IFAS工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水應(yīng)用研究

馬森林，楊惠蘭，杜世章，陳楊武，劉 健，譚周亮

(1.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川 綿陽 621006；2.中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；3.綿陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621006)

0 引言

近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和高科技產(chǎn)業(yè)的快速增長，各類實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量迅速增加。這些實(shí)驗(yàn)室主要集中在高校、科研機(jī)構(gòu)、檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究部門。實(shí)驗(yàn)室廢水來源主要有三個(gè)方面，第一是各類無機(jī)、有機(jī)、生化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室廢水；第二是各類實(shí)驗(yàn)剩余的、過期的廢棄試劑；第三是用于洗滌、處理各類儀器、設(shè)備的洗滌劑及洗滌廢水[1]。其中各類無機(jī)、有機(jī)廢液或者高濃度有毒廢液、廢棄試劑經(jīng)過收集，成分相對比較明確而作為危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行了集中統(tǒng)一處理[2]，但部分洗滌劑和洗滌廢水因使用量較大，且大部分處于流動(dòng)狀態(tài)，直接排放的情況比較常見[3]。針對排放的實(shí)驗(yàn)室廢水，因其具有化學(xué)成分復(fù)雜，可能含有有毒成分，缺乏營養(yǎng)元素氮磷，廢水排放時(shí)間和排放水量間歇性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-7]，目前國內(nèi)外還未有成熟的工藝技術(shù)進(jìn)行集中處理[8]。

生物膜-活性污泥復(fù)合工藝(IFAS)，兼顧了活性污泥法和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高生物反應(yīng)池生物量[9-10]，提高污水系統(tǒng)容積負(fù)荷，有效增加系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷，減少污泥產(chǎn)量[11-15]。該工藝目前已多用于生活污水[16-19]、工業(yè)廢水[20-21]等廢水的生化處理，但在實(shí)驗(yàn)室廢水中的應(yīng)用還較少。

本文采用一體化IFAS工藝對某科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樓排放的實(shí)驗(yàn)室廢水進(jìn)行處理，探究不同時(shí)間段實(shí)驗(yàn)室廢水的產(chǎn)排特征，并通過添加化糞池污水調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室廢水水質(zhì)水量，考察IFAS工藝對實(shí)驗(yàn)室廢水COD和NH3-N的去除效果，綜合評(píng)價(jià)了IFAS工藝抗沖擊性能，以期為實(shí)驗(yàn)室廢水處理的實(shí)際工程提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)室廢水來源及水質(zhì)

廢水來自于某科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樓，主要包括實(shí)驗(yàn)樓排放的實(shí)驗(yàn)室廢水和化糞池污水。通過調(diào)查和檢測，該實(shí)驗(yàn)樓主要包括藥物化學(xué)、植物化學(xué)和環(huán)境微生物等方向的實(shí)驗(yàn)室，其排放廢水中含有少量的醇類、脂類、醚類、烷烴、部分鹵代烷烴及生物培養(yǎng)基等成分。其廢水性質(zhì)見表1。

表1 廢水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)

1.2 實(shí)驗(yàn)室廢水處理裝置及運(yùn)行工藝

本研究采用生物膜-活性污泥復(fù)合工藝(IFAS)處理實(shí)驗(yàn)室廢水，處理裝置長4.6m，寬1.8m，高2.0m，材質(zhì)為玻璃鋼。其主要包括中和調(diào)節(jié)池、兩級(jí)IFAS好氧池和沉淀池，兩級(jí)IFAS好氧池兼掛有組合式填料，A段好氧池有效容積為2.7m3，B段好氧池有效容積為4.3m3。設(shè)計(jì)每天運(yùn)行24h，處理廢水規(guī)模為16.8m3/d，工藝運(yùn)行條件見表2。

