HAF组合工艺处理化工废水的中试研究

2021-08-06朱瑞佳吕国琴蔡文娟

兰州文理学院学报(自然科学版) 2021年4期

朱瑞佳，吕国琴，蔡文娟

(1. 甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃兰州 730020；2. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050)

由于工业化的发展，各类化工废水的排放量也急剧增加，这些化工废水普遍具有的特点是成分复杂且含有大量有毒物质[1-2]，有机物种类多、含量高[3]，属于生物难降解的高浓度有机废水[4].目前化工生产废水处理的主要方法有化学法、物理法和生物法，其中化学法主要有混凝法、氧化法等，物理法主要有沉淀法、吸附法、膜分离法等，生物法主要是好氧及厌氧生物处理[5].各种处理方法都具有各自的优缺点，其中化学和物理法可以很好地处理甚至回收污染物质，如Dou P[6]采用萃取、蒸馏和反渗透组合工艺，对二甲基甲酰胺废水进行处理，达到对二甲基甲酰胺分离与回收的目标.而生物处理法是利用微生物分解作用对有机物质进行分解.近些年来关于利用功能菌降解工业废水的研究也越来越普遍[7-8].目前由于各种工艺的不断更新与改进，对化工废水的处理效果也不断改善.

本文采用HAF组合工艺对某化工企业的生产和清洗废水进行处理，使得出水达到污水综合排放一级标准(GB8978-1996).该组合工艺采用的主要的工艺设备有复合厌氧反应器(Hybrid Anaerobic Filter，HAF)、微氧生物反应器(Micro-aerobic Biological Reactor，MABR)、流离生物反应床(Flow Separate Bed Biological Reactor，FSBBR).

1 材料与方法

1.1 试验水质

该化工企业废水主要是生产废水和清洗废水组成，平均30 t/h左右.根据废水特性，本试验进水为人工配制，设计处理能力为100 L/h(按每天24 h连续运行设计)，设计的进水水质见表1.

表1 试验设计的进水水质

1.2 试验流程与装置

1.2.1 试验流程

本试验采用HAF组合工艺对废水进行处理，具体试验流程如图1所示.因为废水的进水偏碱性，可生化性较差，并且废水中含有难降解物质，所以废水先经过曝气调节水解酸化池，均化水质调节水量，提高B/C，降低pH，为后续处理提供一个相对良好的来水条件.

经过预处理后，废水的可生化性得到提高，为使出水达标，后续采用厌氧、铁碳、厌氧、微氧后好氧加两级ICB的工艺.分别采用HAF复合厌氧反应池、MABR微氧生物反应器、FSBBR流离生化反应池和ICB固定化微生物反应器.有机氮在生化及Fe-C电解条件下均可转化为氨氮，Fe-C内电解更能提高废水的可生化性.对于废水中的氨氮，一部分在MABR中被去除，另一部分采用好氧反应池400%回流至前面的厌氧池加以去除.后面的两级ICB反应器进一步将残留的少部分难生物降解有机物及污水中的SS去除，能够保证出水满足一级排放标准.

图1 工艺流程图

1.2.2 试验装置

本试验装置分为两部分，一为反应池，其中包括Echap池、一级HAF池、Fe-C池和二级HAF池；二为反应桶，包括MABR池、FSBBR池、一级ICB池和二级ICB池.各处理单元情况见表2.铁炭微电解反应池内置高效铁炭填料，当量直径为100 mm，填充体积比为20%.一级HAF反应池、二级HAF反应池、MABR反应池和FSBBR反应池分别内置高效生物填料FSB流离生物球，当量直径为100 mm，填充体积比为80%.一级ICB反应器和二级ICB反应器内置高效固定化生物填料.

表2 各工艺单元概况表

1.3 水质分析方法

试验中各指标含量按以下方法进行测定：

水温：温度计；pH：pH计.

DO：便携式溶解氧仪.

CODCr：重铬酸钾法.

氨氮：氨氮测量仪.

2 结果与分析

2.1 满负荷连续试验污染物的去除效果

CODCr和氨氮的去除变化曲线如图2所示.

