IFAS工艺处理实验室废水应用研究

马森林，杨惠兰，杜世章，陈杨武，刘 健，谭周亮

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川 绵阳 621006；2.中国科学院环境与应用微生物重点实验室，四川 成都 610041；3.绵阳师范学院生命科学与技术学院，四川 绵阳 621006)

0 引言

近年来，随着我国科学技术的快速发展和高科技产业的快速增长，各类实验室的数量迅速增加。这些实验室主要集中在高校、科研机构、检验检测机构和企业的研究部门。实验室废水来源主要有三个方面，第一是各类无机、有机、生化实验的实验室废水；第二是各类实验剩余的、过期的废弃试剂；第三是用于洗涤、处理各类仪器、设备的洗涤剂及洗涤废水[1]。其中各类无机、有机废液或者高浓度有毒废液、废弃试剂经过收集，成分相对比较明确而作为危险废弃物进行了集中统一处理[2]，但部分洗涤剂和洗涤废水因使用量较大，且大部分处于流动状态，直接排放的情况比较常见[3]。针对排放的实验室废水，因其具有化学成分复杂，可能含有有毒成分，缺乏营养元素氮磷，废水排放时间和排放水量间歇性强等特点[4-7]，目前国内外还未有成熟的工艺技术进行集中处理[8]。

生物膜-活性污泥复合工艺(IFAS)，兼顾了活性污泥法和生物膜法的优点，可大幅提高生物反应池生物量[9-10]，提高污水系统容积负荷，有效增加系统耐冲击负荷，减少污泥产量[11-15]。该工艺目前已多用于生活污水[16-19]、工业废水[20-21]等废水的生化处理，但在实验室废水中的应用还较少。

本文采用一体化IFAS工艺对某科研机构实验楼排放的实验室废水进行处理，探究不同时间段实验室废水的产排特征，并通过添加化粪池污水调节实验室废水水质水量，考察IFAS工艺对实验室废水COD和NH3-N的去除效果，综合评价了IFAS工艺抗冲击性能，以期为实验室废水处理的实际工程提供技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 实验室废水来源及水质

废水来自于某科研机构实验楼，主要包括实验楼排放的实验室废水和化粪池污水。通过调查和检测，该实验楼主要包括药物化学、植物化学和环境微生物等方向的实验室，其排放废水中含有少量的醇类、脂类、醚类、烷烃、部分卤代烷烃及生物培养基等成分。其废水性质见表1。

表1 废水水质及排放标准

1.2 实验室废水处理装置及运行工艺

本研究采用生物膜-活性污泥复合工艺(IFAS)处理实验室废水，处理装置长4.6m，宽1.8m，高2.0m，材质为玻璃钢。其主要包括中和调节池、两级IFAS好氧池和沉淀池，两级IFAS好氧池兼挂有组合式填料，A段好氧池有效容积为2.7m3，B段好氧池有效容积为4.3m3。设计每天运行24h，处理废水规模为16.8m3/d，工艺运行条件见表2。

图1 工艺流程图

表2 系统运行参数

图2 处理装置外观图

1.3 IFAS工艺的启动与长期运行效果考察

1.3.1 工艺的启动与优化调控

采用IFAS工艺处理实验室废水，启动初期，本装置只进实验楼的化粪池污水，曝气采用闷曝的方式，A段好氧池DO控制在4～6mg/L，B段好氧池DO控制在为6～8mg/L；同时，每天定量加入15kg淀粉，以保证有充足的碳源。待工艺处理效果稳定后，将实验室废水和化粪池污水分别用泵从集水井打入中和调节池调节水质(实验室废水与化粪池污水的比例不断调节，最终以2∶1的比例进行运行调试，在中和调节池混合后作为反应器进水)，再进入生物处理系统。随后处理出水流入沉淀池，进行沉淀分离后排入市政管网。

1.3.2 工艺的长期运行性能考察

在IFAS工艺的长期运行中，分析该实验楼的实验室废水在不同时间段的产排特征；同时，在实验室废水和化粪池污水在2∶1的配比下，调节实验室废水的水质水量，以分析实验室废水波动对反应器进水的影响，考察该工艺在长期运行中对COD、NH3-N等污染物的去除效果和抗冲击性能。最后，对该工艺处理实验室废水的运行成本加以对比分析，从经济上论证其可行性。

