夏四清， 高廷耀， 周增炎
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

　　摘　要： 采用多級懸浮填料生物反應(yīng)器處理石化廢水，在填料投加率為50%、水力停留時間為8 h的工況條件下，當(dāng)進(jìn)水BOD₅為108～234 mg/L、COD_Cr為253.4～444.6 mg/L、NH₃-N為20.8～26.2 mg/L時，二級反應(yīng)器對其平均去除率分別為90.7%、74%和53.2%； 三級反應(yīng)器對其平均去除率分別為93.7%、77.7%和84.6%，這說明采用多級反應(yīng)器在保證有效去除BOD、COD等有機(jī)污染物的同時，可以大大提高對NH₃-N的去除效果。
　　關(guān)鍵詞： 多級懸浮填料； 生物反應(yīng)器； 石化廢水； 分級處理
　　中圖分類號：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0009-04

Use of Multistage Suspended Carrier Bioreactor for Treatment of Petrochemical Wastewater
XIA Si-qing, GAO Ting-yao, ZHOU Zeng-yan
(School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：The multistage suspended carrier bioreactor was used to treat petrochemical wast ewater.The treatment effect was studied at the carrier dosage rate of 50% and hy draulic retention time of 8 h.For the influent concentration of BOD5 108～234 mg/L,COD_Cr 253～444.6 mg/L,and NH₃-N 20.8～26.2 mg/L,the average
removal rate of these pollutants is respectively 90.7%,74%,and 53.2% in the sec ond stage reactor,and 93.7%,77.6%,and 84.6% in the third stage reactor.It means that use of multistage reactor can greatly improve NH₃-N removal efficiency,wh ile achieving the effective removal of BOD and COD.
　　Keywords:multistage suspended carrier; bioreactor; petrochemical wastewater； staged treatment

　　懸浮填料生物反應(yīng)器是近幾年國內(nèi)外研究的一種新型附著生長型生物膜反應(yīng)器^［1、2］，其核心部分是一種特殊填料(能在反應(yīng)器中保持懸浮狀態(tài))。微生物在填料表面生長的過程中，填料在水中充分流化以保持微生物得以充分利用溶解氧和良好的傳質(zhì)條件。
　　20世紀(jì)80年代國內(nèi)曾開展了懸浮填料生物接觸氧化法處理城市污水的研究，但由于當(dāng)時采用的是活性炭、石英砂、無煙煤等填料［3］(其密度在1.5～2.5g/cm³之間)，故需 要較大的動力消耗才能使填料流化，而同濟(jì)大學(xué)經(jīng)過多年研究開發(fā)的新型實用專利產(chǎn)品懸浮填料［4］，使該反應(yīng)器的各項性能有了很大提高。本研究是在大量小試成功的基礎(chǔ)上，在上海石油化工股份有限公司水質(zhì)凈化廠進(jìn)行的。
　　上海石油化工股份公司水質(zhì)凈化廠的廢水來源于上海石化乙烯廠、化工一廠、化工二廠、維綸廠、腈綸廠等的工業(yè)廢水和該地區(qū)的生活污水(其比例約為3∶1)，一般情況下原水水質(zhì)如 表1所示。

表1 原水水質(zhì) pH COD_Cr(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/L) 濁度(NTU) SS(mg/L) 6～9 200～700 100～350 15～35 30～200 50～400

　　 目前該廠采用的工藝流程見圖1。

　　 該廠處理水量為138 800m³/d，總水力停留時間為23 h，其中推流曝氣池的水力停留時間為8 h。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，該工藝對BOD₅、COD的處理效果良好，但出水中氨氮濃度常超過15 mg/L。在此背景下開展的懸浮填料生物反應(yīng)器應(yīng)用于石化廢水處理的研究，以探索在不改變其構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的情況下僅靠投加填料使其實現(xiàn)生物硝化從而達(dá)到提高氨氮去除率的可能性。

1 試驗材料、主要設(shè)備和方法

1.1 填料
本研究所采用的填料是50 mm×50 mm圓柱型，由不同面積的翼板、底板構(gòu)成(見圖2)。

　　填料的比表面積為278m²/m³，密度＜1。該生物載體若直接放于曝氣池中，不曝氣時浮于水面，曝氣時則僅需與一般曝氣池相同的曝氣量即可流化于整個曝氣池。由于翼板表面利于生物膜的生長和自然脫膜，因此不會結(jié)團(tuán)，翼板間的空隙也不會堵塞。由于該填料具有良好的通氣性、過水性，所以對曝氣池的布?xì)?、布水設(shè)備沒有特殊要求，可省去專門用于捆綁載體的支架。
1.2 主要設(shè)備
　　試驗工藝流程如圖3所示。

