，在生物膜培養(yǎng)階段基質中本身含有磷，在其脫落后釋放一定量的磷進入水中，從而出現(xiàn)了進水不含磷而出水含磷的現(xiàn)象。在無磷的情況下，氨氮的去除率并未受到較大的影響，維持在40%以上；而在磷含量較高的情況下，氨氮的去除率降低至33%左右，這可能是因為廢水中磷含量的加大，抑制了微生物的生物活性。當將廢水的質量配比調至100∶5∶0.5時，氨氮和TP的去除率均最高。因此，可確定C、N、P質量配比為100∶5∶0.5即為系統(tǒng)的最佳質量配比。由此可見，在用生物接觸氧化法進行廢水處理的過程中，不一定要將C、N、P質量配比完全調至100∶5∶1，應根據(jù)廢水的特點，選擇最佳的質量配比，從而減少一定的運用成本。

不同質量配比下COD、氨氮、TP去除影響的相關性曲線如圖6所示。

圖6　　不同質量配比下COD、NH4+-N、TP去除影響的相關性

由圖6可見，隨著COD去除效率的增加，氨氮和TP的去除率呈現(xiàn)出一致的變化趨勢，隨著COD去除率的增加而均呈現(xiàn)先降、再升、再降的變化趨勢。分析其原因，可能是因為對于生物膜系統(tǒng)來處理廢水中存在的氨氮和TP，其總是存在一個適應的碳氮比和碳磷比，以滿足微生物對氨氮和TP的降解能源所需。而隨著COD的去除效率變高，廢水中的碳源濃度降低，碳氮比和碳磷比減小，系統(tǒng)無法維持一定濃度的碳源，來滿足微生物對氨氮和TP有效降解的需要。因此，當COD去除效率達到一定值后，氨氮和TP的去除效率就會開始下降。

3　結論

試驗采用了玄武巖纖維載體生物接觸氧化工藝來對難降解的印染廢水進行處理，試驗一共進行了兩個階段，掛膜啟動試驗階段以及廢水負荷運行試驗階段。通過試驗可得出以下結論：

（1）玄武巖纖維作為一種生物膜載體材料，掛膜速度快，微生物活性高，僅經(jīng)過5 d的短暫培養(yǎng)，廢水COD的去除率已達到較高水平。整個生物膜系統(tǒng)對處理難降解的印染廢水是技術可行的。

（2）系統(tǒng)在高溫下對印染廢水具有較好的去除效率。當HRT為20 h時，COD去除率可穩(wěn)定在75%以上，而在低溫條件下僅為40%左右。低溫下，延長HRT為34 h，COD去除率未超過70%；HRT為39 h時，COD去除率可穩(wěn)定在85%以上。因此，在低溫條件下，可適當?shù)匮娱L停留時間，以便達到較好的污染物去除效率。

（3）pH對低溫條件下廢水處理性能影響試驗結果表明，系統(tǒng)的最佳pH適應范圍是7.0～7.5，此時，COD的去除率最高可達89.5%。

（4）低溫下，將pH調至最佳適應范圍，得出了系統(tǒng)的最佳的C、N、P質量配比為100∶5∶0.5。

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Treatment of printing and dyeing wastewater through biological contact oxidation process using basalt fiber as carrier

Jiang Xia1，Wu Chundu1，Wu Zhiren1，Xu Chang2，Zhang Bo1
（1.School of the Environment and Safety，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.ATK Holding Group Co.，Ltd.，Yixing 214214，China）

In order to investigate the effects of the factors，such as temperature，pH and quality ratio，on the treatment capacity for dyeing and printing wastewater，the biological contact oxidation system has been established，which uses basalt fiber as carrier and rotational flow exhausting pipe as aeration form.The changing rule of the effect of technical parameters on the treatment capacity is studied.The experimental results demonstrate that the membraneforming speed of basalt fiber carrier is faster and the COD treatment rate in summer is higher.When HRT is 20 h，its COD removing rate can be kept at over 75%，but it is only 40%under low temperature.When HRT is prolonged to 39 h，running at low temperature，its COD removing rate can be kept at 85%or more.Besides，the results also show that at low temperature the best pH adaptable range of the system is 7-7.5，the COD removing rate can reach 89.5% and C，N，P the best quality ratio is 100∶5∶0.5.

biological contact oxidation；basalt fiber；printing and dyeing wastewater；carrier

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0078-05

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAC08B01）；江蘇省博士后基金資助項目（1301064C）；鎮(zhèn)江市社會發(fā)展項目（SH2014014）

蔣霞（1989—），碩士。E-mail：1269796613@qq.com。通訊聯(lián)系人：張波，博士，副教授。E-mail：tabol@126.com。

2015-11-14（修改稿）