MBBR工艺提升催化剂污水装置生化系统处理能力的应用研究

赵 燕， 秦 勇， 王 森

(1.中国石油兰州石化公司 污水处理厂， 甘肃 兰州 730060； 2.陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安 710021)



MBBR工艺提升催化剂污水装置生化系统处理能力的应用研究

赵 燕1， 秦 勇1， 王 森2

(1.中国石油兰州石化公司 污水处理厂， 甘肃 兰州 730060； 2.陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安 710021)

应用MBBR工艺对某石化公司污水处理厂催化剂污水处理装置生化系统ABFT池进行升级改造，研究影响该工艺处理效果的主要因素，即温度、DO含量和污泥回流比.研究表明，实际运行中，温度20 ℃～30 ℃、DO 1～4 mg/L、污泥回流比R≤3工况下，能取得较好的污染物去除效果.运行结果表明，改造后的污水处理工艺，生化系统的污水处理能力得到有效提升，处理量从100～120 m3/h提升至200～260 m3/h，出水水质稳定：COD≤60 mg/L、氨氮≤5 mg/L，能够满足新的排放标准.稳定运行下，COD和氨氮的去除率分别为85.97%和98.59%，证明MBBR工艺具有较好的脱氮效果，减少了外排污染物浓度和污泥产生量，节能减排效果良好.

MBBR； 催化剂污水； 升级改造； COD； 氨氮

0 引言

某石化公司污水处理厂催化剂污水处理装置始建于1993年，后作为甘肃省限期治理环保项目，在2001年进行改造，于2004年建成投运.采用“预曝调节-均质-酸碱中和-两级沉淀池-ABFT池(曝气生物流化床)”工艺，对催化剂生产过程中排放的高氨氮、高悬浮物废水进行处理，排水执行GB8978-1996污水综合排放一级标准[1]，即COD≤100 mg/L、氨氮≤15 mg/L.随着运行时间延长，受上游排水异常情况频繁发生影响，该装置逐渐显现出处理效果不理想的情况，特别是生化系统ABFT池，受进水量和水质冲击、生物填料堵塞等问题影响，对污水中污染物的去除效果不稳定，并最终影响到外排水水质[2-4]；再者国家环保部即将出台新的石油炼制行业外排水标准，要求出水COD≤60 mg/L、氨氮≤5 mg/L，该装置实际排放水质已无法满足新标准要求，必须对原装置进行升级改造.

移动床生物膜工艺(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)是20世纪挪威卡能士环保公司与SINTEF研究机构联合开发的一种污水处理工艺，吸收了传统流化床和生物接触氧化两种工艺的优点，是一种基于悬浮填料的生物流化床技术，在同一个生物处理单元将生物膜法与活性污泥法有机结合，可有效提升装置生化系统的处理能力和效果，并增加抗冲击能力[5-7].

针对催化剂污水处理装置运行现状，为达到新的石油炼制行业外排水标准，采用MBBR工艺，对装置生化系统进行原位升级改造，达到降低出水污染物浓度的要求.通过分析各项工艺参数对出水水质的影响，试图为今后同类装置的建设和改造提供技术参考.

1 装置现状

1.1 污染物种类及设计水质指标

催化剂污水主要污染物组分有：高岭土、稀土、氢氧化铝凝胶、硅、硅铝凝胶、不定型硅铝晶体、氨氮等.其中高岭土、稀土等以悬浮物状态分布于污水中，形成催化剂污泥；氢氧化铝凝胶、硅铝凝胶等均以交替的形态均匀分散在水体中；氨氮以及有机污染物等则溶解于水中[8-11].催化剂污水设计进、出水水质指标如表1所示.

表1 催化剂污水处理装置实际及设计进、出水水质指标

1.2 工艺流程说明

催化剂污水和含硫污水在预曝调节池混合，混合后自流入均质池，加入一定量的聚合铝均质，并根据污水的pH加入一定量的酸碱将pH调至6～9，添加一定量的絮凝剂后连续进入一沉池沉降，一沉池排泥经污泥池用泵连续送至浓缩池，浓缩池上清液以220 t/h自流至预曝调节池，污泥浓缩液以20～45 t/h进入离心脱水机进行分离，离心脱水机上清液经泵打回二沉池，脱水后的泥渣拉往工业渣场进行填埋.一沉池出水连续自流入二沉池，二沉池排泥经污泥池用泵间断送至浓缩池，二沉池出水连续自流入ABFT池，ABFT池出水排至监测池定期分析化验，分析合格后排放，工艺流程见图1.