1.4 材料与方法

IFAS工艺中的接种活性污泥取自四川省成都市某市政污水处理厂。在运行过程中，每天对反应器进水、出水及两级IFAS好氧池的COD、NH3-N、pH、MLSS等指标进行检测分析，各水质指标检测所用试剂(碘化汞、碘化钾、氢氧化钠、酒石酸钾钠、硫酸汞、硫酸亚铁铵、重铬酸钾、硫酸银等)均为分析纯。COD、NH3-N、MLSS等均采用标准方法[22]测定，pH、温度、DO由便携式pH计和哈希便携式多功能水质测定仪测定。

2 结果与讨论

2.1 实验室废水的产排特征分析

本研究中，实验室废水产排特征如图3所示。由图3分析可知，不同时段下实验室废水的COD波动幅度大。其具体表现为：①从实验室废水的平均日变化来分析，9∶30—18∶00 时段内时间与COD浓度变化大致呈正相关，其9∶30、13∶00和18∶00 COD浓度的平均值分别为79.18mg/L、224.40mg/L、267.48mg/L。②从实验楼上班与下班时间方面来分析，每天上班时间实验室废水的COD浓度高于下班时间，周一至周五高于周末休假时间。另外，在同一时刻下实验室废水的COD浓度也不稳定。实验室废水在9∶30、13∶00和 18∶00 时刻COD波动范围分别为13.88～196.99mg/L，64.42～766.99mg/L和55.39～493.72mg/L。

图3 不同时间段实验室废水COD浓度变化

2.2 IFAS工艺的启动与调试

启动过程中进、出水COD、NH3-N浓度与去除率情况如图4、图5所示。启动5d后，装置中的活性污泥量明显增加，沉降性较好，填料上挂膜良好。当COD去除率达60%时，开始进实验室废水，实验室废水和化粪池污水的比例从最开始的0.3∶1逐渐增加到1∶1，并定时取样检测进、出水和好氧池的COD、NH3-N。当反应器进水COD值控制在500mg/L以内时，出水COD可稳定低于100mg/L，出水NH3-N浓度稳定低于15mg/L，COD和NH3-N去除率分别达到80%、70%以上，表明污泥和生物膜已适应实验室废水的降解，反应器启动和载体挂膜成功。

图4 调试阶段COD的去除效果

图5 调试阶段NH3-N的去除效果

2.3 IFAS工艺的长期运行效果考察

根据实验室废水在不同时段下COD浓度变化较大的产排特征，且实验楼每天下班时间和周末的实验室废水中的COD浓度相对偏低，理论上可以间歇运行，以降低运行成本，但考虑到部分工作人员加班做实验的现象，所以本装置每天24h连续进水运行，以保障装置中活性污泥的活性和出水的稳定。

图6显示了IFAS工艺稳定运行时实验室废水与反应器进水(13∶00)COD浓度对比情况。由图6可看出，实验室废水波动范围为64.42～766.99mg/L(均值为224.40mg/L)，IFAS系统进水波动范围为76.46～403.36mg/L(均值为203.23mg/L)，明显可以对比出实验室废水远远高于反应器进水的波动幅度，且COD容积负荷范围从0.15～1.84kg/m3·d变为0.18～0.97kg/m3·d，COD最高容积负荷降低了47.29%。这也表明实验室废水与化粪池污水以2∶1进水配比后，有利于对实验室废水的水质水量进行调节，关兵等人[23]研究也发现将高浓度废水和低浓度废水混合后进行综合处理，这样既能降低构筑物的处理负荷，又能确保废水达标排放。同时，添加化粪池污水可以为实验室废水补充N、P等营养物质，有助于增强IFAS工艺对污染物的去除效果[24]，以保障反应器在实验室废水的冲击负荷下，出水稳定达标。

图6 实验室废水与反应器进水(13∶00)COD对比

另外，此次研究属于室外工程应用，反应器稳定运行后(从第9d开始)，NH3-N进出水平均值分别为50mg/L和10mg/L，平均去除率达到80%左右。因其出水氨氮稳定达标，后期未继续对NH3-N变化进行相关研究。分析了稳定运行期间反应器进出水水质，处理系统对COD的去除效果如图7所示。由图7可知，反应器进水COD浓度为76.46～403.36mg/L(均值为203.23mg/L)，IFAS工艺处理后的出水浓度为2.10～83.58mg/L(均值为31.85mg/L)，COD平均去除率为83.13%。经过IFAS工艺处理后，出水COD浓度均可达到《GB8978-1996污水综合排放标准》中的一级排放标准，且对COD有较稳定的去除性能。

