工业废水冲击对城镇污水处理系统影响的实验研究

2017-04-12罗智力押玉荣吴江渤王伟燕

河北工业科技 2017年2期

罗智力，押玉荣，吴江渤，刘春，王伟燕，张静

(1.嘉诚环保工程有限公司，河北石家庄 050031；2.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018)

罗智力1,2,3，押玉荣1，吴江渤1，刘春2,3，王伟燕1，张静2,3

为考察工业废水冲击对城镇污水处理厂正常稳定运行的影响，在模拟城镇污水处理系统中实施实际工业废水冲击，分析冲击中系统运行性能变化，并采用共代谢效应和生物刺激效应对冲击后系统进行运行恢复。冲击结果表明，工业废水冲击会造成污水处理系统的运行性能下降，特别是氨氮去除性能明显降低；同时，工业废水冲击的影响通常是暂时且可逆的，即使长时间冲击后亦可通过运行调控加以恢复。不同类型工业废水冲击的影响差异明显，高浓度印染废水和低可生化性化工生化出水冲击对运行性能的影响较大，而工业园区综合废水可生化性较高，冲击影响较小。运行恢复结果表明，投加复合营养液，利用共代谢效应和生物刺激效应可以应对不同类型的工业废水冲击，且具有快速、有效的运行恢复效果。

水污染防治工程；工业废水冲击；城镇污水处理系统；运行性能；运行恢复

工业废水水质复杂[1]，进入城镇污水处理厂后会对生物处理系统造成严重影响，破坏污水处理系统的正常运行，甚至导致系统崩溃[2-4]。工业废水对城镇污水处理系统的影响主要包括重金属对硝化作用的抑制效应[5-7]，有机或无机的有毒物质对微生物的抑制作用[8-9]，pH值对微生物活性的抑制作用[10]，高盐度对活性污泥的抑制作用[11]等。

遭受工业废水冲击后，可采用共代谢效应和生物刺激效应恢复污水处理厂的污泥活性和系统性能。共代谢效应和生物刺激效应是促进有毒有害污染物降解、恢复污泥活性的有效手段。通过添加共代谢碳源(如葡萄糖等)，可使污水处理系统中难降解污染物的生物降解水平得到提高[12-14]；通过投加微量营养元素进行生物刺激则是提高污泥生物活性的另一条有效途径[15-17]。

本研究以工业园区实际工业废水为对象，考察工业废水冲击对城镇污水处理模拟系统运行性能的影响，并采用共代谢效应和生物刺激效应对工业废水冲击后的处理系统进行运行恢复，以期为城镇污水处理厂应对工艺废水冲击提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

研究采用SBR反应器模拟城镇污水处理厂好氧生物处理工艺，实验装置如图1所示。SBR反应器有效容积为18 L。SBR反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，运行周期为6 h，其中进水10 min，曝气4 h，沉降1.5 h，排水20 min。每个运行周期处理水量为15 L，每天运行4个周期。收集4个周期的出水混合样，作为每天出水水样。进水泵、空气泵、电磁阀开闭均由时间控制器按照运行周期控制，同时使用液位控制器控制进水液位。正常运行时，以校园生活污水作为进水，其水质条件：COD质量浓度为250～410 mg/L，氨氮质量浓度为30～40 mg/L，ρ(BOD)/ρ(COD)(简称B/C)为0.45。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 工业废水水质

研究采用某工业园区3种实际工业废水作为SBR反应器冲击工业废水，该工业园区以制药、化工、纺织、印染等企业为主，选取的废水类型包括工业园区综合废水、某印染企业废水和某化工企业生化处理后废水，废水水质情况如表1所示，其中印染废水为高浓度工业废水，化工生化处理后废水为低可生化性废水。

表1 冲击用工业废水水质

1.3 工业废水冲击及运行性能恢复过程

在不同条件下用工业废水实施冲击，每个冲击过程包括以下环节：1)SBR反应器处理校园生活污水至运行性能稳定；2)投加工业废水进行冲击；3)冲击结束后，按照与进水相同的方式投加复合营养液，其成分和预期功能如表2所示，利用共代谢效应和生物刺激效应进行COD和氨氮去除性能的恢复；4)运行性能恢复后继续处理校园生活污水至性能稳定。对冲击前、冲击中和冲击后的COD浓度和氨氮浓度进行连续监测，以反映运行性能的变化。

