HAF組合工藝處理化工廢水的中試研究

朱瑞佳，呂國琴，蔡文娟

(1. 甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730020；2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

由于工業(yè)化的發(fā)展，各類化工廢水的排放量也急劇增加，這些化工廢水普遍具有的特點(diǎn)是成分復(fù)雜且含有大量有毒物質(zhì)[1-2]，有機(jī)物種類多、含量高[3]，屬于生物難降解的高濃度有機(jī)廢水[4].目前化工生產(chǎn)廢水處理的主要方法有化學(xué)法、物理法和生物法，其中化學(xué)法主要有混凝法、氧化法等，物理法主要有沉淀法、吸附法、膜分離法等，生物法主要是好氧及厭氧生物處理[5].各種處理方法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中化學(xué)和物理法可以很好地處理甚至回收污染物質(zhì)，如Dou P[6]采用萃取、蒸餾和反滲透組合工藝，對(duì)二甲基甲酰胺廢水進(jìn)行處理，達(dá)到對(duì)二甲基甲酰胺分離與回收的目標(biāo).而生物處理法是利用微生物分解作用對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解.近些年來關(guān)于利用功能菌降解工業(yè)廢水的研究也越來越普遍[7-8].目前由于各種工藝的不斷更新與改進(jìn)，對(duì)化工廢水的處理效果也不斷改善.

本文采用HAF組合工藝對(duì)某化工企業(yè)的生產(chǎn)和清洗廢水進(jìn)行處理，使得出水達(dá)到污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996).該組合工藝采用的主要的工藝設(shè)備有復(fù)合厭氧反應(yīng)器(Hybrid Anaerobic Filter，HAF)、微氧生物反應(yīng)器(Micro-aerobic Biological Reactor，MABR)、流離生物反應(yīng)床(Flow Separate Bed Biological Reactor，F(xiàn)SBBR).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

該化工企業(yè)廢水主要是生產(chǎn)廢水和清洗廢水組成，平均30 t/h左右.根據(jù)廢水特性，本試驗(yàn)進(jìn)水為人工配制，設(shè)計(jì)處理能力為100 L/h(按每天24 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì))，設(shè)計(jì)的進(jìn)水水質(zhì)見表1.

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)流程與裝置

1.2.1 試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)采用HAF組合工藝對(duì)廢水進(jìn)行處理，具體試驗(yàn)流程如圖1所示.因?yàn)閺U水的進(jìn)水偏堿性，可生化性較差，并且廢水中含有難降解物質(zhì)，所以廢水先經(jīng)過曝氣調(diào)節(jié)水解酸化池，均化水質(zhì)調(diào)節(jié)水量，提高B/C，降低pH，為后續(xù)處理提供一個(gè)相對(duì)良好的來水條件.

經(jīng)過預(yù)處理后，廢水的可生化性得到提高，為使出水達(dá)標(biāo)，后續(xù)采用厭氧、鐵碳、厭氧、微氧后好氧加兩級(jí)ICB的工藝.分別采用HAF復(fù)合厭氧反應(yīng)池、MABR微氧生物反應(yīng)器、FSBBR流離生化反應(yīng)池和ICB固定化微生物反應(yīng)器.有機(jī)氮在生化及Fe-C電解條件下均可轉(zhuǎn)化為氨氮，F(xiàn)e-C內(nèi)電解更能提高廢水的可生化性.對(duì)于廢水中的氨氮，一部分在MABR中被去除，另一部分采用好氧反應(yīng)池400%回流至前面的厭氧池加以去除.后面的兩級(jí)ICB反應(yīng)器進(jìn)一步將殘留的少部分難生物降解有機(jī)物及污水中的SS去除，能夠保證出水滿足一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn).

圖1 工藝流程圖

1.2.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置分為兩部分，一為反應(yīng)池，其中包括Echap池、一級(jí)HAF池、Fe-C池和二級(jí)HAF池；二為反應(yīng)桶，包括MABR池、FSBBR池、一級(jí)ICB池和二級(jí)ICB池.各處理單元情況見表2.鐵炭微電解反應(yīng)池內(nèi)置高效鐵炭填料，當(dāng)量直徑為100 mm，填充體積比為20%.一級(jí)HAF反應(yīng)池、二級(jí)HAF反應(yīng)池、MABR反應(yīng)池和FSBBR反應(yīng)池分別內(nèi)置高效生物填料FSB流離生物球，當(dāng)量直徑為100 mm，填充體積比為80%.一級(jí)ICB反應(yīng)器和二級(jí)ICB反應(yīng)器內(nèi)置高效固定化生物填料.

