造紙與化工混合污水處理生化動(dòng)力學(xué)研究

韓明月

（遼寧中咨華宇環(huán)保技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

引言

由于造紙、化肥、農(nóng)藥和化工等行業(yè)的廢水組成都相當(dāng)復(fù)雜，尤其是在某些行業(yè)，廢水中的某些元素的濃度非常高，而且還沒有其他的營(yíng)養(yǎng)元素，這使得處理這些行業(yè)的廢水變得困難。比如，在制作紙張的過程中，由于缺少氮和磷，須添加其他的營(yíng)養(yǎng)元素，這會(huì)導(dǎo)致處理的花費(fèi)提升。另一方面，有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的磷含量非常高，須先將其稀釋33倍，然后才能添加碳和氮來進(jìn)一步處理，這樣的處理過程會(huì)產(chǎn)生巨大的花費(fèi)。目前，對(duì)于化肥工業(yè)的氨氮廢水，還沒有一種完善的處理手段。若某個(gè)地方有多家公司，則將其納入集中化的污水處理過程，既能彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，也能克服單獨(dú)處理的困擾，從而降低管理成本。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 污水的來源和特征

某化學(xué)工業(yè)園區(qū)采集的實(shí)驗(yàn)廢水，主要來源于染料、農(nóng)藥和其他微型化學(xué)制劑的制造流程，這些廢水被稱為混合型的化學(xué)廢水［1］。這些廢水呈現(xiàn)出較深的顏色，含有大量的有害且難以降解的有機(jī)物，并且種類繁多，其組成部分涵蓋了苯、甲苯、苯酚、硝基苯、苯甲酸、萘、蒽醒以及與之對(duì)應(yīng)的衍生物。

1.2 試驗(yàn)工藝流程與設(shè)施

圖1 展示了實(shí)驗(yàn)的流程以及關(guān)鍵的設(shè)備。在進(jìn)行生物化學(xué)處理時(shí)，主要的接觸氧化池是一個(gè)推流式矩形池，它的規(guī)格是60 cm×20cm×25cm（不包括二沉池的部分），在去掉了填充物的10%的容量以及超出的3 毫米的高度后，它的實(shí)際容量是24升。采用的填料是軟性籠式纖維，它的原料是高醛化度的聚乙稀維綸絲，具有優(yōu)秀的生物膜粘接性，并且對(duì)沖擊負(fù)載有很好的抵抗，使得系統(tǒng)的運(yùn)作十分穩(wěn)健。填料的儲(chǔ)存容量達(dá)到24L，其相對(duì)于地面的表面積達(dá)到2472 m2/m3，而且整個(gè)填料的總表面積達(dá)到了59.3 m2。采取微孔曝氣器對(duì)填充物的底部施加鼓吹曝氣。

圖1 小試工藝流程圖

1.3 分析方法

針對(duì)處理系統(tǒng)的CODe、BOD5、pH、色度、MLSS.MLVSS 等水質(zhì)參數(shù)的檢驗(yàn)，采用了如下的實(shí)驗(yàn)步驟：CODer 采用的是快速的重鉻酸鉀法；BOD則是通過標(biāo)準(zhǔn)的稀釋法；pH 則是使用pH 的精確測(cè)定工具；色度則是通過稀釋倍數(shù)法；MLSS 則是通過烘干法來計(jì)算；MLVSs 則是通過灼燒法來計(jì)算；至于污泥的濃度，選擇了具有代表性的填充材料，然后使用蒸餾水清潔了生物膜，并將其烘干后計(jì)算出的生物量與反應(yīng)器的總填充材料數(shù)相乘。將反應(yīng)器的有效容量減去后，就可得出結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 生化預(yù)處理部分

