AF-SMBBR组合工艺处理制浆废水中试试验研究

敬双怡 于治豪 朱浩君,2,* 李卫平 于玲红

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头,014010；2.中丹康灵(北京)生物技术有限公司,北京,100085)



·废水处理·

AF-SMBBR组合工艺处理制浆废水中试试验研究

敬双怡1于治豪1朱浩君1,2,*李卫平1于玲红1

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头,014010；2.中丹康灵(北京)生物技术有限公司,北京,100085)

采用厌氧生物滤池(AF)-特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)组合工艺处理制浆废水,考察该工艺挂膜阶段以及挂膜成功后稳定运行阶段对废水CODCr和SS的去除效果,并探究了稳定运行期水力停留时间(HRT)、溶解氧(DO)浓度两个因素对CODCr去除率的影响。试验结果表明,在水温18～28℃、进水pH值6.5～8.0、CODCr浓度11000～15000 mg/L、SS浓度20600～26600 mg/L、水力停留时间8 d的操作条件下,出水CODCr稳定在400 mg/L以下,平均去除率高达97%；出水SS稳定在350 mg/L以下,平均去除率高达98%。出水水质达到GB8978—1996《废水综合排放标准》国家三级排放标准,可排入城镇废水处理厂进行深度处理。

AF-SMBBR组合工艺；制浆废水；CODCr；去除率

为响应国家和地方政府的环保战略与政策,全国各地对环保越来越重视,造纸废水是否可以达标排放引起人们的高度关注。未经处理的造纸废水具有污染严重、难治理和排放量大等特点[1]。目前,我国造纸行业总排水量居工业行业排水量的第三位,仅次于化工与钢铁行业,CODCr排放量达到全国工业CODCr排放总量的1/3[2]。造纸废水成分复杂,含有机酸、纤维素、油墨中溶出的物质等[3],导致CODCr浓度较高,若不经处理直接排放将对环境造成极大的危害。

目前生化处理造纸废水常用的工艺有活性污泥法、厌氧-好氧工艺(A-O工艺)等。但造纸废水成分复杂,在实际工程中使用单一技术很难保证废水经济有效地达标排放。本课题本着保护环境的理念,提高废水处理效率,降低处理成本,保证出水水质达标排放的理念,设计了厌氧生物滤池(AF)-特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)组合工艺处理制浆废水。

厌氧生物滤池(an-aerobicfilter,AF)是20世纪60年代末发展并确立的高速厌氧反应器[4],其内部填充有微生物附着填料[5]，具有能耗低、效率高、处理能力大、操作简单、成本低等优点。对于难降解、成分复杂的废水有较好的处理效果。目前被广泛应用于处理制革废水、印染废水、啤酒废水等领域。

移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofil Reactor,简称MBBR),是由挪威人发明的一种新型废(污)水生化处理技术[6]。中丹康灵(北京)生物技术有限公司在此基础上发明了特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)[7]。SMBBR不仅具有占地面积少、运行简单、操作管理容易等MBBR已有的特点,而且处理效率、生物膜附着量、耐冲击能力等方面大幅提高。目前已广泛应用于处理化工废水、屠宰废水、炼油废水等领域。

AF-SMBBR组合工艺不仅可以使制浆造纸废水高效率、低成本达标排放,而且还为制浆造纸废水的处理提供了新的研究方向。

1 材料与方法

1.1 试验水质

试验用水取自安徽省池州市某造纸厂制浆废水,该厂以废旧瓦楞箱纸板(OCC)为原料生产包装纸。该制浆废水成分复杂,主要水质情况如表1所示。

表1 制浆废水水质

图1 AF-SMBBR试验装置示意图

1.2 试验装置

试验装置采用不锈钢板焊接,主要由三部分组成,分别为AF装置、SMBBR装置以及沉淀池。AF装置为半径0.5 m、高度2.0 m的密闭圆柱体,有效容积为1.5 m3，用钢丝栅网将柱体内部均匀分成多层。SMBBR装置为高度1.5 m、宽度0.6 m、长度1.35 m的长方体,有效容积为1 m3；其内部曝气装置采用孔径为3 mm的穿孔曝气管均匀曝气。试验装置示意图如图1所示。

