HABR工艺在印染废水处理中的应用

2020-08-18王由好朱五星

净水技术 2020年8期

赵明，王由好，朱五星

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

印染废水具有色度高、盐度大、有机物浓度高且可生化性差、难降解有机物含量高等特点，传统的生物处理工艺处理后很难实现稳定达标排放[1]。随着国家对环境保护的日益重视，要求采用先进生产工艺，使用成熟高效的水处理技术，保证印染废水达标排放。生物处理工艺由于基建投资和运行成本较低，已成为高浓度难降解有机工业废水处理的首选技术[2]。考虑到废水中难降解有机物含量较高等特点，一般采用水解酸化预处理技术提高废水可生化性，以强化生物处理效果[3-4]。

厌氧折流板反应器(ABR)是一种高效的厌氧水解装置，有着独特的模块化结构和塞流式流动模型[5-7]，可用于难降解有机污染废水的生物预处理，减少对后续好氧生化处理工段的负荷冲击。本文在普通厌氧折流板反应器基础上增加了固定填料，采用复合式厌氧折流板反应器(HABR)工艺来开展印染废水的强化生物预处理小试试验，为日后的工程实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。反应器装置由亚克力板拼接而成，长×宽×高=1 230 mm×400 mm×585 mm，有效容积为288 L；反应器共分为3个隔室，每个隔室由下向流的导流隔室和上向流的反应隔室组成。反应隔室内设有对称布置的异波折板，折板夹角为120°。每隔室均设有取水口，底端设有排泥口，反应器顶部不封闭。每个隔室内放置纤维束填料，将醛化纤维绕塑料环一圈均匀分布，塑料环挂在竖直轴上，轴顶部固定在池顶。

图1 HABR试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of HABR Experimental Apparatus

1.2 试验进水及启动

试验进水取自浙江某大型印染废水处理厂的初沉池出水，进水CODCr为450～650 mg/L， B/C为0.2～0.3，SS为50～100 mg/L，氨氮为20～30 mg/L，pH值为7.0～8.5，色度约为50倍。由此可知，进水CODCr有一定的波动，可生化性较差。

接种污泥取自该污水处理厂厌氧反应池，每个隔室内放入厌氧污泥，间歇搅拌，使污泥与填料充分接触。挂膜培养期间，水力停留时间设定为7 h，待出水稳定后再进行调整。启动期，采用梯度增加原水浓度的方法对污泥进行驯化。以葡萄糖为碳源，与原水以一定的比例混合，并添加钙、镁、铁、镍等微量元素，驯化一段时间后再不断增加原水比例，直至完全投加原水。

挂膜期间，组合填料上的生物膜厚度不断增加，生物膜颜色由最开始的乳白色逐渐变为黄褐色，最后填料表面被一层灰黑色的生物膜覆盖。检测显示，出水中CODCr指标较为稳定，反应器的启动基本完成，可以开展下一步的试验工作。

1.3 测试项目与方法

采用常规水质分析方法：CODCr采用重铬酸钾法测定，BOD5用稀释接种法测定，色度用稀释倍数法测定，SS用称量法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，pH用梅特勒-托利多酸度计测定。

2 结果与讨论

2.1 对CODCr的去除效果

不同HRT条件下，HABR对印染废水中CODCr的去除效果如图2所示。随着HRT的增大，CODCr去除率逐渐升高。当进水CODCr为400～650 mg/L，HRT分别为7、10 h和15 h时，CODCr平均去除率分别为14.94%、25.6%、31.09%。HRT为15 h时，CODCr去除率最高，与HRT为10 h和15 h相比，HRT为7 h时的CODCr去除率相对较低。

