楊楠楠,劉永紅,王 寧,黨 康,楊謹(jǐn)如

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

印染廢水具有水量大、難降解有機(jī)物含量高、污染物種類繁多、色度高、異味重、pH值變化大等特點(diǎn)。由于有機(jī)污染物濃度高,可生化性低,其中的芳環(huán)化合物還容易復(fù)合一些顯色基團(tuán)和極性基團(tuán),且性質(zhì)比較穩(wěn)定,是廢水處理的難點(diǎn)之一[1]。目前,國內(nèi)常用的印染廢水處理方法有物理法、化學(xué)法和生物法。生物處理方法由于耗能少、工藝設(shè)備簡單、不會造成二次污染等優(yōu)勢,在印染廢水的處理中越來越受到重視[2]。生物處理方法主要包括活性污泥法、生物膜法和厭氧水解法,但這些方法均存在著有機(jī)物去除效率低、工藝復(fù)雜、能耗大、剩余污泥產(chǎn)量大等問題[3]。 MBBR工藝的核心是懸浮填料的應(yīng)用。懸浮填料作為微生物的活性載體,在掛膜成功后,密度需與水相接近,然后在曝氣和水流的作用下,懸浮填料處于流化態(tài),增加了微生物與污水中有機(jī)物的接觸。通過微生物的新陳代謝,達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。MBBR工藝不僅可以富集大量的微生物,而且系統(tǒng)穩(wěn)定,很少出現(xiàn)污泥膨脹等問題[4-7]。此外,其節(jié)約能源、抵抗水質(zhì)水量變化能力強(qiáng),反應(yīng)器體積小,日常維護(hù)方便[8-10]。在污水處理廠的升級改造中可作為單元組件復(fù)合到原有工藝完成污水處理。目前已應(yīng)用的生物填料有聚氨酯多孔生物凝膠(porous bio-gel,PBG)填料[11]、PVA凝膠小球[12]、PE(Polyethylene)環(huán)等等,其中PBG填料是一種性能優(yōu)異的親水性填料,該填料具有遇水沉降快、處理能力高、污泥產(chǎn)量少、使用壽命長等特點(diǎn)。

基于傳統(tǒng)工藝處理存在的問題及MBBR應(yīng)用特點(diǎn),本文在中試規(guī)模上,以PBG為懸浮填料,采用水解酸化-MBBR工藝對某廠實際印染廢水進(jìn)行處理,考察該工藝處理印染廢水的可行性。

1 實 驗

1.1 工藝流程

實驗裝置由調(diào)節(jié)罐、MBBR反應(yīng)器和沉淀池串聯(lián)而成,如圖1所示。其中,調(diào)節(jié)罐用以調(diào)節(jié)原水的pH,并進(jìn)行初步的水解酸化,水力停留時間為24 h,有效容積為5 m3;MBBR反應(yīng)器由2個方形反應(yīng)器(有效容積均為0.7 m3)串聯(lián)而成,水力停留時間為8.8 h;沉淀池有效容積為0.5 m3。

圖 1 MBBR工藝流程

將實際印染廢水通過泵抽入調(diào)節(jié)罐中,將原水的pH調(diào)節(jié)至7～8,并進(jìn)行初步水解酸化。廢水經(jīng)調(diào)節(jié)罐后,再利用泵抽入MBBR反應(yīng)器并進(jìn)行處理，出水再進(jìn)入沉淀池。泥水分離后,產(chǎn)生的污泥一部分作為回流污泥,一部分作為剩余污泥。

1.2 接種污泥和實驗水樣

接種污泥:取自某印染廢水處理廠的好氧污泥,接種后污泥濃度為10 700 mg/L。

實驗水樣:福建省石獅市某印染廠的實際廢水,其水質(zhì)成分如表1所示。

表 1 實際廢水水質(zhì)成分

1.3 實驗填料

PBG聚氨酯類填料是多孔凝膠材料,購自于山東省某環(huán)?？萍加邢薰?。它具有極佳的吸水性能,吸水膨脹后呈邊長為(10±1) mm的正方體。其內(nèi)部的多孔墻體結(jié)構(gòu)增加了自身的比表面積,其比表面積大于4 000 m2/m3。密度與水接近,親水性極強(qiáng),吸水膨脹后體積質(zhì)量接近于水,孔隙率為98%。

1.4 廢水處理方法

1.4.1 PBG填料掛膜 按1∶1的比例將PBG填料與接種污泥混勻后裝入反應(yīng)器,采用實際印染廢水啟動反應(yīng)器后使其悶曝3～5 d。待填料上均勻附著了一定量的污泥后,實際廢水持續(xù)進(jìn)水并保持出水回流。保持反應(yīng)器內(nèi)pH值在7.1～7.6之間,溶解氧在1.5～3.0 mg/L之間,期間定時測定反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度及填料內(nèi)負(fù)載的污泥濃度。待填料已經(jīng)全部呈棕褐色,同時通過顯微鏡觀察到微生物已大量附著于填料內(nèi)外部,PBG填料掛膜過程結(jié)束。

1.4.2 MBBR工藝處理印染廢水 取掛膜成功的PBG填料,按20%填充率加入MBBR好氧反應(yīng)器,實際印染廢水以80 L/h的流量運(yùn)行20～30 d,期間監(jiān)測系統(tǒng)COD、氨氮、DO、pH等指標(biāo)。

1.5 檢測指標(biāo)及方法

檢測指標(biāo)包括:COD(5B-3C快速測定儀法);氨氮(納氏比色法的直接測定法[13]);DO(便攜式溶解氧儀法);pH(PHS-3C型pH計直接測定法);MLSS、SS(稱重法);溫度(便攜式溶解氧儀法);PBG填料內(nèi)負(fù)載的污泥量(稱重法[14]);微生物的形態(tài)特征(顯微鏡(N-180M)觀察)。

