沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究

蔡 軍，陳 勇，笪 靖，李玉東

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究

蔡 軍，陳 勇，笪 靖，李玉東

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

采用間歇運(yùn)行的沸石曝氣生物濾池（ZBAF）處理模擬船舶生活污水，研究表明，ZBAF對污水溫度、pH、船舶傾斜與搖晃、污水水質(zhì)波動(dòng)等具有較好的適應(yīng)性；在水力停留時(shí)間HRT=1.5 h，溫度T=30 ℃，pH=7，曝氣量Q=0.16 L/min，當(dāng)進(jìn)水化學(xué)需氧量COD=798.86 mg/L，氨氮NH3-N=56.45 mg/L，出水COD=48.81 mg/L，NH3-N=14.78 mg/L，去除率分別為93.94%和73.82%；裝置承受的最大進(jìn)水COD=1 361 mg/L；研究發(fā)現(xiàn)反沖洗能明顯改善出水水質(zhì)。實(shí)踐證明，在WCBMBR裝置中，將沸石曝氣生物濾池（ZBAF）取代生物接觸氧化柜具有明顯優(yōu)勢。

沸石；曝氣生物濾池；船舶生活污水；COD；NH3-N

0 引 言

船舶生活污水主要指船舶廁所的糞便沖洗水，具有水質(zhì)濃度高，水質(zhì)水量波動(dòng)性大等特點(diǎn)，這要求船舶生活污水處理系統(tǒng)具有高效的處理能力、抗沖擊負(fù)荷的能力，對船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)及惡劣的機(jī)艙環(huán)境，具有較好的適應(yīng)性[1]。目前主流的船舶生活污水處理裝置采用生物處理法，又以生物接觸氧化法為典型。在技術(shù)研究上，陳志莉等[2]采用生物接觸氧化法處理模擬船舶生活污水中試，在進(jìn)水平均水質(zhì)COD=560～650 mg/L，NH3-N=25～40 mg/L，HRT=3.5 h，出水水質(zhì)符合我國及MEPC.107（49）排放標(biāo)準(zhǔn)；在裝置上，WCMBR裝置采用序批式生物接觸氧化法+膜組件，出水水質(zhì)符合IMO.MEPC 159（55）排放要求[3]。

生物接觸氧化法利用附著生物膜或懸浮污泥將污水COD，BOD，TSS等污染物有效去除，生物接觸氧化裝置中含有一定量的懸浮污泥，一方面易于引起后繼膜組件膜污染，頻繁反沖洗或清洗，影響膜的使用壽命；另一方面污泥的回流和排放系統(tǒng)，增加了維護(hù)管理及污泥的處理壓力大。相對于生物接觸氧化法，曝氣生物濾池有以下優(yōu)勢：1）通過濾料的截留作用，出水含泥量少，緩解后繼泥水分離和污泥處理壓力；2）結(jié)構(gòu)簡單，不需要污泥的回流，減輕維護(hù)管理工作量；3）選用強(qiáng)吸附性濾料，有利于強(qiáng)化有機(jī)物和氮去除性能。能否用曝氣生物濾池替換WCMBR中生物接觸氧化柜，基于該問題，本文提出用曝氣生物濾池處理處理模擬船舶生活污水。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的多層曝氣生物濾池，如圖1直徑50 cmm，高300 mm，有效容積0.4 L；填料為沸石，分3層布置以利于生物沸石、污水、氧充分接觸；頂部進(jìn)水，底部曝氣；管1#作為反沖洗進(jìn)水管、排水管、取樣管、放空管，管2#作為反沖洗出水管；間歇運(yùn)行。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水采用由NH4Cl，K2HPO4，NaH2PO4，MgSO4等試劑按比例溶于自來水配制而成，NH3-N=40～60 mg/L并用葡萄糖調(diào)節(jié)COD=150～2 100 mg/L，模擬廢水的pH約8.5。

