AF-SMBBR組合工藝處理制漿廢水中試試驗研究

敬雙怡 于治豪 朱浩君,2,* 李衛(wèi)平 于玲紅

(1.內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院,內(nèi)蒙古包頭,014010；2.中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司,北京,100085)

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·廢水處理·

AF-SMBBR組合工藝處理制漿廢水中試試驗研究

敬雙怡1于治豪1朱浩君1,2,*李衛(wèi)平1于玲紅1

(1.內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院,內(nèi)蒙古包頭,014010；2.中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司,北京,100085)

采用厭氧生物濾池(AF)-特異性移動床生物膜反應器(SMBBR)組合工藝處理制漿廢水,考察該工藝掛膜階段以及掛膜成功后穩(wěn)定運行階段對廢水CODCr和SS的去除效果,并探究了穩(wěn)定運行期水力停留時間(HRT)、溶解氧(DO)濃度兩個因素對CODCr去除率的影響。試驗結(jié)果表明,在水溫18～28℃、進水pH值6.5～8.0、CODCr濃度11000～15000 mg/L、SS濃度20600～26600 mg/L、水力停留時間8 d的操作條件下,出水CODCr穩(wěn)定在400 mg/L以下,平均去除率高達97%；出水SS穩(wěn)定在350 mg/L以下,平均去除率高達98%。出水水質(zhì)達到GB8978—1996《廢水綜合排放標準》國家三級排放標準,可排入城鎮(zhèn)廢水處理廠進行深度處理。

AF-SMBBR組合工藝；制漿廢水；CODCr；去除率

為響應國家和地方政府的環(huán)保戰(zhàn)略與政策,全國各地對環(huán)保越來越重視,造紙廢水是否可以達標排放引起人們的高度關(guān)注。未經(jīng)處理的造紙廢水具有污染嚴重、難治理和排放量大等特點[1]。目前,我國造紙行業(yè)總排水量居工業(yè)行業(yè)排水量的第三位,僅次于化工與鋼鐵行業(yè),CODCr排放量達到全國工業(yè)CODCr排放總量的1/3[2]。造紙廢水成分復雜,含有機酸、纖維素、油墨中溶出的物質(zhì)等[3],導致CODCr濃度較高,若不經(jīng)處理直接排放將對環(huán)境造成極大的危害。

目前生化處理造紙廢水常用的工藝有活性污泥法、厭氧-好氧工藝(A-O工藝)等。但造紙廢水成分復雜,在實際工程中使用單一技術(shù)很難保證廢水經(jīng)濟有效地達標排放。本課題本著保護環(huán)境的理念,提高廢水處理效率,降低處理成本,保證出水水質(zhì)達標排放的理念,設計了厭氧生物濾池(AF)-特異性移動床生物膜反應器(SMBBR)組合工藝處理制漿廢水。

厭氧生物濾池(an-aerobicfilter,AF)是20世紀60年代末發(fā)展并確立的高速厭氧反應器[4],其內(nèi)部填充有微生物附著填料[5]，具有能耗低、效率高、處理能力大、操作簡單、成本低等優(yōu)點。對于難降解、成分復雜的廢水有較好的處理效果。目前被廣泛應用于處理制革廢水、印染廢水、啤酒廢水等領域。

移動床生物膜反應器(Moving Bed Biofil Reactor,簡稱MBBR),是由挪威人發(fā)明的一種新型廢(污)水生化處理技術(shù)[6]。中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司在此基礎上發(fā)明了特異性移動床生物膜反應器(SMBBR)[7]。SMBBR不僅具有占地面積少、運行簡單、操作管理容易等MBBR已有的特點,而且處理效率、生物膜附著量、耐沖擊能力等方面大幅提高。目前已廣泛應用于處理化工廢水、屠宰廢水、煉油廢水等領域。

AF-SMBBR組合工藝不僅可以使制漿造紙廢水高效率、低成本達標排放,而且還為制漿造紙廢水的處理提供了新的研究方向。

1 材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

試驗用水取自安徽省池州市某造紙廠制漿廢水,該廠以廢舊瓦楞箱紙板(OCC)為原料生產(chǎn)包裝紙。該制漿廢水成分復雜,主要水質(zhì)情況如表1所示。

表1 制漿廢水水質(zhì)

