利用ABR-SBR組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的研究

張 政，梁 康，韓慧慧，宋培源，閻光緒*

(1.中國石油大學(北京) 環(huán)境工程系，北京 102249； 2.吉林大學 環(huán)境工程系，吉林 長春 130023)

利用ABR-SBR組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的研究

張 政1，梁 康1，韓慧慧2，宋培源1，閻光緒1*

(1.中國石油大學(北京) 環(huán)境工程系，北京 102249； 2.吉林大學 環(huán)境工程系，吉林 長春 130023)

目前，合成制藥廢水污染問題已相當嚴重。本實驗采用ABR-SBR組合反應(yīng)器對合成制藥廢水進行處理，考察了組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的可行性和最佳運行條件。結(jié)果表明：在ABR的水力停留時間為9 h，SBR的曝氣時間為12 h的條件下，系統(tǒng)的處理效果最佳；污泥培養(yǎng)期，化學需氧量(COD)去除率最終穩(wěn)定在95%左右，污泥培養(yǎng)成熟；含25%合成制藥廢水的污泥馴化期，COD濃度的平均值從711.6 mg/L降為45.9 mg/L；含50%合成制藥廢水的污泥馴化期，ABR出水的COD去除率最終僅穩(wěn)定在26%左右，合成制藥廢水的生物抑制性明顯；在整個工藝的運行期間，出水COD可以達到國家環(huán)境保護標準(GB 21904-2008)的要求。

ABR；SBR；合成制藥廢水；最佳運行條件

合成制藥廢水是制藥工業(yè)中產(chǎn)生的主要排放污染物[1]，該廢水由于具有水質(zhì)水量波動大、成分復雜、廢水CODCr濃度高等特點[2]不能直接由好氧工藝處理。厭氧折流板反應(yīng)器(anaerobic baffled reactor，ABR)具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性和耐沖擊負荷能力強、污泥齡長、固液分離效果好、對微生物量具有優(yōu)良的截留能力和運行性能可靠等優(yōu)點[3]，可以嘗試先用ABR處理合成制藥廢水[4]，再用序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)進行后續(xù)的好氧降解，以達到較好的處理效果。

本文在實驗室中試的基礎(chǔ)上，探究ABR-SBR組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的可行性和最佳運行條件，使廢水經(jīng)過處理后能夠達到排放標準，為工程實踐提供實驗依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 廢水水質(zhì)

廢水取自東北某合成制藥廠，經(jīng)實驗室分析檢測，藥水的pH值約為7，COD約為2000 mg/L，顏色為黃色。

1.2 工藝流程

圖1 工藝流程示意圖

采用厭氧-好氧工藝流程，流程如圖1所示。其中厭氧反應(yīng)器選擇穩(wěn)定、抗沖擊負荷好的ABR，好氧反應(yīng)器選擇高效穩(wěn)定的間歇式曝氣反應(yīng)器SBR，兩個反應(yīng)器中污泥均取自長春某污水處理廠的曝氣池。

1.3 試驗裝置

ABR和SBR反應(yīng)器均采用不銹鋼制作而成。ABR反應(yīng)器長為400 mm，寬為450 mm，高為600 mm，由6個反應(yīng)室組成，每個反應(yīng)室又包括上流室和下流室，通往上流室的折板下緣帶有50°折角便于實現(xiàn)均勻布水，有效容積為24 L，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體由反應(yīng)器的頂部排出。SBR反應(yīng)器長為300 mm，寬為240 mm，高為250 mm，有效容積為18 L。

1.4 試驗及測試方法

污泥培養(yǎng)試驗：由于試驗所用的污泥取自污水處理廠的曝氣池，所以在組合反應(yīng)器運行之前，需要對污泥進行培養(yǎng)。污泥的培養(yǎng)期的進水采用的是生活污水，其pH值約為5.4，COD的濃度約為350 mg/L。

最佳運行條件確定試驗：污泥培養(yǎng)結(jié)束后，通過改變ABR-SBR組合反應(yīng)器的運行條件(ABR的水力停留時間和SBR的曝氣時間)，確定組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的最佳運行條件。其進水采用的仍然是生活污水。