由于此污水的pH 值波動(dòng)較大，因此首先需建立一個(gè)中和池，使pH 值在6 ～ 9 之間。同時(shí)，由于原水的含量偏高，其顏料主要為膠態(tài)，為了消除這類具有疏水特征的顏料，采用凝結(jié)沉積法是一個(gè)可行的方案［2］。此外，此方法在清除水中的不溶性微粒方面表現(xiàn)出良好的效果，因此決定采用混凝沉淀的預(yù)處理技術(shù)。在挑選混凝劑的過程中，首先需關(guān)注的是水的品質(zhì)以及pH 值的變化。鑒于原始水的特點(diǎn)與染料廢水相似，過去已經(jīng)有研究表明，硫酸亞鐵加氫氧化鈣能夠成功地將活性染料廢水轉(zhuǎn)化為無色，且轉(zhuǎn)化效率極高。因此，決定采取這種方式來實(shí)施生化預(yù)處理，同時(shí)也對(duì)其最優(yōu)的投加劑量做出了實(shí)驗(yàn)。

以下是實(shí)驗(yàn)流程：首先，從六個(gè)燒杯里各提取1000 ml 的新鮮水，然后分別添加適當(dāng)數(shù)量的硫酸亞鐵，并對(duì)它們進(jìn)行混合。在混合過程中，先用高速攪動(dòng)一分鐘，然后用低速攪動(dòng)三分鐘，最終在十分鐘的時(shí)間里，倒入20 ml 的石灰水，接著繼續(xù)用低速攪動(dòng)十分鐘。經(jīng)過兩個(gè)小時(shí)的靜止，使用針筒采集了上層的溶液進(jìn)行了樣品的分析。根據(jù)這個(gè)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投藥劑量是100 mg/l，色度去除率幾乎沒有改變；然而，CODe 的去除率在200 mg/l 的情況下達(dá)到了頂峰，但是，如果繼續(xù)加大投藥劑量，去除率卻會(huì)逐漸減少?？赡艿脑蛟谟冢?dāng)混凝劑的使用量超標(biāo)，導(dǎo)致了膠體顆粒的“再穩(wěn)”。鑒于經(jīng)濟(jì)效益，F(xiàn)eSO4 的投藥量被確定為150 mg/l。在未來的操作中，將遵循此最優(yōu)的投藥量進(jìn)行。

2.2 生物膜的培養(yǎng)和馴化

在小試階段，首先進(jìn)行了曝光處理，然后逐漸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)培育。從南通的一家污水處理廠獲得10 升的回流污泥（SS=3055 mg/lvss=2096 mg/l，vss/sS=0.686），經(jīng)過兩小時(shí)的沉淀處理，然后將其上層的液體丟掉，最終將這些沉積的污泥注入到了池塘里，用于制備菌株。將少量的混合化學(xué)廢水、淘米水和河水按照特定的比率配置，初始的比率是1 ∶1 ∶8。此外，還需添加特定濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽（BOD;：NP=200 ∶5 ∶1）來增加微生物的繁殖能力。在完成曝氣池的攪動(dòng)后，可得到曝氣池內(nèi)的COD.（ph 值）的濃度達(dá)到676 mg/l。經(jīng)過調(diào)整供氣量，使得水中的溶解氧維持在4.0 mg/l 的范圍內(nèi)。經(jīng)過24 小時(shí)的曝光處理，能夠清晰地看到軟質(zhì)纖維填充物上的污垢，并且在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了一些菌膠團(tuán)，其顏色為灰黑色。在此期間，會(huì)每24 小時(shí)更換一次水，逐漸增加混合化學(xué)廢水的比例，直到達(dá)到100%，并且會(huì)對(duì)其進(jìn)行微生物的顯微鏡檢查。在7 天后，填充的生物膜變得更加緊湊，顏色由綠變?yōu)榱俗亍Ｍㄟ^顯微鏡觀察，可看到大量的活躍的原生動(dòng)物和藻類，包括鐘蟲、漫游蟲、蓋纖蟲、等枝蟲、草履蟲等。兩周后，顯微鏡下觀察到少量的后生動(dòng)物，尤其是線蟲，此時(shí)的出水質(zhì)量達(dá)到了清澈，CODer 的去除率也達(dá)到了70%。這說明馴化工作已經(jīng)完成，并且開始正常運(yùn)行。

