王 棟

（中國石化集團公司綜合管理部，北京 100728）

石油化工行業(yè)是我國重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，但生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生各種污水，早在2015年化工行業(yè)就躍居我國行業(yè)污水排放總量第1 位〔1〕。我國的原油加工噸油耗水量和排污量均高于國外，煉化企業(yè)水回用率也遠低于美國和日本等發(fā)達國家〔2〕。隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，京津冀地區(qū)對外排水中懸浮物、COD、氨氮等指標進一步嚴格要求，污水經(jīng)深度處理需達到地表水Ⅳ類標準，煉化企業(yè)原有的污水處理工藝已難以滿足新形勢下的環(huán)保要求〔3〕。

經(jīng)過傳統(tǒng)“隔油+浮選+生化+沉淀”工藝處理后，污水中營養(yǎng)比例失調(diào)，剩余有機物難降解〔4-5〕。同時，企業(yè)含鹽量高、可生化性差的污水，如循環(huán)水排污水、化學水中和水、反滲透濃水等，進入污水處理廠后也對生化系統(tǒng)造成不利影響〔6-7〕。目前，煉化企業(yè)多采用臭氧催化氧化、電化學處理等技術(shù)提高污水的可生化性，以利于后續(xù)的生化處理〔8-9〕。然而臭氧催化氧化消耗大量臭氧、經(jīng)濟成本高，且會造成二次污染；電化學氧化耗電量大，工程造價高，運行成本高。因此，本研究采用新型生物催化技術(shù)，利用生物強化催化氧化有效去除污水中難降解有機物，為外排污水深度處理達標提供了新的技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置由高效生物反應(yīng)器（ABR）、原水箱、清洗水箱、泵和管線構(gòu)成，高效生物反應(yīng)器是一種上向流式生物反應(yīng)器，直徑1 750 mm，高2 700 mm，采用鋼砼結(jié)構(gòu)。裝置分為布水布氣區(qū)、高效載體區(qū)和出水區(qū)。底部布水布氣區(qū)由曝氣系統(tǒng)和布水系統(tǒng)組成，布設(shè)3 套管路系統(tǒng)，分別為反洗水管、曝氣管和布水管，之上鋪設(shè)高度約600 mm 的承托層，可實現(xiàn)均勻曝氣和布水的效果。高效載體區(qū)由附著特效生物膜的高效載體填充，載體在使用前可進行清水浸泡。原水箱中污水通過進水泵從高效生物反應(yīng)器底部布水區(qū)進入系統(tǒng)，經(jīng)高效載體系統(tǒng)處理后，通過頂部出水區(qū)排出系統(tǒng)。2 臺曝氣風機（1 備1 用）為微生物提供氧氣，曝氣風機采用變頻控制，以滿足不同工況的用氣需求。高效生物反應(yīng)器配備1 臺溶解氧在線測定儀和1 臺壓力變送器。2 臺反洗風機（1 備1 用）提供反洗空氣，2 臺清洗水泵（1 備1 用）提供反洗用水。反洗采用氣-水聯(lián)合反沖洗，從載體層下部送入空氣和反沖洗水，空氣通過載體層切割為小氣泡，使氣泡與載體之間及載體與載體之間發(fā)生摩擦，脫除多余生物膜，在反洗水作用下，載體呈懸浮狀態(tài)，進一步增強了氣泡與載體間的摩擦作用，實驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

高效生物反應(yīng)器中載體選用生物活性炭，屬于碳基載體。載體粒徑范圍為1 651～5 880 μm，堆積密度為480～520 kg∕m3，比表面積為900～1 050 m2∕g。

微生物菌劑采用GE 公司特種生物菌劑，主要由芽孢桿菌屬、叢毛單胞菌屬、節(jié)桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬、片球菌屬、無色桿菌屬、黃桿菌屬、分枝桿菌屬、Rhodanobacter、寡養(yǎng)單胞菌屬和酵母等組成。菌劑主要以難降解有機物為基質(zhì)進行代謝，包括C1～C10烷烴或烯烴、芳族石油烴、脂族烴、苯酚化合物及其衍生物。

1.2 實驗水質(zhì)及工藝流程

1.2.1 實驗水質(zhì)