1.3 濾料

濾料采用經(jīng)鹽酸、硫酸、NaCl改性處理的40目沸石。沸石具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，孔隙率高、比表面大、離子交換能力強(qiáng)、吸附能力大，是微生物附著生長的良好載體，沸石生物膜已被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水處理及污水脫氮除磷中[4 – 9]，但用于處理船舶生活污水的報(bào)道并不多。

1.4 分析方法

COD：采用密封消解分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法。

1.5 曝氣生物濾池的掛膜培養(yǎng)

接種污泥來源于鎮(zhèn)江市某城市污水處理廠曝氣池污泥。在反應(yīng)器中加入活性污泥，COD=1 500 mg/L、NH3-N=42 mg/L的模擬船舶生活污水，曝氣，每24 h沉淀后排出上清液，重新補(bǔ)充COD=1 500 mg/L的模擬船舶生活污水。3 d后，排出污泥，低COD進(jìn)水，并逐漸提高進(jìn)水COD（150～400 mg/L），維持NH3-N=42 mg/L，HRT=6 h，過量曝氣，T=30 ℃，pH=8.5左右，間歇運(yùn)行10個(gè)周期后，沸石表面顏色加深，反應(yīng)器內(nèi)壁肉眼可見大量絮狀體附著，當(dāng)進(jìn)水COD=376.57 mg/L，NH3-N=42 mg/L，出水COD=55.53 mg/L，NH3-N=5.53 mg/L，兩者去除率分別為85.28%和86.83%，至此掛膜培養(yǎng)完成。繼續(xù)運(yùn)行數(shù)個(gè)周期，開展實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT的確定

進(jìn)水COD=390.86 mg/L，NH3-N=56.74 mg/L，過量曝氣，T=30 ℃，pH=8.5，間歇取樣分析。由圖2可見，反應(yīng)初期，由于較高的底物濃度和沸石高效的吸附性能，COD和NH3-N去除速率較快；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度的降低，兩者的去除速率逐漸降低（COD尤為明顯）；反應(yīng)180 min，兩者去除率達(dá)94.56%和87.63%。以COD為主要去除對象，結(jié)合NH3-N的處理效果，初步確定反應(yīng)體系HRT=1.5 h。由于硝化細(xì)菌為自養(yǎng)細(xì)菌，世代周期長，在ZBAF生態(tài)系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌不占優(yōu)勢，尤其在低HRT（1.5 h）的情況下去除效果欠佳（69.01%）。

2.2 溫度對COD，NH3-N去除的影響

進(jìn)水COD=379.42 mg/L，NH3-N=62.20 mg/L，過量曝氣，pH=8.5，HRT=1.5 h，T=20～50 ℃。由圖3可見，沸石曝氣生物濾池對溫度具有較好的適應(yīng)性，即能適應(yīng)船舶機(jī)艙溫度的波動(dòng)。在20 ℃～50 ℃，COD和NH3-N去除率先增大后降低，最佳運(yùn)行溫度為分別為40 ℃左右（COD去除率94.81%）和30 ℃左右（NH3-N去除率71.99%）。考慮實(shí)船運(yùn)行能耗問題，船舶污水溫度，結(jié)合COD和NH3-N去除效果，后繼運(yùn)行T=30 ℃。

2.3 pH對COD，NH3-N去除的影響

進(jìn)水COD=382.29 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，過量曝氣，HRT=1.5 h，T=30 ℃，控制pH=5～10。由圖4可見，沸石曝氣生物濾池對pH適應(yīng)范圍較廣，pH=5～10，COD和NH3-N去除率分別維持在91%和61%以上（pH=7～9，NH3-N去除率＞68%），兩者都有先上升后下降的趨勢，最佳pH為8左右，去除率分別為95.96%和71.68%?？紤]堿性環(huán)境對船舶設(shè)備的腐蝕性，結(jié)合COD和NH3-N去除效果，后繼運(yùn)行pH=7。

