Fenton+SMBBR組合工藝對(duì)有機(jī)廢水的中試研究

敬雙怡，謝者行，朱浩君，2，李巖，李衛(wèi)平

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)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)

高級(jí)氧化技術(shù)作為深度處理工藝越來越被廣泛采用，現(xiàn)已成為處理難降解有機(jī)物的研究熱點(diǎn)[1]。高級(jí)氧化技術(shù)是利用芬頓試劑在水中使Fe2+催化H2O2生成·OH自由基，由此獲得較強(qiáng)的氧化能力，可降解污水中的污染物[2]。生成的Fe3+同時(shí)具有混凝的沉淀作用，可以去除有機(jī)物和磷酸鹽[3-4]。此過程中Fenton具有強(qiáng)氧化和混凝兩種作用[5]，同時(shí)不會(huì)造成二次污染[6]。

特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)是在傳統(tǒng)MBBR上改進(jìn)的新型工藝，具有常規(guī)流化床和生物接觸氧化的優(yōu)點(diǎn)，依靠曝氣和水流的提升作用，使懸浮填料處于流化狀態(tài)[7]。使生物膜充滿整個(gè)反應(yīng)空間，填料與廢水接觸次數(shù)多且頻繁，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，能耗低[8]。

安徽池州某化工廠要求進(jìn)一步提高出水標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)零排放目標(biāo)。本文對(duì)該公司污水站出水進(jìn)行中試研究，采用芬頓+SMBBR+AMBBR+SMBBR工藝，探究工藝最佳處理參數(shù)，為該工藝的投產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SDC-03型填料(六棱柱狀多孔結(jié)構(gòu)，H=10 mm，比表面積約585 m2/m3，ρ=0.97 g/cm3，比容為0.1 cm3/g，一種可降解的塑料生物膜載體)；進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Influent quality

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

中試設(shè)備主要由兩部分組成：一是芬頓反應(yīng)設(shè)備，二是生化反應(yīng)設(shè)備(即SMBBR)。設(shè)備均采用不銹鋼板制成，其中芬頓反應(yīng)池有效容積0.432 m3，SMBBR1有效容積0.208 m3，AMBBR有效容積0.396 m3，SMBBR2有效容積0.448 m3。原水由污水站調(diào)節(jié)池經(jīng)提升泵進(jìn)入芬頓反應(yīng)器中，經(jīng)芬頓反應(yīng)后上清液通過小型潛水泵打入SMBBR1中，然后從SMBBR1自流到AMBBR中。從AMBBR上端流入，經(jīng)過水解酸化后，從下端流入東流砂式沉淀池，然后從其上端通過進(jìn)水孔三通流入SMBBR2底部，最后經(jīng)SMBBR2上端流入二沉池出水。出水經(jīng)二沉池，可以使出水SS較低，保證出水水質(zhì)。

1.3 分析方法

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)標(biāo)方法[9]對(duì)Fenton及SMBBR反應(yīng)器的進(jìn)、出水口處COD、NH3-N、TN等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 芬頓小試

小試實(shí)驗(yàn)中雙氧水的加藥量按與進(jìn)水中COD的質(zhì)量濃度1∶1計(jì)算，F(xiàn)e2+的加藥量按與H2O2摩爾濃度1∶3的比例進(jìn)行添加。H2O2的濃度為30%，F(xiàn)e2+試劑選用FeSO4·7H2O。分別取原水5份均為500 mL，進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)。將原水的pH調(diào)至3.5～4，加入芬頓試劑(先加FeSO4·7H2O，后加H2O2)，攪拌約40 min，調(diào)節(jié)pH至8～9，加入絮凝劑。結(jié)果見表2。

表2 芬頓小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental results of Fenton

由表2可知，雙氧水添加量加大，COD含量逐漸降低，氨氮含量逐漸升高，說明進(jìn)水中含有部分有機(jī)氮。當(dāng)雙氧水加藥量大于400 mg/L時(shí)，氨氮含量上升趨勢(shì)不明顯，說明此時(shí)廢水中大部分有機(jī)氮氧化完成。故H2O2加藥量為400 mg/L。

2.2 掛膜階段

該實(shí)驗(yàn)在2017年7月啟動(dòng)，在啟動(dòng)階段(1～34 d)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)水流量為300 mL/min，厭氧AMBBR的停留時(shí)間為1 d，好氧SMBBR1的停留時(shí)間為0.5 d，好氧SMBBR2的停留時(shí)間為1.5 d；上清液回流比為1∶1；AMBBR反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度保持在3 000～4 000 mg/L；溶解氧AMBBR反應(yīng)器為0.2～0.5 mg/L，SMBBR反應(yīng)器為3～5 mg/L；水溫為25～28 ℃。啟動(dòng)過程中在AMBBR反應(yīng)器中加入DNF409菌株，投加量50 g/d。