表2 复合营养液成分及预期功能

进出水的COD、氨氮质量浓度均采用国标法测定。

2 结果与讨论

2.1 冲击水质对运行性能的影响

采用工业园区综合废水作为冲击废水，改变工业废水和生活污水的配比，考察不同冲击水质对SBR反应器运行性能的影响，冲击水质条件如表3所示。冲击前、冲击中和冲击后进出水的COD质量浓度、去除率和去除负荷变化如图2所示，出水COD平均质量浓度、去除率和去除负荷如表4所示。可以看到，正常运行时，SBR反应器的COD去除性能良好；Ⅰ号冲击工业废水所占比例较小，对SBR反应器COD去除性能几乎没有影响；随着工业废水所占比例升高，工业废水冲击对COD 去除性能具有明显影响，使得出水浓度升高，去除率下降，且冲击过程中COD去除率的下降幅度增大。工业废水冲击影响短暂，冲击后采用复合营养液进行运行恢复，COD去除性能均可在1 d后快速恢复。可见，工业园区综合废水一次冲击不会对COD去除性能造成明显损害，COD去除率下降主要是由于进水负荷提高引起的。同时，采用共代谢碳源和生物刺激效应对于快速恢复COD去除性能具有积极作用。

表3 不同水质下冲击条件

图2 冲击水质对SBR反应器COD去除性能的影响Fig.2 Effect of shocking water quality on COD removal in SBR reactor

表4 不同水质冲击过程中COD的去除性能变化

Tab.4 Variation of COD removal performance during shocking process at different water quality

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅰ22．8728．7717．5191．192．593．40．701．180．93Ⅱ17．5171．0316．5793．484．492．80．931．280．87Ⅲ18．0569．4721．8193．482．792．20．761．100．91Ⅳ21．8176．5515．5292．277．694．10．911．220．85

不同水质冲击下，SBR反应器冲击前、冲击中和冲击后的进出水氨氮质量浓度、去除率和去除负荷变化如图3所示，出水氨氮平均质量浓度、去除率和去除负荷如表5所示。可以看到，正常稳定时，SBR反应器氨氮去除性能良好。不同水质冲击使氨氮去除率有所降低，同时冲击过程中氨氮去除负荷明显下降。但工业废水冲击对氨氮去除性能的影响也很短暂，冲击后进行运行恢复，氨氮去除性能均可在1 d后快速恢复。可见，尽管综合工业废水水质对污泥硝化活性有一定抑制效应，但其影响效应是暂时的，不会造成持续影响。

图3 冲击水质对SBR反应器氨氮去除性能的影响Fig.3 Effect of shocking water quality on ammonia removal in SBR reactor

表5 不同水质冲击过程中氨氮的去除性能变化

Tab.5 Variation of ammonia removal performance during shocking process at different water quality

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅰ0．472．552．9998．891．993．40．1390．0960．131Ⅱ2．994．737．1793．485．585．10．1310．1040．127Ⅲ0．6200．3398．610099．40．1360．0860．139Ⅳ0．331．551．7299．495．396．60．1390．1040．138

2.2 冲击时间对运行性能的影响

采用工业园区综合废水作为冲击废水，考察冲击时间对SBR反应器运行性能的影响，冲击条件如表6所示。冲击前、冲击中和冲击后进出水COD质量浓度、去除率和去除负荷变化如图4所示，出水COD平均质量浓度、去除率和去除负荷如表7所示。可以看到，在不同冲击时间下，SBR反应器COD去除性能均受到明显影响，使得出水浓度升高，去除率下降。尽管冲击时间不断延长，但冲击后采用复合营养液进行运行恢复，COD去除性能均可以很快恢复，冲击前后COD去除率和去除负荷未发生明显变化。可见，此种工业废水冲击不会对COD去除性能造成持久损害，COD去除率下降主要是由于进水负荷提高引起的。

表6 不同冲击时间下冲击条件

图4 冲击时间对SBR反应器COD去除性能的影响Fig.4 Effect of shocking time on COD removal in SBR reactor

