Fenton+SMBBR组合工艺对有机废水的中试研究

2019-05-07敬双怡谢者行朱浩君李岩李卫平

应用化工 2019年4期

敬双怡，谢者行，朱浩君，2，李岩，李卫平

(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)

高级氧化技术作为深度处理工艺越来越被广泛采用，现已成为处理难降解有机物的研究热点[1]。高级氧化技术是利用芬顿试剂在水中使Fe2+催化H2O2生成·OH自由基，由此获得较强的氧化能力，可降解污水中的污染物[2]。生成的Fe3+同时具有混凝的沉淀作用，可以去除有机物和磷酸盐[3-4]。此过程中Fenton具有强氧化和混凝两种作用[5]，同时不会造成二次污染[6]。

特异性移动床生物膜反应器(SMBBR)是在传统MBBR上改进的新型工艺，具有常规流化床和生物接触氧化的优点，依靠曝气和水流的提升作用，使悬浮填料处于流化状态[7]。使生物膜充满整个反应空间，填料与废水接触次数多且频繁，反应时间长，能耗低[8]。

安徽池州某化工厂要求进一步提高出水标准，实现企业零排放目标。本文对该公司污水站出水进行中试研究，采用芬顿+SMBBR+AMBBR+SMBBR工艺，探究工艺最佳处理参数，为该工艺的投产运行提供技术支持。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

SDC-03型填料(六棱柱状多孔结构，H=10 mm，比表面积约585 m2/m3，ρ=0.97 g/cm3，比容为0.1 cm3/g，一种可降解的塑料生物膜载体)；进水水质见表1。

表1 进水水质Table 1 Influent quality

1.2 实验流程

中试设备主要由两部分组成：一是芬顿反应设备，二是生化反应设备(即SMBBR)。设备均采用不锈钢板制成，其中芬顿反应池有效容积0.432 m3，SMBBR1有效容积0.208 m3，AMBBR有效容积0.396 m3，SMBBR2有效容积0.448 m3。原水由污水站调节池经提升泵进入芬顿反应器中，经芬顿反应后上清液通过小型潜水泵打入SMBBR1中，然后从SMBBR1自流到AMBBR中。从AMBBR上端流入，经过水解酸化后，从下端流入东流砂式沉淀池，然后从其上端通过进水孔三通流入SMBBR2底部，最后经SMBBR2上端流入二沉池出水。出水经二沉池，可以使出水SS较低，保证出水水质。

1.3 分析方法

实验采用国标方法[9]对Fenton及SMBBR反应器的进、出水口处COD、NH3-N、TN等指标进行检测。

2 结果与讨论

2.1 芬顿小试

小试实验中双氧水的加药量按与进水中COD的质量浓度1∶1计算，Fe2+的加药量按与H2O2摩尔浓度1∶3的比例进行添加。H2O2的浓度为30%，Fe2+试剂选用FeSO4·7H2O。分别取原水5份均为500 mL，进行梯度实验。将原水的pH调至3.5～4，加入芬顿试剂(先加FeSO4·7H2O，后加H2O2)，搅拌约40 min，调节pH至8～9，加入絮凝剂。结果见表2。

表2 芬顿小试实验结果Table 2 The experimental results of Fenton

由表2可知，双氧水添加量加大，COD含量逐渐降低，氨氮含量逐渐升高，说明进水中含有部分有机氮。当双氧水加药量大于400 mg/L时，氨氮含量上升趋势不明显，说明此时废水中大部分有机氮氧化完成。故H2O2加药量为400 mg/L。

2.2 挂膜阶段

该实验在2017年7月启动，在启动阶段(1～34 d)，实验进水流量为300 mL/min，厌氧AMBBR的停留时间为1 d，好氧SMBBR1的停留时间为0.5 d，好氧SMBBR2的停留时间为1.5 d；上清液回流比为1∶1；AMBBR反应器内污泥浓度保持在3 000～4 000 mg/L；溶解氧AMBBR反应器为0.2～0.5 mg/L，SMBBR反应器为3～5 mg/L；水温为25～28 ℃。启动过程中在AMBBR反应器中加入DNF409菌株，投加量50 g/d。

连续进水9～11 d后，观察SMBBR反应器内填料，发现其内表面呈浅褐色斑点，20 d后，填料内表面生物膜厚度约为0.5～0.7 mm，30 d后填料内生物膜厚度约为1.5～2 mm。通过显微镜观察，发现其内表面附着较大的菌胶团，丝状菌较多，同时观察出现大量钟虫和轮虫。AMBBR采用完全厌氧工艺进行挂膜，相对于好氧工艺而言，厌氧降解有机物过程中微生物细胞活性不足，微生物生长缓慢，难以附着在填料表面生长，导致挂膜时间相对较长。此时观察AMBBR反应器内填料，发现其内表面只存在黄色斑点状菌胶团，并未发现致密的生物膜。但AMBBR中MLSS较高，而且搅拌器和填料起到了均匀活化污泥的作用，使反应器内污泥活性极强对污染物质去除能力显著。当出水中各污染物去除率显著提高，水质趋于稳定时，表明挂膜完成，此时进入稳定运行阶段。

2.3 稳定运行阶段

2.3.1 Fenton+SMBBR组合工艺对COD的去除效果 Fenton+SMBBR对COD去除效果见图2。

图2 COD去除效果Fig.2 Removal efficiency of COD

由图2可知，控制HRT=5 d情况下，稳定运行期间Fenton+SMBBR工艺对COD的平均去除率为91.45%，出水COD浓度为22～120 mg/L。20 d后出水稳定，期间平均浓度为28.35 mg/L。随着反应时间的增加，COD去除率逐渐升高，说明在生化反应器活内性污泥流失的过程中，系统中微生物逐渐适应环境，随着填料上生物膜厚度的逐渐增加，整个反应器的生物量和生物相也越来越多，出水COD逐渐降低，去除率达到峰值，并趋于稳定。

2.3.2 Fenton+SMBBR组合工艺对NH3-N的去除效果控制温度25～28 ℃，溶解氧分别为AMBBR内3～5 mg/L和SMBBR内0.2～0.5 mg/L，Fenton+SMBBR对NH3-N的去除效果见图3。

图3 氨氮去除效果Fig.3 Removal efficiency of NH3-N

由图3可知，在HRT=5 d时，NH3-N平均去除率为93.33%，出水NH3-N浓度为0.68～5.45 mg/L，平均浓度为2.5 mg/L。微生物的同化作用是去除反应器内NH3-N的主要方法[10]。组合工艺取得了较好的硝化效果，主要是因为废水中的有机氮经芬顿催化氧化后转变成无机氮，废水可生化性大大提高。同时，高亲水性质填料的加入，有利于增加反应器内微生物的数量和富集脱氮细菌，其上成熟的生物膜富集了大量的硝化菌，其生物量可以高达活性污泥的5～20倍[11-15]，保证出水NH3-N浓度的稳定[16]。

2.3.3 Fenton+SMBBR组合工艺对TN的去除效果 Fenton和SMBBR对TN去除效果见图4。

图4 总氮去除效果Fig.4 Removal efficiency of TN

由图4可知，HRT=5 d时，TN的平均去除率为86.85%，出水TN浓度在5～11.5 mg/L。稳定期间，平均浓度为7.74 mg/L。随着反应时间的增加，系统内生物量及生物相开始增多，反应器内溶解氧含量相对降低，O2不容易渗透到生物膜内部，填料内表面形成的兼氧环境反而适宜反硝化菌生存。生物膜上的反硝化菌与硝化菌之间的竞争作用加强，不利于硝化菌生长，TN的去除率以平稳趋势增长。