好氧曝气生物悬浮填料填充方式及优化研究

李天放，曹震，钱程，李娜，李元龙，刘长莉

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨 150040)

目前，生物接触氧化法作为一种高效的水处理工艺，生物挂膜的好坏直接决定了其最终处理效果，在整个工艺过程中起关键作用，是兼有活性污泥法和生物滤池法两者优点的生物处理技术［1］。生物挂膜的好坏与悬浮填料有直接关系，近几年来，随着悬浮填料研究的不断深入，开发出各种各样的具有优异性能的悬浮填料，尤其是一种密度接近于水，具有较好亲水属性，可以直接投放并不需要固定支架，操作简单等优点的悬浮填料，被视为最具发展前景的悬浮填料［2－4］。新型的悬浮填料可以直接投加到反应器内，由于其具有弹性所以并不需要额外的填料支架，由于其密度接近于水，生物挂膜后悬浮填料在水中只需要冲入很小气量即可悬浮于水中。通过向污水中投加悬浮填料可以增强传质效率，且对于反应器水利条件的改善以及生化反应条件的优化具有重要作用，悬浮填料的投加能够促进生物挂膜，进一步提高系统内的生物总量，以此来提高对于污水的处理效果［7～13］。目前，悬浮填料在普通市政污水或低盐废水的处理方面有所研究，但相关技术规范仍不成熟。迄今为止，未见关于三元采出水生物处理使用悬浮填料的相关报道，对于悬浮填料的填充比例以及所选用的悬浮填料的规格未有深入的研究。三元采出水采用生物法处理的过程中，悬浮填料的填充方式及其规格的选择至关重要。作为微生物主要附着载体的悬浮填料，影响着微生物的生长、繁殖和脱落，对水质的净化效果有较大影响。微生物在生长过程中，由于填料在水中的流化，有利于增加传质效率，能够为微生物提供充足的溶解氧。在对三元采出水的处理过程中，悬浮填料的大小、紧密度等条件对微生物的附着、生长及污染物的降解有很大影响。

1 材料与方法

1．1 试验材料 三元采出水取自于大庆油田采油三厂某三元试验站，含油量为100～1 000 mg/L，表面活性剂浓度为10～30 mg/L，粘度为 1～3 mPa·S，阴离子聚丙烯酰胺(HPAM)浓度为300～800 mg/L，碱度为3 000～4 000 mg/L。所用悬浮填料为聚氨酯(Poly Urethane)型悬浮填料，其规格依次为4×4、2×2、1× 1 cm(图1)。

1．2 试验方法 将已挂膜成熟的4×4、2×2、1×1 cm 3种规格的悬浮填料分别以60%、50%、40%、30%的填充比例投加至反应器(总体积为60 L)中，每一个填充率的试验做一个空白对照，每个填充比例稳定运行116 h。依次在运行0、6、12、18、24、32、44、68、116 h 时取样，以三元水原水作为 0 h 的水样。

2 结果与分析

2．1 60%填充率下不同规格悬浮填料对于三元采出水的处理效果 三元采出水原水含油量223．62 mg/L，悬浮物(SS)浓度34 mg/L，聚合物浓度 389 mg/L，粘度 2．212 mPa·S，碱度3 256 mg/L，表面活性剂浓度22．3 mg/L。由图2可知，在60%填充率下各规格悬浮填料对三元采出水的含油和悬浮物均有很好处理效果，效果差异不大，但明显好于未加填料的效果。从含油量上看，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料，去除率分别为81．2%、98．6%、94．3%、98．9%，1×1规格下的去除率最高，4×4规格下次之。从悬浮物含量上看，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料，悬浮物去除率分别为31．4%、50．9%、－7．9%、11．8%，2 ×2 规格下悬浮物含量增加了7．9%。

由图3可知，在60%填充率下各规格悬浮填料对三元采出水的表面活性剂、聚合物有一定的处理效果，但对碱度效果不明显。微生物对于三元采出水有一定的增粘作用，粘度相对略有升高。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料对于表面活性剂的去除率分别为53．4%、71．3%、81．2%、79．8%;聚合物浓度都有所升高，由于微生物的分解作用使聚合物上的支链与主链分离，从而使其浓度增大。