　　進(jìn)水取自水質(zhì)凈化廠調(diào)節(jié)池，經(jīng)中試調(diào)節(jié)池后用閥門控制反應(yīng)器進(jìn)水量。懸浮填料生物反應(yīng)器有效體積為3.6m³(長×寬×高為3 m×1 m×1.2 m)，分為相等的3格(前一級的出水為后一級的進(jìn)水)，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有穿孔曝氣管，空氣來自廠方進(jìn)氣管氣源，反應(yīng)器內(nèi) 以懸浮填料作生物載體，氣水比控制在(6～15)∶1范圍內(nèi)。由于反應(yīng)器的每一級均呈正方形，曝氣均勻、填料流化狀態(tài)良好，故均可將其視作完全混合反應(yīng)器，即在每一級的任何一點取水沉淀后均可作為該級反應(yīng)器的出水，而考察多級懸浮填料生物反應(yīng)器去除污染物的效果就是按照這種思路進(jìn)行的。
1.3 水質(zhì)分析
　　水樣：為全天混合樣，其中進(jìn)水是沉淀10 min后的上清液，反應(yīng)器前兩級出水是取相應(yīng)的反應(yīng)器內(nèi)任何位置的混合水沉淀2 h后的上清液，三級出水為最終出水。每天定時取水混合后 放入冰箱內(nèi)進(jìn)行分析。
　　分析方法：COD_Cr采用快速鉻法，NH₃-N采用納氏試劑光度法，DO采用YSIMODEL58型溶氧儀測定，濁度采用濁度儀法，SS采用重量法，還需定期進(jìn)行微生物鏡檢。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氧能力試驗和生物膜的形成
　　前期在該廠進(jìn)行的充氧能力試驗結(jié)果表明，由于存在碰撞和切割氣泡等作用，在生物反應(yīng)器中投加懸浮填料使氧的總傳遞系數(shù)、傳遞速率、曝氣設(shè)備的充氧能力、氧利用率等均有顯著提高，可見對氧的傳遞起著促進(jìn)作用，且當(dāng)填料投加率為50%時的效果最好(氧的利用率為9.7%)，約是無填料生物反應(yīng)器的2.26倍，故中試的生物反應(yīng)器中填料投加率均為50%。
　　懸浮填料生物反應(yīng)器中生物膜的培養(yǎng)和形成是該工藝能否運(yùn)行的關(guān)鍵。在氣水比為(6～15) ∶1條件下連續(xù)進(jìn)水培養(yǎng)1個月左右，發(fā)現(xiàn)有輪蟲和線蟲等后生動物產(chǎn)生，標(biāo)志著生物膜已逐漸成熟，此時生物膜呈黃褐色，膜厚在1～2 mm之間，同時也獲得了較穩(wěn)定的出水。裝置經(jīng)近一年的運(yùn)行，效果穩(wěn)定。
2.2 運(yùn)行結(jié)果分析
　　該試驗分別考察了在不同條件下多級懸浮填料生物反應(yīng)器去除污染物的效果、水力停留時間分別為10、8和6 h工況條件下各級對不同污染物的去除情況，而每一個工況根據(jù)實際情況運(yùn)行15～30d不等。在從一種工況調(diào)到另一種工況的第2天開始進(jìn)行水質(zhì)分析，為使之與水質(zhì)凈化廠的曝氣池水力停留時間具有可比性，以水力停留時間為8 h工況下的運(yùn)行結(jié)果為主進(jìn)行討論。
　?、? 對BOD的去除
　　水力停留時間為8 h工況下反應(yīng)器的第二、三級出水的BOD5值及去除效果見表2。

表2 對BOD5的去除效果 測定次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 進(jìn)水(mg/L) 223 115 199 158 108 155 234 158 二級出水(mg/L) 18.9 13.0 15.0 16.7 9.7 17.6 15.5 14.4 二級去除率(%) 91.5 88.7 92.5 89.4 91.0 88.7 93.4 90.1 三級出水(mg/L) 13.8 9.6 6.9 11.4 8.2 97.7 7.1 12.0 總?cè)コ?%) 93.8 91.7 96.5 92.8 92.4 93.7 97.0 92.4

　　從表2可見，在與一般曝氣池相同的水力停留時間條件下，進(jìn)水BOD₅濃度為108～234mg/L時，二級反應(yīng)器出水濃度均在20 mg/L以下，BOD5平均去除率已達(dá)90.7%，三級出水均在15 mg/L以下，平均去除率為93.7%，可見從第二級到第三級進(jìn)一步去除BOD ₅的幅度已不大，說明該廠廢水的可生化性較好，該生物反應(yīng)器對BOD的去除率很高。
　?、? 對COD的去除
　　反應(yīng)器每級出水的COD_Cr值及其分級去除效果見表3。

表3 對COD_Cr的去除效果 測定次數(shù) 進(jìn)水(mg/L) 一級出水(mg/L) 去除率% 二級出水(mg/L) 去除率(%) 三級出水(mg/L) 總?cè)コ?%) 1 397.0 186.6 53.0 105.2 73.5 87.3 78.0 2 412.3 172.7 58.1 103.2 75.0 87.3 78.8 3 325.5 144.9 55.5 95.2 70.8 67.5 79.3 4 397.0 129.0 67.5 99.3 75.0 85.4 78.5 5 365.2 186.6 48.9 99.36 72.8 83.4 77.2 6 325.5 154.8 52.4 91.3 72.0 83.4 74.4 7 444.6 176.7 60.3 95.3 78.6 91.3 79.5 8 253.4 150.5 40.6 65.3 74.2 61.4 75.8