污泥馴化試驗：由于本試驗采用的是合成制藥廢水，且其中缺乏專性菌種和足夠的營養(yǎng)，因此在投產(chǎn)時除用一般的菌種和所需要的營養(yǎng)物質(zhì)培養(yǎng)足夠的活性污泥外，還應(yīng)對所培養(yǎng)的活性污泥進行馴化，使活性污泥微生物群體逐漸形成具有代謝特定工業(yè)廢水的酶系統(tǒng)，具有某種專性[5]。污泥的馴化是在最佳運行條件的基礎(chǔ)上進行的，馴化期的進水采用的是生活污水與合成制藥廢水的混合液，初始的合成制藥廢水與生活污水的比例(體積比)為25%，進水的COD的值約為750 mg/L左右。當組合反應(yīng)器COD的去除率穩(wěn)定之后逐漸增大合成制藥廢水與生活污水的比例，觀察最終的處理效果。

pH：玻璃電極法；COD：重鉻酸鉀法。

2 結(jié)果和討論

2.1 整個組合工藝運行期間廢水的pH值變化

ABR、SBR工藝都是利用微生物的合成代謝和分解代謝來降解污染物，因此反應(yīng)器中的微生物是ABR-SBR組合工藝的核心。每種微生物都有其最適pH值和一定的pH值范圍，在最適范圍內(nèi)酶活性最高，如果其他條件適合，微生物的生長率也最高。隨著環(huán)境pH值的不斷變化，使得微生物繼續(xù)生長受阻，當超過最低或最高pH值時微生物就死亡[6]。因此監(jiān)測各個階段pH值的變化就尤為重要。pH值的穩(wěn)定是保證工藝正常運行的前提之一。

圖2 ABR-SBR組合工藝運行期間pH值變化曲線圖

由圖2可知，原水及ABR出水的pH值有波動，但是分階段穩(wěn)定。前14天原水的pH值穩(wěn)定在5左右。在第15天加入合成制藥廢水后，混合液的pH值大致較為穩(wěn)定，上下波動可能是配制混合藥水時攪拌不均勻等原因造成的，其平均pH值為7.3。而ABR、SBR的出水的pH值均比較穩(wěn)定，生活污水培養(yǎng)期ABR出水pH平均值為6.4，SBR出水平均為8.1。加入合成制藥廢水后，ABR出水pH平均值6.9，比同時期ABR進水的pH值低，是由于發(fā)生了厭氧的水解酸化作用。SBR出水pH平均值為8.4，也隨ABR進水pH值的升高略有升高?？傮w來看，三者的pH值都較為穩(wěn)定，波動不大，這就可以為微生物的生長繁殖和代謝提供穩(wěn)定的環(huán)境，同時穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)也可說明微生物活動穩(wěn)定，一定程度上可以反映了ABR-SBR組合工藝運行穩(wěn)定。

2.2 培養(yǎng)期組合反應(yīng)器的運行結(jié)果

污泥培養(yǎng)期共進行了60 d左右，進水COD濃度控制在300～400 mg/L。流量為2～8 L·h-1，每次試驗次數(shù)為3天，試驗次數(shù)為6次。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 培養(yǎng)期ABR-SBR的運行結(jié)果

表1(續(xù)表)

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，總的去除率(ABR進水COD值與SBR出水COD值之差和ABR進水COD值之比)最終穩(wěn)定在95%左右，污泥培養(yǎng)成熟。

2.3 最佳水力停留時間的確定

污泥培養(yǎng)期COD去除率隨停留時間的變化曲線如圖3。

圖3 培養(yǎng)期ABR反應(yīng)器COD去除率隨停留時間變化曲線圖

由圖3所示，ABR的COD的去除率隨水力停留時間的變化而變化，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，即由26.50%增加到最高值61.88%，隨后又降低到51.90%。去除率的最高值對應(yīng)的水力停留時間是9 h，此值即為ABR在處理該合成制藥廢水時的最佳的水力停留時間。出現(xiàn)上述趨勢是由于水力停留時間的大小直接影響著微生物與廢水作用時間的長短，影響COD的去除率。適宜的停留時間能使廢水與微生物充分接觸，并且能適時的排除微生物的代謝產(chǎn)物，防止某些代謝產(chǎn)物對微生物產(chǎn)生抑制作用。停留時間過短會因有機負荷過高而導致去除率下降，處理效果不理想；ABR中停留時間過長會使有機物和微生物不能充分混合接觸，影響處理效果，延長處理反應(yīng)時間，降低處理能力[7]。

