高效生物反應(yīng)器在低COD難降解石化廢水處理中的應(yīng)用

王富興，王國棟

(中國石化天津分公司，天津 300270)

高效生物反應(yīng)器(Advanced Biological Reactor，ABR)是在ABMet(Advanced Biological Metals Removal Process)工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的難降解廢水生化處理工藝。

高效生物反應(yīng)器是將針對難降解COD(BOD5/COD<0.2)的特效生物菌群接種于特殊的高效生物載體上，形成穩(wěn)定并可耐受多種底物作為能量來源的生物膜。在好氧條件下，通過高效生物接觸氧化，將廢水中的難降解COD進一步生物降解，最終合成微生物內(nèi)源物質(zhì)或用于代謝，從而消除水中的有機物。高效生物反應(yīng)器能夠常態(tài)維持較高濃度的生物量，掛膜成功后即使在入水營養(yǎng)貧瘠且無額外補充營養(yǎng)源的情況下，仍能利用廢水中難降解COD作為維持細菌穩(wěn)定性與生物活性的能量來源，從而持續(xù)去除水中COD[1]。

1 中試

1.1 裝置簡介

中試裝置進水水量為1 m3/h，水力停留時間6.8 h。中試裝置進水采用第二級生化裝置的出水(相關(guān)污水處理系統(tǒng)共三級生化裝置)。中試中采用的高效載體為改良的木質(zhì)活性炭。

1.2 中試數(shù)據(jù)

中試穩(wěn)定運行期間，進水COD平均為65.6 mg/L，出水COD平均為24.2 mg/L，去除率平均為63.1%。中試期間運行數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 中試穩(wěn)定運行期間進出水COD對比

中試期間，共受到2次沖擊。第1次是由于上游生化處理異常造成的，進水COD最高升至118.6 mg/L，出水略受影響，最高升至42.8 mg/L。

第2次是進行的沖擊試驗，沖擊試驗進水為回用裝置反滲透濃水，其COD為140 mg/L。沖擊實驗期間，出水COD最高升至40.3 mg/L，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。從兩次沖擊來看，高效生物反應(yīng)器具有很強的抗沖擊性能。

中試期間高效生物載體電鏡掃描圖像見圖2。

圖2 中試期間高效生物載體電鏡掃描圖像

從電鏡掃描圖像可以看出，高效生物載體中的微生物以生長于微孔中為主，這也是高效生物反應(yīng)器具有優(yōu)越抗沖擊的原因之一。

1.3 殺菌試驗

8月4日至8月8日對高效生物反應(yīng)器高效生物載體進行試驗判定，取試驗流程中高效生物載體15 L，裝填在50 L容器中，進水方式為下進上出，投加1227與異噻唑啉酮各400 mL，殺菌24 h后進水置換，調(diào)整至停留時間1 h，同時分析正常試驗裝置出水COD數(shù)據(jù)和殺菌后僅高效生物載體吸附作用出水COD數(shù)據(jù)。通過殺菌試驗數(shù)據(jù)(相關(guān)數(shù)據(jù)見表2)可以看出，高效生物反應(yīng)器的COD去除作用是微生物起到的去除作用，而不是由于高效生物載體的吸附作用造成的。

1.4 小結(jié)

中試結(jié)果表明，針對難降解的二級生化出水，COD去除率平均為63.1%，針對反滲透裝置的濃水也有很好的處理效果。高效生物反應(yīng)器具有很強的抗沖擊性能，與高效生物載體中的微生物以生長于微孔中為主有關(guān)。高效生物反應(yīng)器的COD去除作用是微生物起到的去除作用，而不是高效生物載體的吸附作用造成的。

表1 沖擊實驗期間出水COD及pH

表2 殺菌試驗數(shù)據(jù) mg/L

2 工程實例

2.1 裝置簡介

某石化企業(yè)采用高效生物反應(yīng)器用以處理回用裝置電滲析裝置的濃水、化學(xué)水裝置的酸堿中和廢水、淡化海水深度處理反滲透裝置的濃水、循環(huán)水排污水、部分生化裝置出水等，建設(shè)規(guī)模150 m3/h。高效生物反應(yīng)器設(shè)計進、出水主要指標(biāo)見表3。

表3 設(shè)計進、出水主要指標(biāo) mg/L

高效生物反應(yīng)器工藝流程見圖3。工程中采用的高效載體為改良的煤質(zhì)活性炭。

高效載體的主要作用是為特效菌附著形成穩(wěn)定生物膜提供場地，它和特效菌株之間有很強的親和性，細胞通過疏水作用力和靜電作用固著在高效載體上。在啟動期間大量投加特效菌群，短時間內(nèi)在載體表面可以形成以特效菌群為主體的牢固且致密的生物膜。在投入運行的早期，高效載體也可吸附一部分難降解COD，對COD去除率有一定貢獻，但這種吸附作用很快會隨著載體吸附飽和而減少及消失。當(dāng)載體吸附飽和后，COD的去除主要依靠生物膜的降解作用，其去除率也隨之穩(wěn)定下來。

圖3 高效生物反應(yīng)器工藝流程

2.2 開車

2.2.1載體清洗

高效生物反應(yīng)器使用的載體帶有飛灰、粉塵和小顆粒物質(zhì)，在填裝入反應(yīng)池后，需要清洗載體來去除這些雜質(zhì)，盡可能得到清潔的載體，為后續(xù)特效菌的接入提供良好的環(huán)境，同時也可大大降低系統(tǒng)啟動時出水的TSS(總懸浮固體)。