图2 连续试验后整体工艺对污染物的去除变化曲线

从图2可以看出，系统经过满负荷运行趋于稳定后，二级ICB出水CODCr稳定在100 mg/L以下，氨氮浓度稳定在15 mg/L以下.从整体趋势看，CODCr一直呈下降趋势，虽然进水的可生化性很低，但是经过较长时间的厌氧以及铁碳内电解，对难降解有机物的开环、断链是有效的，从而保证了出水CODCr比较稳定，并且出水没有受到进水CODCr变化的影响，说明系统的抗冲击能力较强.从氨氮变化曲线看，厌氧和铁碳内电解对有机氮的矿化能力很强，使85%以上的有机氮转化成为氨氮，使二级HAF出水氨氮浓度达650 mg/L以上，在MABR池、FSBBR池、一级ICB反应器和二级ICB反应器内呈下降趋势，说明世代时间长的硝化菌终于繁殖出来，发生了硝化作用，使氨氮转化成硝态氮和亚硝态氮，并最终通过回流厌氧发生反硝化以及厌氧氨氧化反应，最终除去水中的氮.

2.2 不同处理工艺对污染物的处理效果

2.2.1 Echap池处理效果

Echap池处理效果见图3.

图3 Echap池处理污染物效果图

由图3分析得出，Echap池的CODCr去除率基本保持在25%以上，说明Echap池不仅有传统曝气调节水解酸化池均匀水质、调节水量的作用，而且对有机物的降解也起到了一定作用.废水进入Echap池后，氨氮浓度上升了，说明废水中的有机氮被分解成了氨氮，也从侧面证明了Echap池较好的处理效果.同时由于水解酸化的作用，Echap池出水的pH会有所降低，为后面的HAF池提供了良好的进水条件.

2.2.2 MABR池与FSBBR池处理效果

MABR池与FSBBR池污水处理效果比比较见图4.

图4 MABR池与FSBBR池处理污染物的效果图

由图4可以看出，二级HAF池出水经过MABR池与FSBBR池处理之后，CODCr稳定在600 mg/L上下，而氨氮在200 mg/L.MABR池与FSBBR池的联合作用，使CODCr和氨氮的去除率均达到60%.MABR微氧反应器去除氨氮的效果明显，这是因为在微氧反应器中发生了短程硝化和反硝化、同时硝化与反硝化的反应，表现了MABR微氧反应器较好的除氨氮的作用[9].

2.2.3 ICB反应器处理效果

ICB反应器处理效果见图5.

图5 ICB固定化生物反应器处理污染物的效果图

由图5可以看出，从ICB反应器开始运行，由于填料的物理吸附作用，在46～48 d出水CODCr很稳定，48 d之后，出水CODCr浓度开始上升，出现了填料吸附饱和[10]假象，运行到54 d，生物降解作用开始显现，使吸附在填料表面的有机物开始被生物降解，并逐渐稳定，从而彻底打破该种填料“吸附饱和”的传统观念.氨氮在50～54 d之间出现了一个明显下降的趋势，是由于从FSBBR反应器内流入的硝化菌发生了硝化反应，但之后几天由于没有控制好pH，对硝化作用产生了一定影响，导致出水氨氮浓度开始上升.ICB固定化生物反应器的CODCr去除效率达到90%左右，说明该反应器的高效生物填料截留有机物的能力很强，为好氧菌提供了足够的基质和降解时间.在后期ICB反应器出现丝状菌膨胀现象，所以从图上可以看到一些起伏，由于控制的及时，使出水指标又回归稳定，经过3周左右的时间，ICB反应器可以稳定运行，出水CODCr达到100 mg/L以下，氨氮15 mg/L以下.

2.3 温度对一级HAF池处理污染物效果的影响

从图6可以看出，一级HAF池的处理效果和温度有非常大的关系，如图6所示.温度介于15～30 ℃时，处理效果一般，不能很好地发挥HAF的作用，而当温度升至35～38 ℃时，出水CODCr浓度达到2 000 mg/L左右，氨氮浓度上升至160 mg/L，说明中温厌氧对该废水的处理能够发挥更好的作用.

图6 温度对一级HAF池处理效果的影响

2.4 pH对Fe-C池处理污染物效果的影响

传统Fe-C池受pH影响严重[11]，如图7所示.从图7可以看出，pH越低，出水CODCr越低，有机氮转化成氨氮的浓度越高，因为在pH低的情况下，所产生的氧化还原电位越高，随之产生的羟基自由基自然就多，对有机物的氧化能力就大.但是，随pH降低，铁的消耗也随之增多，药剂的投加和填料的补加都增加了运行成本.新型Fe-C内电解反应器处理该废水，当pH在6～8范围内均能达到很好的处理效果，CODCr的去除率达到20%左右.由于不用刻意去调节pH值，所以省去了药剂费用，并且铁的消耗明显变小，铁碳填料的更新时间变长，运行费用自然很低.废水经过新型Fe-C内电解反应器处理之后，出水清澈透明，是由于铁碳池内的三价铁离子的存在，其所产生的絮凝作用使大量的SS被去除.