2.4 最佳曝氣時間的確定

污泥培養(yǎng)期COD去除率隨曝氣時間的變化曲線如圖4。

圖4 培養(yǎng)期SBR反應(yīng)器COD去除率隨曝氣時間變化曲線圖

曝氣反應(yīng)時間是確定SBR反應(yīng)器容積的一個非常重要的工藝參數(shù)[8]。曝氣時間太短，系統(tǒng)中氧供給不足，微生物不能充分分解有機物，影響處理水水質(zhì)；曝氣時間太長，會過分消耗水中的有機物，從而影響反硝化脫氮效果，還會引起污泥膨脹，從而造成能量浪費、降低充氧效率，同時也會增大水處理成本，因此應(yīng)當在特定的條件下通過試驗找出最優(yōu)曝氣時間[9]。由圖4可以看出，SBR反應(yīng)器在處理合成制藥廢水時，隨著曝氣時間的推移，COD的去除率表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，最高點出現(xiàn)在12 h處，考慮到經(jīng)濟性的同時，最終確定了工藝的最佳曝氣時間為12 h。

2.5 含25%合成制藥廢水的污泥馴化期

此時期，由于高濃度合成制藥廢水的加入使得實驗水樣的入水COD值有所提高，其平均值約為780 mg/L。先后通過ABR反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器之后，COD值分別平均降低至420 mg/L和34 mg/L。出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足國家環(huán)境保護標準(GB 21904-2008)COD排放要求。

在混合液馴化的最初階段，ABR反應(yīng)器的COD的去除率是35%左右，比污泥培養(yǎng)后期的50%左右降低了15%，這是由于合成制藥廢水的加入，改變了厭氧微生物原有的生長環(huán)境，廢水中增加了長鏈難降解有機物及對微生物有毒害作用的物質(zhì)，使得微生物短時期內(nèi)活性降低，廢水的COD去除率下降。馴化一段時間后，微生物逐漸適應(yīng)了新環(huán)境，對制藥廢水的凈化能力逐漸恢復，在該比例的馴化的后期可以達到40%左右。而SBR運行穩(wěn)定，平均去除率為89.68%，特別是后期，去除率均在90%以上。當ABR出水COD值逐漸增大或有所波動時，SBR出水COD都較小，體現(xiàn)出SBR反應(yīng)器較為優(yōu)秀的抗沖擊能力，保證較高總?cè)コ?，見圖5、6。

圖5 含25%合成制藥廢水的污泥馴化期原水、ABR及SBR出水COD變化曲線圖

Fig.5 Graph of changes of COD of raw water,ABR effluent and SBR effluent in Sludge domestication period containing 25% synthesis of pharmaceutical wastewater

圖6 含25%合成制藥廢水的污泥馴化期ABR、SBR及總?cè)コ首兓€圖

Fig.6 Graph of changes of ABR,SBR and total removal rate in Sludge domestication period containing 25% synthesis of pharmaceutical wastewater

2.6 含50%合成制藥廢水的污泥馴化期

隨著所加入合成制藥廢水比例的增大，原水COD值迅速增加至1380 mg/L。此時SBR出水依舊保持在較低水平，約為74 mg/L。而ABR反應(yīng)器的出水COD卻呈現(xiàn)出上升趨勢，由最初的427 mg/L逐步升高至約1000 mg/L，反應(yīng)器運行極不穩(wěn)定。

在使用50%的混合液進行馴化時，ABR反應(yīng)器的COD去除率迅速下降，最后穩(wěn)定于26%左右。此階段合成制藥廢水濃度的大幅度提高使得其殺菌性得到更好的體現(xiàn)。部分微生物在高濃度藥水的的沖擊下失去活性，導致ABR反應(yīng)器處理效果未能達到預期要求。與此同時，隨著馴化期的延長，SBR反應(yīng)器的去除率依舊保持有較高的穩(wěn)定性，平均可達93%以上。SBR反應(yīng)器的高效性繼續(xù)保證著系統(tǒng)整體運行的效果處于出水達標的水平，見圖7、8。

圖7 含50%合成制藥廢水的污泥馴化期原水、ABR及SBR出水COD變化曲線圖

Fig.7 Graph of changes of COD of raw water,ABR effluent and SBR effluent in Sludge domestication period containing 50% synthesis of pharmaceutical wastewater

圖8 含50%合成制藥廢水的污泥馴化期ABR、SBR及總?cè)コ首兓€圖

Fig.8 Graph of changes of ABR,SBR and total removal rate in Sludge domestication period containing 50% synthesis of pharmaceutical wastewater