2.3 停留時(shí)間的影響

在特定環(huán)境中，微生物如何氧化有機(jī)物，主要依賴于它們和污水的接觸時(shí)長(zhǎng)。為了確保這個(gè)關(guān)鍵因素的準(zhǔn)確性，從1998 年11 月中旬至1999 年5 月期間，對(duì)污水在氧化池中的滯留時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了研究，以探究它們?nèi)绾斡绊憙艋?。?shí)驗(yàn)環(huán)境是：8 ～ 22℃的溫度范圍；DO 濃度在3 ～ 4 mg/l 之間；空氣和水的比例在80 ～ 100 ∶1 之間。

CODer 和BODs 的清除率會(huì)因?yàn)槲鬯诔刂械臏魰r(shí)長(zhǎng)而提高。如果滯留時(shí)長(zhǎng)不足24 小時(shí)，那么其清潔效率就會(huì)下降［3］。這說明，使用生物方式來處理混合型的化學(xué)廢水，須有足夠的滯留期。如果滯留期超過30 個(gè)小時(shí)，CODer 的清除率將會(huì)達(dá)到50%或更高。在此實(shí)驗(yàn)中，將最長(zhǎng)的停留時(shí)間設(shè)定為60 小時(shí)，此時(shí)CODe 的去除率能夠提高至63.2%。然而，當(dāng)停留時(shí)間增加時(shí)，CODer、BODs的去除率并未有太大提升。因此，在考量到處理成本以及運(yùn)營(yíng)開銷后，建議將停留時(shí)間設(shè)定在36小時(shí)。

2.4 有機(jī)負(fù)荷率與出水的關(guān)系

隨著負(fù)荷的增加，COD 的含量也會(huì)相應(yīng)提升。但是，如果COD 的含量超標(biāo)，其去除率會(huì)降低，從而導(dǎo)致出水中攜帶的污泥數(shù)量增加。因此，在決定負(fù)荷時(shí)，需考慮到處理工程的具體需求。這樣做的目的是避免CODe 和濃度過高的情況對(duì)生物反應(yīng)器產(chǎn)生影響，同時(shí)也能降低占地面積，節(jié)省投入，因此，建議使用更大的容積進(jìn)行操作。而在另一個(gè)角度看，如果期待得到的是優(yōu)良的出水水質(zhì)，以及更高的去除率，那么就需避免使用太大的負(fù)荷。根據(jù)圖表，為了實(shí)現(xiàn)CODe 的目標(biāo)，去除率需超過50%，BOD5 的去除率需達(dá)到80%，同時(shí)CODe 的負(fù)載需低于0.72kgCODex/m3d 以及0.061 kgCODer/kg 的污泥d。BODs 的承載能力應(yīng)低于0.17kgBODs/m3d 以及0.O14kgBODs/kg 的污泥d。

2.5 池中污泥狀況

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，觀察到池內(nèi)的生物濃度達(dá)到了11.9 g/l，表明其生物數(shù)量相當(dāng)豐富。在顯微鏡下觀察，看到了生物膜表面的菌膠團(tuán)緊密。同時(shí)，也注意到了大批的活躍的原生動(dòng)物和后期的生態(tài)系統(tǒng)，這些都表明了污泥具備處理該類型的廢水的能力，并且能夠確保排放的水質(zhì)始終處于穩(wěn)定且優(yōu)秀的狀態(tài)。經(jīng)過半年的實(shí)驗(yàn)，所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)都保持了穩(wěn)定。

3 生態(tài)組合池混合污水處理工藝

3.1 生態(tài)組合池工藝說明及機(jī)理分析

3.1.1 工藝說明

生態(tài)混合池的技術(shù)體系包括了處理部分、絮狀沉淀部分和穩(wěn)定部分，并配備了生化混合部件、供水系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泥沙排放系統(tǒng)和植被浮動(dòng)塔。從底部到頂部，處理部分被劃分為污泥穩(wěn)定層、厭氧層、缺氧層、好氧層和出水層。請(qǐng)參閱圖2 了解生態(tài)混合池的制作流程。

圖2 生態(tài)組合池工藝系統(tǒng)