實驗用水為某石化企業(yè)經(jīng)二級生化處理后污水、反滲透濃水、化學水中和廢水、循環(huán)水排污水的混合污水，現(xiàn)場來水水量為100～150 m3∕h。污水中易降解的有機物可通過二級生化處理去除，二級生化出水中COD 小于80 mg∕L，主要由難降解有機物貢獻，主要包括鏈烷烴、多環(huán)芳烴、雜環(huán)有機物、鹵代烴等。污水經(jīng)超濾膜和反滲透膜處理后回用，排放的反滲透濃水含鹽量高，且經(jīng)膜濃縮后濃水中難降解有機物含量進一步提高。酸堿中和產(chǎn)生的化學中和廢水含鹽量高，TDS 高于10 000 mg∕L。循環(huán)水排污水中含有一定的氧化、殺菌藥劑，進一步增大了污水生化降解難度。因此，混合污水中月平均COD 為40～80 mg∕L，月平均TDS 為5 000～10 000 mg∕L，有機物濃度低，含鹽量高，可生化性差，一般生化處理系統(tǒng)難以正常運行。

1.2.2 工藝流程

污水首先在調(diào)節(jié)池中進行水量和pH 調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)池提升泵將污水提升至混凝沉淀池，經(jīng)絮凝沉淀處理后，去除污水中的懸浮物，然后自流進入多列并行的高效生物反應(yīng)器；經(jīng)高效生物催化處理后污水自流進入產(chǎn)品水池，部分用于高效生物反應(yīng)器反洗，其余達標排放；反洗水進入反洗水收集池經(jīng)沉淀后返回調(diào)節(jié)池，工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程Fig.2 Technological process

調(diào)節(jié)水池COD 為36～125 mg∕L，BOD5∕COD＜0.2，TDS 為3 300～5 100 mg∕L，pH 為6～8。污水具有有機物濃度低、含鹽量高、難生化降解的特點，不適合進一步回用。

1.3 分析項目及方法

COD 采用重鉻酸鉀法測定〔10〕，pH、溶解氧在線測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體掛膜

載體掛膜階段，微生物菌劑營養(yǎng)基質(zhì)由葡萄糖、尿素與磷酸二氫鉀按照m（C）∶m（N）∶m（P）=100∶5∶1 進行配制。接種階段分3 次投加，將菌液和營養(yǎng)液進行級配后溶解在菌種投加器中，通過管道混合器與原水混合后進入高效生物反應(yīng)器。菌種投加后開啟工藝曝氣系統(tǒng)悶曝培養(yǎng)，曝氣量約1.45 L∕（m2·s），DO 為6～9 mg∕L。掛膜期間，載體層溫度控制在25～30 ℃，較高的溫度有利于微生物掛膜。反應(yīng)器啟動一周左右載體層可成功掛膜，接種成功后不需再補充額外營養(yǎng)源，微生物以水中污染物為基質(zhì)進行代謝，載體掛膜前后的SEM 見圖3。

圖3 生物活性炭掛膜前（a）和掛膜后（b）的SEMFig.3 SEM of biological activated carbon before（a）and after（b）biofilm formation

由圖3 可知，生物活性炭載體掛膜前表面粗糙，未見生物膜附著。反應(yīng)器運行約6 個月后取樣分析，載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩(wěn)定，可有效發(fā)揮生物降解作用。

2.2 有機物處理效果

生物活性炭掛膜后反應(yīng)器進入穩(wěn)定運行階段。來水水量為100～150m3∕h，水力停留時間為2.5h，DO 為6～9 mg∕L。在正常運行工況中，高效生物反應(yīng)器對污水中有機物的去除效果見圖4。

圖4 高效生物反應(yīng)器對有機物處理效果Fig.4 The degradability of COD by the advanced biological reactor

月平均進水COD為40～71 mg∕L，月平均出水COD為15～27 mg∕L，COD 平均去除率為60%～71%。目前，煉化企業(yè)主要執(zhí)行《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB 31570—2015），要求經(jīng)深度處理后外排水COD在50mg∕L以內(nèi)，但其難以滿足日益嚴格的環(huán)保標準，如《北京市地方標準水污染綜合排放標準》（DB 11∕307—2013）中要求COD 小于30 mg∕L。污水經(jīng)過高效生物反應(yīng)器深度處理后，出水COD 均在30 mg∕L 以內(nèi)，滿足達標排放要求。

