L、氨氮≤15 mg/
L、石油類≤5 mg/L。隨著國(guó)家對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高及污染物種類和數(shù)量的增加，原污水處理廠出水水質(zhì)已不滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求。受池容及結(jié)構(gòu)限制，亟待對(duì)現(xiàn)有生物處理系統(tǒng)進(jìn)行改造。
生物膜法能大幅提高反應(yīng)系統(tǒng)中微生物的濃度及容積負(fù)荷，近年來(lái)多被應(yīng)用到活性污泥法工藝中，形成復(fù)合式活性污泥-生物膜共生系統(tǒng)強(qiáng)化處理工藝，可發(fā)揮2種工藝各自的優(yōu)勢(shì)〔1〕。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于已運(yùn)行的污水處理廠改造有重要意義。復(fù)合式生物系統(tǒng)的重要是能夠形成高污泥濃度的生物膜載體即填料，微生物在填料表面生長(zhǎng)的同時(shí)，填料在水中充分流化，使得微生物能夠有效利用溶解氧及吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。國(guó)內(nèi)研究者曾采用焦炭、石英砂、活性炭、陶粒等填料〔2〕，其密度較大，需要較大的動(dòng)力消耗才能使填料流化。許建民開(kāi)發(fā)的實(shí)用新型專利卍字形嵌(qiàn)套填料〔3〕可大大提高復(fù)合式生物系統(tǒng)篩除有機(jī)物和氨氮的能力。
筆者在某石化企業(yè)進(jìn)行復(fù)合式生物系統(tǒng)中試研究，驗(yàn)證其在污水處理場(chǎng)改造項(xiàng)目中的應(yīng)用效果。膜生物反應(yīng)器在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。
1 項(xiàng)目背景
該污水處理場(chǎng)原有工藝流程為：廢水經(jīng)隔油、氣浮預(yù)處理后進(jìn)入A/O2生化系統(tǒng)，隨后經(jīng)混凝沉淀處理后出水。原處理量為600 m3/h，生化停留時(shí)間25 h。現(xiàn)污水量增加至800 m3/h，且部分設(shè)備陳舊，導(dǎo)致出水COD>100 mg/
L、氨（化學(xué)式：NH3） 氮25 mg/
L、石油類>4 mg/L，部分指標(biāo)超出排放標(biāo)準(zhǔn)50%以上。在此背景下開(kāi)展了復(fù)合式生物系統(tǒng)應(yīng)用于煉油廢水的研究（research)，在不改變?cè)鬯幚韴?chǎng)構(gòu)筑物且增加水量的情況下，依靠投加填料使出水滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
由于煉油廢水含有電脫鹽、焦化等污水，含油較高，水樣中的油可達(dá)100 mg/L以上，最大超過(guò)140 mg/L。中空纖維膜紡絲機(jī)通過(guò)膜技術(shù)進(jìn)行水處理，應(yīng)用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫(yī)院、小區(qū)污水會(huì)用、造紙等生產(chǎn)生活污水處理。膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離、濃縮和提純的分離技術(shù)。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過(guò)膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過(guò)膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。膜分離過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)濾過(guò)程，大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續(xù)長(zhǎng)期使用。有研究表明污水中的油<10 mg/L時(shí)，對(duì)活性污泥性能沖擊很小;油在10~20 mg/L左右時(shí)有一定沖擊，但不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行;含油20~30 mg/L左右時(shí)有明顯沖擊，系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥需要馴化;油>30 mg/L時(shí)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行〔4〕。復(fù)合式生物系統(tǒng)中形成的生物膜可不斷吸附水中的石油類物質(zhì)，最終在固定相形成油包泥，抑制了微生物的生長(zhǎng)。
