紡織印染業(yè)作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，在其退漿、煮練、絲光、染色、印花以及水洗等過(guò)程中會(huì)用到大量的油、酸、堿、纖維雜質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽、表面活性劑、漿料、染料和化學(xué)助劑等，導(dǎo)致所產(chǎn)生的廢水不但量大，且廢水水質(zhì)變化大、有機(jī)物濃度高、色度高、pH高以及可生化性差，屬于難降解的工業(yè)廢水之一〔1, 2〕。
為控制太湖流域重點(diǎn)行業(yè)排污總量，江蘇省政府在2007年頒布了《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水 處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)，將印染廢水的CODCr排放指標(biāo)由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80 mg/L提高到50 mg/L，氨氮(NH4+-N)由10 mg/L提高到5 mg/L。對(duì)太湖地區(qū)的印染行業(yè)而言，要達(dá)到江蘇省太湖地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是CODCr指標(biāo)和氨氮指標(biāo)仍有一定的難度。這兩項(xiàng)指標(biāo)直接導(dǎo)致了該地區(qū)印染行業(yè)廢水回用率不到50%的結(jié)果，這一回用率在全國(guó)各行業(yè)中水回用率中是較低的〔3〕。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，目前在工程應(yīng)用中多利用缺氧-好氧工藝(即A/O生物工藝)進(jìn)行脫氮。然而，常規(guī)A/O工藝存在如下缺陷：(1)硝化與反硝化過(guò)程均始終要重復(fù)經(jīng)歷抑制-復(fù)蘇-抑制-復(fù)蘇的過(guò)程。如硝化菌，當(dāng)其處于缺氧段時(shí)，其活性會(huì)受到一定的抑制，而當(dāng)它再次進(jìn)入硝化段時(shí)又需要一段恢復(fù)活性的過(guò)程，對(duì)反硝化菌也同樣如此。這樣的結(jié)果就是整個(gè)硝化與反硝化過(guò)程都要重復(fù)經(jīng)歷抑制階段，從而導(dǎo)致各反應(yīng)區(qū)內(nèi)的主體反應(yīng)速度變緩。(2)優(yōu)勢(shì)菌種不明顯。在A/O工藝中，硝化菌與反硝化菌是一個(gè)龐雜的混合體。只是在不同的處理階段和不同的外界環(huán)境下，菌種的活性表現(xiàn)有所差異。(3)來(lái)自好氧池出水的內(nèi)回流往往含有較高的溶解氧(DO)，使反硝化段難以保持理想的缺氧狀態(tài)，從而對(duì)缺氧池的反硝化過(guò)程產(chǎn)生一定的抑制作用〔2〕。
為此，筆者通過(guò)改變泥水回流方式及微生物培養(yǎng)方式，并添加自主專利的新型填料后，形成改良型A/O生物膜工藝，并以預(yù)處理后的實(shí)際印染廢水為處理對(duì)象，對(duì)改良型A/O生物膜工藝在脫除有機(jī)物及氮磷方面的效果進(jìn)行了研究，以期為今后的工程應(yīng)用提供參考與借鑒。
1 實(shí)驗(yàn)裝置與工作原理
實(shí)驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制作，尺寸為80 cm×40 cm×55 cm，總?cè)莘e150 L，包括缺氧池(A池)、好氧池(O池)和后續(xù)沉淀池3部分。A池與O池的容積比為1∶3。O池底部采用穿孔管曝氣，氣水比為(10~16)∶1。硝化液回流由沉淀池出水通過(guò)計(jì)量泵回流至A池進(jìn)水端，回流比為200%。A池與O池內(nèi)部添加SJ-Ⅲ新型填料，均勻布置于反應(yīng)器內(nèi)，填充率約為68%(體積比)。SJ-Ⅲ填料為江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司提供的纖維編織產(chǎn)品，其直徑約5.5 cm，表面粗糙度0.2 μm，1 cm干燥產(chǎn)品質(zhì)量為1.1 g，膜后質(zhì)量密度160~240 kg/m3，單絲強(qiáng)力60~80 N，比表面積2 000~3 500 m2/m3。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 1。
圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置
工藝特征：(1)池體內(nèi)增設(shè)填料后，可以將硝化菌及反硝化菌固定在各自的反應(yīng)器內(nèi)，避免抑制過(guò)程的發(fā)生，提高反應(yīng)器的脫氮速率及效率;(2)池體內(nèi)投加填料不但可以加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)所需的微生物菌種數(shù)量，而且可以利用填料對(duì)其進(jìn)行分相培養(yǎng)，使其成為所需的優(yōu)勢(shì)菌種，并通過(guò)保持反應(yīng)器內(nèi)所需的生物環(huán)境，使其始終處于最佳的生理狀態(tài);(3)對(duì)O池而言，投加填料還能有效提高好氧池內(nèi)氧的傳遞及利用效率，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性〔4〕;(4)內(nèi)循環(huán)由原來(lái)的O池出水回流改為由沉淀池出水回流。如此則有利于保持A池的缺氧狀態(tài)，改善反硝化效果。
