曝氣生物濾池如何深度處理印染廢水

　　印染廢水是色度高、 可生化性差、 水質(zhì)水量波動(dòng)大的一類工業(yè)廢水. 印染行業(yè)廢水的80%為紡織廢水. 2008年紡織工業(yè)廢水排放量23億t，居各工業(yè)行業(yè)第3位，占全國(guó)工業(yè)廢水排放量的10.60%[1]. 紡織工業(yè)排放廢水中化學(xué)需氧量(COD)排放量31.4萬(wàn)t，居各工業(yè)行業(yè)第4位，占全國(guó)工業(yè)廢水COD的7.76%. 廢水排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，其污水處理廠排放廢水要求由城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002) 中的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)提升到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要水質(zhì)問(wèn)題是該廠出水COD和色度難以達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，急需一種對(duì)其出水可以進(jìn)行有效處理的工藝.

　　曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF)是一種運(yùn)行穩(wěn)定、 占地面積小、 水力停留時(shí)間短，對(duì)于深度處理十分有效的污水處理工藝，對(duì)于低濃度難降解污水有進(jìn)一步的去除效果[2,3,4,5,6]. 筆者前期試驗(yàn)采用活性炭以及陶粒處理該廠二級(jí)生物處理廢水，其中陶粒運(yùn)行效果不佳，而活性炭應(yīng)用于處理十分有效，但是活性炭?jī)r(jià)格昂貴、 再生困難[7]. 希望能夠用價(jià)格低廉、 輕型的懸浮填料替代活性炭. 本研究在相同的條件下使用大小和材質(zhì)有差異的活性炭和懸浮填料兩種生物填料BAF對(duì)印染廢水進(jìn)行深度處理，對(duì)比考察了BAF在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沿程的污染物濃度變化規(guī)律，探討懸浮填料替代活性炭的可行性，以期為降低濾池成本、 優(yōu)化濾池結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持.

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)用水

　　某污水處理廠主要處理數(shù)十家以印染企業(yè)為主的生產(chǎn)廢水. 本研究以污水廠二級(jí)生物處理經(jīng)過(guò)石英砂濾池過(guò)濾后的出水作為原水，其COD、 色度、 TN和氨氮分別為46.3~65.8 mg ·L-1、 54~80倍、 3.6~10.1 mg ·L-1和0.3~0.7 mg ·L-1. 該污水廠水質(zhì)主要問(wèn)題是COD和色度不能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，即COD小于50 mg ·L-1，色度小于30倍. 1.2 試驗(yàn)裝置與方法

　　兩套曝氣生物濾池試驗(yàn)裝置如圖 1所示，該污水處理廠生化處理采用CASS工藝，CASS出水經(jīng)潛水泵打入前端石英砂濾池，去除懸浮物質(zhì)以方便準(zhǔn)確進(jìn)行沿程試驗(yàn)研究，同時(shí)減少后續(xù)BAF處理負(fù)荷和減緩反沖洗頻率. 再經(jīng)抽濾泵抽吸，均以15 t ·d-1的流量并聯(lián)流入活性炭BAF和懸浮填料BAF，水力停留時(shí)間分別為1 h和2 h，溶解氧均控制在4 mg ·L-1左右. 最后經(jīng)過(guò)兩套BAF處理排出. 濾池反沖洗采用“氣沖 (氣沖+水沖) 水漂洗”的方式. 先氣沖10 min，再氣水聯(lián)合沖洗10 min，最后水漂洗5 min的方式. 中試裝置從10月下旬至次年1月中旬連續(xù)通水運(yùn)行80 d. 運(yùn)行前30 d視為掛膜啟動(dòng)階段. 第31 d開(kāi)始連續(xù)監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)，評(píng)估BAF沿高程的凈化效果，沿程試驗(yàn)期間水溫為15~20℃.