3 結(jié)論

在分析合成制藥廢水水質(zhì)特征及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本實驗采用ABR-SBR組合工藝處理遼源市某藥廠的合成制藥廢水。ABR和SBR均接種長春市西郊污水處理廠曝氣池污泥，以生活污水為處理水樣，采用低負荷連續(xù)進水的方式進行啟動。在試驗中，分別考察了ABR和SBR反應(yīng)器在啟動期和馴化期的運行特征，研究了組合工藝處理合成制藥廢水中的COD降解規(guī)律，探索了本實驗條件下組合工藝的最佳運行參數(shù)，從而得出以下結(jié)論：

(1)在本實驗條件下，當ABR反應(yīng)器停留時間為9 h，SBR反應(yīng)器曝氣時間為12 h時，ABR-SBR組合工藝對合成制藥廢水的處理在兼顧經(jīng)濟性的同時，可滿足國家環(huán)境保護標準(GB 21904-2008)COD排放要求，約為90 mg/L。

(2)在溫度設(shè)定為(35±1)℃的條件下，采用進水濃度為320 mg/L啟動時，經(jīng)過22天的培養(yǎng)，ABR反應(yīng)器去除率可穩(wěn)定于55%，最高可達到60.42%。

(3)分別設(shè)置ABR反應(yīng)器停留時間為2、3、4、5、6、8、9、10、12 h，通過水力停留時間選擇實驗可得，ABR反應(yīng)器最佳停留時間為9 h。此時COD平均去除率可達到61.88%。

(4)ABR反應(yīng)器在停留時間為9 h的條件下進行微生物馴化。馴化起步階段采用生活污水∶合成制藥廢水=4∶1的比例進行。合成制藥廢水的加入導致COD去除率急劇下降，最低可達32%。通過15天的培養(yǎng)，COD去除率可穩(wěn)定于46%。合成制藥廢水中的部分藥物成分具有微生物抑制性，對微生物活性造成影響，降低了COD去除率。隨著進水中合成制藥廢水比例的逐步升高，藥物的生物抑制性表現(xiàn)愈加明顯。此時，COD去除率呈下降趨勢，最低為26%。

(5)SBR反應(yīng)器運行較為穩(wěn)定。當處于啟動期時，進水

COD濃度范圍為140～220 mg/L，去除率穩(wěn)定于90%。當處于馴化期時，隨著進水COD濃度的增加，COD去除率呈現(xiàn)上升趨勢，最高可達94.37%。

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(本文文獻格式：張 政，梁 康，韓慧慧，等.利用ABR-SBR組合反應(yīng)器處理合成制藥廢水的研究[J].山東化工,2017,46(7):195-199.)

Research on Treatment of Synthesis of Pharmaceutical Wastewater with Anaerobic Baffled Reactor and Sequencing Batch Reactor

ZhangZheng1,LiangKang1,HanHuihui2,SongPeiyuan1,YanGuangxu1*

(1.China University of Petroleum-Beijing, Environmental Engineering, Beijing 102249, China; 2.Jilin University, Environmental Engineering, Changchun 130023, China)

At present, synthesis of pharmaceutical wastewater contamination has been very severe.Anaerobic baffled reactor(ABR) followed by sequencing batch reactor(SBR) was used to treat synthesis of pharmaceutical wastewater.The feasibility of treatment of synthesis of pharmaceutical wastewater and the best operating conditions were investigated.The experimental results show that the best treatment effect under HRT of 9 h in ABR and aeration time of 12 h in SBR.Sludge incubation period,finally,COD removal rate reached 95%,sludge incubation was mature.Sludge domestication period containing 25% synthesis of pharmaceutical wastewater,the average of COD was reduced from 711.6 mg/L to 45.9 mg/L.Sludge domestication period containing 50% synthesis of pharmaceutical wastewater,finally,ABR effluent COD removal rate only was 26%,inhibition of microorganism was very obvious for synthesis of pharmaceutical wastewater.During the process operation,the concentration of COD can meet the requirements of The State Environmental Protection Standards(GB21904-2008).

ABR; SBR; synthesis of pharmaceutical wastewater; the best operating conditions

2017-02-24

張 政(1992—)，男，吉林公主嶺人，碩士研究生，研究方向：污水處理及其資源化。

X522

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1008-021X(2017)07-0195-05