图1 催化剂污水处理装置改造前工艺流程图

1.3 处理效果及存在问题

催化剂污水处理装置设计处理量500 m3/h，在改造初期解决了公司含硫污水、催化剂污水两股难降解废水达标治理的环保难题.但随着催化剂厂产品结构调整，催化剂污水性质有所变化；同时含硫污水的水质也逐年变化，装置运行中逐渐暴露出以下问题：

(1)因催化剂污水中硅含量较高，在水中呈均匀分散的胶体, 难以用传统的絮凝或混凝等物理或化学方法去除，影响装置沉淀池运行效果，沉淀池无法沉淀去除的悬浮物进入后续生化系统.同时，生化系统投加的无机碱液(碳酸钠、碳酸氢钠)易产生碳酸盐沉淀.胶体类悬浮物及碳酸盐对生化系统聚氨酯填料造成堵塞，导致生化处理效率下降.因此，生化系统无法全量处理催化剂污水，处理能力仅为100～120 m3/h.

(2)炼油厂部分装置和罐区排放的含硫污水设置单独的收集系统并送到污水处理厂预处理后与催化剂污水合并处理，该股污水硫化物、COD含量高，安全隐患大、拟通过工艺完善及管道改造取消该系统.

1.4 水质分析方法

COD采用重铬酸钾法(GB11914-89)测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法(HJ537-2009)测定.

2 废水处理工艺改造

2.1 MBBR工艺特性[12-15]

(1)采用特殊结构的载体填料，填料比表面积大，容积负荷高，紧凑省地，可通过投加载体填料的方式完成处理能力和处理效果的提升，而不必新增生化反应池.

(2)耐冲击性强，性能稳定，运行可靠.

(3)池体无堵塞，池容得到充分利用，没有死角.

(4)系统灵活方便.其一是池体不拘泥形状；其二是可灵活选择不同的填料填充率，实现对现有系统处理能力的提升.

(5)MBBR工艺可方便地与原有的工艺有机结合，形成活性污泥-MBBR组合工艺.

(6)使用寿命长.优质耐用的生物填料、曝气系统和出水装置可保证整个系统长期使用而无需更换.

2.2 改造方案

2.2.1 改造内容

改造技术核心采用MBBR工艺，将原有ABFT池(2座，每座各11个廊道，每个廊道8间)改造成为MBBR池，拆除原有ABFT池上下拦截网及池底曝气系统，更换填料、筛网及曝气系统，每个廊道前7间投加K3填料；新建2座三沉池和1座污泥池，污泥池兼做污泥回流池及剩余活性污泥排放池，在污泥池中设污泥回流泵.

2.2.2 新增构筑物及设备参数

(1)MBBR池.4.6×4.0×4.5(m)×8间×11廊道×2座；有效容积14 432 m3.

(2)填料(K3).材质：高密度聚乙烯；比表面积：500(±20) m2/m3；比重：0.96 (±0.04) kg/L；最小堆积密度：90 kg/m3；直径：25 (±2) mm；高度：8(±1) mm，其上蜂窝状均匀分布19个直径约5 mm的内孔；填充率31%.

(3)三沉池.φ19×3.8 m×2座，钢筋混凝土结构；配套刮泥机：φ19 m；周边线速3 m/min；功率0.37 kw；数量2台.

(4)污泥池.10×5×5.5 m，钢筋混凝土结构；配套污泥回流泵：流量200 m3/h；扬程15 m；功率15 kw；数量3台；开2备1.

2.2.3 改造后工艺流程说明

来自催化剂厂的催化剂污水(200 m3/h)和来自炼油厂的烟气脱硫污水(60 m3/h)经过预曝调节池(已有)后通过酸碱中和，经泵提升依次进入已有一沉池和二沉池，并投加絮凝剂；然后进入新建MBBR池，出水经管道自流进入新建的两座辐流式三沉池，在三沉池内进行泥水分离，上清液排往新301泵房，污泥排入新建的污泥池；污泥池内设三台污泥回流泵，部分污泥通过回流泵回流至MBBR池前端，剩余活性污泥排入原有池-6，经泵提升至污泥浓缩池，经过浓缩的污泥进入离心机脱水，脱水后的泥渣拉往工业渣场进行填埋.