在該改良型A/O生物膜工藝中，廢水先進(jìn)入A池，然后再進(jìn)入O池。由于硝化菌和反硝化菌固定在反應(yīng)器內(nèi)的填料上，不但生物量大，且始終處于最佳的生理狀態(tài)，因此，能夠?qū)λ械陌钡M(jìn)行快速硝化與反硝化，達(dá)到高效脫氮的目的。
2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
2.1 原水水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)所用印染廢水取自杭州市蕭山區(qū)某印染廠，該廢水由高濃度脫漿廢水和低濃度染色廢水經(jīng)物化及厭氧水解工藝預(yù)處理后的混合液組成，其中CODCr為615~805 mg/L，可生化性為0.30~0.45，氨氮16.1~30.7 mg/L，總氮31.4~45.7 mg/L，總磷0.68~1.58 mg/L，pH 8~10。
2.2 接種污泥
接種污泥一部分取自杭州市蕭山區(qū)某印染廠好氧池內(nèi)經(jīng)靜沉后的活性污泥，其TSS 12.6 mg/L，VSS 7.5 mg/L，VSS/TSS=59.5%;另一部分取自污水廠污泥濃縮池中的污泥，其TSS 23.8 mg/L，VSS 16.9 mg/L，VSS/TSS=71.0%。
該填料具有較大的比表面積和粗糙度，易為微生物附著，能夠形成良好的微生物生態(tài)圈，正常運(yùn)行的反應(yīng)器內(nèi)微生物質(zhì)量濃度可達(dá)5~8 g/L左右。膜纖維中還穿插有硬質(zhì)塑料線，使得填料不易變形，抗水流沖擊能力強(qiáng)，抗拉性能好。另外，填料成本低廉，約在4~5元/m，適合各種水量的處理。
2.3 分析指標(biāo)及方法
CODCr采用快速密閉消解后以重鉻酸鉀法測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TN采用紫外分光光度法測(cè)定，硝酸鹽氮采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定〔5〕，污泥濃度(MLSS)采用烘干稱量法測(cè)定，DO采用便攜式DO測(cè)定儀測(cè)定，pH采用pH計(jì)測(cè)定，溫度采用溫度計(jì)測(cè)定。
2.4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行
首先對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行污泥培養(yǎng)馴化。參照A池與O池反應(yīng)器體積比，各取濃縮污泥3.75 L和活性污泥11.25 L，分別加入A池與O池反應(yīng)器內(nèi),再加滿待處理印染廢水，控制曝氣量，使泥水充分混合，靜態(tài)運(yùn)行1周，目的是使微生物適應(yīng)廢水水質(zhì)，同時(shí)使填料上附著盡可能多的微生物。在污泥馴化期內(nèi)，每隔12 h更新反應(yīng)器內(nèi)水樣，每次更新水量占反應(yīng)器總水量的25%。1周后采用全流量連續(xù)進(jìn)出水，進(jìn)水量控制在3.5 L/h。馴化1周后可明顯看見(jiàn)填料上均勻布滿大量淡黃色黏性微生物膜。此時(shí)CODCr去除率達(dá)到50%，表明馴化過(guò)程結(jié)束。隨后流量調(diào)至5.5L/h，連續(xù)進(jìn)出水，每日2次測(cè)定反應(yīng)器進(jìn)出水各項(xiàng)指標(biāo)。
3 結(jié)果與討論
3.1 CODCr去除效果
反應(yīng)器正常運(yùn)行后，每天對(duì)進(jìn)出水CODCr進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖 2所示。
從圖 2可以看出，改良型A/O生物膜反應(yīng)器在培養(yǎng)馴化結(jié)束時(shí)對(duì)CODCr的去除率在50%左右，經(jīng)連續(xù)5周運(yùn)行后，出水CODCr去除率平均達(dá)92.2%。當(dāng)進(jìn)水CODCr平均717.7 mg/L時(shí)，出水CODCr可穩(wěn)定在50 mg/L以下，完全達(dá)到江蘇省太湖地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)。
圖 2 反應(yīng)器出水CODCr變化
3.2 氨氮去除效果
對(duì)于工業(yè)廢水中氨氮的去除，目前采用較多的技術(shù)仍然是硝化反硝化技術(shù)，即A/O工藝。對(duì)常規(guī)的A/O工藝來(lái)說(shuō)，內(nèi)循環(huán)比的大小直接決定著脫氮率的高低。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要保持較高的脫氮率(如70%以上)時(shí)，內(nèi)循環(huán)比通常在200%~400%。而如此高的內(nèi)循環(huán)比則意味著反應(yīng)器容積較大、造價(jià)較高，而且循環(huán)泵的電耗也非常大。因此，目前大多數(shù)工業(yè)廢水的生物脫氮率都難以超過(guò)70%。