　　從表3可以明顯看出，在最初兩天內(nèi)由于微生物還沒有完全適應(yīng)，二級出水COD_Cr濃度偏高，已超過城市污水廠的二級排放標(biāo)準(zhǔn)(100 mg/L)；經(jīng)過適應(yīng)之后在進(jìn)水COD Cr濃度為253.4～444.6 mg/L時，反應(yīng)器的二級出水COD_Cr濃度均低于100 mg/L，且出水水質(zhì)非常穩(wěn)定，其平均去除率與三級出水的平均去除率相比，已經(jīng)完成第三級去除率的95%左右。從去除COD的要求來看，該反應(yīng)器的二級出水已經(jīng)達(dá)到要求，采用三級反應(yīng)器是為了在較低負(fù)荷條件下達(dá)到去除NH₃-N的目的。
　?、?對NH₃-N的去除
　　多級填料生物反應(yīng)器對石化廢水中NH₃-N的去除遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水質(zhì)凈化廠的推流式曝氣池，其運(yùn)行結(jié)果見表4。 表4 對NH₃-N的去除效果 測定次數(shù) 進(jìn)水(mg/L) 一級出水(mg/L) 去除率% 二級出水(mg/L) 去除率(%) 三級出水(mg/L) 總?cè)コ?%) 1 23.5 21.1 10.2 10.0 57.5 2.1 91.1 2 24.0 22.0 8.3 16.6 30.8 7.0 70.8 3 20.8 18.2 12.5 9.8 52.9 3.9 81.3 4 26.2 20.8 20.6 8.7 66.8 1.2 95.4 5 23.5 20.4 13.2 11.1 52.8 4.2 82.1 6 23.3 20.5 12.0 8.7 62.7 0.2 99.1 7 22.6 22.0 2.7 12.8 43.4 4.9 78.3 8 22.3 18.5 17.0 9.3 58.3 4.7 78.9

　　由表4可以看出，在反應(yīng)器的第一級由于有機(jī)負(fù)荷和氨氮負(fù)荷均較高，對氨氮的平均去除率僅為12.1%；在反應(yīng)器的第二級由于負(fù)荷降低，使其對氨氮的去除率有所升高(平均去除率已達(dá)53.2%)；而第三級對氨氮的平均去除率高達(dá)84.6%，由此可以說明多級懸浮填料生物反應(yīng)器的優(yōu)勢在于能很大程度地提高對氨氮的去除率，這正是水質(zhì)凈化廠原推流式曝氣池的不足之處。
　　從以上幾種主要污染物的去除效果可以看出，懸浮填料生物反應(yīng)器對石化廢水的有機(jī)污染物有較好的去除效果，在反應(yīng)器的前兩級已經(jīng)基本完成對有機(jī)污染物的去除，使其達(dá)到城市二級污水廠的二級排放標(biāo)準(zhǔn)；對于氨氮的去除更是多級懸浮填料生物反應(yīng)器的優(yōu)點，在與水質(zhì)凈化廠推流式曝氣池相同的水力停留時間(8 h)時，其出水氨氮濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二級排放標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L)，說明采用該反應(yīng)器分級處理石化廢水是可行的。
　　④ 對其他污染物的去除
　　多級懸浮填料生物反應(yīng)器除了對NH₃-N、有機(jī)污染物有較好的去除效果外，對濁度和SS也有與此類似的去除效果。

3 結(jié)論

　　① 多級懸浮填料生物反應(yīng)器由于填料具有比表面積大、易掛膜、可有效切割氣泡的特點，故能使其對氧的利用率有較大提高。試驗表明，當(dāng)填料投加率為50%，在保持與普通曝氣池相同的氣水比條件下，可使充氧能力和充氧速率提高至無填料時的2倍以上。
　?、? 采用多級懸浮填料生物反應(yīng)器處理石化廢水在啟動時無需接種污泥，可直接掛膜培養(yǎng)，操作方便、易于管理。
　　③ 多級懸浮填料生物反應(yīng)器在填料投加率為50%，與普通曝氣池基本相同的水力停留時間和氣水比條件下，對BOD、COD、SS、濁度有很高的去除率，由于前兩級反應(yīng)器 大大降低了反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物的負(fù)荷，使得該分級反應(yīng)器對NH₃-N有很好的去除效果。
　?、? 由于填料不需要支撐裝置、不結(jié)團(tuán)，在曝氣池進(jìn)、出口設(shè)置小于填料粒徑的格柵即可防止填料流失，故本工藝將很容易在一般污水處理廠中推廣應(yīng)用；只需將一般推流式曝氣池稍作改動，使其形成前級出水為后級進(jìn)水即可實現(xiàn)分級去除污染物的目的，在確保對BOD、COD等有機(jī)污染物去除率的同時，可以提高對NH₃-N的去除效果。

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　　作者簡介：夏四清(1965- )，男，河南汝南人，同濟(jì)大學(xué)副教授，主要從事污水生物處理方面的研究。
　　電　話：(021)65983868 65982684
　　E-mail:sqxia@online.sh.cn
　　收稿日期：2001-10-15