圖1 AF-SMBBR試驗裝置示意圖

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用不銹鋼板焊接,主要由三部分組成,分別為AF裝置、SMBBR裝置以及沉淀池。AF裝置為半徑0.5 m、高度2.0 m的密閉圓柱體,有效容積為1.5 m3，用鋼絲柵網(wǎng)將柱體內(nèi)部均勻分成多層。SMBBR裝置為高度1.5 m、寬度0.6 m、長度1.35 m的長方體,有效容積為1 m3；其內(nèi)部曝氣裝置采用孔徑為3 mm的穿孔曝氣管均勻曝氣。試驗裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗材料

SDC- 03生物填料采用國外先進設計的六邊形載體,直徑30 mm,高度10 mm,比表面積900 m2/m3,密度0.90～0.95 g/cm3。具有耐磨損、造價低、使用壽命長(10 a)、比表面積大等特點。掛膜前后的填料見圖2。

接種污泥：取自池州市某廢水處理廠,污泥沉降比為40%,適用于馴化掛膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動掛膜

以70%的填充率向AF中各層均勻平鋪投加填料,填料與廢水充分混合,使微生物和有機物之間充分接觸[9]。同時以30%的填充率向AF底部加入接種污泥。以40%的填充率向SMBBR中投加填料,開啟曝氣裝置。用廢水浸泡24 h后排出部分廢水,投加接種污泥?？刂瓶偹νＡ魰r間(HRT)為3 d, SMBBR中污泥濃度1200 ～1500 mg/L,溶解氧(DO)濃度為2～7 mg/L。由于廢水中氮(N)、磷(P)元素的含量極少,不符合微生物生長繁殖所必需的營養(yǎng)物質(zhì)的量,故每天隨進水向設備滴加磷酸二氫鉀20 mg/L、尿素100 mg/L。

2.1.1 掛膜方式

AF裝置采用自然掛膜法。自然掛膜法雖然掛膜時間長,但生物膜與載體之間黏合度高,更加穩(wěn)定[10]。SMBBR裝置采用排泥法掛膜。排泥法掛膜速度快,需要接種污泥少,是目前工程中應用廣泛的掛膜方法[11]。

2.1.2 生物相分析

AF里由于進水中有機大分子物質(zhì)數(shù)量及種類較多,對多種微生物的生長繁殖起到抑制作用,所以導致其掛膜周期較SMBBR的長[12]。前期填料內(nèi)表面上只附著帶有黃色斑點狀菌膠團,未形成密集的生物膜。試驗進行38 d時,大量厭氧微生物附著生長在填料上,形成厭氧生物膜，如圖2(b)所示。

通過觀察SMBBR中填料上生物膜的生長情況,發(fā)現(xiàn)起初填料表面并沒有明顯變化。隨著試驗的運行,發(fā)現(xiàn)啟動5 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)淡黃褐色斑點,運行13 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)較薄的淺黃色生物膜,通過鏡檢發(fā)現(xiàn)填料表面含有大量累枝蟲、鐘蟲等。運行20 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)濃密黃色絨狀的生物膜,并大量繁殖,通過鏡檢發(fā)現(xiàn)具有大量線蟲、輪蟲等較高級的后生動物,以及菌膠團和絲狀菌等,掛膜成功。SMBBR掛膜后的填料如圖2(c)所示。

圖2 掛膜前后填料

2.2 掛膜階段

掛膜期對廢水CODCr的去除效果如圖3所示。

圖3 掛膜期對廢水CODCr的去除效果

由圖3可以看出,整個掛膜過程中,進水CODCr濃度逐漸增大,但去除率一直上升。前4 d,反應器對CODCr的總?cè)コ瘦^低,在30%以下。這是由于在掛膜初期,廢水中的微生物對廢水水質(zhì)適應程度不夠,此時的微生物大多都以懸浮的形式存在于廢水中,填料表面的生物膜還未形成,對水中有機物的降解和吸收的能力較弱。進水5～20 d,CODCr的總?cè)コ蚀蠓鲩L,達到80%左右。表明微生物已經(jīng)開始逐漸適應廢水水質(zhì)。填料表面生物數(shù)量逐漸增加,生物種類不斷豐富。微生物從適應期逐漸到達對數(shù)增長期及線性增長期。21 d以后,CODCr總?cè)コ试鲩L到90%。此時大量微生物已經(jīng)附著在填料表面,并可以進行新陳代謝,大量繁殖,形成生物膜。生物膜降解和吸收廢水中的有機物,從而達到凈化水質(zhì)的目的。隨著進水CODCr濃度的不斷增大,去除率卻一直上升,體現(xiàn)了該組合工藝具有強大的抗沖擊性。