圖1 工藝流程圖

表2 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

圖2 處理裝置外觀圖

1.3 IFAS工藝的啟動(dòng)與長期運(yùn)行效果考察

1.3.1 工藝的啟動(dòng)與優(yōu)化調(diào)控

采用IFAS工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水，啟動(dòng)初期，本裝置只進(jìn)實(shí)驗(yàn)樓的化糞池污水，曝氣采用悶曝的方式，A段好氧池DO控制在4～6mg/L，B段好氧池DO控制在為6～8mg/L；同時(shí)，每天定量加入15kg淀粉，以保證有充足的碳源。待工藝處理效果穩(wěn)定后，將實(shí)驗(yàn)室廢水和化糞池污水分別用泵從集水井打入中和調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)(實(shí)驗(yàn)室廢水與化糞池污水的比例不斷調(diào)節(jié)，最終以2∶1的比例進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，在中和調(diào)節(jié)池混合后作為反應(yīng)器進(jìn)水)，再進(jìn)入生物處理系統(tǒng)。隨后處理出水流入沉淀池，進(jìn)行沉淀分離后排入市政管網(wǎng)。

1.3.2 工藝的長期運(yùn)行性能考察

在IFAS工藝的長期運(yùn)行中，分析該實(shí)驗(yàn)樓的實(shí)驗(yàn)室廢水在不同時(shí)間段的產(chǎn)排特征；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室廢水和化糞池污水在2∶1的配比下，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室廢水的水質(zhì)水量，以分析實(shí)驗(yàn)室廢水波動(dòng)對反應(yīng)器進(jìn)水的影響，考察該工藝在長期運(yùn)行中對COD、NH3-N等污染物的去除效果和抗沖擊性能。最后，對該工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水的運(yùn)行成本加以對比分析，從經(jīng)濟(jì)上論證其可行性。

1.4 材料與方法

IFAS工藝中的接種活性污泥取自四川省成都市某市政污水處理廠。在運(yùn)行過程中，每天對反應(yīng)器進(jìn)水、出水及兩級(jí)IFAS好氧池的COD、NH3-N、pH、MLSS等指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，各水質(zhì)指標(biāo)檢測所用試劑(碘化汞、碘化鉀、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、硫酸汞、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、硫酸銀等)均為分析純。COD、NH3-N、MLSS等均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[22]測定，pH、溫度、DO由便攜式pH計(jì)和哈希便攜式多功能水質(zhì)測定儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)室廢水的產(chǎn)排特征分析

本研究中，實(shí)驗(yàn)室廢水產(chǎn)排特征如圖3所示。由圖3分析可知，不同時(shí)段下實(shí)驗(yàn)室廢水的COD波動(dòng)幅度大。其具體表現(xiàn)為：①從實(shí)驗(yàn)室廢水的平均日變化來分析，9∶30—18∶00 時(shí)段內(nèi)時(shí)間與COD濃度變化大致呈正相關(guān)，其9∶30、13∶00和18∶00 COD濃度的平均值分別為79.18mg/L、224.40mg/L、267.48mg/L。②從實(shí)驗(yàn)樓上班與下班時(shí)間方面來分析，每天上班時(shí)間實(shí)驗(yàn)室廢水的COD濃度高于下班時(shí)間，周一至周五高于周末休假時(shí)間。另外，在同一時(shí)刻下實(shí)驗(yàn)室廢水的COD濃度也不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室廢水在9∶30、13∶00和 18∶00 時(shí)刻COD波動(dòng)范圍分別為13.88～196.99mg/L，64.42～766.99mg/L和55.39～493.72mg/L。

圖3 不同時(shí)間段實(shí)驗(yàn)室廢水COD濃度變化

2.2 IFAS工藝的啟動(dòng)與調(diào)試

啟動(dòng)過程中進(jìn)、出水COD、NH3-N濃度與去除率情況如圖4、圖5所示。啟動(dòng)5d后，裝置中的活性污泥量明顯增加，沉降性較好，填料上掛膜良好。當(dāng)COD去除率達(dá)60%時(shí)，開始進(jìn)實(shí)驗(yàn)室廢水，實(shí)驗(yàn)室廢水和化糞池污水的比例從最開始的0.3∶1逐漸增加到1∶1，并定時(shí)取樣檢測進(jìn)、出水和好氧池的COD、NH3-N。當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水COD值控制在500mg/L以內(nèi)時(shí)，出水COD可穩(wěn)定低于100mg/L，出水NH3-N濃度穩(wěn)定低于15mg/L，COD和NH3-N去除率分別達(dá)到80%、70%以上，表明污泥和生物膜已適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室廢水的降解，反應(yīng)器啟動(dòng)和載體掛膜成功。