表2 各工藝單元概況表

1.3 水質(zhì)分析方法

試驗(yàn)中各指標(biāo)含量按以下方法進(jìn)行測定：

水溫：溫度計(jì)；pH：pH計(jì).

DO：便攜式溶解氧儀.

CODCr：重鉻酸鉀法.

氨氮：氨氮測量儀.

2 結(jié)果與分析

2.1 滿負(fù)荷連續(xù)試驗(yàn)污染物的去除效果

CODCr和氨氮的去除變化曲線如圖2所示.

圖2 連續(xù)試驗(yàn)后整體工藝對(duì)污染物的去除變化曲線

從圖2可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過滿負(fù)荷運(yùn)行趨于穩(wěn)定后，二級(jí)ICB出水CODCr穩(wěn)定在100 mg/L以下，氨氮濃度穩(wěn)定在15 mg/L以下.從整體趨勢看，CODCr一直呈下降趨勢，雖然進(jìn)水的可生化性很低，但是經(jīng)過較長時(shí)間的厭氧以及鐵碳內(nèi)電解，對(duì)難降解有機(jī)物的開環(huán)、斷鏈?zhǔn)怯行У模瑥亩ＷC了出水CODCr比較穩(wěn)定，并且出水沒有受到進(jìn)水CODCr變化的影響，說明系統(tǒng)的抗沖擊能力較強(qiáng).從氨氮變化曲線看，厭氧和鐵碳內(nèi)電解對(duì)有機(jī)氮的礦化能力很強(qiáng)，使85%以上的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成為氨氮，使二級(jí)HAF出水氨氮濃度達(dá)650 mg/L以上，在MABR池、FSBBR池、一級(jí)ICB反應(yīng)器和二級(jí)ICB反應(yīng)器內(nèi)呈下降趨勢，說明世代時(shí)間長的硝化菌終于繁殖出來，發(fā)生了硝化作用，使氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，并最終通過回流厭氧發(fā)生反硝化以及厭氧氨氧化反應(yīng)，最終除去水中的氮.

2.2 不同處理工藝對(duì)污染物的處理效果

2.2.1 Echap池處理效果

Echap池處理效果見圖3.

圖3 Echap池處理污染物效果圖

由圖3分析得出，Echap池的CODCr去除率基本保持在25%以上，說明Echap池不僅有傳統(tǒng)曝氣調(diào)節(jié)水解酸化池均勻水質(zhì)、調(diào)節(jié)水量的作用，而且對(duì)有機(jī)物的降解也起到了一定作用.廢水進(jìn)入Echap池后，氨氮濃度上升了，說明廢水中的有機(jī)氮被分解成了氨氮，也從側(cè)面證明了Echap池較好的處理效果.同時(shí)由于水解酸化的作用，Echap池出水的pH會(huì)有所降低，為后面的HAF池提供了良好的進(jìn)水條件.

2.2.2 MABR池與FSBBR池處理效果

MABR池與FSBBR池污水處理效果比比較見圖4.

圖4 MABR池與FSBBR池處理污染物的效果圖

由圖4可以看出，二級(jí)HAF池出水經(jīng)過MABR池與FSBBR池處理之后，CODCr穩(wěn)定在600 mg/L上下，而氨氮在200 mg/L.MABR池與FSBBR池的聯(lián)合作用，使CODCr和氨氮的去除率均達(dá)到60%.MABR微氧反應(yīng)器去除氨氮的效果明顯，這是因?yàn)樵谖⒀醴磻?yīng)器中發(fā)生了短程硝化和反硝化、同時(shí)硝化與反硝化的反應(yīng)，表現(xiàn)了MABR微氧反應(yīng)器較好的除氨氮的作用[9].

2.2.3 ICB反應(yīng)器處理效果

ICB反應(yīng)器處理效果見圖5.