2.4 曝氣量對COD，NH3-N去除的影響

進(jìn)水COD=379.42 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，pH=7，HRT=1.5 h，T=30 ℃，Q=0.08～0.6 L/min。由圖5可見，Q=0.08～0.6 L/min，隨曝氣量的變化，COD和NH3-N去除率先增大后降低，COD和NH3-N的最佳曝氣量為0.16 L/min和0.4 L/min，去除率分別為95.77%和72.23%。根據(jù)雙膜理論[10]，有限地提高曝氣量，有利于提高生物膜內(nèi)溶解氧濃度，相應(yīng)提高好氧微生物的活性及生物降解速率；曝氣量過大，受氧的平衡溶解度限制，溶解氧不再增加，過強(qiáng)的湍流反而造成溶解氧的解析與生物膜的脫落，導(dǎo)致出水水質(zhì)降低。從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，結(jié)合COD和NH3-N去除效果，本實(shí)驗(yàn)最佳曝氣量Q=0.16 L/min。

2.5 底物COD濃度對COD去除的影響及進(jìn)出水底物濃度相關(guān)性

COD是船舶生活污水重要的有機(jī)指標(biāo)之一，其進(jìn)水底物濃度也是影響COD去除的重要因素，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，維持進(jìn)水NH3-N=51.24 mg/L，調(diào)節(jié)進(jìn)水COD濃度，探討進(jìn)水底物濃度對COD去除的影響。由圖6可見，反應(yīng)器對底物COD濃度具有較好的抗沖擊負(fù)荷的能力，COD=364.57～2 068.57 mg/L，去除率維持在90%以上，隨著底進(jìn)物濃度（S0）的增加，出水COD（Se）增加，且S0與Se近乎呈線性關(guān)系（R2=0.982 3）。

根據(jù)IMO.MEPC227（64）決議，船舶生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)COD≤125 mg/L，以Se=125 mg/L計(jì)，則S0=1 560.86 mg/L，即當(dāng)進(jìn)水COD≤1 561 mg/L，能保證出水COD≤125 mg/L。

關(guān)于生物膜反應(yīng)器中進(jìn)出水底物的相關(guān)性，劉雨提出S0-Se模型[11]：

式中：Soc為臨界進(jìn)水底物濃度，即理論最大進(jìn)水底物濃度（mg/L）；Sen為生活污水中非生物降解的底物濃度（mg/L），污水由葡萄糖配制，故Sen=0；K為濃度系數(shù)。對式（1）兩邊取倒數(shù)，得

用該模型擬合1/S0–1/Se關(guān)系如圖7，其中K=28.90，Soc=1 573.80 mg/L。

從排放標(biāo)準(zhǔn)和S0-Se模型綜合考慮，該反應(yīng)器的最大進(jìn)水COD濃度設(shè)置為1 361 mg/L。當(dāng)進(jìn)水COD高于此值時(shí)，可通過增加停留時(shí)間，以保證出水COD達(dá)標(biāo)排放。

2.6 反沖洗對COD、NH3-N去除的影響

進(jìn)水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，曝氣量Q=0.16 L/min，研究反沖洗對出水水質(zhì)的影響。由圖8可見，反沖洗后出水水質(zhì)有較大改善，COD，NH3-N去除率分別由沖洗前（0周期）的94.49%和60.28%上升至98.78%和78.48%，且隨著運(yùn)行周期的增加（1～4周期），去除率逐漸降低。由此可見，當(dāng)出水水質(zhì)惡化時(shí)，反沖洗是改善水質(zhì)的又一有效途徑。

2.7 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

在當(dāng)進(jìn)水COD=720 mg/L，NH3-N=52 mg/L，T=30 ℃，pH=7，Q=0.16 L/min，間歇取樣檢測反應(yīng)系統(tǒng)中COD，NH3-N值，研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。濾池中COD的去除可表示為[12, 13]：

式中：C為COD或NH3-N的濃度（mg/L）；k為反應(yīng)速率常數(shù)；Cx為微生物的濃度（mg/L）；α為COD或NH3-N的反應(yīng)級(jí)數(shù)；β為微生物的反應(yīng)級(jí)數(shù)。

