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        AF-SMBBR組合工藝處理制漿廢水中試試驗(yàn)研究

        2017-08-07 13:01:34敬雙怡于治豪朱浩君李衛(wèi)平于玲紅
        中國(guó)造紙 2017年7期
        關(guān)鍵詞:制漿溶解氧生物膜

        敬雙怡 于治豪 朱浩君,2,* 李衛(wèi)平 于玲紅

        (1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭,014010;2.中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司,北京,100085)

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        ·廢水處理·

        AF-SMBBR組合工藝處理制漿廢水中試試驗(yàn)研究

        敬雙怡1于治豪1朱浩君1,2,*李衛(wèi)平1于玲紅1

        (1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭,014010;2.中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司,北京,100085)

        采用厭氧生物濾池(AF)-特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)組合工藝處理制漿廢水,考察該工藝掛膜階段以及掛膜成功后穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)廢水CODCr和SS的去除效果,并探究了穩(wěn)定運(yùn)行期水力停留時(shí)間(HRT)、溶解氧(DO)濃度兩個(gè)因素對(duì)CODCr去除率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水溫18~28℃、進(jìn)水pH值6.5~8.0、CODCr濃度11000~15000 mg/L、SS濃度20600~26600 mg/L、水力停留時(shí)間8 d的操作條件下,出水CODCr穩(wěn)定在400 mg/L以下,平均去除率高達(dá)97%;出水SS穩(wěn)定在350 mg/L以下,平均去除率高達(dá)98%。出水水質(zhì)達(dá)到GB8978—1996《廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》國(guó)家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),可排入城鎮(zhèn)廢水處理廠進(jìn)行深度處理。

        AF-SMBBR組合工藝;制漿廢水;CODCr;去除率

        為響應(yīng)國(guó)家和地方政府的環(huán)保戰(zhàn)略與政策,全國(guó)各地對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視,造紙廢水是否可以達(dá)標(biāo)排放引起人們的高度關(guān)注。未經(jīng)處理的造紙廢水具有污染嚴(yán)重、難治理和排放量大等特點(diǎn)[1]。目前,我國(guó)造紙行業(yè)總排水量居工業(yè)行業(yè)排水量的第三位,僅次于化工與鋼鐵行業(yè),CODCr排放量達(dá)到全國(guó)工業(yè)CODCr排放總量的1/3[2]。造紙廢水成分復(fù)雜,含有機(jī)酸、纖維素、油墨中溶出的物質(zhì)等[3],導(dǎo)致CODCr濃度較高,若不經(jīng)處理直接排放將對(duì)環(huán)境造成極大的危害。

        目前生化處理造紙廢水常用的工藝有活性污泥法、厭氧-好氧工藝(A-O工藝)等。但造紙廢水成分復(fù)雜,在實(shí)際工程中使用單一技術(shù)很難保證廢水經(jīng)濟(jì)有效地達(dá)標(biāo)排放。本課題本著保護(hù)環(huán)境的理念,提高廢水處理效率,降低處理成本,保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放的理念,設(shè)計(jì)了厭氧生物濾池(AF)-特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)組合工藝處理制漿廢水。

        厭氧生物濾池(an-aerobicfilter,AF)是20世紀(jì)60年代末發(fā)展并確立的高速厭氧反應(yīng)器[4],其內(nèi)部填充有微生物附著填料[5],具有能耗低、效率高、處理能力大、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于難降解、成分復(fù)雜的廢水有較好的處理效果。目前被廣泛應(yīng)用于處理制革廢水、印染廢水、啤酒廢水等領(lǐng)域。

        移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving Bed Biofil Reactor,簡(jiǎn)稱MBBR),是由挪威人發(fā)明的一種新型廢(污)水生化處理技術(shù)[6]。中丹康靈(北京)生物技術(shù)有限公司在此基礎(chǔ)上發(fā)明了特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)[7]。SMBBR不僅具有占地面積少、運(yùn)行簡(jiǎn)單、操作管理容易等MBBR已有的特點(diǎn),而且處理效率、生物膜附著量、耐沖擊能力等方面大幅提高。目前已廣泛應(yīng)用于處理化工廢水、屠宰廢水、煉油廢水等領(lǐng)域。