表7 不同冲击时间冲击过程中COD去除性能变化

Tab.7 Variation of COD removal performance during shocking process at different shocking time

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅳ21．8176．5515．5292．277．694．10．911．220．85Ⅴ15．5258．8424．2794．187．792．00．851．430．94Ⅵ24．2780．5028．6592．082．990．80．941．300．94

冲击前、冲击中和冲击后SBR反应器进出水氨氮质量浓度、去除率和去除负荷变化如图5所示，出水氨氮平均质量浓度、去除率和去除负荷如表8所示。可以看到，连续冲击对污泥硝化活性抑制效应显著增强，氨氮去除率和去除负荷在冲击过程中均明显降低。另一方面，尽管连续冲击过程中氨氮去除性能有所降低，但废水水质不会对硝化性能造成不可逆的影响，冲击后采用复合营养液进行运行恢复，氨氮去除性能均可得到有效恢复。

图5 冲击时间对SBR反应器氨氮的去除性能的影响Fig.5 Effect of shocking time on ammonia removal in SBR reactor

表8 不同冲击时间冲击过程中氨氮去除性能变化

Tab.8 Variation of ammonia removal performance during shocking process at different shocking time

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅳ0．331．551．7299．495．396．60．1390．1040．138Ⅴ1．723．930．6996．686．698．50．1380．0840．145Ⅵ0．693．192．1798．589．595．20．1450．0910．145

2.3 冲击废水类型对运行性能的影响

采用综合工业废水、印染废水和化工生化出水作为冲击废水，废水水质如表1所示，比较冲击废水类型对SBR反应器运行性能的影响，冲击条件如表9所示。冲击前、冲击中和冲击后的进出水COD质量浓度、去除率和去除负荷变化如图6所示，出水COD平均质量浓度、去除率和去除负荷如表10所示。可以看到，高浓度印染废水的冲击负荷超出了SBR反应器的去除能力，使得出水浓度大幅升高，去除率显著下降；冲击后采用共代谢效应和生物刺激效应3 d后可恢复COD去除性能。低可生化性化工生化出水的冲击影响比综合工业废水更为显著，冲击中出水浓度升高和去除率下降的幅度增加，且采用共代谢效应和生物刺激效应恢复运行性能时间更长，但2 d后COD去除性能基本恢复。

表9 不同废水类型下冲击条件

图6 不同类型废水冲击对SBR反应器COD去除性能的影响Fig.6 Effect of different types of wastewater shock on COD removal in SBR reactor

表10 不同类型废水冲击过程中COD的去除性能变化

Tab.10 Variation of COD removal performance during shocking process at different types of wastewater

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅳ21．8176．5515．5292．277．694．10．911．220．85Ⅶ11．87979．7317．6195．551．795．70．872．941．11Ⅷ17．95238．0818．6894．163．996．40．991．401．25

冲击前、冲击中和冲击后SBR反应器进出水的氨氮质量浓度、去除率和去除负荷变化如图7所示，出水氨氮平均质量浓度、去除率和去除负荷如表11所示。可以看到，不同类型工业废水冲击对氨氮去除性能的影响与COD去除性能影响相近。印染废水高氨氮负荷使得出水氨氮质量浓度大幅升高，去除率显著下降；冲击后采用共代谢效应和生物刺激效应3 d后可恢复氨氮去除性能。化工生化出水的冲击影响比综合工业废水更为显著，冲击中出水质量浓度升高和去除率下降幅度增大，且采用共代谢效应和生物刺激效应恢复运行时间更长，但2 d后氨氮去除性能可以恢复。可见，采用共代谢效应和生物刺激效应可以应对不同类型工业废水的冲击，且具有较好的运行恢复效果。

图7 不同类型废水冲击对SBR反应器氨氮去除性能的影响Fig.7 Effect of different types of wastewater shock on ammonia removal in SBR reactor

表11 不同类型废水冲击过程中氨氮的去除性能变化

Tab.11 Variation of ammonia removal performance during shocking process at different types of wastewater

