活性污泥-生物膜共生系统处理炼油废水中试研究

Posted 2023-01-14 填料

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　　某石化企业污水处理场采用A/O2活性污泥法处理炼油废水，排放标准执行GB 8978-1996一级排放标准，其中COD≤60 mg/L、氨氮≤15 mg/L、石油类≤5 mg/L。随着国家对污水排放标准的不断提高及污染物种类和数量的增加，原污水处理厂出水水质已不满足现有标准要求。受池容及结构限制，亟待对现有生物处理系统进行改造。

　　生物膜法能大幅提高反应系统中微生物的浓度及容积负荷，近年来多被应用到活性污泥法工艺中，形成复合式活性污泥-生物膜共生系统强化处理工艺(简称复合式生物系统)，可发挥2种工艺各自的优势〔1〕。该系统的应用对于已运行的污水处理厂改造有重要意义。复合式生物系统的核心是能够形成高污泥浓度的生物膜载体即填料，微生物在填料表面生长的同时，填料在水中充分流化，使得微生物能够有效利用溶解氧及吸收营养物质。国内研究者曾采用焦炭、石英砂、活性炭、陶粒等填料〔2〕，其密度较大，需要较大的动力消耗才能使填料流化。许建民开发的实用新型专利卍字形嵌套填料〔3〕可大大提高复合式生物系统去除有机物和氨氮的能力。

　　笔者在某石化企业进行复合式生物系统中试研究，验证其在污水处理场改造项目中的应用效果。

　　1 项目背景

　　该污水处理场原有工艺流程为：废水经隔油、气浮预处理后进入A/O2生化系统，随后经混凝沉淀处理后出水。原处理量为600 m3/h，生化停留时间25 h。现污水量增加至800 m3/h，且部分设备陈旧，导致出水COD>100 mg/L、氨氮25 mg/L、石油类>4 mg/L，部分指标超出排放标准50%以上。在此背景下开展了复合式生物系统应用于炼油废水的研究，在不改变原污水处理场构筑物且增加水量的情况下，依靠投加填料使出水满足排放标准要求。

　　由于炼油废水含有电脱盐、焦化等污水，含油较高，水样中的油可达100 mg/L以上，最大超过140 mg/L。有研究表明污水中的油<10 mg/L时，对活性污泥性能冲击很小;油在10～20 mg/L左右时有一定冲击，但不影响系统正常运行;含油20～30 mg/L左右时有明显冲击，系统内的活性污泥需要驯化;油>30 mg/L时系统无法正常运行〔4〕。复合式生物系统中形成的生物膜可不断吸附水中的石油类物质，最终在固定相形成油包泥，抑制了微生物的生长。

　　为保证复合式生物系统中微生物的生长环境，研究采用前置排泥技术消除水中溶解油的影响。前置排泥主要特点为：在进水端设置厌氧生物选择区，剩余污泥在此厌氧区进行排放。后段回流的活性污泥在反应初期对水中的油进行吸附，通过排泥将油带走，防止油类在生化反应池内富集，有利于改善后段生化反应环境，保证系统稳定运行。

　　2 试验用水、填料及设备

　　2.1 试验用水

　　中试进水水样为该企业污水处理场的预处理出水，其COD在580～779 mg/L，石油类物质为14.1～23.6 mg/L，氨氮为48.4～70.4 mg/L。

　　2.2 填料

　　采用卍字形嵌套填料，尺寸为25 mm×25 mm×25 mm(如图 1所示)，材质为弹性聚氨酯，实密度0.98 g/cm3，可在正常曝气条件下形成流化。在曝气气泡的搅动下，这种填料会呈现出高速旋转状态，使填料形成自转的同时能够上下翻腾，提高了传质效果;此外该填料有内凹槽通道，大大增加了比表面积，自转可使填料不会堆积结块;在填料高速自转时，填料死膜在水力冲刷及曝气搅动作用力下及时脱落，提高了生物的新陈代谢。

图 1 填料外观

　　该填料可直接投加在反应池中，无需支架固定，且对曝气设备及布气方式等没有特殊要求。

　　2.3 主要设备

　　试验装置采用钢结构集装箱，如图 2所示。

图 2 试验装置

　　其尺寸按原污水处理场水池比例，兼氧槽尺寸1 500 mm×1 000 mm×3 000 mm，一级好氧槽尺寸2 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，一级沉淀槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，二级好氧槽、二级沉淀槽与一级尺寸相同，混凝反应槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm。槽体有效水深2.4 m，一级好氧槽和二级好氧槽填料填充量为有效水深的30%，即0.75 m。

　　系统采用接种形式启动，接种污泥为原污水处理场好氧污泥，其有效菌种接种量为3 g/L。原污水处理场预处理后出水进入兼氧槽，在兼氧槽内进水中的残余油类被一级沉淀槽的回流污泥吸附形成油包泥，通过排泥去除，消除了油类对微生物的抑制作用，向一、二级好氧槽内分别投加卍字形嵌套填料，在形成的复合生物系统中完成有机物及氨氮的去除，二级好氧槽硝化液100%回流一级好氧槽，最后经混凝、沉淀后出水，混凝沉淀时PAC投加量为30 mg/L。中试流程见图 3。