得：

2.8 船舶適應(yīng)性研究

進(jìn)水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，反沖洗后，研究船舶在傾斜（30°）、擺動(dòng)（隨機(jī)）對出水COD的影響。由圖10可見，在傾斜和搖擺情況下，COD和NH3-N去除率略有下降（搖擺略好于傾斜），仍維持在96%，68%以上，可見ZBAF對船舶環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，能在任何平面上傾斜22.5°仍能運(yùn)行的要求。系統(tǒng)處于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，濾池內(nèi)部氣流分布較為均勻，氣、液相及填料內(nèi)生物膜的氧的傳質(zhì)較為穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生傾斜時(shí)，由于氣流的上升作用，氣流偏于一側(cè)，導(dǎo)致局部位置供氧不足，出水水質(zhì)降低；當(dāng)系統(tǒng)處于劇烈的搖擺狀態(tài)時(shí)，一方面氣水湍流促進(jìn)了氧的溶解和均勻分布，另一方面較強(qiáng)的湍流加劇了氧的解析和生物膜的脫落，出水水質(zhì)略有降低。

3 結(jié) 語

用間歇運(yùn)行的沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究表明：

1）ZBAF對COD和NH3-N有較好的去除能力，在HRT=1.5 h，T=30 ℃，pH=7，Q=0.18 L/min，進(jìn)水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，出水水質(zhì)COD=48.41 mg/L，NH3-N=14.78 mg/L，兩者去除率分別為93.94%和73.82%，且反沖洗能有效的改善水質(zhì)。

2）從排放標(biāo)準(zhǔn)和S0-Se模型綜合考慮，裝置進(jìn)水最大COD濃度約為1 361 mg/L；裝置中COD，NH3-N的去除反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

3）對船舶環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，船舶發(fā)生傾斜、搖晃，出水水質(zhì)略有下降，且搖擺略好于傾斜。

4）與陳志莉等[2]運(yùn)行的生物接觸氧化法處理模擬船舶生活污水的數(shù)據(jù)對比表明，沸石曝氣生物濾池（HRT=1.5 h）對COD的去除效果遠(yuǎn)優(yōu)于生物接觸氧化裝置（HRT=3.5 h），且抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)；但由于HRT短（1.5 h），濾池對NH3-N的處理受到影響（最高去除率為78%），研究也發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加HRT可明顯改善NH3-N去除效果。綜上所述，在WCBMBR裝置中將沸石曝氣生物濾池取代生物接觸氧化柜具有可行性。

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Research on treatment of ship domestic sewage by using ZBAF

CAI Jun, CHEN Yong, DA Jing, LI Yu-dong
(Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China)

The zeolite biological aerated filter (ZBAF) that is a sequencing batch reactor is used to treat ship simulated domestic sewage.The experimental results show that ZBAF is suitable for temperature variation and pH variation and ship tilt and ship shaking and sewage water quality variation. Under the condition:HRT=1.5 h,T=30 , pH=7,Q=0.16 L/min, when the influent concentration for COD and NH3-N is 789.86 mg/L and 56.45 mg/L, the effluent concentration for COD and NH3-N is 48.81 mg/L and 14.78 mg/L, with the removal rate 93.94% and 73.82% respectively. The maximum concentration of COD that ZBAF can withstand is 1 361 mg/L. Study also finds that back wash could obviously improve the effluent water quality. Practice proves that ZBAF has the obvious advantage to replace the biological contact oxidation tank in the WCBMBR device.

zeolite；biological aerated filter；ship domestic sewage；COD；NH3-N

X736.3

A

1672 – 7649(2017)09 – 0179 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.036

2016 – 08 – 25；

2016 – 10 – 19

蔡軍(1980 – )，男，博士研究生，講師，主要從事水域環(huán)境保護(hù)和船舶輔助設(shè)備的教學(xué)與研究。