冲击序号出水平均质量浓度/(mg·L-1)冲击前冲击中冲击后平均去除率/%冲击前冲击中冲击后平均去除负荷/(kg·m-3·d-1)冲击前冲击中冲击后Ⅳ0．331．551．7299．495．396．60．1390．1040．138Ⅶ4．7459．571．3289．352．997．00．1320．1350．137Ⅷ1．8010．281．4396．167．496．70．1460．0690．141

3 结论

1)工业废水冲击会造成城镇污水处理系统的运行性能下降，特别是氨氮去除性能明显降低；但工业废水冲击的影响通常是暂时且可逆的，可通过运行调控加以恢复。

2)不同类型的工业废水冲击对污水处理系统的影响差异明显，高浓度和低可生化性废水冲击的影响较强，而综合废水可生化性较高，冲击影响较小。

3)投加复合营养液，利用共代谢效应和生物刺激效应可以应对不同类型的工业废水冲击，并能取得快速、有效的运行恢复效果。

/References:

[1] 胡洪营, 赵文玉, 吴乾元. 工业废水污染治理途径与技术研究发展需求[J]. 环境科学研究,2010,23(7):861-868. HU Hongying, ZHAO Wenyu， WU Qianyuan. Basic strategies and technology requirements for industrial wastewater pollution control[J]. Research of Environmental Science, 2010, 23(7): 861-868.

[2] 肖海文, 程宗旺, 翟俊, 等. 重庆城北污水厂抗工业废水冲击的联动调控效果[J]. 中国给水排水, 2013, 29(11): 22-29. XIAO Haiwen, CHENG Zongwang, ZHAI Jun, et al. Control of industrial wastewater shock loading at Chengbei wastewater treatment plant[J]. China Water and Wastewater, 2013, 29(11): 22-29.

[3] 程宗旺, 肖海文, 李玉胜. 碱性工业废水对污水处理厂氧化沟工艺的影响分析[J]. 给水排水, 2014, 40(9): 140-144. CHENG Zongwang, XIAO Haiwen, LI Yusheng. Analysis on the influence of alkaline industrial wastewater on the process of oxidation ditch in sewage treatment plant[J]. Water and Wastewater Engineering, 2014, 40(9): 140-144.

[4] 李鑫, 孙志民, 赵铭珊, 等. CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水毒性的效果[J]. 生态环境学报, 2009, 18(6): 2098-2101. LI Xin, SUN Zhimin, ZHAO Mingshan, et al. Antitoxic effect of microorganisms on Cu2+and Ni2+in CASS process for forging additives wastewater treatment[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(6): 2098-2101.

[5] 王文超, 杨立中, 谭周亮. 重金属对废水生物硝化过程影响研究进展[J]. 环境科学与技术, 2013, 36(12):157-161. WANG Wenchao, YANG Lizhong, TAN Zhouliang. Progress research on effects of heavy metal on wastewater bio-nitrification[J]. Environmental Science and Technology, 2013, 36(12):157-161.

[6] BEG S A, HASSAN M M, CHAUDHRY M A S. Chromium(Ⅵ) inhibition in multi-substrate carbon oxidation and nitrification process in an upflow packed bed biofilm reactor[J]. Biochemical Engineering Journal, 1998, 1(2): 143-152.

[7] RADNIECKI T S, SEMPRINI L, DOLAN M E. Expression of merA, amoA and hao in continuously cultured nitrosomonas europaea cells exposed to zinc chloride additions[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 102(2): 546-553.

[8] 郑秋辉, 胡晓东. 废水生物处理中有毒物质毒性阀值影响因素分析[J]. 环境科学与管理, 2009, 34(10): 104-107. ZHENG Qiuhui, HU Xiaodong. Analysis the influencing factors of toxic substances toxicity threshold on biological wastewater treatment[J]. Environmental Science and Management, 2009, 34(10): 104-107.

[9] 吴蔓莉. 两株优势菌对多环芳烃的降解机理[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010. WU Manli. Study of Biodegradation Mechanism of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Using Two Dominant Bacteria[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2010.

[10]陈燕飞. pH对微生物的影响[J]. 太原师范学院学报(自然科学版), 2009, 8(3): 121-124. CHEN Yanfei. pH to uygur biology influence [J]. Journal of Taiyuan Normal University (Natural Science Edition), 2009, 8(3): 121-124.