連續(xù)進(jìn)水9～11 d后，觀察SMBBR反應(yīng)器內(nèi)填料，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面呈淺褐色斑點(diǎn)，20 d后，填料內(nèi)表面生物膜厚度約為0.5～0.7 mm，30 d后填料內(nèi)生物膜厚度約為1.5～2 mm。通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面附著較大的菌膠團(tuán)，絲狀菌較多，同時(shí)觀察出現(xiàn)大量鐘蟲和輪蟲。AMBBR采用完全厭氧工藝進(jìn)行掛膜，相對(duì)于好氧工藝而言，厭氧降解有機(jī)物過程中微生物細(xì)胞活性不足，微生物生長(zhǎng)緩慢，難以附著在填料表面生長(zhǎng)，導(dǎo)致掛膜時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。此時(shí)觀察AMBBR反應(yīng)器內(nèi)填料，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面只存在黃色斑點(diǎn)狀菌膠團(tuán)，并未發(fā)現(xiàn)致密的生物膜。但AMBBR中MLSS較高，而且攪拌器和填料起到了均勻活化污泥的作用，使反應(yīng)器內(nèi)污泥活性極強(qiáng)對(duì)污染物質(zhì)去除能力顯著。當(dāng)出水中各污染物去除率顯著提高，水質(zhì)趨于穩(wěn)定時(shí)，表明掛膜完成，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

2.3 穩(wěn)定運(yùn)行階段

2.3.1 Fenton+SMBBR組合工藝對(duì)COD的去除效果 Fenton+SMBBR對(duì)COD去除效果見圖2。

圖2 COD去除效果Fig.2 Removal efficiency of COD

由圖2可知，控制HRT=5 d情況下，穩(wěn)定運(yùn)行期間Fenton+SMBBR工藝對(duì)COD的平均去除率為91.45%，出水COD濃度為22～120 mg/L。20 d后出水穩(wěn)定，期間平均濃度為28.35 mg/L。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，COD去除率逐漸升高，說明在生化反應(yīng)器活內(nèi)性污泥流失的過程中，系統(tǒng)中微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境，隨著填料上生物膜厚度的逐漸增加，整個(gè)反應(yīng)器的生物量和生物相也越來越多，出水COD逐漸降低，去除率達(dá)到峰值，并趨于穩(wěn)定。

2.3.2 Fenton+SMBBR組合工藝對(duì)NH3-N的去除效果 控制溫度25～28 ℃，溶解氧分別為AMBBR內(nèi)3～5 mg/L和SMBBR內(nèi)0.2～0.5 mg/L，F(xiàn)enton+SMBBR對(duì)NH3-N的去除效果見圖3。

圖3 氨氮去除效果Fig.3 Removal efficiency of NH3-N

由圖3可知，在HRT=5 d時(shí)，NH3-N平均去除率為93.33%，出水NH3-N濃度為0.68～5.45 mg/L，平均濃度為2.5 mg/L。微生物的同化作用是去除反應(yīng)器內(nèi)NH3-N的主要方法[10]。組合工藝取得了較好的硝化效果，主要是因?yàn)閺U水中的有機(jī)氮經(jīng)芬頓催化氧化后轉(zhuǎn)變成無機(jī)氮，廢水可生化性大大提高。同時(shí)，高親水性質(zhì)填料的加入，有利于增加反應(yīng)器內(nèi)微生物的數(shù)量和富集脫氮細(xì)菌，其上成熟的生物膜富集了大量的硝化菌，其生物量可以高達(dá)活性污泥的5～20倍[11-15]，保證出水NH3-N濃度的穩(wěn)定[16]。

2.3.3 Fenton+SMBBR組合工藝對(duì)TN的去除效果 Fenton和SMBBR對(duì)TN去除效果見圖4。

圖4 總氮去除效果Fig.4 Removal efficiency of TN

由圖4可知，HRT=5 d時(shí)，TN的平均去除率為86.85%，出水TN濃度在5～11.5 mg/L。穩(wěn)定期間，平均濃度為7.74 mg/L。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，系統(tǒng)內(nèi)生物量及生物相開始增多，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量相對(duì)降低，O2不容易滲透到生物膜內(nèi)部，填料內(nèi)表面形成的兼氧環(huán)境反而適宜反硝化菌生存。生物膜上的反硝化菌與硝化菌之間的競(jìng)爭(zhēng)作用加強(qiáng)，不利于硝化菌生長(zhǎng)，TN的去除率以平穩(wěn)趨勢(shì)增長(zhǎng)。

3 結(jié)論

(1)組合工藝對(duì)該有機(jī)廢水有很好的處理效果，H2O2添加量為400 mg/L時(shí)，預(yù)處理效果相對(duì)最好。

(2)工藝穩(wěn)定運(yùn)行后20 d，SMBBR工藝中生物膜基本成熟。系統(tǒng)中微生物對(duì)廢水的適應(yīng)能力加強(qiáng)，出水逐漸穩(wěn)定，各污染指標(biāo)去除率明顯升高。

(3)經(jīng)芬頓反應(yīng)預(yù)處理后，廢水生化性提高，在HRT=5 d，25～28 ℃時(shí)，COD、NH3-N、TN的平均去除率分別為91.45%，93.33%和86.65%。均優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

(4)芬頓+SMBBR組合工藝對(duì)有機(jī)廢水的處理效果及成本均優(yōu)于該廠現(xiàn)有工藝，可為以后的升級(jí)改造提供技術(shù)支持與指導(dǎo)。