圖4 調(diào)試階段COD的去除效果

圖5 調(diào)試階段NH3-N的去除效果

2.3 IFAS工藝的長期運(yùn)行效果考察

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室廢水在不同時(shí)段下COD濃度變化較大的產(chǎn)排特征，且實(shí)驗(yàn)樓每天下班時(shí)間和周末的實(shí)驗(yàn)室廢水中的COD濃度相對偏低，理論上可以間歇運(yùn)行，以降低運(yùn)行成本，但考慮到部分工作人員加班做實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，所以本裝置每天24h連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行，以保障裝置中活性污泥的活性和出水的穩(wěn)定。

圖6顯示了IFAS工藝穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)室廢水與反應(yīng)器進(jìn)水(13∶00)COD濃度對比情況。由圖6可看出，實(shí)驗(yàn)室廢水波動(dòng)范圍為64.42～766.99mg/L(均值為224.40mg/L)，IFAS系統(tǒng)進(jìn)水波動(dòng)范圍為76.46～403.36mg/L(均值為203.23mg/L)，明顯可以對比出實(shí)驗(yàn)室廢水遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反應(yīng)器進(jìn)水的波動(dòng)幅度，且COD容積負(fù)荷范圍從0.15～1.84kg/m3·d變?yōu)?.18～0.97kg/m3·d，COD最高容積負(fù)荷降低了47.29%。這也表明實(shí)驗(yàn)室廢水與化糞池污水以2∶1進(jìn)水配比后，有利于對實(shí)驗(yàn)室廢水的水質(zhì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，關(guān)兵等人[23]研究也發(fā)現(xiàn)將高濃度廢水和低濃度廢水混合后進(jìn)行綜合處理，這樣既能降低構(gòu)筑物的處理負(fù)荷，又能確保廢水達(dá)標(biāo)排放。同時(shí)，添加化糞池污水可以為實(shí)驗(yàn)室廢水補(bǔ)充N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，有助于增強(qiáng)IFAS工藝對污染物的去除效果[24]，以保障反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室廢水的沖擊負(fù)荷下，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖6 實(shí)驗(yàn)室廢水與反應(yīng)器進(jìn)水(13∶00)COD對比

另外，此次研究屬于室外工程應(yīng)用，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后(從第9d開始)，NH3-N進(jìn)出水平均值分別為50mg/L和10mg/L，平均去除率達(dá)到80%左右。因其出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，后期未繼續(xù)對NH3-N變化進(jìn)行相關(guān)研究。分析了穩(wěn)定運(yùn)行期間反應(yīng)器進(jìn)出水水質(zhì)，處理系統(tǒng)對COD的去除效果如圖7所示。由圖7可知，反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度為76.46～403.36mg/L(均值為203.23mg/L)，IFAS工藝處理后的出水濃度為2.10～83.58mg/L(均值為31.85mg/L)，COD平均去除率為83.13%。經(jīng)過IFAS工藝處理后，出水COD濃度均可達(dá)到《GB8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，且對COD有較穩(wěn)定的去除性能。

圖7 穩(wěn)定運(yùn)行期間COD的去除效果

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的1～30d，進(jìn)水COD處于76.46～403.36mg/L(均值為194.34mg/L)，出水COD為2.10～58.00mg/L(均值為27.74mg/L)，去除率為66.67%～99.10%(均值為84.01%)，當(dāng)進(jìn)水COD陡增至403.36mg/L時(shí)，COD去除率更是高達(dá)93.17%。在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)共受到了7次不同強(qiáng)度的COD進(jìn)水波動(dòng)沖擊(圖7)，但沖擊后系統(tǒng)快速恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行，顯示出了良好的耐沖擊負(fù)荷能力。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的31～41d，反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度為162.24～328.39mg/L(均值為219.13mg/L)，IFAS處理后的出水濃度為19.13～83.58mg/L(均值為38.74mg/L)，COD去除率在60.21%～92.89%(均值為81.68%)。與1～30d相比，進(jìn)水COD濃度和去除率的變化相差不大，但第33d的出水COD濃度為83.58mg/L，達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行期間的最高值，其較1～30d的平均出水COD濃度(27.74mg/L)增加了201.30%。在此階段主要考慮是受到有毒有害物質(zhì)的影響，趙慶[25]在處理石化廢水研究中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)受有毒有害物質(zhì)的沖擊時(shí)，應(yīng)停止進(jìn)水，向裝置中加入蔗糖，降低曝氣池曝氣量，使微生物得到適當(dāng)?shù)幕謴?fù)，然后在2～9d緩慢增加進(jìn)水量，直至完全恢復(fù)。同時(shí)，可以通過延長HRT，削弱苯胺對硝化菌的毒性作用[26]。因此，本研究在第35d停止進(jìn)水，降低曝氣池曝氣量；第36d開始恢復(fù)只進(jìn)化糞池污水0.5m3/h，反應(yīng)器HRT由穩(wěn)定狀態(tài)的10h延長至14h；第37d將實(shí)驗(yàn)室廢水與化糞池污水的進(jìn)水比例恢復(fù)為2∶1，系統(tǒng)迅速恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。分析其原因，一方面由于IFAS系統(tǒng)的生物量高、污泥負(fù)荷小，優(yōu)于傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)[27]。另一方面由于生物膜為固著生長，遭受沖擊負(fù)荷時(shí)，內(nèi)層的生物膜因有外層膜的緩沖，受到的毒害作用要小，恢復(fù)也快[28]；同時(shí)，IFAS系統(tǒng)中懸浮相和附著相的微生物豐富多樣，且均勻，也有利于其抗沖擊負(fù)荷能力的提高[29]。