图2 催化剂污水处理装置改造后工艺流程图

2.3 影响因素分析

2.3.1 温度

MBBR工艺对COD的去除受温度影响变化见图3.由图3可知，进水COD浓度在148.67～452.03 mg/L之间波动，出水COD浓度在32.34～88.53 mg/L之间变化，去除率在71%～85%之间变化.两种温度范围下，平均去除率为78%，出水COD平均值为58.58 mg/L.出水COD含量从20 ℃～30 ℃的58.02 mg/L升高到了10 ℃～15 ℃的59.14 mg/L；COD的去除率从20 ℃～30 ℃的81%下降到了10 ℃～15 ℃的79%，变化幅度较小，故温度对MBBR工艺中COD的去除效果基本没有影响.

图3 温度对COD去除效果的影响

MBBR工艺对氨氮的去除受温度影响变化见图4.由图4可知，进水氨氮浓度在69.47～198.10 mg/L之间波动，出水氨氮浓度在0.56～8.04 mg/L之间变化，去除率在94.36%～99.36%之间变化.温度对硝化菌的影响远比对去除COD的细菌大.随着温度降低，出水氨氮含量从20 ℃～30 ℃的1.58 mg/L升高到了10 ℃～15 ℃的4.87 mg/L；氨氮的去除率从20 ℃～30 ℃的98.48%下降到了10 ℃～15 ℃的95.12%.研究表明，硝化菌是中温生长菌，其适宜生长温度范围是20 ℃～30 ℃，温度过高或过低都会对其生长和繁殖造成不利影响，进而影响硝化效果.

因此，为了提高催化剂污水中COD和氨氮的去除效果，MBBR工艺中温度控制在20 ℃～30 ℃范围内，温度较低的冬季，可以通过蒸汽加热的方式保障最适温度范围.

图4 温度对氨氮去除效果的影响

2.3.2 溶解氧(DO)含量

溶解氧含量对生物氧化和脱氮工艺的去除率有很大影响.在硝化阶段，反应必须在好氧条件下运行，溶解氧控制在1～4 mg/L较为合适.当DO高于4 mg/L时，生物膜由于所受剪切力过大而不易挂膜；当DO低于0.5～0.7 mg/L时，硝化反应的速率和效率均会受到抑制.对于MBBR反应器，由于生物膜系统中的传递阻力较大可以允许较高的溶解氧浓度，因此反硝化过程中DO浓度耐受性稍强，可适当控制在1 mg/L以下.

2.3.3 污泥回流比

一般情况下，MBBR反硝化脱氮工艺中，混合液回流比越大，氮的去除率越高，但是回流比过高会使厌氧池内DO值过高，对反硝化反应产生抑制作用.当回流比R>3时，混合液的溶解氧始终保持在0.5 mg/L以上，难以满足反硝化脱氮的要求，而且回流比越大，混合液的DO值越高.因此，选择适当的回流比是十分必要的，回流比R≤3比较合理.

3 废水处理效果及效益分析

3.1 填料挂膜

MBBR池B座最先完成改造后进水，进行填料挂膜培养，启动初期引入化工污水处理装置水解池和生活污水处理装置曝气池活性污泥进行接种，接种活性污泥浓度约为3 g/L.同时，每日投加3次葡萄糖、尿素和高效硝化菌等营养物质.MBBR池进水量第1周控制为来水的1/4；第2～3周控制为来水的1/2；第4周起进水量增加至来水的3/4，期间装置受到一次上游来水冲击，将进水量又降至来水的1/2.填料挂膜阶段，化验室按照临时分析计划，每天对MBBR池B座每个廊道进、出水COD和氨氮测定2次；每个廊道第8间的污泥浓度测定和微生物镜检各1次.45天后肉眼观察填料表面生长出一层薄薄的淡黄色生物膜，化验分析B座每一个廊道第8间的污泥浓度均达到2 g/L左右，镜检微生物以轮虫、盾纤虫和游仆虫等后生动物为主，COD和氨氮去除率分别达到85%和95%以上，说明填料挂膜成功.