1.3 试验材料

SDC- 03生物填料采用国外先进设计的六边形载体,直径30 mm,高度10 mm,比表面积900 m2/m3,密度0.90～0.95 g/cm3。具有耐磨损、造价低、使用寿命长(10 a)、比表面积大等特点。挂膜前后的填料见图2。

接种污泥：取自池州市某废水处理厂,污泥沉降比为40%,适用于驯化挂膜。

2 结果与讨论

2.1 启动挂膜

以70%的填充率向AF中各层均匀平铺投加填料,填料与废水充分混合,使微生物和有机物之间充分接触[9]。同时以30%的填充率向AF底部加入接种污泥。以40%的填充率向SMBBR中投加填料,开启曝气装置。用废水浸泡24 h后排出部分废水,投加接种污泥。控制总水力停留时间(HRT)为3 d, SMBBR中污泥浓度1200 ～1500 mg/L,溶解氧(DO)浓度为2～7 mg/L。由于废水中氮(N)、磷(P)元素的含量极少,不符合微生物生长繁殖所必需的营养物质的量,故每天随进水向设备滴加磷酸二氢钾20 mg/L、尿素100 mg/L。

2.1.1 挂膜方式

AF装置采用自然挂膜法。自然挂膜法虽然挂膜时间长,但生物膜与载体之间黏合度高,更加稳定[10]。SMBBR装置采用排泥法挂膜。排泥法挂膜速度快,需要接种污泥少,是目前工程中应用广泛的挂膜方法[11]。

2.1.2 生物相分析

AF里由于进水中有机大分子物质数量及种类较多,对多种微生物的生长繁殖起到抑制作用,所以导致其挂膜周期较SMBBR的长[12]。前期填料内表面上只附着带有黄色斑点状菌胶团,未形成密集的生物膜。试验进行38 d时,大量厌氧微生物附着生长在填料上,形成厌氧生物膜，如图2(b)所示。

通过观察SMBBR中填料上生物膜的生长情况,发现起初填料表面并没有明显变化。随着试验的运行,发现启动5 d后填料内壁出现淡黄褐色斑点,运行13 d后填料内壁出现较薄的浅黄色生物膜,通过镜检发现填料表面含有大量累枝虫、钟虫等。运行20 d后填料内壁出现浓密黄色绒状的生物膜,并大量繁殖,通过镜检发现具有大量线虫、轮虫等较高级的后生动物,以及菌胶团和丝状菌等,挂膜成功。SMBBR挂膜后的填料如图2(c)所示。

图2 挂膜前后填料

2.2 挂膜阶段

挂膜期对废水CODCr的去除效果如图3所示。

图3 挂膜期对废水CODCr的去除效果

由图3可以看出,整个挂膜过程中,进水CODCr浓度逐渐增大,但去除率一直上升。前4 d,反应器对CODCr的总去除率较低,在30%以下。这是由于在挂膜初期,废水中的微生物对废水水质适应程度不够,此时的微生物大多都以悬浮的形式存在于废水中,填料表面的生物膜还未形成,对水中有机物的降解和吸收的能力较弱。进水5～20 d,CODCr的总去除率大幅增长,达到80%左右。表明微生物已经开始逐渐适应废水水质。填料表面生物数量逐渐增加,生物种类不断丰富。微生物从适应期逐渐到达对数增长期及线性增长期。21 d以后,CODCr总去除率增长到90%。此时大量微生物已经附着在填料表面,并可以进行新陈代谢,大量繁殖,形成生物膜。生物膜降解和吸收废水中的有机物,从而达到净化水质的目的。随着进水CODCr浓度的不断增大,去除率却一直上升,体现了该组合工艺具有强大的抗冲击性。

2.3 稳定运行阶段

满足GB8978—1996《废水综合排放标准》的三级排放标准要求的出水可排入城镇污水处理厂,然后进行深度处理。为了满足处理后出水CODCr浓度达到该标准,并给该造纸厂对废水处理工艺的升级改造提供关键数据,根据该造纸厂现有的生化池池容以及日需排放废水量,控制装置总水力停留时间为8 d, 控制SMBBR中污泥浓度为300 mg/L以下,挂膜成功后稳定运行阶段对CODCr的去除效果如图4所示。