综上分析，在60%填充率下，各个规格的填料对于三元水的处理效果有所差异，对于含油的处理效果差异不明显，但对于悬浮物的去除，投加4×4规格填料的效果最好，达50%左右，粘度均有所增加;对于表面活性剂，投加2×2规格填料的去除效果最好。从实际的生产要求考虑，选择4×4规格的填料最为实用。

2．2 50%填充率下不同规格悬浮填料对于三元采出水的处理效果 三元采出水原水含油量105．87 mg/L，悬浮物浓度36 mg/L，表面活性剂浓度12．7 mg/L，聚合物浓度625 mg/L，碱度3 487 mg/L，粘度1．938 mPa·S。由图4可知，50%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料，对于含油及悬浮物都有较好的处理效果。其中，含油的去除率分别为 81．7%、84．7%、95．9%、92．3%，4 ×4 规格下的效果最佳;悬浮物的去除率分别为 －11．1%、27．8%、61．1%、33．3%，未投加填料下悬浮物增加了11．1%，2×2规格下对于悬浮物的处理效果最佳。

由图5可知，在50%填充率下各规格的悬浮填料对于三元采出水中表面活性剂的处理效果较好，由于微生物的作用粘度相对有所升高，碱度逐步增加。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料对于表面活性剂的去除率分别为16．5%、78．0%、67．0%、64．6%，投加 4 ×4 规格填料对表面活性剂的处理效果最佳。

综上分析，在50%填充率下，各个规格的填料对于三元水的处理效果有所差异，对于含油都达到很好的处理效果，去除率都在80%以上;但对于悬浮物的去除，2×2规格的效果最好，去除率达60%左右;粘度均有所增加;对于表面活性剂的去除，4×4规格的最好，但4×4规格的对于悬浮物的去除率低于其他规格填料;虽然1×1规格的对于含油、表面活性剂的去除效果较好，但对于悬浮物的去除效果较之2×2规格的差，因此选择2×2规格的填料最为合适。

2．3 40%填充率下不同规格悬浮填料对于三元采出水的处理效果 三元采出水原水含油量240．54 mg/L，悬浮物浓度54 mg/L，表面活性剂浓度14．8 mg/L，聚合物浓度596 mg/L，碱度3 496 mg/L，粘度1．975 mPa·S。由图6可知，在40%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料对于含油的去除率分别为 88．1%、99．3%、98．5%、98．3%，4 ×4规格下的去除效果最佳，2×2规格下次之;对于悬浮物的去除率分别为22．2%、74．0%、70．4%、66．7%，4 ×4 规格下最佳，2×2规格下的效果次之。

由图7可知，在40%填充率下各规格的悬浮填料对于三元采出水中表面活性剂的处理效果较好，聚合物含量有所波动;由于微生物的作用，粘度相对有所升高，但涨幅低于未投加填料的;碱度逐步增加，但总体低于未投加填料的。未投加填料对于表面活性剂的去除率为20．9%，投加4×4、2×2、1×1规格填料对于表面活性剂的去除率均为71．6%。

综上分析，在40%填充率下，各个规格的填料对于三元水的处理效果有所差异，对于含油的处理效果差异不明显，但对于悬浮物的去除，2×2、4×4规格的最终效果相差不大，在70%左右，但在24 h时2×2规格的效果最好，在80%左右，粘度均有所增加。从实际的生产要求考虑，选择2×2规格的填料最为合适。

2．4 30%填充率下不同规格悬浮填料对于三元采出水的处理效果 三元采出水原水含油量104．05 mg/L，悬浮物浓度102 mg/L，表面活性剂浓度12．7 mg/L，聚合物浓度715 mg/L，碱度3 741 mg/L，粘度1．663 mPa·S。由图8 可知，在30%填充率下，未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料对于含油的去除率分别为 80．0%、92．6%、87．8%、94．8%，1×1规格下去除效果最佳，4×4规格下的效果次之;对于悬浮物的去除率分别为66．7%、94．1%、82．4%、88．2%，4 × 4规格下的效果最佳，1×1规格下的效果次之。