研究通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)A/O工藝在微生物培養(yǎng)方式以及泥水回流方式方面的變化，并增設(shè)特殊填料后，期望達(dá)到同步脫氮除碳的效果。實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)出水氨氮的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 3。
圖 3 反應(yīng)器出水氨氮變化
從圖 3可以看出，反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率隨著反應(yīng)器的運(yùn)行逐漸升高。在最初的2周內(nèi)，氨氮去除率只有40%左右。當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行5周后，反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率接近90%，平均去除率達(dá)到86.9%，出水氨氮能穩(wěn)定維持在5 mg/L以下，完全達(dá)到江蘇省太湖地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)。
分析認(rèn)為：氨氮去除率高的原因，與系統(tǒng)添加特殊填料、污泥培養(yǎng)方式以及泥水回流方式等均有直接關(guān)系。一方面通過(guò)添加填料能使每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種固定下來(lái)，使其始終處于最佳的生理狀態(tài)，達(dá)到高效脫氮的效果;另一方面，填料的特殊結(jié)構(gòu)使得該填料上附著的微生物數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)填料上的微生物量，而微生物量的多少對(duì)于有機(jī)物及脫氮率有直接的影響。這可能是該新型填料能改善脫氮效果的最重要原因。
而且在O池內(nèi)，由于生物膜厚度較厚，不同膜層中由于微生物所處的微氧環(huán)境不同，微生物種群類型也有差異。處于表層的生物膜主要以異養(yǎng)型的好氧菌(包括硝化菌)為主，中間層的微生物則主要以兼氧型的菌種為主(包括反硝化菌)，而處于膜最深層中的微生物則主要以厭氧型菌種為主。因此，脫氮過(guò)程除了A/O工藝本身所帶來(lái)的效果之外，在好氧池內(nèi)也會(huì)發(fā)生同步硝化反硝化過(guò)程。
另外，泥水回流方式也能使缺氧池內(nèi)的DO始終處于0.5 mg/L以下。而微生物的分相培養(yǎng)則使微生物始終處于最佳的生理狀態(tài)。上述幾方面疊加使得該A/O生物膜工藝具有非常高的脫氮效果。
3.3 硝酸鹽氮去除效果
為了進(jìn)一步考察系統(tǒng)對(duì)實(shí)際印染廢水中氨氮的硝化效果，以及硝酸鹽在反應(yīng)器內(nèi)的積累程度，實(shí)驗(yàn)每隔5 d對(duì)反應(yīng)器中的硝酸鹽含量測(cè)定1次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。
圖 4 反應(yīng)器出水硝酸鹽氮變化
根據(jù)圖 3對(duì)氨氮的去除率，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)出水中硝酸鹽氮含量的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可知系統(tǒng)脫氮效果明顯，出水硝酸鹽氮的平均質(zhì)量濃度低于2 mg/L，積累效果不顯著。這是由于不同環(huán)境之間連續(xù)的傳質(zhì)過(guò)程，使得硝化和反硝化過(guò)程變得高效且連續(xù)，且在O池內(nèi)能同時(shí)發(fā)生硝化與反硝化過(guò)程，從而減弱了中間產(chǎn)物如硝酸鹽、亞硝酸鹽等對(duì)微生物代謝活動(dòng)的抑制作用，促進(jìn)了對(duì)水中氨氮的高效去除。
3.4 總氮去除效果
為了考察改良型A/O生物膜工藝對(duì)總氮的脫除效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)出水總氮進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖 5所示。
圖 5 反應(yīng)器出水總氮變化
由圖 5可以看出，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率在最初的一段時(shí)間內(nèi)呈下降趨勢(shì)。隨著污泥性能的穩(wěn)定并逐漸適應(yīng)該廢水后，總氮去除率逐漸上升。在運(yùn)行第5周后，總氮平均去除率達(dá)到84.8%，實(shí)現(xiàn)了高效脫氮的目的。這進(jìn)一步證明了系統(tǒng)采用污泥分相培養(yǎng)及增設(shè)特殊填料的方法對(duì)于改善系統(tǒng)的脫氮性能有著顯著的影響。
然而，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把內(nèi)回流比增大到300%后，系統(tǒng)對(duì)總氮的脫除效果并沒(méi)有明顯增加。分析認(rèn)為這主要與生物膜的特性有關(guān)。因?yàn)楫?dāng)生物膜的厚度增大到一定程度后，底物從膜表面滲透到膜內(nèi)部過(guò)程中，會(huì)有一定的阻力。回流比的增大能夠加快膜表面的硝化與反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但是對(duì)于底物的滲透過(guò)程則不會(huì)有顯著的影響。另外，膜表面與廢水接觸的微生物量的增量遠(yuǎn)小于內(nèi)回流量的增量。因此，當(dāng)回流比足夠合適時(shí)，繼續(xù)增大回流比并不能顯著提高脫氮效果。