        AF-SMBBR組合工藝不僅可以使制漿造紙廢水高效率、低成本達(dá)標(biāo)排放,而且還為制漿造紙廢水的處理提供了新的研究方向。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

        試驗(yàn)用水取自安徽省池州市某造紙廠制漿廢水,該廠以廢舊瓦楞箱紙板(OCC)為原料生產(chǎn)包裝紙。該制漿廢水成分復(fù)雜,主要水質(zhì)情況如表1所示。

        表1 制漿廢水水質(zhì)

        圖1 AF-SMBBR試驗(yàn)裝置示意圖

        1.2 試驗(yàn)裝置

        試驗(yàn)裝置采用不銹鋼板焊接,主要由三部分組成,分別為AF裝置、SMBBR裝置以及沉淀池。AF裝置為半徑0.5 m、高度2.0 m的密閉圓柱體,有效容積為1.5 m3,用鋼絲柵網(wǎng)將柱體內(nèi)部均勻分成多層。SMBBR裝置為高度1.5 m、寬度0.6 m、長(zhǎng)度1.35 m的長(zhǎng)方體,有效容積為1 m3;其內(nèi)部曝氣裝置采用孔徑為3 mm的穿孔曝氣管均勻曝氣。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

        1.3 試驗(yàn)材料

        SDC- 03生物填料采用國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)的六邊形載體,直徑30 mm,高度10 mm,比表面積900 m2/m3,密度0.90~0.95 g/cm3。具有耐磨損、造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)(10 a)、比表面積大等特點(diǎn)。掛膜前后的填料見(jiàn)圖2。

        接種污泥:取自池州市某廢水處理廠,污泥沉降比為40%,適用于馴化掛膜。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 啟動(dòng)掛膜

        以70%的填充率向AF中各層均勻平鋪投加填料,填料與廢水充分混合,使微生物和有機(jī)物之間充分接觸[9]。同時(shí)以30%的填充率向AF底部加入接種污泥。以40%的填充率向SMBBR中投加填料,開(kāi)啟曝氣裝置。用廢水浸泡24 h后排出部分廢水,投加接種污泥。控制總水力停留時(shí)間(HRT)為3 d, SMBBR中污泥濃度1200 ~1500 mg/L,溶解氧(DO)濃度為2~7 mg/L。由于廢水中氮(N)、磷(P)元素的含量極少,不符合微生物生長(zhǎng)繁殖所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量,故每天隨進(jìn)水向設(shè)備滴加磷酸二氫鉀20 mg/L、尿素100 mg/L。

        2.1.1 掛膜方式

        AF裝置采用自然掛膜法。自然掛膜法雖然掛膜時(shí)間長(zhǎng),但生物膜與載體之間黏合度高,更加穩(wěn)定[10]。SMBBR裝置采用排泥法掛膜。排泥法掛膜速度快,需要接種污泥少,是目前工程中應(yīng)用廣泛的掛膜方法[11]。

        2.1.2 生物相分析

        AF里由于進(jìn)水中有機(jī)大分子物質(zhì)數(shù)量及種類較多,對(duì)多種微生物的生長(zhǎng)繁殖起到抑制作用,所以導(dǎo)致其掛膜周期較SMBBR的長(zhǎng)[12]。前期填料內(nèi)表面上只附著帶有黃色斑點(diǎn)狀菌膠團(tuán),未形成密集的生物膜。試驗(yàn)進(jìn)行38 d時(shí),大量厭氧微生物附著生長(zhǎng)在填料上,形成厭氧生物膜,如圖2(b)所示。