图7 稳定运行期间COD的去除效果

在系统稳定运行的1～30d，进水COD处于76.46～403.36mg/L(均值为194.34mg/L)，出水COD为2.10～58.00mg/L(均值为27.74mg/L)，去除率为66.67%～99.10%(均值为84.01%)，当进水COD陡增至403.36mg/L时，COD去除率更是高达93.17%。在运行过程中，系统共受到了7次不同强度的COD进水波动冲击(图7)，但冲击后系统快速恢复到稳定运行，显示出了良好的耐冲击负荷能力。

在系统稳定运行的31～41d，反应器进水COD浓度为162.24～328.39mg/L(均值为219.13mg/L)，IFAS处理后的出水浓度为19.13～83.58mg/L(均值为38.74mg/L)，COD去除率在60.21%～92.89%(均值为81.68%)。与1～30d相比，进水COD浓度和去除率的变化相差不大，但第33d的出水COD浓度为83.58mg/L，达到了稳定运行期间的最高值，其较1～30d的平均出水COD浓度(27.74mg/L)增加了201.30%。在此阶段主要考虑是受到有毒有害物质的影响，赵庆[25]在处理石化废水研究中发现，系统经受有毒有害物质的冲击时，应停止进水，向装置中加入蔗糖，降低曝气池曝气量，使微生物得到适当的恢复，然后在2～9d缓慢增加进水量，直至完全恢复。同时，可以通过延长HRT，削弱苯胺对硝化菌的毒性作用[26]。因此，本研究在第35d停止进水，降低曝气池曝气量；第36d开始恢复只进化粪池污水0.5m3/h，反应器HRT由稳定状态的10h延长至14h；第37d将实验室废水与化粪池污水的进水比例恢复为2∶1，系统迅速恢复至稳定运行的状态。分析其原因，一方面由于IFAS系统的生物量高、污泥负荷小，优于传统的活性污泥系统[27]。另一方面由于生物膜为固着生长，遭受冲击负荷时，内层的生物膜因有外层膜的缓冲，受到的毒害作用要小，恢复也快[28]；同时，IFAS系统中悬浮相和附着相的微生物丰富多样，且均匀，也有利于其抗冲击负荷能力的提高[29]。

2.4 运行成本分析

本工艺处理实验室废水实现了全自动运行，无需任何人工维护和管理。每天的直接运行费用只有曝气风机、两台进水提升泵和污泥回流泵等工作产生的电费。曝气风机功率为0.75kW，两台进水提升泵的功率均为0.35kW，污泥回流泵功率为0.55kW，其中污泥回流泵每天实际运行时间合计1h，电价按0.60元/kWh计算，则合计每天的电费(1.45×24+0.55)×0.60=21.21元，其处理成本仅为1.26元/m3。与其他处理技术相比，传统的物理化学方法处理费用昂贵[30-31]，不适于广泛推广；组合工艺技术处理实验室废水在处理效果与前期投入方面也存在一些不足。庞志华等人[32]采用了“混凝沉淀-接触氧化-过滤-人工湿地”组合处理工艺对某环境科研所分析实验室废水处理的运行费用也保持在1.20元/m3左右，但其前期投入费用高，出水受季节影响波动大。因此，IFAS工艺处理实验室废水，具有简单高效、低成本、操作方便等优点，值得推广应用。

3 结论

为解决某科研机构实验楼实验室废水的达标排放问题，本研究通过现场应用，对IFAS工艺处理实验室废水的可行性进行了研究，同时考察了在2∶1添加条件下系统的处理效果和抗冲击性能，得出以下结论：

(1)不同时段下实验室废水的COD浓度变化波动大。从平均日变化分析，COD浓度随着上班时间的增加而浓度上升；从上班与下班时间来分析，每天上班时间实验室废水的COD浓度高于下班时间，周一至周五高于周末休假时间。

(2)采用添加化粪池污水方式处理实验室废水，研究发现实验室废水与化粪池污水在2∶1配比进水条件下，有利于对实验室废水的水质进行调节，并为实验室废水补充了N、P等营养物质，有助于增强IFAS工艺对污染物的去除效果，保障IFAS工艺在实验室废水的冲击负荷下，出水稳定达标。

(3)IFAS工艺处理实验室废水，反应器启动快，第9d开始其出水COD、NH3-N浓度均达到了《GB8978-1996污水综合排放标准》中的一级排放标准，其运行成本仅需1.26元/m3。因此，该工艺处理实验室废水从技术和经济上都是可行的。

(4)在实际运行中，IFAS系统在实验室废水COD浓度波动和有毒有害物质的冲击时，出水均稳定达标，证明IFAS系统具有良好的耐冲击负荷性能。