夏四清， 高廷耀， 周增炎
(同濟大學環境科學與工程學院，上海200092)

　　摘　要： 采用多級懸浮填料生物反應器處理石化廢水，在填料投加率為50%、水力停留時間為8 h的工況條件下，當進水BOD₅為108～234 mg/L、COD_Cr為253.4～444.6 mg/L、NH₃-N為20.8～26.2 mg/L時，二級反應器對其平均去除率分別為90.7%、74%和53.2%； 三級反應器對其平均去除率分別為93.7%、77.7%和84.6%，這說明采用多級反應器在保證有效去除BOD、COD等有機污染物的同時，可以大大提高對NH₃-N的去除效果。
　　關鍵詞： 多級懸浮填料； 生物反應器； 石化廢水； 分級處理
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0009-04

Use of Multistage Suspended Carrier Bioreactor for Treatment of Petrochemical Wastewater
XIA Si-qing, GAO Ting-yao, ZHOU Zeng-yan
(School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：The multistage suspended carrier bioreactor was used to treat petrochemical wast ewater.The treatment effect was studied at the carrier dosage rate of 50% and hy draulic retention time of 8 h.For the influent concentration of BOD5 108～234 mg/L,COD_Cr 253～444.6 mg/L,and NH₃-N 20.8～26.2 mg/L,the average
removal rate of these pollutants is respectively 90.7%,74%,and 53.2% in the sec ond stage reactor,and 93.7%,77.6%,and 84.6% in the third stage reactor.It means that use of multistage reactor can greatly improve NH₃-N removal efficiency,wh ile achieving the effective removal of BOD and COD.
　　Keywords:multistage suspended carrier; bioreactor; petrochemical wastewater； staged treatment

　　懸浮填料生物反應器是近幾年國內外研究的一種新型附著生長型生物膜反應器^［1、2］，其核心部分是一種特殊填料(能在反應器中保持懸浮狀態)。微生物在填料表面生長的過程中，填料在水中充分流化以保持微生物得以充分利用溶解氧和良好的傳質條件。
　　20世紀80年代國內曾開展了懸浮填料生物接觸氧化法處理城市污水的研究，但由于當時采用的是活性炭、石英砂、無煙煤等填料［3］(其密度在1.5～2.5g/cm³之間)，故需 要較大的動力消耗才能使填料流化，而同濟大學經過多年研究開發的新型實用專利產品懸浮填料［4］，使該反應器的各項性能有了很大提高。本研究是在大量小試成功的基礎上，在上海石油化工股份有限公司水質凈化廠進行的。
　　上海石油化工股份公司水質凈化廠的廢水來源于上海石化乙烯廠、化工一廠、化工二廠、維綸廠、腈綸廠等的工業廢水和該地區的生活污水(其比例約為3∶1)，一般情況下原水水質如 表1所示。

表1 原水水質 pH COD_Cr(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/L) 濁度(NTU) SS(mg/L) 6～9 200～700 100～350 15～35 30～200 50～400

　　 目前該廠采用的工藝流程見圖1。

　　 該廠處理水量為138 800m³/d，總水力停留時間為23 h，其中推流曝氣池的水力停留時間為8 h。在運行過程中發現，該工藝對BOD₅、COD的處理效果良好，但出水中氨氮濃度常超過15 mg/L。在此背景下開展的懸浮填料生物反應器應用于石化廢水處理的研究，以探索在不改變其構筑物結構的情況下僅靠投加填料使其實現生物硝化從而達到提高氨氮去除率的可能性。

1 試驗材料、主要設備和方法

1.1 填料
本研究所采用的填料是50 mm×50 mm圓柱型，由不同面積的翼板、底板構成(見圖2)。

　　填料的比表面積為278m²/m³，密度＜1。該生物載體若直接放于曝氣池中，不曝氣時浮于水面，曝氣時則僅需與一般曝氣池相同的曝氣量即可流化于整個曝氣池。由于翼板表面利于生物膜的生長和自然脫膜，因此不會結團，翼板間的空隙也不會堵塞。由于該填料具有良好的通氣性、過水性，所以對曝氣池的布氣、布水設備沒有特殊要求，可省去專門用于捆綁載體的支架。
1.2 主要設備
　　試驗工藝流程如圖3所示。