　　圖 1 試驗(yàn)裝置

　　兩個(gè)BAF尺寸為��700 mm×H5350 mm，卵石承托層高300 mm，填料填裝厚度為2100 mm，水位高度為2700 mm. BAF沿程各設(shè)9個(gè)取樣口，每個(gè)取樣口相隔300 mm，水流上進(jìn)下出. 其中活性炭BAF濾料處于600~2700 mm; 懸浮填料BAF由于曝氣時(shí)呈完全流化狀態(tài)，濾料布滿整個(gè)濾池. 1.3 填料選擇

　　BAF所采用的煤質(zhì)活性炭和中空改性塑料懸浮填料如圖 2所示. 其主要性能參數(shù): 煤質(zhì)活性炭尺寸0.5 mm，孔隙率50%~55%，堆積密度350 kg ·m-3，比表面積為960 m2 ·g-1; 中空改性塑料懸浮填料尺寸20 mm，孔隙率97%，堆積密度71 kg ·m-3，比表面積為140 m2 ·m-3. 對(duì)于采用大小和材質(zhì)有差異的填料，主要控制相同的填充率來(lái)運(yùn)行[8,9]. 本試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)BAF采用相同的填充厚度，即2100 mm填料. 所采用活性炭屬于微觀比表面填料[10]，懸浮填料屬于表觀比表面填料[11]，雖然它們的比表面積相差較大，但是后者表面組成幾乎是有效的，利于微生物生長(zhǎng)[12]. 且所選用的懸浮填料尺寸適中，改性塑料材質(zhì)填料去污能力強(qiáng)、 表面親水性強(qiáng)、 投資運(yùn)行成本低.

　　圖 2 活性炭和懸浮填料

　　1.4 分析方法

　　常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)采用文獻(xiàn)[13]的方法測(cè)定; UV254采用紫外分光光度法; 濁度采用濁度儀. 生物量同步采用脂磷法[14]和稱重法測(cè)定. 脂磷法根據(jù)文獻(xiàn)中的方法，結(jié)果以nmol ·g-1(干重填料)表示,1 nmol ·g-1相當(dāng)于含有108個(gè)大腸桿菌. 稱重法步驟：取適量填料和空白填料放入已烘干稱重的稱量瓶中，在105℃的烘箱烘干、 冷卻和稱重(干重填料)，結(jié)果以g ·g-1表示. 試驗(yàn)期間共進(jìn)行沿程測(cè)試3次，每次間隔20 d，具有一定代表性.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 沿程COD的變化

　　運(yùn)行前30 d視為掛膜啟動(dòng)階段,31 d開(kāi)始連續(xù)監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)，濾池進(jìn)水COD為47.9~52.5 mg ·L-1，平均為50.2 mg ·L-1. 兩BAF沿程上對(duì)COD的去除效果如圖 3所示. 經(jīng)活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后出水COD均有所下降，分別為33.2~36.7 mg ·L-1和42.4~46.2 mg ·L-1，平均分別為35.0 mg ·L-1和44.3 mg ·L-1.

　　圖 3 沿程COD變化情況

　　活性炭BAF中0~600 mm段中，氣流作用帶起少量活性炭，結(jié)合此段生物量可知，由于生物量較少COD僅有少量去除. 活性炭BAF的COD濃度在600~1500 mm段下降較為明顯，在1500 mm處COD去除率為17.9%，1500 mm之后COD濃度仍有一定的下降，下降趨勢(shì)變緩，最終出水COD去除率為30.3%，這與一些學(xué)者的研究結(jié)論相似[15,16]，主要是由于進(jìn)水端有機(jī)物濃度較高、 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、 異養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì)，加上活性炭填料本身的吸附和截留作用，所以在進(jìn)水端COD降解較為明顯，在1500 mm之后有機(jī)物濃度逐漸降低，硝化細(xì)菌等自養(yǎng)菌含量較異養(yǎng)菌處于劣勢(shì)，COD降解速率逐漸變緩慢; 懸浮填料BAF的COD隨著沿程的增加僅有少量去除效果，在2400 mm處可穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，COD去除率為11.0%，最終COD去除率僅為11.8%. 懸浮填料BAF的COD去除效果不佳主要由于懸浮填料在曝氣狀態(tài)下呈完全流化狀態(tài)，填料擾動(dòng)較大，生物量較少. 此外原水經(jīng)過(guò)了石英砂濾池處理，其減少了懸浮填料BAF有機(jī)物的濃度. 活性炭BAF較懸浮填料BAF在整個(gè)沿程COD去除效果更好，在沿程≥1500 mm時(shí)，活性炭BAF的COD出水濃度能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)50 mg ·L-1，懸浮填料BAF在≥2400 mm能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn). 說(shuō)明懸浮填料對(duì)于去除COD效果較活性炭低，但在本試驗(yàn)進(jìn)水COD濃度較低時(shí)，可以達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，在COD去除效果上可以替代活性炭.