图2 不同HRT下CODCr的去除效果Fig.2 CODCr Removal Efficiency at Different HRTs

如图3所示，从不同隔室看，隔室1 的CODCr去除率最高，平均去除率约占总去除率的58.55%；隔室2和隔室3的占比分别为27.92%和13.52%；CODCr的去除效果主要集中在隔室1。这是因为废水先流经隔室1，水中易降解有机物被优先利用，一些难降解的有机物和悬浮颗粒物被填料表面的菌胶团吸附，因此，隔室1的CODCr去除效果最为明显；隔室2和隔室3的微生物在利用隔室1降解产生的有机物的同时会进一步截留和转化水中其他的有机物，而大部分可直接利用的物质已经被消耗。本试验的目的是将厌氧生物反应的过程控制在水解酸化阶段，以期改善出水的可生化性，为后续的好氧生物处理提供良好的反应条件，因此，HABR反应器对CODCr的总体去除率相对较低。

图3 不同隔室中CODCr去除率Fig.3 CODCr Removal Rate of Different Chamber

2.2 对可生化性的改善

由图4和图5可知，试验期间进水BOD5为85～178 mg/L，平均B/C为0.26。当HRT为7、10 h和15 h时，出水平均BOD5分别为150、136 mg/L和105 mg/L，B/C分别为0.34、0.35和0.29。在HRT为7 h和10 h时，出水BOD5均高于进水BOD5，HRT=10 h时的B/C最高，可生化性最好，而HRT=7 h的出水可生化性比HRT=10 h时稍低，但出水BOD5浓度高于HRT=10 h时的出水浓度。B/C的增加主要是进水中部分难降解污染物经水解酸化菌的作用转化为易降解的小分子有机物，提高了出水的可生化性。在HRT=7 h时，废水在反应器内的停留时间较短，一些大分子物质被降解后未被微生物充分利用即被排出，因此，出水BOD5较高，可生化性较好。在HRT=15 h时，出水B/C增长较小，可生化性较进水提高不明显，主要是在较大的水力停留时间下，处于后段的厌氧微生物会优先利用产生的易降解有机物质，使得大分子物质虽然被分解，但出水BOD5并未升高，对可生化性的提高未有明显的帮助。

图4 不同HRT下BOD5变化情况Fig.4 Variation of BOD5 at Different HRTs

图5 不同HRT下B/C变化情况Fig.5 Variation of B/C at Different HRTs

根据上述分析，当HRT=10 h时，HABR反应器的出水BOD5高于进水，且B/C由0.26提高到0.35，可生化性显著提高，为后续的好氧生物处理提供了良好的条件。

2.3 对pH和VFA的影响

水解酸化发挥作用的微生物主要为产酸菌，可将水中复杂有机物分解成易生物降解的小分子有机物和VFA等物质，使系统出水pH降低。由图6可知，HABR反应器内隔室1的pH下降幅度最大，其后两个隔室pH依次升高。这主要是因为隔室1内易降解的有机物首先被利用，同时吸附了大量的难降解有机污染物，使其能够将大分子物质转化为VFA等小分子物质，迅速降低隔室1的出水pH；由于水力负荷过大引起的搅拌和冲刷作用，一部分未被截留的大分子有机物进入隔室2，其内的微生物在利用隔室1水解产生的小分子物质的同时，也会进一步酸化一些小分子物质或降解部分大分子有机物。当对VFA的合成速率高于代谢速率时，相应隔室的pH将降低；与之相反，当对VFA的合成速率低于代谢速率时，相应隔室的pH将升高。当HRT在10 h以上时，由于废水在HABR反应器中的水力停留时间较大，水力负荷较小，隔室1中发生的水解酸化反应产生了大量的小分子物质和有机酸，而后两隔室内则以有机酸的代谢为主要反应，导致隔室出水的pH升高。

图6 不同HRT和隔室中pH的变化Fig.6 Variation of pH Value at Different HRTs and Chambers

由图7可知：HRT为15 h时，出水中VFA的含量约为34 mg/L；HRT为10 h和7 h时，出水中VFA分别为43 mg/L和52 mg/L；随着HRT的增大，出水中VFA的含量呈现递减的趋势。肖椿等[8]采用HABR预处理印染废水的研究中也发现，VFA 浓度从隔室2开始逐级降低。主要是因为，HABR反应器前段格室承受的有机负荷较高，产酸菌代谢活跃，代谢产物中含有大量的有机酸，而在后面的格室中VFA等小分子有机物会被反应器内微生物利用，水力停留时间越长，其利用得越充分，导致VFA浓度不断降低，pH不断升高。