2.3 穩(wěn)定運行階段

滿足GB8978—1996《廢水綜合排放標準》的三級排放標準要求的出水可排入城鎮(zhèn)污水處理廠,然后進行深度處理。為了滿足處理后出水CODCr濃度達到該標準,并給該造紙廠對廢水處理工藝的升級改造提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),根據(jù)該造紙廠現(xiàn)有的生化池池容以及日需排放廢水量,控制裝置總水力停留時間為8 d, 控制SMBBR中污泥濃度為300 mg/L以下,掛膜成功后穩(wěn)定運行階段對CODCr的去除效果如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定運行階段對廢水CODCr的去除效果

由于在實際生產(chǎn)運行中存在不穩(wěn)定因素,導致進水CODCr濃度不斷變化(11000～15000 mg/L),但系統(tǒng)處理后都能達到很好的處理效果。出水CODCr濃度均為500 mg/L以下,達到GB8978—1996《廢水綜合排放標準》三級排放標準的要求。對廢水中CODCr去除率高達97%左右。廢水首先進入AF,AF可吸收廢水中少量的小分子有機物,并通過水解酸化作用將廢水中難降解物質(zhì)變成易降解物質(zhì)。然后進入SMBBR,對AF出水進行進一步處理。CODCr去除率達到94%左右。此階段由于填料密度與水接近,親水性強,填料流動時能量消耗低,填料上的生物膜可與廢水頻繁接觸[13],廢水中供給微生物的營養(yǎng)充足,大量的微生物附著在填料表面,形成生物膜。生物量高達活性污泥的5～20倍[14-15]。大量的微生物可降解、吸收廢水中的有機物,從而達到凈化水質(zhì)的目的，出水水質(zhì)見表2。

表2 出水水質(zhì)

2.3.1 總水力停留時間對CODCr去除率的影響

適當?shù)乃νＡ魰r間是確保廢水處理效果、投資及運行經(jīng)濟性的重要控制因素。穩(wěn)定運行后,控制進水CODCr濃度為12500 mg/L, pH值為7.5,AF溶解氧濃度低于0.5 mg/L,SMBBR溶解氧濃度為3 mg/L左右,改變總水力停留時間,探究總水力停留時間對CODCr去除率的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5 總水力停留時間對CODCr去除率的影響

反應器總水力停留時間為3～10 d時,AF、SMBBR系統(tǒng)對CODCr的去除率均隨水力停留時間增長而增大,CODCr總?cè)コ蕪?3.6%提高到97.6%。分析認為,由于水力停留時間長短可直接影響水中有機物與生物膜的接觸時間,進而影響微生物對有機物的吸附和降解的效果。試驗連續(xù)進水,水力停留時間越小,單位時間內(nèi)的進水量就會增大,水流紊動程度增大,加大了水流對生物膜的沖擊,導致老化的生物膜或半老化的生物膜脫落[16]。部分新生生物膜承受不住水的剪切力也隨之脫落,以懸浮物的形態(tài)存在于水中,并隨之流失。且此時營養(yǎng)物質(zhì)充足,微生物大多處于對數(shù)增長期,繁殖能力與運動能力強,不易形成莢膜與黏液層,從而不易形成微生物菌膠團附著在填料內(nèi)表面。通過排放量、經(jīng)濟以及合理性考慮,當總水力停留時間為8 d時,處理效果最優(yōu)。當總水力停留時間大于10 d時,AF、SMBBR系統(tǒng)對CODCr去除率降低。分析原因,水力停留時間過長,廢水中大量有機物被反應器中懸浮污泥消耗,對懸浮污泥增長起到了促進作用,進入反應器中的廢水水力負荷降低,導致反應器內(nèi)微生物由于營養(yǎng)不充足而降低活性,甚至變黑脫落。因此水力停留時間越長,并不代表去除率就越高。

2.3.2 溶解氧濃度對CODCr去除率的影響

溶解氧是反應器運行中重要的控制參數(shù)之一。不同的溶解氧濃度會對廢水處理效果產(chǎn)生重要的影響。控制進入SMBBR反應器中廢水CODCr濃度為6000 mg/L,pH值為6.5,水力停留時間為3 d,調(diào)節(jié)曝氣大小,探究溶解氧濃度對CODCr去除率的影響,結(jié)果如圖6所示。