　　鄒士洋等[17]的研究表明3種懸浮填料比表面積依次為236 m2 ·m-3,360 m2 ·m-3,470 m2 ·m-3時(shí),比表面積更高的填料出水有機(jī)物去除能力更好. 陳月芳等[18]采用3種不同比表面積填料也驗(yàn)證了比表面積更高的填料有機(jī)物去除能力更高. 本研究中懸浮填料尺寸20 mm，單位容積比表面積僅為140 m2 ·m-3，若增加填料比表面積出水有機(jī)物去除能力有可能會(huì)得到提高. 2.2 沿程色度的變化

　　運(yùn)行期間，BAF沿程上對(duì)色度的去除效果如圖 4所示. 該廠出水經(jīng)石英砂濾池處理后色度幾乎無(wú)去除效果，主要由兩個(gè)BAF去除，進(jìn)水色度為51~65倍，平均為58倍. 經(jīng)活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后色度分別為15~20倍和23~28倍，平均分別為18倍和26倍.

　　圖 4 沿程色度變化情況

　　兩個(gè)BAF在整個(gè)沿程上對(duì)色度都有較為明顯的去除. 活性炭BAF在沿程各個(gè)階段均有較好去除效果，在2100 mm之后去除效果略有降低，其色度在沿程≥1800 mm時(shí)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，在1800 mm處色度去除率為55.2%，最終出水色度去除率為69.0%; 懸浮填料BAF在沿程對(duì)色度也有較好的去除效果，在沿程1500 mm之后去除效果略有降低，在沿程≥2400 mm時(shí)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求，在2400 mm處色度去除率為51.7%，最終出水色度去除率為55.2%. 目前，對(duì)曝氣生物濾池沿程中色度變化的研究較少，且多以活性炭為主去除色度. 文獻(xiàn)[19,20,21]用懸浮填料反應(yīng)器處理有色廢水，發(fā)現(xiàn)對(duì)廢水的色度有很好的去除效果. 需要指出的是，本試驗(yàn)中懸浮填料BAF處理印染廢水二級(jí)生物處理出水，色度從58倍降到26倍，去除率達(dá)到55.2%，說(shuō)明本試驗(yàn)中的懸浮填料對(duì)色度也有很好去除效果，而且價(jià)格低廉，有很好的開(kāi)發(fā)前景，可以用來(lái)代替活性炭去除一些色度超標(biāo)的廢水. 2.3 沿程TN的變化

　　運(yùn)行期間，BAF沿程上對(duì)TN的去除效果如圖 5所示. 進(jìn)水TN濃度為4.4~5.9 mg ·L-1，已達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)15 mg ·L-1的要求. 經(jīng)活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后 TN濃度平均分別下降至3.2~3.6 mg ·L-1和2.8~3.7 mg ·L-1.

　　圖 5 沿程TN變化情況

　　活性炭BAF在沿程≤1500 mm時(shí)TN去除效果明顯，主要是由于活性炭填料沉于濾池底部，曝氣時(shí)濾池底部溶解氧高，濾池上部溶解氧低所致，當(dāng)沿程≥1500 mm時(shí)TN去除效果放緩. 懸浮填料BAF在沿程上TN去除效果與活性炭BAF趨勢(shì)大致相同. 懸浮填料BAF在沿程≤900 mm時(shí)TN去除效果明顯，當(dāng)沿程≥900 mm時(shí)TN去除效果放緩. TN濃度的下降說(shuō)明活性炭BAF中除了少量同化作用外還存在一定量反硝化現(xiàn)象. 一些研究[22,23,24,25]發(fā)現(xiàn)硝化和反硝化可同時(shí)進(jìn)行，認(rèn)為對(duì)于一定厚度的生物膜，氧只能滲透到填料外層的某一深度，即外層為好氧層，發(fā)生硝化反應(yīng)，內(nèi)層為缺氧層，反硝化菌利用硝化菌產(chǎn)生的硝酸鹽進(jìn)行脫氮.