載體清洗的步驟為：①利用原水來進行載體清洗；②利用沖洗水(水量5 L/(m2·s))來清洗；③持續(xù)用水沖洗載體1 h，停止水洗并保持曝氣沖洗5 min；④步驟3重復(fù)5～6次；⑤停止進水，排空反應(yīng)池內(nèi)積水，整個清洗流程完畢。

2.2.2接種菌種

高效生物反應(yīng)器特效菌由A、B、C 3種組成，接菌種是首先將菌種和營養(yǎng)物溶解在投加桶中，再通過管道混合器與原水混合，通過進水渠和配水渠流入ABR反應(yīng)池。接菌種一般需要7～12天時間，標(biāo)準(zhǔn)流程為9天。營養(yǎng)物用葡萄糖、尿素與磷酸二氫鉀來分別提供碳、氮、磷源，根據(jù)C、N、P比例100∶5∶1來配置加入。菌種及營養(yǎng)物的投加量由載體的使用量決定。通常每噸載體需投加約1 800 g菌種及900 g營養(yǎng)物。接菌種需要分3次將菌種和營養(yǎng)物打入反應(yīng)池，每一次需要投加的菌種數(shù)量如表4。

表4 特效菌與營養(yǎng)物投加量 %

標(biāo)準(zhǔn)9天的特效菌投加流程和操作為：①第一次接菌種，在菌種/營養(yǎng)物投加桶中裝入原水，再加入菌種A、B和營養(yǎng)物。原水與菌種(A與B的總和)重量比為10∶1；②菌種和營養(yǎng)物易溶于水，投加桶底部設(shè)有氣體混合器，通過鼓氣20 min將菌種與營養(yǎng)物溶解于原水之中；③用菌種投加泵將投加桶中的菌種、營養(yǎng)物溶液泵至進水管線中的管道混合器，與原水混合，并通過進水渠、配水渠，流入反應(yīng)池中。持續(xù)進水，直到各個反應(yīng)池中水位高于載體層，關(guān)閉進水；④開啟工藝曝氣系統(tǒng)，保持曝氣率在1.45 L/(m2·s)；⑤持續(xù)曝氣至第4天，進行第二次接菌種，步驟如①～④；⑥持續(xù)曝氣至第7天，進行第三次接菌種，步驟如①～④；⑦持續(xù)曝氣至第9天，完成接菌種步驟。

高效生物反應(yīng)器專屬菌啟動掛膜時，最佳水溫應(yīng)控制在30～35 ℃，本次開車由于在冬季，將水溫控制在25～30 ℃

2.3 運行數(shù)據(jù)

高效生物反應(yīng)器1月至11月運行數(shù)據(jù)見圖4，進水COD平均60.1 mg/L，出水COD平均24.4 mg/L，去除率達59.4%；此期間進水超過設(shè)計指標(biāo)數(shù)據(jù)(COD>70 mg/L)占總進水?dāng)?shù)據(jù)的19.9%，出水超過設(shè)計指標(biāo)數(shù)據(jù)(COD>30 mg/L)占總進水?dāng)?shù)據(jù)的13.8%。雖然高效生物反應(yīng)器進水COD波動較大，但出水COD基本能保持在40 mg/L以下。正常運行期間，高效生物反應(yīng)器出水COD基本在10～30 mg/L范圍內(nèi)波動。進水異常期間，高效生物反應(yīng)器出水COD基本在20～40 mg/L范圍內(nèi)波動，可見高效生物反應(yīng)器的抗沖擊性能很好。進水異常期間(COD>70mg/L)進、出水COD對照見圖5。

圖4 高效生物反應(yīng)器進、出水COD

圖5 高效生物反應(yīng)器進水異常時進水與出水COD

高效生物反應(yīng)器運行費用較低，費用主要發(fā)生在曝氣風(fēng)機產(chǎn)生的電費。正常運行期間電耗為48.5 kW，電費按0.61元/kWh計算，如滿負(fù)荷運行，電單耗為0.197元/m3，相比高級氧化除COD工藝優(yōu)勢明顯。

10月份取高效生物反應(yīng)器中層的高效載體進行電鏡掃描，圖像見圖6。從圖像中可以看出高效載體微孔中的污泥量很大。

圖6 高效生物載體電鏡掃描圖像

下一級高密度沉淀池1月至11月出水COD平均為18 mg/L(相關(guān)數(shù)據(jù)見圖7)，較高效生物反應(yīng)器降低6.4 mg/L，COD去除率為26.2%。異常數(shù)據(jù)由13.8%降低至0.6%，全部數(shù)據(jù)中僅有4個異常。因此考慮到出水波動高效生物反應(yīng)器后應(yīng)增加一級除懸浮物及膠體的設(shè)施。

2.4 小結(jié)

高效生物反應(yīng)器使用的載體帶有飛灰、粉塵和小顆粒物質(zhì)，在填裝入反應(yīng)池后，需要清洗載體來去除這些雜質(zhì)。高效生物反應(yīng)器接種需要7～12天。啟動掛膜時最佳水溫應(yīng)控制在30～35 ℃。實際工程中針對低濃度的難降解廢水，高效生物反應(yīng)器COD去除率達到59.4%，且運行費用低，抗沖擊性很好。為提高整套裝置的穩(wěn)定性，高效生物反應(yīng)器后應(yīng)增加一級除懸浮物及膠體的設(shè)施。

圖7 高密度沉淀池出水COD

3 結(jié)語

綜上所述，高效生物反應(yīng)器針對低COD難降解廢水中試的COD去除率為63.1%，實際工程的COD去除率為59.4%，且運行費用低，抗沖擊性能好，工藝流程簡單，運行效果穩(wěn)定。