運(yùn)行結(jié)果檢測方法:采用Quanta 600 FEG型掃描電鏡觀察。具體過程[15]如下:①從反應(yīng)器中隨機(jī)撈取2～3個PBG填料,置于干凈的燒杯中,用去離子水反復(fù)清洗,倒掉上清液;②將樣品浸入2.5%的戊二醛,并將其放入冰箱中固定,溫度設(shè)置4 ℃,用時2 h;③用配置好的0.1 mol/L的磷酸緩沖液沖洗樣品,每次15 min,重復(fù)此操作3次;④分別用體積分?jǐn)?shù)為50%、70%、80%、90%的乙醇進(jìn)行脫水,再用100%乙醇脫水3次,每次20 min;⑤用V(乙醇)∶V(乙酸異戊酯)=1∶1的溶液,純乙酸異戊酯各置換一次,每次20 min;⑥將置換好的樣品放入濾紙疊成的小盒中,置于40 ℃的烘箱中干燥8 h;⑦用離子濺射鍍膜儀(IB-5 (Giko)型)在樣品表面鍍上一層1 500 nm厚度的金屬膜;⑧在掃描電鏡下觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD的去除效果

水解酸化-MBBR工藝對該廠廢水中COD的去除效果如圖2所示。

圖 2 COD的去除效果

由圖2可知：整個系統(tǒng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度在900～1 500 mg/L之間,出水COD質(zhì)量濃度波動較大,平均出水COD質(zhì)量濃度為250 mg/L;前13 d的COD去除率持續(xù)穩(wěn)定在75%;出水COD質(zhì)量濃度在第15天略有提高,并在第19～23天大幅度降低,然后保持穩(wěn)定,最終系統(tǒng)對COD的平均去除率達(dá)到85%,出水COD質(zhì)量濃度低于200 mg/L,達(dá)到了我國GB 4287—2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。 PBG填料的多孔結(jié)構(gòu)利于污泥附著,從而使得填料中的微生物利用廢水中的有機(jī)物進(jìn)行生長和大量增值;另一方面,生長于孔隙中的微生物對于水質(zhì)、水量變化大等沖擊具有更強(qiáng)的抵御能力,其生存能力的增強(qiáng)有利于微型生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此,本實驗工藝對于COD的去除效果良好。

同時與胡國威[16]的COD去除率74.4%相比,本實驗工藝對印染廢水中COD的去除效果顯著增強(qiáng)。

2.2 氨氮的去除效果

水解酸化-MBBR工藝對該廠廢水中氨氮的去除效果如表2所示。

表 2 氨氮進(jìn)出水濃度及去除率

從表2可以看出:本工藝進(jìn)水的氨氮濃度在5.5～11 mg/L左右且波動較大,出水氨氮濃度在2.9～5 mg/L,平均去除率為42%;系統(tǒng)在第7天和第13天時進(jìn)水負(fù)荷升高,此時對氨氮的去除率接近50%～60%。這主要是因為硝化細(xì)菌在有利的環(huán)境下利用充足的有機(jī)物進(jìn)行大量增值,且掛膜后的填料由內(nèi)及外形成厭氧-缺氧-好氧微環(huán)境,有利于硝化反硝化作用的大量發(fā)生。同時系統(tǒng)合適的溶解氧環(huán)境,也使得硝化反應(yīng)進(jìn)行得比較徹底,從而有利于氨氮的去除[17-21]。同時,與劉永紅等[11]的出水氨氮濃度3.4 mg/L相當(dāng)。因此,該實驗工藝對于印染廢水的處理具有可行性。

2.3 水解酸化-MBBR工藝運(yùn)行結(jié)果分析

經(jīng)過25 d的運(yùn)行,PBG填料由最初的白色變成了棕褐色,見圖3(a)和(b)。為了解釋工藝處理效果良好的原因,通過進(jìn)一步分析PBG填料表面和內(nèi)部微生物的富集情況和特征,采用SEM對PBG填料進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3的(c)和(d)所示。PBG填料上負(fù)載的污泥濃度變化如圖4所示。

(a) 未掛膜PBG填料 (b) 運(yùn)行25 d的PBG填料

圖 4 填料負(fù)載的污泥濃度

由圖3可知:PBG填料的表面和內(nèi)部附著了大量菌落,且菌膠團(tuán)逐漸變得緊密而厚實。結(jié)合圖4可以看到，填料上負(fù)載的污泥濃度逐漸增大,最終達(dá)到7 700 mg/L左右。與日清紡企業(yè)管理(上海)有限公司新建印染廢水項目MBBR工藝處理印染廢水的4個曝氣池中填料負(fù)載的污泥濃度分別為9 650、6 868、3 090、3 020 mg/L的成功案例相比,本實驗工藝的填料污泥負(fù)載效果優(yōu)異。說明PBG填料的多孔結(jié)構(gòu)有利于各種微生物的富集,從而使系統(tǒng)微生物種類豐富,數(shù)量繁多。生物膜系統(tǒng)附著生長的微生物與活性污泥中的微生物相比,抵抗水質(zhì)、水量變化大的沖擊能力強(qiáng),有利于廢水中污染物的有效降解。

3 結(jié) 語

以PBG為懸浮填料的水解酸化-MBBR工藝對實際印染廢水COD去除率較高;當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷較高時,對氨氮的去除率較高。隨著運(yùn)行時間的增加,填料負(fù)載污泥的濃度也逐漸升高,最高達(dá)到7 700 mg/L,說明PBG填料具有很強(qiáng)的微生物富集能力,證明該工藝可用于實際印染廢水的處理。