2.3 反應(yīng)器穩(wěn)定性

反應(yīng)器來水含鹽質(zhì)量濃度為3 300～5 100 mg∕L，鹽度較高，污水中高濃度鹽類會破壞細胞膜和菌體內(nèi)酶類，抑制或破壞微生物生理活動〔11〕。由于高效生物反應(yīng)器中特種微生物能夠耐受高鹽度，且能以多種難降解污染物作為基質(zhì)來源，因此生物量能夠維持在較高濃度水平，持續(xù)去除水中的難降解有機物。同時，高效生物催化載體能夠長期維持菌群穩(wěn)定與微生物活性，反應(yīng)器保持高效穩(wěn)定運行。

正常運行時載體層不易堵塞，一是系統(tǒng)采用特種微生物專性代謝難降解有機物，以污水中難降解有機物為基質(zhì)形成優(yōu)勢菌群，不需額外補充營養(yǎng)源，普通異養(yǎng)微生物即使進入系統(tǒng)也難以代謝難降解有機物，無法大量增殖；二是曝氣充氧過程中載體呈微懸浮狀態(tài)，載體間互相碰撞摩擦，氣泡和上升水流也摩擦載體表面，實現(xiàn)生物膜的部分脫膜更新。二者結(jié)合既可保持生物膜長期在合適的膜厚范圍內(nèi)，從而保持高微生物活性，同時可避免異養(yǎng)微生物過快生長導致載體層堵塞，有效減少了反洗頻率。現(xiàn)場試驗裝置反洗頻率約為3 月∕次，有效降低了水耗和能耗，反洗周期可隨來水濁度變化進行調(diào)節(jié)。

2.4 抗沖擊能力分析

高效生物反應(yīng)器具備較好的抗沖擊能力，5～6月份的運行情況見圖5。

圖5 高效生物反應(yīng)器運行情況Fig.5 The running data of the advanced biological reactor

由圖5 可知，反應(yīng)器來水月平均COD 為66～70 mg∕L，COD 最高約為125 mg∕L，反應(yīng)器進水COD 波動較大，但經(jīng)高效生物反應(yīng)器處理后出水COD 仍小于30 mg∕L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（GB 18918—2002）A 類標準。這是由于特殊菌群可附著于高效載體形成致密生物膜，微生物流失少；生物膜載體層耐沖擊性強，能夠適應(yīng)原水不同水質(zhì)變化，保持處理出水水質(zhì)穩(wěn)定。載體與來水均勻接觸分散固定污染物，可以降低有機物沖擊對系統(tǒng)的影響，同時生物膜反應(yīng)器延長了污染物在系統(tǒng)中的停留時間，有利于去除難降解有機物。因此，該工藝對于低負荷、生物降解性比較差的污水（BOD5∕COD＜0.2），生化處理效果顯著。

2.5 經(jīng)濟成本分析

高效生物反應(yīng)器的月處理水量為75 361～90 591 m3，主要的運行成本是電耗，月耗電量為29 100～36 084 kW·h。反應(yīng)器單位水量耗電量為0.32～0.48 kW·h∕m3，電耗成本為0.20～0.29 元∕m3。該工藝正常運行期間無需添加其他藥劑，系統(tǒng)運行成本低，操作簡便，自動化程度高。較之臭氧催化氧化、電化學氧化等物化方法，高效生物反應(yīng)器具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。目前，煉化企業(yè)深度處理常采用“臭氧催化氧化+BAF”工藝，將二者綜合運行效果對比分析，結(jié)果見表1〔12-14〕。

由表1 可知，“臭氧催化氧化+BAF”工藝不僅運行費用高，失活的催化劑為危廢，且存在臭氧污染大氣的風險。高效生物反應(yīng)器啟動掛膜周期較短；反洗頻率較之BAF 顯著降低；噸水處理成本約0.3 元以下；處理過程無需臭氧或催化劑、無危廢產(chǎn)生。

表1 工藝參數(shù)比較Table 1 Comparisons of technological parameters

3 結(jié)論

（1）高效生物反應(yīng)器啟動一周后可成功掛膜，掃描電鏡顯示載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩(wěn)定。

（2）反應(yīng)器可有效去除污水中難降解有機物，當月平均進水COD 約40～71 mg∕L 時，月平均出水COD約15～27 mg∕L，COD 平均去除率為60%～71%。

（3）反應(yīng)器抗沖擊能力強，進水COD 高至約125 mg∕L 時，出水COD 仍小于30 mg∕L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（GB 18918—2002）A 類標準。

（4）反應(yīng)器單位水量耗電量為0.32～0.48 kW·h∕m3，電耗成本為0.20～0.29 元∕m3，運行成本遠低于臭氧催化氧化、電化學氧化等物化方法，為外排污水深度處理達標提供了新的技術(shù)途徑。