2.4 運(yùn)行成本分析

本工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行，無需任何人工維護(hù)和管理。每天的直接運(yùn)行費(fèi)用只有曝氣風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)進(jìn)水提升泵和污泥回流泵等工作產(chǎn)生的電費(fèi)。曝氣風(fēng)機(jī)功率為0.75kW，兩臺(tái)進(jìn)水提升泵的功率均為0.35kW，污泥回流泵功率為0.55kW，其中污泥回流泵每天實(shí)際運(yùn)行時(shí)間合計(jì)1h，電價(jià)按0.60元/kWh計(jì)算，則合計(jì)每天的電費(fèi)(1.45×24+0.55)×0.60=21.21元，其處理成本僅為1.26元/m3。與其他處理技術(shù)相比，傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法處理費(fèi)用昂貴[30-31]，不適于廣泛推廣；組合工藝技術(shù)處理實(shí)驗(yàn)室廢水在處理效果與前期投入方面也存在一些不足。龐志華等人[32]采用了“混凝沉淀-接觸氧化-過濾-人工濕地”組合處理工藝對某環(huán)境科研所分析實(shí)驗(yàn)室廢水處理的運(yùn)行費(fèi)用也保持在1.20元/m3左右，但其前期投入費(fèi)用高，出水受季節(jié)影響波動(dòng)大。因此，IFAS工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水，具有簡單高效、低成本、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

為解決某科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樓實(shí)驗(yàn)室廢水的達(dá)標(biāo)排放問題，本研究通過現(xiàn)場應(yīng)用，對IFAS工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水的可行性進(jìn)行了研究，同時(shí)考察了在2∶1添加條件下系統(tǒng)的處理效果和抗沖擊性能，得出以下結(jié)論：

(1)不同時(shí)段下實(shí)驗(yàn)室廢水的COD濃度變化波動(dòng)大。從平均日變化分析，COD濃度隨著上班時(shí)間的增加而濃度上升；從上班與下班時(shí)間來分析，每天上班時(shí)間實(shí)驗(yàn)室廢水的COD濃度高于下班時(shí)間，周一至周五高于周末休假時(shí)間。

(2)采用添加化糞池污水方式處理實(shí)驗(yàn)室廢水，研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室廢水與化糞池污水在2∶1配比進(jìn)水條件下，有利于對實(shí)驗(yàn)室廢水的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并為實(shí)驗(yàn)室廢水補(bǔ)充了N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，有助于增強(qiáng)IFAS工藝對污染物的去除效果，保障IFAS工藝在實(shí)驗(yàn)室廢水的沖擊負(fù)荷下，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(3)IFAS工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水，反應(yīng)器啟動(dòng)快，第9d開始其出水COD、NH3-N濃度均達(dá)到了《GB8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，其運(yùn)行成本僅需1.26元/m3。因此，該工藝處理實(shí)驗(yàn)室廢水從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

(4)在實(shí)際運(yùn)行中，IFAS系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室廢水COD濃度波動(dòng)和有毒有害物質(zhì)的沖擊時(shí)，出水均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，證明IFAS系統(tǒng)具有良好的耐沖擊負(fù)荷性能。