為保證復(fù)合式生物系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，研究采用前置排泥技術(shù)消除水中溶解油的影響。前置排泥主要特性為：在進(jìn)水端設(shè)置厭氧生物選擇區(qū)，剩余污泥在此厭氧區(qū)進(jìn)行排放。后段回流的活性污泥在反應(yīng)初期對(duì)水中的油進(jìn)行吸附，通過(guò)(tōng guò)排泥將油帶走，防止油類在生化反應(yīng)池內(nèi)富集，有利于改善后段生化反應(yīng)環(huán)境，保證系統(tǒng)穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))運(yùn)行。
2 試驗(yàn)用水、填料及設(shè)備
2.1 試驗(yàn)用水
中試進(jìn)水水樣為該企業(yè)污水處理場(chǎng)的預(yù)處理出水，其COD在580~779 mg/L，石油類物質(zhì)為14.1~23.6 mg/L，氨氮為48.4~70.4 mg/L。
2.2 填料
采用卍字形嵌套填料，尺寸為25 mm×25 mm×25 mm，材質(zhì)為彈性聚氨酯，實(shí)密度0.98 g/cm3，可在正常曝氣條件下形成流化。在曝氣氣泡的攪動(dòng)下，這種填料會(huì)呈現(xiàn)出高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使填料形成自轉(zhuǎn)的同時(shí)能夠上下翻騰，提高了傳質(zhì)效果;此外該填料有內(nèi)凹槽通道，大大增加了比表面積，自轉(zhuǎn)可使填料不會(huì)堆積結(jié)塊;在填料高速自轉(zhuǎn)時(shí)，填料死膜在水力沖刷及曝氣攪動(dòng)作用力下及時(shí)脫落，提高了生物的新陳代謝。
圖 1 填料外觀
該填料可直接投加在反應(yīng)池中，無(wú)需支架固定，且對(duì)曝氣設(shè)備及布?xì)夥绞椒椒ǖ葲](méi)有特殊要求。
2.3 主要設(shè)備
試驗(yàn)裝置采用鋼結(jié)構(gòu)集裝箱，如圖 2所示。膜生物反應(yīng)器在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。
圖 2 試驗(yàn)裝置
其尺寸按原污水處理場(chǎng)水池比例，兼氧槽尺寸1 500 mm×1 000 mm×3 000 mm，一級(jí)好氧槽尺寸2 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，一級(jí)沉淀槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，二級(jí)好氧槽、二級(jí)沉淀槽與一級(jí)尺寸相同，混凝反應(yīng)槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm。槽體有效水深2.4 m，一級(jí)好氧槽和二級(jí)好氧槽填料填充量為有效水深的30%，即0.75 m。
系統(tǒng)(system)采用接種形式啟動(dòng)，接種污泥為原污水處理場(chǎng)好氧污泥，其有效菌種接種量為3 g/L。原污水處理場(chǎng)預(yù)處理后出水進(jìn)入兼氧槽，在兼氧槽內(nèi)進(jìn)水中的殘余油類被一級(jí)沉淀槽的回流污泥吸附形成油包泥，通過(guò)排泥去除，消除了油類對(duì)微生物的抑制作用，向
一、二級(jí)好氧槽內(nèi)分別投加卍字形嵌套填料，在形成的復(fù)合生物系統(tǒng)中完成有機(jī)物及氨氮的去除，二級(jí)好氧槽硝化液100%回流一級(jí)好氧槽，最后經(jīng)混凝、沉淀后出水，混凝沉淀時(shí)PAC投加量為30 mg/L。中試流程見(jiàn)圖 3。
圖 3 中試流程
2.4 分析方法
COD采用重鉻酸鹽法測(cè)定;氨（化學(xué)式：NH3） 氮采用蒸餾滴定法測(cè)定;石油類采用紅外分光光度法測(cè)定。
3 結(jié)果與討論
3.1 卍字形填料生物膜的形成
中試研究中，卍字形嵌套填料生物膜的培養(yǎng)與形成是在氣水比∶1、水力停留時(shí)間8~12
H、系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水條件下完成的，經(jīng)過(guò)12~15 d后發(fā)現(xiàn)大量菌膠團(tuán)已大量出現(xiàn)，生物膜逐漸形成，20 d后生物膜已基本成熟，輪蟲、線蟲等后生動(dòng)物出現(xiàn)。
相比懸浮填料處理工業(yè)廢水時(shí)近30 d的成膜時(shí)間〔5〕，卍字形嵌套填料的掛膜速度大大提高，與改性PU填料處理生活污水的成膜時(shí)間相當(dāng)〔6〕，這是由于卍字形嵌套填料有許多內(nèi)凹槽，傳質(zhì)距離比起普通方形填料大為減少，提高了傳質(zhì)效率，同時(shí)4條內(nèi)凹槽使得生物啟動(dòng)階段填料可在無(wú)碰撞摩擦的狀態(tài)下快速掛膜，啟動(dòng)時(shí)間減少;卍字形嵌套填料有內(nèi)外溝槽，提高了填料表面的粗糙(cū cāo)度，可減少流體流動(dòng)相生物膜(英文：Biofilm)中細(xì)菌細(xì)胞所承受的水力剪切力〔7〕，降低了細(xì)胞被沖刷的可能性，也有利于填料的初期掛膜。
3.2 復(fù)合式生物系統(tǒng)的除油能力