        通過(guò)觀察SMBBR中填料上生物膜的生長(zhǎng)情況,發(fā)現(xiàn)起初填料表面并沒(méi)有明顯變化。隨著試驗(yàn)的運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)5 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)淡黃褐色斑點(diǎn),運(yùn)行13 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)較薄的淺黃色生物膜,通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)填料表面含有大量累枝蟲、鐘蟲等。運(yùn)行20 d后填料內(nèi)壁出現(xiàn)濃密黃色絨狀的生物膜,并大量繁殖,通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)具有大量線蟲、輪蟲等較高級(jí)的后生動(dòng)物,以及菌膠團(tuán)和絲狀菌等,掛膜成功。SMBBR掛膜后的填料如圖2(c)所示。

        圖2 掛膜前后填料

        2.2 掛膜階段

        掛膜期對(duì)廢水CODCr的去除效果如圖3所示。

        圖3 掛膜期對(duì)廢水CODCr的去除效果

        由圖3可以看出,整個(gè)掛膜過(guò)程中,進(jìn)水CODCr濃度逐漸增大,但去除率一直上升。前4 d,反應(yīng)器對(duì)CODCr的總?cè)コ瘦^低,在30%以下。這是由于在掛膜初期,廢水中的微生物對(duì)廢水水質(zhì)適應(yīng)程度不夠,此時(shí)的微生物大多都以懸浮的形式存在于廢水中,填料表面的生物膜還未形成,對(duì)水中有機(jī)物的降解和吸收的能力較弱。進(jìn)水5~20 d,CODCr的總?cè)コ蚀蠓鲩L(zhǎng),達(dá)到80%左右。表明微生物已經(jīng)開(kāi)始逐漸適應(yīng)廢水水質(zhì)。填料表面生物數(shù)量逐漸增加,生物種類不斷豐富。微生物從適應(yīng)期逐漸到達(dá)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期及線性增長(zhǎng)期。21 d以后,CODCr總?cè)コ试鲩L(zhǎng)到90%。此時(shí)大量微生物已經(jīng)附著在填料表面,并可以進(jìn)行新陳代謝,大量繁殖,形成生物膜。生物膜降解和吸收廢水中的有機(jī)物,從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。隨著進(jìn)水CODCr濃度的不斷增大,去除率卻一直上升,體現(xiàn)了該組合工藝具有強(qiáng)大的抗沖擊性。

        2.3 穩(wěn)定運(yùn)行階段

        滿足GB8978—1996《廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求的出水可排入城鎮(zhèn)污水處理廠,然后進(jìn)行深度處理。為了滿足處理后出水CODCr濃度達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn),并給該造紙廠對(duì)廢水處理工藝的升級(jí)改造提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),根據(jù)該造紙廠現(xiàn)有的生化池池容以及日需排放廢水量,控制裝置總水力停留時(shí)間為8 d, 控制SMBBR中污泥濃度為300 mg/L以下,掛膜成功后穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)CODCr的去除效果如圖4所示。

        圖4 穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)廢水CODCr的去除效果

        由于在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中存在不穩(wěn)定因素,導(dǎo)致進(jìn)水CODCr濃度不斷變化(11000~15000 mg/L),但系統(tǒng)處理后都能達(dá)到很好的處理效果。出水CODCr濃度均為500 mg/L以下,達(dá)到GB8978—1996《廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)廢水中CODCr去除率高達(dá)97%左右。廢水首先進(jìn)入AF,AF可吸收廢水中少量的小分子有機(jī)物,并通過(guò)水解酸化作用將廢水中難降解物質(zhì)變成易降解物質(zhì)。然后進(jìn)入SMBBR,對(duì)AF出水進(jìn)行進(jìn)一步處理。CODCr去除率達(dá)到94%左右。此階段由于填料密度與水接近,親水性強(qiáng),填料流動(dòng)時(shí)能量消耗低,填料上的生物膜可與廢水頻繁接觸[13],廢水中供給微生物的營(yíng)養(yǎng)充足,大量的微生物附著在填料表面,形成生物膜。生物量高達(dá)活性污泥的5~20倍[14-15]。大量的微生物可降解、吸收廢水中的有機(jī)物,從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的,出水水質(zhì)見(jiàn)表2。

        表2 出水水質(zhì)