[11]边蔚, 王路光, 李洪波. 高盐度有机废水处理技术研究进展[J]. 河北工业科技, 2009, 26(3): 195-199. BIAN Wei, WANG Luguang, LI Hongbo. Review of high salinity organic wastewater treatment[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2009, 26(3): 195-199.

[12]李萍, 刘俊新. 废水中难降解性有机污染物的共代谢降解[J]. 环境污染治理技术与设备, 2002, 3(11): 43-46. LI Ping, LIU Junxin. Cometabolic biodegradation of refrac-tory organics in wastewater[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2002, 3(11): 43-46.

[13]李成都, 李道棠. 共代谢工艺处理难降解性有机物的研究进展[J]. 净水技术, 2005, 24(3): 55-58. LI Chengdu, LI Daotang. Progress of the co-metabolic process in the disposal of refractory organics[J]. Water Purification Technology, 2005, 24(3): 55-58.

[14]HENDIRIKSEN H V, AHRING B K. Anaerobic dechlorination of pentachlorophenol in fixed-film and upflow anaerobic sludge blanket reactors using different inocula [J]. Biodegradation, 1993,3(4): 339.

[15]梁威, 胡洪营, 王慧, 等. 微量营养物质对毛纺废水生物处理效果的影响[J]. 给水排水, 2005, 31(11):53-56. LIANG Wei, HU Hongying, WANG Hui, et al. Effects of micronutrients on purification effects of textile wastewater [J]. Waste and Wastewater Engineering, 2005, 31(11):53-56.

[16]周律, 彭标. 微量元素对工业废水好氧生物处理的促进[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2015, 55(6):653-659. ZHOU Lyu, PENG Biao. Effect of promotion of trace elements for improving the aerobic biological treatment of industrial wastewater[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology Edition), 2015, 55(6):653-659.

[17]马记元. 微量元素在废水处理中的促进作用[J]. 山西化工, 2013, 33(2): 67-70. MA Jiyuan. Promotion of trace elements in wastewater treatment[J]. Shanxi Chemical Industry, 2013, 33(2): 67-70.

Experiment research on the effect of industrial wastewater shock on municipal wastewater treatment system

LUO Zhili1,2,3, YA Yurong1, WU Jiangbo1, LIU Chun2,3, WANG Weiyan1, ZHANG Jing2,3

(1.Jiacheng Environmental Protection Engineering Company Limited, Shijiazhuang, Hebei 050031, China; 2.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 3.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The real industrial wastewater shocks are carried out in a model municipal wastewater treatment system to investigate the influence of industrial wastewater shock on the performance of the municipal wastewater treatment plant. The performance variation is analyzed during industrial wastewater shock. The cometabolism effect and biostimulation effect are applied to recover the system after industrial wastewater shock. The results indicate that the industrial wastewater shock could deteriorate the operating performance of the system, especially the ammonia removal performance. However, the negative influence of industrial wastewater shock is non-durable and reversible, even after a long-term shock. The impacts caused by different types of industrial wastewater shock are quite different. The industrial wastewater with high concentration and low biodegradability could cause stronger shocking effect, such as textile wastewater and effluent of chemical wastewater after biological treatment. The impact of industrial park synthetic wastewater is weaker due to its relatively high biodegradability. The results of operation recovery indicates that the application of cometabolism effect and biostimulation effect by adding composite nutrient solution could respond to different types of industrial wastewater shock, and it is proved to be efficient for fast operation recovery.

water pollution control engineering; industrial wastewater shock; municipal wastewater treatment system; operation performance; operation recovery

1008-1534(2017)02-0142-08

2016-10-12;

2017-03-08；责任编辑：王海云

石家庄市裕华区科学技术研究与发展计划项目

罗智力(1989—)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事废水生物处理技术方面的研究。

刘春教授。E-mail: liuchun@hebust.edu.cn

X522

10.7535/hbgykj.2017yx02012

罗智力，押玉荣，吴江渤,等.工业废水冲击对城镇污水处理系统影响的实验研究[J].河北工业科技,2017,34(2):142-149. LUO Zhili, YA Yurong, WU Jiangbo,et al.Experiment research on the effect of industrial wastewater shock on municipal wastewater treatment system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):142-149.