图4 稳定运行阶段对废水CODCr的去除效果

由于在实际生产运行中存在不稳定因素,导致进水CODCr浓度不断变化(11000～15000 mg/L),但系统处理后都能达到很好的处理效果。出水CODCr浓度均为500 mg/L以下,达到GB8978—1996《废水综合排放标准》三级排放标准的要求。对废水中CODCr去除率高达97%左右。废水首先进入AF,AF可吸收废水中少量的小分子有机物,并通过水解酸化作用将废水中难降解物质变成易降解物质。然后进入SMBBR,对AF出水进行进一步处理。CODCr去除率达到94%左右。此阶段由于填料密度与水接近,亲水性强,填料流动时能量消耗低,填料上的生物膜可与废水频繁接触[13],废水中供给微生物的营养充足,大量的微生物附着在填料表面,形成生物膜。生物量高达活性污泥的5～20倍[14-15]。大量的微生物可降解、吸收废水中的有机物,从而达到净化水质的目的，出水水质见表2。

表2 出水水质

2.3.1 总水力停留时间对CODCr去除率的影响

适当的水力停留时间是确保废水处理效果、投资及运行经济性的重要控制因素。稳定运行后,控制进水CODCr浓度为12500 mg/L, pH值为7.5,AF溶解氧浓度低于0.5 mg/L,SMBBR溶解氧浓度为3 mg/L左右,改变总水力停留时间,探究总水力停留时间对CODCr去除率的影响,结果如图5所示。

图5 总水力停留时间对CODCr去除率的影响

反应器总水力停留时间为3～10 d时,AF、SMBBR系统对CODCr的去除率均随水力停留时间增长而增大,CODCr总去除率从93.6%提高到97.6%。分析认为,由于水力停留时间长短可直接影响水中有机物与生物膜的接触时间,进而影响微生物对有机物的吸附和降解的效果。试验连续进水,水力停留时间越小,单位时间内的进水量就会增大,水流紊动程度增大,加大了水流对生物膜的冲击,导致老化的生物膜或半老化的生物膜脱落[16]。部分新生生物膜承受不住水的剪切力也随之脱落,以悬浮物的形态存在于水中,并随之流失。且此时营养物质充足,微生物大多处于对数增长期,繁殖能力与运动能力强,不易形成荚膜与黏液层,从而不易形成微生物菌胶团附着在填料内表面。通过排放量、经济以及合理性考虑,当总水力停留时间为8 d时,处理效果最优。当总水力停留时间大于10 d时,AF、SMBBR系统对CODCr去除率降低。分析原因,水力停留时间过长,废水中大量有机物被反应器中悬浮污泥消耗,对悬浮污泥增长起到了促进作用,进入反应器中的废水水力负荷降低,导致反应器内微生物由于营养不充足而降低活性,甚至变黑脱落。因此水力停留时间越长,并不代表去除率就越高。

2.3.2 溶解氧浓度对CODCr去除率的影响

溶解氧是反应器运行中重要的控制参数之一。不同的溶解氧浓度会对废水处理效果产生重要的影响。控制进入SMBBR反应器中废水CODCr浓度为6000 mg/L,pH值为6.5,水力停留时间为3 d,调节曝气大小,探究溶解氧浓度对CODCr去除率的影响,结果如图6所示。

图6 溶解氧浓度对CODCr去除率的影响

由图6可以看出,当溶解氧浓度在3～4 mg/L的范围内,CODCr的去除率达到95%左右,去除效果明显。当溶解氧浓度小于3 mg/L时,CODCr去除率与溶解氧大小呈正比；当溶解氧浓度大于4 mg/L时,CODCr去除率与溶解氧浓度大小呈反比。因此,在SMBBR中适宜的溶解氧浓度为3～4 mg/L。分析原因, SMBBR为好氧反应单元,溶解氧会限制附着在填料上的生物膜中微生物的代谢活动[17]。填料上的生物膜包括内部厌氧层与外部好氧层。当溶解氧不足时,外部好氧层中的好氧菌的代谢活性会受到抑制,生物膜中厌氧层就会越来越厚,随之会催化厌氧层内部的反应,反应后的代谢产物增多,并向外溢出。这就使外部好氧层的生态系统遭到破坏,大大削减了生物膜附着在填料上的能力,导致生物膜脱落。当溶解氧浓度过高时,会加快有机污染物的分解,从而使微生物缺乏营养,加快生物膜的老化,使其脱落。此外,从经济上分析,曝气量过大,能耗增加,也增加了运行费用。