3.5 總磷去除效果
實(shí)驗(yàn)期間還考察了改良型A/O生物膜法對(duì)實(shí)際印染廢水中總磷的去除情況，結(jié)果見(jiàn)圖 6所示。
圖 6結(jié)果顯示，通過(guò)前期的預(yù)處理，進(jìn)入到A/O系統(tǒng)中的總磷平均在1.3 mg/L左右。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，總磷去除率在后期呈上升趨勢(shì)，去除率接近70%，出水總磷保持在0.5 mg/L以下，這個(gè)數(shù)值對(duì)于A/O脫氮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不算太低。這一方面得益于微生物自身的生理需要對(duì)磷酸鹽的攝取，另一方面也說(shuō)明，生物膜中存在聚磷菌的富集，如反硝化聚磷菌等〔6, 7〕。但是聚磷菌從外部環(huán)境吸收的磷，只能通過(guò)將含磷污泥排出系統(tǒng)達(dá)到除磷的目的，因此，如應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)，需要對(duì)A/O系統(tǒng)定期排泥。
圖 6 反應(yīng)器出水總磷變化
然而，對(duì)于總磷含量較高的印染廢水，仍然需要設(shè)置前置或后置的化學(xué)除磷設(shè)施，以確保總磷能長(zhǎng)期達(dá)標(biāo)排放。
3.6 填料掛膜前后特征
改良型A/O生物膜工藝連續(xù)運(yùn)行5周后，對(duì)掛膜前后填料表面特征進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，由于填料絲相互纏繞并伸展至水中，使生物膜具有立體結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器中填料表面生物膜分布均勻，反應(yīng)器中活性污泥大部分附著在填料上，只有極少量的污泥懸浮在反應(yīng)器中。
其中，A池填料由最初的白色變?yōu)榛液稚盍媳砻嫔锬そY(jié)構(gòu)密實(shí)，厚度較厚;O池填料外觀為黃褐色，生物膜結(jié)構(gòu)密實(shí)，厚度較A池略薄。將填料在水中用力抖動(dòng)，會(huì)有少量污泥脫落。
在該改良型A/O生物膜工藝中，填料上附著的活性生物膜與普通填料產(chǎn)生的生物膜雖無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但厚度卻有顯著差異。常規(guī)填料如立體彈性填料上附著的生物膜厚度多在0.1 mm以下，而研究所采用的填料由于具有獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)及較大的比表面積，更易為微生物所附著，因此，生物膜不但形成速度快，厚度也是傳統(tǒng)填料的1~2倍。根據(jù)對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器中污泥濃度MLSS的測(cè)定，A池和O池中MLSS分別約為7 251、5 867 mg/L。生物膜越厚，代表單位容積的微生物數(shù)量也越大，處理效率和處理速率也越高。
鏡檢發(fā)現(xiàn)，A池填料上的生物菌落主要以鞭毛蟲和草履蟲等為主。O池填料上的生物菌落含有少量絲狀菌以及原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，包括輪蟲、累枝蟲和線蟲等，而鐘蟲難以覓見(jiàn)。這些種類不一、功能繁多的微生物組成了一種相互聯(lián)系、相互影響的生態(tài)平衡關(guān)系，共同促進(jìn)了對(duì)廢水中有機(jī)物、氨氮及總磷等的去除，使污水得到凈化。具體參見(jiàn)http://m.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)常規(guī)A/O脫氮工藝的泥水回流方式和污泥培養(yǎng)方式進(jìn)行改變，并添加特殊填料后，形成具有生物膜特征的改良型A/O生物膜脫氮除碳工藝。該工藝能使污泥固定在各自的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行分相培養(yǎng)，并使其成為優(yōu)勢(shì)菌種，同時(shí)使反應(yīng)器內(nèi)的微生物始終處于最佳的生理狀態(tài)，從而提高常規(guī)A/O系統(tǒng)的處理效果。
(2)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際印染廢水的CODCr、氨氮、總氮、總磷的去除效果較好，去除率可分別達(dá)到92.2%、86.9%、84.8%、69.6%。系統(tǒng)出水主要指標(biāo)完全達(dá)到《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2007)的排放標(biāo)準(zhǔn)。
(3)系統(tǒng)對(duì)預(yù)處理后的印染廢水中總磷處理效果較好，出水總磷低于0.5 mg/L。對(duì)于總磷含量較高的印染廢水，需要設(shè)置前置或后置的化學(xué)除磷設(shè)施，以確保總磷能長(zhǎng)期達(dá)標(biāo)排放。