图7 不同HRT和隔室中VFA的变化Fig.7 Variation of VFA at Different HRTs and Chambers

2.4 对氨氮的去除

由图8可知，HABR反应器在运行过程中进水氨氮的浓度均低于出水氨氮的浓度，HRT为7、10 h和15 h时，氨氮浓度分别由进水的26.2、25.19 mg/L和24.05 mg/L上升至出水的27.57、27.06 mg/L和26.24 mg/L，但提高的幅度较小。结合后续有机物的分析结果，氨氮浓度的提高与厌氧环境下一些蛋白质、氨基酸、偶氮类等含氮有机化合物的转化有关。

图8 不同HRT下氨氮变化情况Fig.8 Variation of NH3-N at Different HRTs

2.5 对色度的去除

不同HRT条件下，HABR反应器出水色度沿隔室降低。其中，隔室1对色度的去除率高，由进水色度的60倍降低至40倍；隔室2和隔室3对色度的去除效果不明显，出水色度基本稳定在32倍。废水中色度的去除是因为大分子的发色基团被生物膜吸附，进而在水解酸化菌的作用下被降解脱色[9]。

2.6 特征污染物的去除

为了解水解酸化反应器内有机特征污染物的降解规律，对HABR反应器进水和出水分别进行GC/MS分析，结果如表1所示。

由表1可知，与进水中有机物相比，出水中有机物种类减少很多，减少的有机物以大分子类为主。二甲酚、3,4-二甲基苯胺、2-甲氧基苯胺、甲基萘、4-甲基-2氨基苯并噻唑等基本被完全降解，胺类物质的降解使得反应器内游离态的氨增多，从而提高出水氨氮的浓度。对比进出水中有机物的出峰面积及丰度，均显著减小，说明出水中有机物含量降低。由此可知，进水中一些难降解有机物经过HABR反应器后被有效降解或转化为小分子有机物，提高了出水的可生化性。

表1 HABR进出水特征组分分析Tab.1 Characteristic Components Analysis of Influent and Effluent of HABR

2.7 有机物沿程降解动力学分析

以Monod方程为基础，结合有机物的物料平衡，推导出系统的动力学方程[10]，如式(1)。

(1)

其中：X——污泥浓度,mg/L；

HRT——水力停留时间,d；

S0——进水有机物浓度,mg/L；

Se——出水有机物浓度,mg/L；

Ks——饱和常数,mg COD/L；

k─基质的最大比降解速率,d-1。

在HABR运行稳定期内(HRT=10 h)，根据各隔室进出水CODCr浓度，利用式(1)进行线性拟合，求得每隔室内厌氧水解生物膜对印染废水有机物的降解动力学参数，如表2所示。

表2 有机物沿程降解动力学模型拟合参数Tab.2 Kinetics Fitting Parameters of Organic Degradation Model

由表2可知，稳定运行后隔室1和隔室2的拟合效果较好，而隔室3的拟合效果较差，这主要是因为进水中及隔室1分解获得的易降解有机物经过前面2个隔室时已经被大量消耗，剩余的易降解有机物含量又随着进水水质和水解效果的差异而波动，导致隔室3的微生物对CODCr的去除效果波动较大，拟合效果较差。从k的比较结果来看，隔室1的k最大，隔室3的k最小。试验进水CODCr在450～600 mg/L，有机负荷较低，且含有较多的难降解有机物，水解酸化菌不能无限的增殖，这就为产甲烷菌的生长创造了空间，隔室内产生的VFA被消耗。隔室1的k最大，底物的比降解速率最大；隔室2的有机物可直接利用隔室1出水中的VFA，但VFA浓度较隔室1有所降低，因此，其比降解速率低于隔室1；至于隔室3，可利用的有机物浓度较低，微生物的活性也较前2个隔室低，因此，比降解速率稍差。参数Ks也有相似的规律，隔室1的Ks最大，为2 617 mg/L，隔室3的Ks最低，为1 445 mg/L。