2.3.3 AF-SMBBR工艺对 SS去除效果分析

图7所示为AF-SMBBR工艺对废水中SS的去除效果。由图7可以看出,SS平均去除率高达98%,出水SS浓度小于350 mg/L。分析原因：SS浓度一部分是由反应器中的填料将废水中粒径较大的悬浮状物质截留,另一部分则是生长在填料表面上的微生物的代谢活动去除的。生长在填料上的大量微生物的新陈代谢会产生如糖类、脂类等黏性物质,这些物质能通过吸附架桥作用与水中的悬浮颗粒及胶体粒子黏结形成细小絮体,最后经过沉淀被去除。

图7 SS去除效果

3 结 论

(1)采用厌氧生物滤池(AF)-特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)组合工艺处理废旧瓦楞箱纸板(OCC)制浆废水,进水CODCr浓度为11000～15000 mg/L,SS浓度为20600～26600 mg/L,系统总水力停留时间(HRT)为8 d,水温为18～28℃的条件下,该组合工艺对废水中CODCr、SS具有很好的去除效果,CODCr平均去除率高达97%,SS平均去除率高达98%。出水水质达到GB8978—1996《废水综合排放标准》的三级排放标准,可排入城镇污水处理厂进行深度处理。

(2)对于该制浆废水,在总水力停留时间为8 d,进水CODCr浓度小于15000 mg/L,SMBBR溶解氧浓度(DO)为3 mg/L时,该工艺对制浆废水中CODCr的去除效果最佳。

(3)该组合工艺具有很强的耐冲击性、快速恢复性,不发生堵塞,不需要反冲洗,易于对已有的生化工艺进行改造等优点。

[1] LI Cui-cui, SHEN Wen-hao, CHEN Xiao-quan. Mechanism of Photocatalytic Oxidation Reaction and Its Application in the Treatment of Wastewater from Paper Mill[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(8)：65． 李翠翠, 沈文浩, 陈小泉. 光催化氧化反应机理及在造纸废水处理中的应用[J]. 中国造纸, 2009, 28(8)： 65．

[2] Xiao Liang, Sun Daqi, Shi Yan, et al. The Development of Effluent Treatment Technique in Wastepaper Recycling[J]. Technology of Water Treatment, 2016, 42(1): 20． 肖 靓, 孙大琦, 石 燕, 等. 废纸造纸废水处理技术的研究进展[J]. 水处理技术, 2016, 42(1): 20．

[3] ZHAO Yu-nan. Characteristics and Treatment of Pulping & Papermaking Effluent[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(9)： 41． 赵宇男. 制浆造纸废水特性及处理的相关问题[J]. 中国造纸, 2010, 29(9)： 41．

[4] Wang Hui, Fu Bin. The Current Status and Development of Effluent Treatment Method in Wastepaper Recycling[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2005(2): 21． 王 晖, 付 斌. 造纸废水处理方法现状及展望[J]. 中国资源综合利用, 2005(2): 21．

[5] Xu Xiaotian, Huo Lin. Application and Research Progresses of Treatment Technologies for Papermaking Wastewater[J]. Environmental Protection of Chemical Industry, 2009, 29(3)： 230． 许效天, 霍 林. 造纸废水处理技术应用及研究进展[J]. 化工环保, 2009, 29(3)： 230．

[6] Ivar Zekker, Ergo Rikmann, Toomas Tenno, et al. Anammox enrichment from reject water on blank biofilm carriers and carriers containing nitrifying biomass: operation of two moving bed biofilm reactors (MBBR)[J]. Biodegradation, 2012, 23 (4)： 547．

[7] Zhongdankangling Biotechnology Co., Ltd. bio-membrane filler, CN: 201330132291.6[P]. 2013-12- 04． 中丹康灵(北京)生物技术有限公司. 生物膜填料, 中国专利： 201330132291.6[P]. 2013-12- 04．

[8] State Environmental Protection Administration. Monitoring and analysis method of water and wastewater[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002． 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 北京： 中国环境科学出版社, 2002．