        2.3.1 總水力停留時(shí)間對(duì)CODCr去除率的影響

        適當(dāng)?shù)乃νA魰r(shí)間是確保廢水處理效果、投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要控制因素。穩(wěn)定運(yùn)行后,控制進(jìn)水CODCr濃度為12500 mg/L, pH值為7.5,AF溶解氧濃度低于0.5 mg/L,SMBBR溶解氧濃度為3 mg/L左右,改變總水力停留時(shí)間,探究總水力停留時(shí)間對(duì)CODCr去除率的影響,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 總水力停留時(shí)間對(duì)CODCr去除率的影響

        反應(yīng)器總水力停留時(shí)間為3~10 d時(shí),AF、SMBBR系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除率均隨水力停留時(shí)間增長(zhǎng)而增大,CODCr總?cè)コ蕪?3.6%提高到97.6%。分析認(rèn)為,由于水力停留時(shí)間長(zhǎng)短可直接影響水中有機(jī)物與生物膜的接觸時(shí)間,進(jìn)而影響微生物對(duì)有機(jī)物的吸附和降解的效果。試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)水,水力停留時(shí)間越小,單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)水量就會(huì)增大,水流紊動(dòng)程度增大,加大了水流對(duì)生物膜的沖擊,導(dǎo)致老化的生物膜或半老化的生物膜脫落[16]。部分新生生物膜承受不住水的剪切力也隨之脫落,以懸浮物的形態(tài)存在于水中,并隨之流失。且此時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足,微生物大多處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期,繁殖能力與運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng),不易形成莢膜與黏液層,從而不易形成微生物菌膠團(tuán)附著在填料內(nèi)表面。通過(guò)排放量、經(jīng)濟(jì)以及合理性考慮,當(dāng)總水力停留時(shí)間為8 d時(shí),處理效果最優(yōu)。當(dāng)總水力停留時(shí)間大于10 d時(shí),AF、SMBBR系統(tǒng)對(duì)CODCr去除率降低。分析原因,水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),廢水中大量有機(jī)物被反應(yīng)器中懸浮污泥消耗,對(duì)懸浮污泥增長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用,進(jìn)入反應(yīng)器中的廢水水力負(fù)荷降低,導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)微生物由于營(yíng)養(yǎng)不充足而降低活性,甚至變黑脫落。因此水力停留時(shí)間越長(zhǎng),并不代表去除率就越高。

        2.3.2 溶解氧濃度對(duì)CODCr去除率的影響

        溶解氧是反應(yīng)器運(yùn)行中重要的控制參數(shù)之一。不同的溶解氧濃度會(huì)對(duì)廢水處理效果產(chǎn)生重要的影響??刂七M(jìn)入SMBBR反應(yīng)器中廢水CODCr濃度為6000 mg/L,pH值為6.5,水力停留時(shí)間為3 d,調(diào)節(jié)曝氣大小,探究溶解氧濃度對(duì)CODCr去除率的影響,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 溶解氧濃度對(duì)CODCr去除率的影響

        由圖6可以看出,當(dāng)溶解氧濃度在3~4 mg/L的范圍內(nèi),CODCr的去除率達(dá)到95%左右,去除效果明顯。當(dāng)溶解氧濃度小于3 mg/L時(shí),CODCr去除率與溶解氧大小呈正比;當(dāng)溶解氧濃度大于4 mg/L時(shí),CODCr去除率與溶解氧濃度大小呈反比。因此,在SMBBR中適宜的溶解氧濃度為3~4 mg/L。分析原因, SMBBR為好氧反應(yīng)單元,溶解氧會(huì)限制附著在填料上的生物膜中微生物的代謝活動(dòng)[17]。填料上的生物膜包括內(nèi)部厭氧層與外部好氧層。當(dāng)溶解氧不足時(shí),外部好氧層中的好氧菌的代謝活性會(huì)受到抑制,生物膜中厭氧層就會(huì)越來(lái)越厚,隨之會(huì)催化厭氧層內(nèi)部的反應(yīng),反應(yīng)后的代謝產(chǎn)物增多,并向外溢出。這就使外部好氧層的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,大大削減了生物膜附著在填料上的能力,導(dǎo)致生物膜脫落。當(dāng)溶解氧濃度過(guò)高時(shí),會(huì)加快有機(jī)污染物的分解,從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng),加快生物膜的老化,使其脫落。此外,從經(jīng)濟(jì)上分析,曝氣量過(guò)大,能耗增加,也增加了運(yùn)行費(fèi)用。