　　進水取自水質凈化廠調節池，經中試調節池后用閥門控制反應器進水量。懸浮填料生物反應器有效體積為3.6m³(長×寬×高為3 m×1 m×1.2 m)，分為相等的3格(前一級的出水為后一級的進水)，反應器內設有穿孔曝氣管，空氣來自廠方進氣管氣源，反應器內 以懸浮填料作生物載體，氣水比控制在(6～15)∶1范圍內。由于反應器的每一級均呈正方形，曝氣均勻、填料流化狀態良好，故均可將其視作完全混合反應器，即在每一級的任何一點取水沉淀后均可作為該級反應器的出水，而考察多級懸浮填料生物反應器去除污染物的效果就是按照這種思路進行的。
1.3 水質分析
　　水樣：為全天混合樣，其中進水是沉淀10 min后的上清液，反應器前兩級出水是取相應的反應器內任何位置的混合水沉淀2 h后的上清液，三級出水為最終出水。每天定時取水混合后 放入冰箱內進行分析。
　　分析方法：COD_Cr采用快速鉻法，NH₃-N采用納氏試劑光度法，DO采用YSIMODEL58型溶氧儀測定，濁度采用濁度儀法，SS采用重量法，還需定期進行微生物鏡檢。

2 結果與討論

2.1 充氧能力試驗和生物膜的形成
　　前期在該廠進行的充氧能力試驗結果表明，由于存在碰撞和切割氣泡等作用，在生物反應器中投加懸浮填料使氧的總傳遞系數、傳遞速率、曝氣設備的充氧能力、氧利用率等均有顯著提高，可見對氧的傳遞起著促進作用，且當填料投加率為50%時的效果最好(氧的利用率為9.7%)，約是無填料生物反應器的2.26倍，故中試的生物反應器中填料投加率均為50%。
　　懸浮填料生物反應器中生物膜的培養和形成是該工藝能否運行的關鍵。在氣水比為(6～15) ∶1條件下連續進水培養1個月左右，發現有輪蟲和線蟲等后生動物產生，標志著生物膜已逐漸成熟，此時生物膜呈黃褐色，膜厚在1～2 mm之間，同時也獲得了較穩定的出水。裝置經近一年的運行，效果穩定。
2.2 運行結果分析
　　該試驗分別考察了在不同條件下多級懸浮填料生物反應器去除污染物的效果、水力停留時間分別為10、8和6 h工況條件下各級對不同污染物的去除情況，而每一個工況根據實際情況運行15～30d不等。在從一種工況調到另一種工況的第2天開始進行水質分析，為使之與水質凈化廠的曝氣池水力停留時間具有可比性，以水力停留時間為8 h工況下的運行結果為主進行討論。
　?、? 對BOD的去除
　　水力停留時間為8 h工況下反應器的第二、三級出水的BOD5值及去除效果見表2。

表2 對BOD5的去除效果 測定次數 1 2 3 4 5 6 7 8 進水(mg/L) 223 115 199 158 108 155 234 158 二級出水(mg/L) 18.9 13.0 15.0 16.7 9.7 17.6 15.5 14.4 二級去除率(%) 91.5 88.7 92.5 89.4 91.0 88.7 93.4 90.1 三級出水(mg/L) 13.8 9.6 6.9 11.4 8.2 97.7 7.1 12.0 總去除率(%) 93.8 91.7 96.5 92.8 92.4 93.7 97.0 92.4

　　從表2可見，在與一般曝氣池相同的水力停留時間條件下，進水BOD₅濃度為108～234mg/L時，二級反應器出水濃度均在20 mg/L以下，BOD5平均去除率已達90.7%，三級出水均在15 mg/L以下，平均去除率為93.7%，可見從第二級到第三級進一步去除BOD ₅的幅度已不大，說明該廠廢水的可生化性較好，該生物反應器對BOD的去除率很高。
　?、? 對COD的去除
　　反應器每級出水的COD_Cr值及其分級去除效果見表3。

表3 對COD_Cr的去除效果 測定次數 進水(mg/L) 一級出水(mg/L) 去除率% 二級出水(mg/L) 去除率(%) 三級出水(mg/L) 總去除率(%) 1 397.0 186.6 53.0 105.2 73.5 87.3 78.0 2 412.3 172.7 58.1 103.2 75.0 87.3 78.8 3 325.5 144.9 55.5 95.2 70.8 67.5 79.3 4 397.0 129.0 67.5 99.3 75.0 85.4 78.5 5 365.2 186.6 48.9 99.36 72.8 83.4 77.2 6 325.5 154.8 52.4 91.3 72.0 83.4 74.4 7 444.6 176.7 60.3 95.3 78.6 91.3 79.5 8 253.4 150.5 40.6 65.3 74.2 61.4 75.8