預(yù)處理后的煉油廢水含油仍在14~24 mg/L左右，最大達(dá)到30 mg/L。在卍字形填料生物膜形成初期，填料外表面包裹一層油膜，抑制了微生物對(duì)氧的吸收，導(dǎo)致生物系統(tǒng)啟動(dòng)緩慢甚至停滯;重新進(jìn)水培養(yǎng)時(shí)采用前置排泥技術(shù)，即將一級(jí)沉淀槽排泥回流至兼氧槽，經(jīng)過(guò)污泥的吸附作用將污油截留后排放，消除石油類對(duì)微生物的抑制，好氧槽內(nèi)填料的掛膜速度迅速提升，微生物生長(zhǎng)逐漸達(dá)到最佳增殖速度。經(jīng)此處理后一級(jí)好氧槽中的油控制在5 mg/L以下，保證了復(fù)合式生化系統(tǒng)的良好運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)出水石油類在2 mg/L左右，最低可達(dá)0.98 mg/L。
3.3 運(yùn)行結(jié)果分析
采用該中試裝置考察了不同進(jìn)水條件下有機(jī)污染物和氨氮的去除效果，連續(xù)運(yùn)行15 d以上，采樣頻次為1~2次/d，測(cè)定結(jié)果如下所述。
COD去除效果。在進(jìn)水COD為580~779 mg/L時(shí)，混凝沉淀槽出水COD均在50 mg/L以下，去除情況(Condition)見(jiàn)圖 4。如圖 4所示，在復(fù)合式系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始的3 d內(nèi)，系統(tǒng)出水COD與原污水場(chǎng)COD接近，這可能是因?yàn)槲⑸镞€未完全適應(yīng)水質(zhì)條。隨著來(lái)水不斷注入，出水COD逐漸下降，直至穩(wěn)定在<50 mg/L，COD去除率逐漸提高，基本穩(wěn)定在90%以上，目前在國(guó)內(nèi)煉油廢水的處理(chǔ lǐ)項(xiàng)目(xiàng mù)中很少做到此去除率。這與復(fù)合式生物系統(tǒng)中投加的卍字形填料結(jié)構(gòu)密不可分，相比其他懸浮填料，卍字形嵌套填料的比表面積大，能夠附著更多的微生物，且其內(nèi)部多條溝槽對(duì)有機(jī)物的去除能力很強(qiáng)，對(duì)培養(yǎng)長(zhǎng)泥齡微生物也有很好的效果。經(jīng)測(cè)定，生物系統(tǒng)內(nèi)污泥質(zhì)量濃度可達(dá)10 000 mg/L，比普通活性污泥法提高2倍以上。投加生物增效菌種同樣可達(dá)到提高污泥質(zhì)量濃度、降低COD的目的〔8〕，但成本相對(duì)較高，在污水處理廠的應(yīng)用范圍有限。
圖 4 復(fù)合式生物系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果
NH3-N去除效果。圖 5為復(fù)合式生物系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果。
圖 5 復(fù)合式生物系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果
由圖 5可知，在復(fù)合式系統(tǒng)運(yùn)行的前5 d，出水氨氮不穩(wěn)定且在10 mg/L以上，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，與COD篩除情況類似。當(dāng)微生物適應(yīng)來(lái)水水質(zhì)后，系統(tǒng)出水氨氮逐漸穩(wěn)定在8 mg/L以內(nèi)，氨氮去除率在88%以上。由此說(shuō)明投加卍字形生物填料的復(fù)合式生物系統(tǒng)對(duì)煉油廢水氨氮有良好的去除效果。
其他感染物去除效果。投加卍字形嵌套填料的復(fù)合式生物系統(tǒng)除對(duì)CO
D、NH3-N有較好的去除效果外，對(duì)其他污染物的去除同樣有效，石油類 < 3 mg/L，揮發(fā)酚、硫化物的去除率也在60%以上。具體參見(jiàn)
4 結(jié)論
卍字形嵌套填料具有比表面積大、掛膜快、流化狀態(tài)好等特點(diǎn)，對(duì)形成的生物膜及活性污泥復(fù)合生物系統(tǒng)(system)有良好的有機(jī)物及氨氮去除效果。同時(shí)采用前置排泥技術(shù)也為復(fù)合式生物系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的水質(zhì)環(huán)境。中試結(jié)果表明，填料投加率為30%、水力停留時(shí)間為18 h的工況下，當(dāng)進(jìn)水COD為 580~779 mg/
L、氨氮為 48.4~70.4 mg/
L、石油類為 14.1~23.6 mg/L時(shí)，出水COD < 50 mg/
L、氨氮<8 mg/
L、石油類<3 mg/L，對(duì)揮發(fā)酚及硫化物的去除率也在60%以上。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，該系統(tǒng)內(nèi)污泥質(zhì)量濃度提高了2倍以上;與普通懸浮填料形成的復(fù)合生物系統(tǒng)相比，其處理煉油廢水的停留時(shí)間更短，效率更高。該中試研究結(jié)果可為煉油污水處理廠的改建提供理論依據(jù)(yī jù)和試驗(yàn)支持。