        2.3.3 AF-SMBBR工藝對(duì) SS去除效果分析

        圖7所示為AF-SMBBR工藝對(duì)廢水中SS的去除效果。由圖7可以看出,SS平均去除率高達(dá)98%,出水SS濃度小于350 mg/L。分析原因:SS濃度一部分是由反應(yīng)器中的填料將廢水中粒徑較大的懸浮狀物質(zhì)截留,另一部分則是生長(zhǎng)在填料表面上的微生物的代謝活動(dòng)去除的。生長(zhǎng)在填料上的大量微生物的新陳代謝會(huì)產(chǎn)生如糖類、脂類等黏性物質(zhì),這些物質(zhì)能通過(guò)吸附架橋作用與水中的懸浮顆粒及膠體粒子黏結(jié)形成細(xì)小絮體,最后經(jīng)過(guò)沉淀被去除。

        圖7 SS去除效果

        3 結(jié) 論

        (1)采用厭氧生物濾池(AF)-特異性移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(SMBBR)組合工藝處理廢舊瓦楞箱紙板(OCC)制漿廢水,進(jìn)水CODCr濃度為11000~15000 mg/L,SS濃度為20600~26600 mg/L,系統(tǒng)總水力停留時(shí)間(HRT)為8 d,水溫為18~28℃的條件下,該組合工藝對(duì)廢水中CODCr、SS具有很好的去除效果,CODCr平均去除率高達(dá)97%,SS平均去除率高達(dá)98%。出水水質(zhì)達(dá)到GB8978—1996《廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),可排入城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行深度處理。

        (2)對(duì)于該制漿廢水,在總水力停留時(shí)間為8 d,進(jìn)水CODCr濃度小于15000 mg/L,SMBBR溶解氧濃度(DO)為3 mg/L時(shí),該工藝對(duì)制漿廢水中CODCr的去除效果最佳。

        (3)該組合工藝具有很強(qiáng)的耐沖擊性、快速恢復(fù)性,不發(fā)生堵塞,不需要反沖洗,易于對(duì)已有的生化工藝進(jìn)行改造等優(yōu)點(diǎn)。

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        (責(zé)任編輯:劉振華)

        Pilot Experiment of Pulping Effluent Treatment by Using AF-SMBBR Combined Process

        JING Shuang-yi1YU Zhi-hao1ZHU Hao-jun1,2,*LI Wei-ping1YU Ling-hong1

        (1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia Autonomous Region, 014010; 2. Sino-Danske Cloning(Beijing)Environment Technology Co., Ltd., Beijing, 100085)(*E-mail: vain0692@sina.com)

        AF-SMBBR combined process was used to treat pulping effluent to investigate the CODCrand SS removal effect when this process was in the stages of biofilm colonization and stable running after the success of biofilm colonization,and to explore the effects of hydraulic retention time (HRT), and dissolved oxygen (DO) concentration on COD removal rate. The results of experiment showed that under the operation condition that influent temperature was 18~28℃, pH value was 6.5~8, CODCrconcentration was 11000~15000 mg/L, SS concentration was 20600~26600 mg/L, hydraulic retention time (HRT) was 8 days, effluent CODCrmaitained in less than 400 mg/L, the average removal rate was up to 97%, effluent SS was stable in less than 350 mg/L, the average removal rate was up to 98%.

        AF-SMBBR combined process; pulping effluent; CODCr; removal rate

        敬雙怡先生,碩士,副教授;研究方向:廢水處理。

        2016- 12- 12(修改稿)

        2014內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金項(xiàng)目PY-201401。

        X793

        A

        10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.005

        *通信作者:朱浩君,教授;研究方向:工業(yè)水處理、環(huán)境微生物學(xué)等。

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