(a)K3填料挂膜前照片

(b)K3填料挂膜后照片

3.2 调试期间处理效果分析

调试期间的进、出水COD含量及COD去除率变化见图6，进、出水氨氮含量及氨氮去除率变化见图7.调试期间，进水COD浓度在165.12～457.34 mg/L之间波动；进水氨氮浓度在72.13～256.09 mg/L之间波动.调试结果表明，在工艺调试前期，出水COD为110 mg/L左右，连续运行21天后，出水COD降至80 mg/L以下，45天后降至60 mg/L以下，系统稳定后COD平均去除率达到了85.97%；调试前期出水氨氮为20 mg/L左右，连续运行15天后，出水氨氮降至15 mg/L以下，30天后降至4 mg/L以下，系统稳定后氨氮平均去除率达到了98.59%.出水水质达到了新的排放标准，生化系统稳定后，出水水质更加稳定.

图6 调试期间进出水COD及去除率变化趋势图

图7 调试期间进出水氨氮及去除率变化趋势图

3.3 负荷提升期处理效果分析

进水量从100～120 m3/h提升至200～260 m3/h，提升了一倍.负荷提升期间的进、出水COD含量及COD去除率变化见图8，进、出水氨氮含量及氨氮去除率变化见图9.由图8可知，出水COD稳定在60 mg/L以下，平均值为45.32 mg/L，COD去除率平均值为82.98%，比调试阶段出水水质更好.由图9可知，出水氨氮稳定在5 mg/L以下，平均值为1.92 mg/L，氨氮去除率平均值为98.33%，优于调试阶段的出水水质.

图8 负荷提升期进出水COD及去除率变化趋势图

图9 负荷提升期进出水氨氮及去除率变化趋势图

3.4 效益分析

催化剂污水处理装置生化系统改造项目，工程建设总投资5 636万元，其本身并不产生直接经济效益，它的主要效益体现在环保效益和社会效益上.通过利用MBBR工艺对装置生化系统进行升级改造，提升了近一倍的处理能力，同时由于使用新工艺，外排污染物浓度和污泥产生量降低，有效降低了黄河的水体污染和污泥的拉运及填埋处理量，不仅提高了环境的质量水平，而且减轻和避免污水排放对工业、农业生产及国民经济发展造成的经济损失等.因此，产生的间接经济效益是非常显著的.

4 结论

(1)MBBR工艺应用于催化剂污水处理装置生化系统改造，处理量从改造前的100～120 m3/h提升至改造后的200～260 m3/h，出水水质稳定，能够满足新的排放标准.稳定运行下，COD和氨氮的去除率分别为85.97%和98.59%，表明MBBR具有较好的脱氮效果.

(2)研究影响MBBR处理效果的主要因素：温度、DO含量和污泥回流比.结果表明，实际运行中，温度20 ℃～30 ℃、DO 1～4 mg/L、污泥回流比R≤3工况下，能取得较好的污染物去除效果.

(3)MBBR工艺运行稳定可靠、抗冲击能力强、脱氮效果好，是一种经济高效的污水处理工艺，将广泛应用于城市和工业污水处理厂的升级改造和中水回用工程，具有广阔的发展前景.

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Study on upgrading biochemical treatment of catalystsewage treatment unit using MBBR process

ZHAO Yan1, QIN Yong1, WANG Sen2

(1.Sewage Treatment Plant of PetroChina Lanzhou Petrochemical Company, Lanzhou 730060, China; 2.College of Light Industry and Energy, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China )

The MBBR(Moving-Bed Biofilm Reactor) technology is used in upgrading biochemical treatment of catalyst sewage treatment unit of a petrochemical company in this paper, and the main factors influence the technology treatment effect,temperature,DO content and return sludge ratio are studied.The research shows that,by controlling temperature in 20 ℃～30 ℃, DO in 1～4 mg/L,return sludge ratio R≤3 can obtain a better pollutants removal effects in actual operation.The results show that, the processing capacity of biochemical treatment is improved after transformation,the capacity changes from 100～120 m3/h to 200～260 m3/h.The effluent water quality is stable and can meet the new emission standard,COD≤60 mg/L,NH3-N≤5 mg/L.The removal rates of COD and NH3-N are 85.97% and 98.59%,so facts indicate that the application of MBBR technology in upgrading biochemical treatment of catalyst sewage treatment unit has a good denitrification，energy saving and emission effects,which can reduce the pollutants concentrations of drainage and the quantum of sludge.

MBBR; the catalyst sewage; upgrade; COD; NH3-N

2015-03-19

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目(201455)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ14-09)

赵 燕(1981-)，女，甘肃兰州人，工程师，研究方向：污水处理

1000-5811(2015)03-0027-06

X703.1

A