　　值得一提的是，懸浮填料BAF去除效果主要集中在進(jìn)水端，這對(duì)于處理TN高的廢水有一定的指導(dǎo)意義. 于鵬飛[26]研究表明內(nèi)循環(huán)懸浮填料對(duì)TN去除率最高可達(dá)92%，本試驗(yàn)懸浮填料BAF的TN去除效果與活性炭BAF相仿，但去除率不高，主要是由于懸浮填料孔徑大，擾動(dòng)較大，氧傳質(zhì)效率高，導(dǎo)致厭氧條件不足，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量改變其擾動(dòng)方式，可能會(huì)提高TN的去除效果. 2.4 對(duì)氨氮的去除

　　運(yùn)行期間，進(jìn)水氨氮為0.47~0.59 mg ·L-1，已經(jīng)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)5 mg ·L-1的要求. 活性炭BAF和懸浮填料BAF出水氨氮分別為0.28~0.35 mg ·L-1和0.40~0.45 mg ·L-1. 活性炭BAF在沿程≤1500 mm時(shí)氨氮降解趨勢(shì)緩慢，是由于進(jìn)水端有機(jī)物濃度較高，異養(yǎng)菌較硝化細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，在沿程≥1500 mm時(shí)氨氮降解趨勢(shì)明顯，是由于隨著沿程的增加，硝化細(xì)菌較異養(yǎng)菌逐漸占優(yōu)勢(shì). 懸浮填料BAF降解趨勢(shì)與活性炭BAF類似，在沿程≤1500 mm時(shí)氨氮降解趨勢(shì)緩慢，在≥1500 mm時(shí)氨氮降解趨勢(shì)明顯，懸浮填料呈完全流化狀態(tài)，氨氮去除效果略低于活性炭BAF.

　　曝氣生物濾池內(nèi)部由于無(wú)污泥，其微生物主要附著在填料生物膜上，世代較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌也得以繁殖，故曝氣生物濾池對(duì)氨氮有較好去除效果. 在氨氮濃度低于1 mg ·L-1時(shí)，活性炭BAF和懸浮填料BAF對(duì)氨氮都有一定的去除效果，根據(jù)羅榮強(qiáng)等[27]的研究，氨氮主要先吸附在填料上，再由填料表面生物膜上的硝化細(xì)菌去除，由于活性炭填料吸附性能大于懸浮填料，故活性炭BAF對(duì)氨氮去除效果略高于懸浮填料BAF. 2.5 沿程UV254的變化

　　運(yùn)行期間，UV254通常表征具有苯環(huán)的芳香族化合物或含共軛雙鍵的一類有機(jī)物，可以作為總有機(jī)碳(TOC)、 溶解性有機(jī)碳(DOC)以及三鹵甲烷(THMs)的前驅(qū)物等指標(biāo)的替代參數(shù)[28]. 試驗(yàn)期間沿程UV254變化如圖 6所示. 進(jìn)水UV254為0.606~0.658 cm-1，經(jīng)活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后分別下降至為0.436~0.437 cm-1和0.560~0.613 cm-1.