图 3 中试流程

　　2.4 分析方法

　　COD采用重铬酸盐法(GB 11914-1989)测定;氨氮采用蒸馏滴定法(GB 7478-1987)测定;石油类采用红外分光光度法(HJ 637-2012)测定。

　　3 结果与讨论

　　3.1 卍字形填料生物膜的形成

　　中试研究中，卍字形嵌套填料生物膜的培养与形成是在气水比(20～30)∶1、水力停留时间8～12 h、系统连续进水条件下完成的，经过12～15 d后发现大量菌胶团已大量出现，生物膜逐渐形成，20 d后生物膜已基本成熟，轮虫、线虫等后生动物出现。

　　相比悬浮填料处理工业废水时近30 d的成膜时间〔5〕，卍字形嵌套填料的挂膜速度大大提高，与改性PU填料处理生活污水的成膜时间(15 d)相当〔6〕，这是由于卍字形嵌套填料有许多内凹槽，传质距离比起普通方形填料大为减少，提高了传质效率，同时4条内凹槽使得生物启动阶段填料可在无碰撞摩擦的状态下快速挂膜，启动时间减少;卍字形嵌套填料有内外沟槽，提高了填料表面的粗糙度，可减少流体流动相生物膜中细菌细胞所承受的水力剪切力〔7〕，降低了细胞被冲刷的可能性，也有利于填料的初期挂膜。

　　3.2 复合式生物系统的除油能力

　　预处理后的炼油废水含油仍在14～24 mg/L左右，最大达到30 mg/L。在卍字形填料生物膜形成初期，填料外表面包裹一层油膜，抑制了微生物对氧的吸收，导致生物系统启动缓慢甚至停滞;重新进水培养时采用前置排泥技术，即将一级沉淀槽排泥回流至兼氧槽，经过污泥的吸附作用将污油截留后排放，消除石油类对微生物的抑制，好氧槽内填料的挂膜速度迅速提升，微生物生长逐渐达到最佳增殖速度。经此处理后一级好氧槽中的油控制在5 mg/L以下，保证了复合式生化系统的良好运行环境。系统出水石油类在2 mg/L左右，最低可达0.98 mg/L。

　　3.3 运行结果分析

　　采用该中试装置考察了不同进水条件下有机污染物和氨氮的去除效果，连续运行15 d以上，采样频次为1～2次/d，测定结果如下所述。

　　(1)COD去除效果。在进水COD为580～779 mg/L时，混凝沉淀槽出水COD均在50 mg/L以下，去除情况见图 4。如图 4所示，在复合式系统运行开始的3 d内，系统出水COD与原污水场COD接近(100 mg/L左右)，这可能是因为微生物还未完全适应水质条。随着来水不断注入，出水COD逐渐下降，直至稳定在<50 mg/L，COD去除率逐渐提高，基本稳定在90%以上，目前在国内炼油废水的处理项目中很少做到此去除率。这与复合式生物系统中投加的卍字形填料结构密不可分，相比其他悬浮填料，卍字形嵌套填料的比表面积大，能够附着更多的微生物，且其内部多条沟槽对有机物的去除能力很强，对培养长泥龄微生物也有很好的效果。经测定，生物系统内污泥质量浓度可达10 000 mg/L，比普通活性污泥法提高2倍以上。投加生物增效菌种同样可达到提高污泥质量浓度、降低COD的目的〔8〕，但成本相对较高，在污水处理厂的应用范围有限。

图 4 复合式生物系统对COD的去除效果

　　(2)NH3-N去除效果。图 5为复合式生物系统对NH3-N的去除效果。

图 5 复合式生物系统对NH₃-N的去除效果

　　由图 5可知，在复合式系统运行的前5 d，出水氨氮不稳定且在10 mg/L以上，超出标准要求，与COD去除情况类似。当微生物适应来水水质后，系统出水氨氮逐渐稳定在8 mg/L以内，氨氮去除率在88%以上。由此说明投加卍字形生物填料的复合式生物系统对炼油废水氨氮有良好的去除效果。

　　(3)其他污染物去除效果。投加卍字形嵌套填料的复合式生物系统除对COD、NH3-N有较好的去除效果外，对其他污染物的去除同样有效，石油类 < 3 mg/L，挥发酚、硫化物的去除率也在60%以上。。

　　4 结论

　　卍字形嵌套填料具有比表面积大、挂膜快、流化状态好等特点，对形成的生物膜及活性污泥复合生物系统有良好的有机物及氨氮去除效果。同时采用前置排泥技术也为复合式生物系统的稳定运行提供了良好的水质环境。中试结果表明，填料投加率为30%、水力停留时间为18 h的工况下，当进水COD为 580～779 mg/L、氨氮为 48.4～70.4 mg/L、石油类为 14.1～23.6 mg/L时，出水COD < 50 mg/L、氨氮<8 mg/L、石油类<3 mg/L，对挥发酚及硫化物的去除率也在60%以上。与传统活性污泥法相比，该系统内污泥质量浓度提高了2倍以上;与普通悬浮填料形成的复合生物系统相比，其处理炼油废水的停留时间更短，效率更高。该中试研究结果可为炼油污水处理厂的改建提供理论依据和试验支持。