圖5 ICB固定化生物反應(yīng)器處理污染物的效果圖

由圖5可以看出，從ICB反應(yīng)器開始運(yùn)行，由于填料的物理吸附作用，在46～48 d出水CODCr很穩(wěn)定，48 d之后，出水CODCr濃度開始上升，出現(xiàn)了填料吸附飽和[10]假象，運(yùn)行到54 d，生物降解作用開始顯現(xiàn)，使吸附在填料表面的有機(jī)物開始被生物降解，并逐漸穩(wěn)定，從而徹底打破該種填料“吸附飽和”的傳統(tǒng)觀念.氨氮在50～54 d之間出現(xiàn)了一個(gè)明顯下降的趨勢，是由于從FSBBR反應(yīng)器內(nèi)流入的硝化菌發(fā)生了硝化反應(yīng)，但之后幾天由于沒有控制好pH，對(duì)硝化作用產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致出水氨氮濃度開始上升.ICB固定化生物反應(yīng)器的CODCr去除效率達(dá)到90%左右，說明該反應(yīng)器的高效生物填料截留有機(jī)物的能力很強(qiáng)，為好氧菌提供了足夠的基質(zhì)和降解時(shí)間.在后期ICB反應(yīng)器出現(xiàn)絲狀菌膨脹現(xiàn)象，所以從圖上可以看到一些起伏，由于控制的及時(shí)，使出水指標(biāo)又回歸穩(wěn)定，經(jīng)過3周左右的時(shí)間，ICB反應(yīng)器可以穩(wěn)定運(yùn)行，出水CODCr達(dá)到100 mg/L以下，氨氮15 mg/L以下.

2.3 溫度對(duì)一級(jí)HAF池處理污染物效果的影響

從圖6可以看出，一級(jí)HAF池的處理效果和溫度有非常大的關(guān)系，如圖6所示.溫度介于15～30 ℃時(shí)，處理效果一般，不能很好地發(fā)揮HAF的作用，而當(dāng)溫度升至35～38 ℃時(shí)，出水CODCr濃度達(dá)到2 000 mg/L左右，氨氮濃度上升至160 mg/L，說明中溫厭氧對(duì)該廢水的處理能夠發(fā)揮更好的作用.

圖6 溫度對(duì)一級(jí)HAF池處理效果的影響

2.4 pH對(duì)Fe-C池處理污染物效果的影響

傳統(tǒng)Fe-C池受pH影響嚴(yán)重[11]，如圖7所示.從圖7可以看出，pH越低，出水CODCr越低，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮的濃度越高，因?yàn)樵趐H低的情況下，所產(chǎn)生的氧化還原電位越高，隨之產(chǎn)生的羥基自由基自然就多，對(duì)有機(jī)物的氧化能力就大.但是，隨pH降低，鐵的消耗也隨之增多，藥劑的投加和填料的補(bǔ)加都增加了運(yùn)行成本.新型Fe-C內(nèi)電解反應(yīng)器處理該廢水，當(dāng)pH在6～8范圍內(nèi)均能達(dá)到很好的處理效果，CODCr的去除率達(dá)到20%左右.由于不用刻意去調(diào)節(jié)pH值，所以省去了藥劑費(fèi)用，并且鐵的消耗明顯變小，鐵碳填料的更新時(shí)間變長，運(yùn)行費(fèi)用自然很低.廢水經(jīng)過新型Fe-C內(nèi)電解反應(yīng)器處理之后，出水清澈透明，是由于鐵碳池內(nèi)的三價(jià)鐵離子的存在，其所產(chǎn)生的絮凝作用使大量的SS被去除.

圖7 pH對(duì)Fe-C池處理污染物的影響

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)經(jīng)過4個(gè)月的時(shí)間，ICB出水的CODCr穩(wěn)定在100 mg/L左右，氨氮穩(wěn)定在15 mg/L以下.在中試過程中，進(jìn)水CODCr濃度雖然總在變化，偶爾也提高進(jìn)水量，但系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，說明系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng).

(2)Echap池對(duì)有機(jī)物的降解有一定的作用.二級(jí)HAF池出水經(jīng)過MABR池與FSBBR池處理之后，CODCr穩(wěn)定在600 mg/L上下，MABR有較好的除氨氮的作用.ICB反應(yīng)器的高效生物填料能夠給好氧菌提供足夠的基質(zhì)濃度，并且提供有效的降解時(shí)間，正好適合處理該種高濃度化工廢水.

(3)溫度對(duì)生化系統(tǒng)的影響較大，尤其是對(duì)厭氧反應(yīng)影響較大，經(jīng)過中試試驗(yàn)證明，厭氧池的溫度應(yīng)保持在35～38 ℃，好氧池不能低于23 ℃.新型Fe-C內(nèi)電解反應(yīng)器在不調(diào)節(jié)pH的情況下，依然能夠保持20%的去除效率，并且沒有太多鐵的消耗.