圖6 溶解氧濃度對CODCr去除率的影響

由圖6可以看出,當溶解氧濃度在3～4 mg/L的范圍內(nèi),CODCr的去除率達到95%左右,去除效果明顯。當溶解氧濃度小于3 mg/L時,CODCr去除率與溶解氧大小呈正比；當溶解氧濃度大于4 mg/L時,CODCr去除率與溶解氧濃度大小呈反比。因此,在SMBBR中適宜的溶解氧濃度為3～4 mg/L。分析原因, SMBBR為好氧反應單元,溶解氧會限制附著在填料上的生物膜中微生物的代謝活動[17]。填料上的生物膜包括內(nèi)部厭氧層與外部好氧層。當溶解氧不足時,外部好氧層中的好氧菌的代謝活性會受到抑制,生物膜中厭氧層就會越來越厚,隨之會催化厭氧層內(nèi)部的反應,反應后的代謝產(chǎn)物增多,并向外溢出。這就使外部好氧層的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,大大削減了生物膜附著在填料上的能力,導致生物膜脫落。當溶解氧濃度過高時,會加快有機污染物的分解,從而使微生物缺乏營養(yǎng),加快生物膜的老化,使其脫落。此外,從經(jīng)濟上分析,曝氣量過大,能耗增加,也增加了運行費用。

2.3.3 AF-SMBBR工藝對 SS去除效果分析

圖7所示為AF-SMBBR工藝對廢水中SS的去除效果。由圖7可以看出,SS平均去除率高達98%,出水SS濃度小于350 mg/L。分析原因：SS濃度一部分是由反應器中的填料將廢水中粒徑較大的懸浮狀物質(zhì)截留,另一部分則是生長在填料表面上的微生物的代謝活動去除的。生長在填料上的大量微生物的新陳代謝會產(chǎn)生如糖類、脂類等黏性物質(zhì),這些物質(zhì)能通過吸附架橋作用與水中的懸浮顆粒及膠體粒子黏結(jié)形成細小絮體,最后經(jīng)過沉淀被去除。

圖7 SS去除效果

3 結(jié) 論

(1)采用厭氧生物濾池(AF)-特異性移動床生物膜反應器(SMBBR)組合工藝處理廢舊瓦楞箱紙板(OCC)制漿廢水,進水CODCr濃度為11000～15000 mg/L,SS濃度為20600～26600 mg/L,系統(tǒng)總水力停留時間(HRT)為8 d,水溫為18～28℃的條件下,該組合工藝對廢水中CODCr、SS具有很好的去除效果,CODCr平均去除率高達97%,SS平均去除率高達98%。出水水質(zhì)達到GB8978—1996《廢水綜合排放標準》的三級排放標準,可排入城鎮(zhèn)污水處理廠進行深度處理。

(2)對于該制漿廢水,在總水力停留時間為8 d,進水CODCr濃度小于15000 mg/L,SMBBR溶解氧濃度(DO)為3 mg/L時,該工藝對制漿廢水中CODCr的去除效果最佳。

(3)該組合工藝具有很強的耐沖擊性、快速恢復性,不發(fā)生堵塞,不需要反沖洗,易于對已有的生化工藝進行改造等優(yōu)點。

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(責任編輯：劉振華)

Pilot Experiment of Pulping Effluent Treatment by Using AF-SMBBR Combined Process

JING Shuang-yi1YU Zhi-hao1ZHU Hao-jun1,2,*LI Wei-ping1YU Ling-hong1

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia Autonomous Region, 014010; 2. Sino-Danske Cloning(Beijing)Environment Technology Co., Ltd., Beijing, 100085)(*E-mail: vain0692@sina.com)

AF-SMBBR combined process was used to treat pulping effluent to investigate the CODCrand SS removal effect when this process was in the stages of biofilm colonization and stable running after the success of biofilm colonization,and to explore the effects of hydraulic retention time (HRT), and dissolved oxygen (DO) concentration on COD removal rate. The results of experiment showed that under the operation condition that influent temperature was 18～28℃, pH value was 6.5～8, CODCrconcentration was 11000～15000 mg/L, SS concentration was 20600～26600 mg/L, hydraulic retention time (HRT) was 8 days, effluent CODCrmaitained in less than 400 mg/L, the average removal rate was up to 97%, effluent SS was stable in less than 350 mg/L, the average removal rate was up to 98%.

AF-SMBBR combined process; pulping effluent; CODCr; removal rate

敬雙怡先生,碩士,副教授；研究方向：廢水處理。

2016- 12- 12(修改稿)

2014內(nèi)蒙古科技大學產(chǎn)學研合作培育基金項目PY-201401。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.005

*通信作者：朱浩君，教授；研究方向：工業(yè)水處理、環(huán)境微生物學等。