　　從表3可以明顯看出，在最初兩天內由于微生物還沒有完全適應，二級出水COD_Cr濃度偏高，已超過城市污水廠的二級排放標準(100 mg/L)；經過適應之后在進水COD Cr濃度為253.4～444.6 mg/L時，反應器的二級出水COD_Cr濃度均低于100 mg/L，且出水水質非常穩定，其平均去除率與三級出水的平均去除率相比，已經完成第三級去除率的95%左右。從去除COD的要求來看，該反應器的二級出水已經達到要求，采用三級反應器是為了在較低負荷條件下達到去除NH₃-N的目的。
　　③ 對NH₃-N的去除
　　多級填料生物反應器對石化廢水中NH₃-N的去除遠遠高于水質凈化廠的推流式曝氣池，其運行結果見表4。 表4 對NH₃-N的去除效果 測定次數 進水(mg/L) 一級出水(mg/L) 去除率% 二級出水(mg/L) 去除率(%) 三級出水(mg/L) 總去除率(%) 1 23.5 21.1 10.2 10.0 57.5 2.1 91.1 2 24.0 22.0 8.3 16.6 30.8 7.0 70.8 3 20.8 18.2 12.5 9.8 52.9 3.9 81.3 4 26.2 20.8 20.6 8.7 66.8 1.2 95.4 5 23.5 20.4 13.2 11.1 52.8 4.2 82.1 6 23.3 20.5 12.0 8.7 62.7 0.2 99.1 7 22.6 22.0 2.7 12.8 43.4 4.9 78.3 8 22.3 18.5 17.0 9.3 58.3 4.7 78.9

　　由表4可以看出，在反應器的第一級由于有機負荷和氨氮負荷均較高，對氨氮的平均去除率僅為12.1%；在反應器的第二級由于負荷降低，使其對氨氮的去除率有所升高(平均去除率已達53.2%)；而第三級對氨氮的平均去除率高達84.6%，由此可以說明多級懸浮填料生物反應器的優勢在于能很大程度地提高對氨氮的去除率，這正是水質凈化廠原推流式曝氣池的不足之處。
　　從以上幾種主要污染物的去除效果可以看出，懸浮填料生物反應器對石化廢水的有機污染物有較好的去除效果，在反應器的前兩級已經基本完成對有機污染物的去除，使其達到城市二級污水廠的二級排放標準；對于氨氮的去除更是多級懸浮填料生物反應器的優點，在與水質凈化廠推流式曝氣池相同的水力停留時間(8 h)時，其出水氨氮濃度遠遠低于二級排放標準(15 mg/L)，說明采用該反應器分級處理石化廢水是可行的。
　?、? 對其他污染物的去除
　　多級懸浮填料生物反應器除了對NH₃-N、有機污染物有較好的去除效果外，對濁度和SS也有與此類似的去除效果。

3 結論

　　① 多級懸浮填料生物反應器由于填料具有比表面積大、易掛膜、可有效切割氣泡的特點，故能使其對氧的利用率有較大提高。試驗表明，當填料投加率為50%，在保持與普通曝氣池相同的氣水比條件下，可使充氧能力和充氧速率提高至無填料時的2倍以上。
　?、? 采用多級懸浮填料生物反應器處理石化廢水在啟動時無需接種污泥，可直接掛膜培養，操作方便、易于管理。
　?、? 多級懸浮填料生物反應器在填料投加率為50%，與普通曝氣池基本相同的水力停留時間和氣水比條件下，對BOD、COD、SS、濁度有很高的去除率，由于前兩級反應器 大大降低了反應器內有機物的負荷，使得該分級反應器對NH₃-N有很好的去除效果。
　?、? 由于填料不需要支撐裝置、不結團，在曝氣池進、出口設置小于填料粒徑的格柵即可防止填料流失，故本工藝將很容易在一般污水處理廠中推廣應用；只需將一般推流式曝氣池稍作改動，使其形成前級出水為后級進水即可實現分級去除污染物的目的，在確保對BOD、COD等有機污染物去除率的同時，可以提高對NH₃-N的去除效果。

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　　作者簡介：夏四清(1965- )，男，河南汝南人，同濟大學副教授，主要從事污水生物處理方面的研究。
　　電　話：(021)65983868 65982684
　　E-mail:sqxia@online.sh.cn
　　收稿日期：2001-10-15