[9] Fang Fang. Research and application status of anaerobic biological filter[J]. China Water and Wastewater, 1999(4): 12． 方 芳. 厌氧生物滤池的研究及应用现状[J]. 中国给水排水, 1999(4): 12．

[10] Xu Pei. The Study on Nitrogen Removal in Biological Filter of Extra Carbon Source for The Secondary Effluent of Municipal Wasterwater Treatment Plant[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2011 徐 佩. 外加碳源生物滤池处理城市废水厂尾水脱氮试研究[D]. 武汉： 武汉科技大学, 2011．

[11] Yu Hanqing, Gu Guowei. The experimental study on the method of biofilm reactor hanging membrane[J]. China Water and Wastewater, 1992(3): 13．俞汉青, 顾国维. 生物膜反应器挂膜方法的试验研究[J]. 中国给水排水, 1992(3): 13．

[12] Yuan Huizhou, Zou Yuan, Zhang Peng, et al. Treating urban sewage with anaerobic MBBR process[J]. Environmental Engineering, 2012, 30(1): 30． 袁辉洲, 邹 原, 张 鹏, 等. AMBBR工艺处理城市废水[J]. 环境工程, 2012, 30(1)： 30．

[13] Li Weiping, Shi Yiran, Zhu Haojun, et al. Study on 2 ways of SMBBR treatment of PVC wastewater[J]. Technology of Water Treatment, 2015, 41(4): 95． 李卫平, 石屹然, 朱浩君, 等. SMBBR处理聚氯乙烯废水的2种方式的探究[J]. 水处理技术, 2015, 41(4): 95．

[14] Wang Zhutian, Ye Liang, Zhang Xinyan, et al. Application of MBBR Process to Upgrading and Reconstruction of WWTP[J]. China Water and Wastewater, 2010, 26(2)： 71． 王翥田, 叶 亮, 张新彦, 等. MBBR工艺用于无锡芦村废水处理厂的升级改造[J]. 中国给水排水, 2010, 26(2)： 71.

[15] Zhang Xingwen, Yang Fenglin, Ma Jianyong, et al. Application of Full-scale MBBR in Treating Low Concentration Wastewater[J]. Environmental Engineering, 2002, 20(5)： 12． 张兴文, 杨凤林, 马建勇, 等. MBBR处理低浓度废水的工程应用[J]. 环境工程, 2002, 20(5)： 12．

[16] Han Jianhong, Zhao Qian, Zhu Haojun, et al. Pretreatment of pharmaceutical fermentation wastewater by SMBBR[J]. Environmental Protection of Chemical Industry, 2015, 35(2): 169． 韩剑宏, 赵 倩, 朱浩君, 等. SMBBR预处理发酵类制药废水[J]. 化工环保, 2015, 35(2)： 169．

(责任编辑：刘振华)

Pilot Experiment of Pulping Effluent Treatment by Using AF-SMBBR Combined Process

JING Shuang-yi1YU Zhi-hao1ZHU Hao-jun1,2,*LI Wei-ping1YU Ling-hong1

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia Autonomous Region, 014010; 2. Sino-Danske Cloning(Beijing)Environment Technology Co., Ltd., Beijing, 100085)(*E-mail: vain0692@sina.com)

AF-SMBBR combined process was used to treat pulping effluent to investigate the CODCrand SS removal effect when this process was in the stages of biofilm colonization and stable running after the success of biofilm colonization,and to explore the effects of hydraulic retention time (HRT), and dissolved oxygen (DO) concentration on COD removal rate. The results of experiment showed that under the operation condition that influent temperature was 18～28℃, pH value was 6.5～8, CODCrconcentration was 11000～15000 mg/L, SS concentration was 20600～26600 mg/L, hydraulic retention time (HRT) was 8 days, effluent CODCrmaitained in less than 400 mg/L, the average removal rate was up to 97%, effluent SS was stable in less than 350 mg/L, the average removal rate was up to 98%.

AF-SMBBR combined process; pulping effluent; CODCr; removal rate

敬双怡先生,硕士,副教授；研究方向：废水处理。

2016- 12- 12(修改稿)

2014内蒙古科技大学产学研合作培育基金项目PY-201401。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.005

*通信作者：朱浩君，教授；研究方向：工业水处理、环境微生物学等。