污水是由多個(gè)布水點(diǎn)，位于處理區(qū)的池底，通過一個(gè)布水系統(tǒng)，從下往上，順序穿越了污泥穩(wěn)定層、厭氧層、缺氧層、好氧層和出水層［4］。然后，這些污水會(huì)在池的頂部的出水層中，以不同的方式循環(huán)流動(dòng)，最終穿越多個(gè)缺氧和好氧的階段，離開了處理區(qū)。接著，它們會(huì)自行流到絮凝反應(yīng)區(qū)，并添加絮凝劑。最終，這些反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)通過穩(wěn)定區(qū)，流向生態(tài)組合池。

3.1.2 工藝去除機(jī)理分析

采取生態(tài)組合池技術(shù)的凈化方法，其核心原則就是利用生物與環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)來清潔廢水。多種微生物能夠?qū)⒂泻Φ挠袡C(jī)物質(zhì)，如懸浮活性污泥、粘附的生物膜及植物的根系微生物等進(jìn)行清除。而大型顆粒與懸浮物的無機(jī)成分則會(huì)先行沉淀并保留在污泥穩(wěn)定層，而懸浮物的有機(jī)成份及其他大多數(shù)的生化污泥則會(huì)在沉淀的過程中經(jīng)歷厭氧的消化和分解，而其所釋放出的惡臭則會(huì)在其上升的階段由微生物與植物以“生物凈化濾池”的方式進(jìn)行吸收與分解。生物脫氮是主要的脫氮手段，它不僅包括常規(guī)的硝化反硝化技術(shù)以及植物的氮吸收能力，還包括整體的生態(tài)混合池的局部氧氣分布的不平衡以及生物膜微環(huán)境中的溶解氧梯度，這些都有助于加強(qiáng)同步進(jìn)行的硝化反硝化技術(shù)的生物脫氮效果。磷的去除主要依賴于化學(xué)方法，并且需依賴于植物的磷吸收能力。為了實(shí)現(xiàn)富磷污泥的沉積，會(huì)在絮凝反應(yīng)區(qū)內(nèi)添加化學(xué)藥品。這些污泥會(huì)被最后的排放系統(tǒng)所處理。此外，還能夠在進(jìn)水的計(jì)量分配管道中選擇添加絮凝劑，而一些磷則會(huì)被儲(chǔ)存在污泥的穩(wěn)定層中。

3.1.3 生態(tài)組合池污水處理工藝優(yōu)化

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，觀察到生態(tài)組合池工藝的優(yōu)勢(shì)包括高凈化效率、優(yōu)良的出水品質(zhì)、低廉的運(yùn)營(yíng)成本、抵抗沖擊的能力、減少的污泥數(shù)量、微小的處理異味以及良好的工廠環(huán)境。同時(shí)，也注意到在冬季低溫的條件下，尤其是當(dāng)進(jìn)水的總氮含量超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，出水的總氮含量也會(huì)超標(biāo)。在試運(yùn)行階段，如果進(jìn)水濃度的波動(dòng)較大，需手動(dòng)調(diào)整供氣的分配量。此外，由于絮凝反應(yīng)區(qū)底部的區(qū)域，導(dǎo)致了絮凝劑投加點(diǎn)后段的富磷污泥無法及時(shí)排出。

結(jié)語

在挑選污水處理廠的處理方法時(shí)，須全面評(píng)估諸如技術(shù)、項(xiàng)目成本、運(yùn)作成本以及其對(duì)附近環(huán)境的效果等關(guān)鍵元素。通過參照城市公共設(shè)施與制造業(yè)園區(qū)的污水處理項(xiàng)目的具體案例，詳細(xì)解釋了生態(tài)混凝土池的工作過程，并研究了項(xiàng)目的運(yùn)作狀況。可對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，包括擴(kuò)大混合液的回流路徑，改善水分配與供應(yīng)系統(tǒng)，新增鋼筋混凝土的沉積池，安裝排泥管線，同時(shí)保證定時(shí)的排泥接頭，以降低穩(wěn)定區(qū)的深度。