由图9可知，在30%填充率下各规格的悬浮填料对于三元采出水中表面活性剂的处理效果较好，在24 h左右对于表面活性剂的去除趋于稳定，聚合物含量有所波动，总体高于未投加填料的，粘度相对有所升高，碱度逐步增加，但总体低于未投加填料的。未投加填料、投加4×4、2×2、1×1规格填料对于表面活性剂的去除率分别为16．5%、33．1%、32．3%、33．1%，4×4、1×1 规格下效果最好，2 ×2 规格下的效果次之。

综上分析，在30%填充率下，各个规格的填料对于三元水的处理效果有所差异。对于含油的处理效果，4×4和1×1规格下最好;对于悬浮物的去除，4×4规格下的最终效果最好，去除率达94．1%左右;粘度均有所增加。从实际的生产要求考虑，选择4×4规格下的填料最为合适。

2．5 40%填充率下加球与不加球下2×2规格填料对于三元采出水的处理 将2×2规格的填料装填到直径为10 cm塑料球中，每个球装填30～40个填料，使悬浮填料的外部形成好氧环境而内部形成微氧环境，更有利于处理三元采出水。该试验设立3种条件:第一，将40%的填料全装球，然后投加到反应器中，即“40%填料加球”;第二，将填料装球后投至反应器的40%容积，即“加球后40%填充”;第三，直接投加40%的填料到反应器即“40%填料”。此次试验稳定运行120 h，分别在运行 0、12、24、48、72、120 h 时取样，原水作为 0 h水样。

2．5．1 处理效果分析。三元采出水原水含油量137．89 mg/L，悬浮物浓度 33．33 mg/L，表面活性剂浓度 15．9 mg/L，聚合物浓度460 mg/L，碱度3 561 mg/L，粘度1．872 mPa·S。由图10可知，3种条件下多余悬浮物的处理随着时间的增加，悬浮物含量逐步减少。其中，40%填料加球处理效果较好，前72 h降幅很大，之后逐渐平稳，去除率为82．8%。加球后40%填充处理效果次之，前48 h降幅较大，去除率为70．0%。40%填料对悬浮物的去除率为61．0%，处理效果较之前两者较差。从含油量上来看，12 h后含油量达到国家标准，随着时间的增加，含油量也随之有所波动，但基本保持稳定，去除率分别是40%填料加球为95．8%、加球后40%填充为94．0%、40%填料为95．6%，三者相差不大。

由图11可知，3种条件下对于表面活性剂均具有较好的处理效果，40%填料加球对于表面活性剂的去除率为57．2%，加球后40%填充对其的去除率为52．1%，40%填料对其的去除率为52．0%。40%填料对于聚合物的去除效果较好。粘度、碱度随着时间有所增加，微生物在处理三元水的过程中会分泌出一些物质致使出水的粘度增大。

2．5．2 GC-MS分析。对3种条件下处理的三元采出水水样，采用MTBE(甲基叔丁基醚)溶液为萃取剂，萃取原水及120 h出水，进行GC-MS分析。气质联机的操作条件为:进样温度设定为250℃，柱温采用程序升温，初始温度设为35℃，保持3 min，随后以10℃/min的速度升温至280℃，并保持5 min;质谱的离子源温度设定为240℃，载气为高纯氮气。经分析，三元采出水原水中含有有机污染物61种，这些污染物结构复杂，并且难以被降解。3种条件下的出水被检测出分别含有31、11、16种有机污染物。3种条件下处理的出水中，尽管低峰值的有机污染物有所增加，但高峰值有机污染物及其含量有明显降低(图12)。表明三元采出水原水经过3种条件下的处理后，3种出水中含有的有机污染物都有所减少，绝大部分有机污染物被直接降解或者被分解为具有简单结构的小分子有机污染物，由于反应的填料条件不同，所以三者之间对于有机污染物的处理能力有所不同。

3 结论

(1)在60%和30%填充率下，4×4规格的悬浮填料对于三元采出水的处理效果最好;而在40%和50%填充率下，2×2规格的悬浮填料能够较好地处理三元采出水。从实际生产中的生产条件与经济性考虑，40%填充率、2×2规格填料是最佳的选择。

(2)按照40%填充率，将2×2规格填料装球后，40%填料加球对于三元采出水的处理效果相较于另两种方式效果更佳。

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