　　圖 6 沿程UV254變化情況

　　值得注意的是，活性炭BAF在沿程≤1800 mm對(duì)UV254有很好去除效果，在1800 mm之后去除效果逐漸變緩慢. 由于UV254在一定程度上可以表征有機(jī)物，活性炭BAF中UV254的沿程變化規(guī)律對(duì)有機(jī)物去除有一定的參照意義. 李俊生[29]在用活性炭BAF深度處理染紗廢水的研究中發(fā)現(xiàn)，顆粒活性炭對(duì)棉紗染色廢水二級(jí)處理出水的有機(jī)物UV254吸附能力較好. 其吸附等溫式為q=14.3913ce0.5272，吸附曲線其相關(guān)性較好，故活性炭BAF因?yàn)榛钚蕴康奈�附作用在沿程上�?duì)UV254有持續(xù)的降解作用，而懸浮填料BAF的懸浮填料吸附性能相對(duì)較弱，對(duì)UV254去除效果較差. 2.6 BAF沿程生物量變化

　　運(yùn)行期間，同步采用脂磷法和稱重法兩種方法測(cè)定同一填料生物量，懸浮填料BAF由于呈完全流化狀態(tài)，以平均生物量表示. 活性炭BAF沿程生物量變化如表 1所示，脂磷法和稱重法測(cè)量的生物量沿程變化趨勢(shì)一致，隨著沿程變化生物量先增加后降低，在沿程1800 mm處達(dá)到最大值23.0 nmol ·g-1，整個(gè)沿程平均生物量為16.4 nmol ·g-1.

　　表 1 活性炭BAF沿程生物量變化

　　沿程≤900 mm時(shí)活性炭生物量較低，從300、 600和900 mm處取出的填料可以看出，生物膜較薄，手觸滑膩感較低，是由于曝氣時(shí)氣泡隨著高度增加體積逐漸增大，在濾池上端時(shí)對(duì)活性炭填料擾動(dòng)較大，此外水流的作用使得濾池上層擾動(dòng)大，水流與氣泡的剪切力共同作用所致. 而沿程≥1800 mm時(shí)生物量逐漸降低，是由于有機(jī)物濃度的逐漸被降解，微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也逐漸降低所致. 一些學(xué)者[30,31,32]對(duì)曝氣生物濾池沿程的生物量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)沿水流方向生物量和生物活性逐漸減小，進(jìn)水端生物量較高，且有機(jī)物濃度對(duì)于生物量和生物活性的大小有很大影響. 文獻(xiàn)中主要是針對(duì)上向流曝氣生物濾池而言，而對(duì)下向流曝氣生物濾池沿程試驗(yàn)的研究較少，本試驗(yàn)采用的是下向流的曝氣生物濾池，而且中試進(jìn)水流量較大，水流對(duì)填料沖擊影響較大，導(dǎo)致進(jìn)水端生物量較低.

　　懸浮填料可形成較豐富的生物膜[33,34]，而本研究中懸浮填料BAF中填料的平均生物量?jī)H為2.3 nmol ·g-1，遠(yuǎn)低于活性炭BAF的生物量，主要是因?yàn)閼腋√盍洗植诙鹊汀?比表面積小、 生物膜難以附著，其次是由于懸浮填料呈完全流化狀態(tài)，填料不斷處于擾動(dòng)中，增加了生物膜附著的難度. 更改懸浮填料的比表面積、 孔徑大小、 材質(zhì)等條件可能會(huì)增加其生物量.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)本研究只采集3次水樣，尚不足以揭示污染物隨時(shí)間的變化，然而研究結(jié)果在一定程度上揭示了COD、 色度、 TN和氨氮等污染物隨沿程的變化規(guī)律. 在設(shè)計(jì)BAF高度時(shí)，要充分考慮所需降解污染物的沿程變化特征.

　　(2)活性炭BAF和懸浮填料BAF出水COD和色度等都能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn). 不同的是，懸浮填料BAF達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)所需濾床高度為2400 mm，比活性炭BAF的1800 mm高出了三分之一. 活性炭BAF沿程生物量先逐漸增加后逐漸降低.

　　(3)經(jīng)過(guò)80 d的運(yùn)行，懸浮填料替代活性炭應(yīng)用于該污水廠二級(jí)生物處理出水在技術(shù)上是可行的，但仍需要對(duì)填料大小和材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化改造，增大生物量，必要時(shí)可考慮使用活性炭和懸浮填料的組合工藝減少造價(jià)成本.(來(lái)源及作者：浙江清華長(zhǎng)三角研究院生態(tài)環(huán)境研究所劉俊峰、范舉紅、劉銳、陳呂軍、張永明)