高含鹽量石油發(fā)酵工業(yè)廢水處理研究

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簡(jiǎn)介： 石油發(fā)酵工業(yè)廢水中高含鹽量對(duì)于生物處理有強(qiáng)抑制作用，本研究利用SBR活性污泥法對(duì)該類廢水進(jìn)行有機(jī)物降解試驗(yàn)，在廢水中溶解性總固體濃度(TDS)50000mg/l～65000mg/l和CODCr濃度3000mg/l～6000mg/l范圍內(nèi)高含鹽量對(duì)馴化后的耐鹽活性污泥并無明顯抑制作用，CODCr去除率穩(wěn)定在90%以上，BOD5去除率穩(wěn)定在95%以上，半速度常數(shù)Ks=340mg/l，最大比降解速度K=1.96d1。馴化活性污泥以菌膠團(tuán)和少量原生動(dòng)物(裂口蟲和漫游蟲)為主，菌落形態(tài)相對(duì)較少。
關(guān)鍵字：馴化活性污泥 含鹽量 生物降解 抑制作用 SBR反應(yīng)器

0 引言

　　近年來新興的石油發(fā)酵工業(yè)排出的有機(jī)工業(yè)廢水有時(shí)含有高濃度的無機(jī)鹽類(主要為氯化鈉和硫酸鹽等)。由于有機(jī)廢水通常采用諸如活性污泥法、生物濾池這樣的生物處理工藝進(jìn)行處理，因此廢水中無機(jī)鹽對(duì)好氧生物處理工藝性能的影響和抑制作用正越來越受到人們的關(guān)注。從水的角度看，廢水中無機(jī)鹽含量的高低直接影響水的活度，從而導(dǎo)致水的滲透壓發(fā)生改變。廢水處理微生物當(dāng)水的活度適當(dāng)時(shí)生長(zhǎng)良好，活度過高會(huì)導(dǎo)致微生物細(xì)胞滲水過多破碎，過低則造成細(xì)胞內(nèi)水份外滲造成失水而失去活性。廢水中高濃度的無機(jī)鹽對(duì)好氧生物處理系統(tǒng)的不利影響主要有以下幾個(gè)方面^[1～3]:

　　(1)造成好氧生物處理系統(tǒng)有機(jī)物去除率下降;

　　(2)導(dǎo)致生物膜或活性污泥結(jié)構(gòu)松散，沉降性能惡化，處理系統(tǒng)出水懸浮物濃度增加;

　　(3)導(dǎo)致活性污泥和生物膜的生物相及微生物種群比例發(fā)生重大變化，原生動(dòng)物種類和數(shù)量大幅度減少甚至全部消失。

　　另一方面，廢水處理微生物對(duì)于水環(huán)境滲透壓的適應(yīng)能力有所不同，主要是由于不同微生物對(duì)于滲透壓的調(diào)節(jié)能力以及微生物體內(nèi)酶對(duì)滲透壓變化幅度的適應(yīng)能力不同所致。因此，通過活性污泥的馴化過程培養(yǎng)出具有良好有機(jī)物降解性能的耐鹽微生物是對(duì)該類有機(jī)工業(yè)廢水進(jìn)行處理的重要前提。

　　本研究所試驗(yàn)的石油烷烴發(fā)酵廢水是化工行業(yè)在烷烴二元酸生產(chǎn)過程中排出的高鹽度有機(jī)廢水。該二元酸生產(chǎn)過程采用間歇式發(fā)酵工藝，反應(yīng)器采用攪拌式發(fā)酵罐，其主要工藝設(shè)備有種子培養(yǎng)罐、發(fā)酵罐和分離精制裝置組成。生產(chǎn)二元酸的主要原料有:石油烷烴、食鹽、尿素、磷酸二氫鉀、酵母粉、玉米粉、食糖等，其主要生產(chǎn)工藝及廢水排放情況見圖1。

　　圖1　石油烷烴二元酸生產(chǎn)廢水的產(chǎn)生

　　1 試驗(yàn)條件與方法

　　1.1 廢水水質(zhì)

　　石油烷烴二元酸生產(chǎn)過程中各部分廢水經(jīng)中和預(yù)處理后的水質(zhì)情況見表1。

　　表1　石油烷烴二元酸混合廢水水質(zhì)指標(biāo)

　　從表1可看出，該廢水BOD5/COD_Cr比值在0 55左右，可生化性較好，并且其中主要為溶解性有機(jī)物，采用生物處理最為合理。但同時(shí)廢水中含有高濃度的溶解性無機(jī)鹽，TDS高達(dá)50000mg/l～65000mg/l，其中硫酸鹽高達(dá)20000mg/l～25000mg/l，采用厭氧生化處理受到嚴(yán)重抑制，甚至根本無法進(jìn)行，因此本課題采用SBR活性污泥法對(duì)該廢水進(jìn)行好氧生物處理試驗(yàn)。

　　1.2 試驗(yàn)工藝

　　高鹽度有機(jī)廢水生物降解試驗(yàn)在6 9l有機(jī)玻璃SBR反應(yīng)器中進(jìn)行，定時(shí)取樣測(cè)試COD_Cr、BOD5、ＭlＳＳ和ＭlVSS濃度。SBR反應(yīng)器的運(yùn)行按間歇曝氣方式設(shè)計(jì)，即按照進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置的程序周期運(yùn)行，間歇曝氣有一系列曝氣和閑置階段組成(曝氣3ｈ，閑置2ｈ)。SBR反應(yīng)池的活性污泥交替處于缺氧和好氧狀態(tài)，可充分利用兼性菌群和好氧菌群的共同生物降解作用，具有廣譜和高效的凈水效果，有利于成分復(fù)雜的有機(jī)廢水的處理。SBR反應(yīng)池還可以根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷的高低調(diào)整反應(yīng)的次數(shù)和時(shí)間，耐沖擊負(fù)荷性能好，同時(shí)還可大幅度降低運(yùn)行能耗。經(jīng)生化處理后廢水利用SBR反應(yīng)池本身進(jìn)行泥水分離，上清液作為出水潷出。

　　1.3 試驗(yàn)工況

　　試驗(yàn)按3種不同的有機(jī)負(fù)荷工況進(jìn)行，其主要工藝參數(shù)見表2。

　　表2　各試驗(yàn)工況參數(shù)

　　1.4 活性污泥及馴化方法

　　廢水中高濃度無機(jī)鹽對(duì)于好氧生物處理所產(chǎn)生不利影響的程度與水中鹽度變化的快慢程度密切相關(guān):只要處理系統(tǒng)的進(jìn)水鹽度避免大幅度地急劇增加，系統(tǒng)中的微生物經(jīng)過一段時(shí)間的馴化以后能夠逐漸適應(yīng)高鹽度環(huán)境，并且其絮凝性能亦不會(huì)受到影響^[4～6]。對(duì)于濃度相對(duì)恒定的高鹽度有機(jī)廢水而言，微生物的馴化是處理系統(tǒng)取得成功的最重要因素。取處理城市污水的回流活性污泥按圖2所示的方法進(jìn)行培養(yǎng)馴化。在馴化過程中逐漸增加含鹽廢水的數(shù)量，同時(shí)相應(yīng)減少培養(yǎng)基的數(shù)量，直至停止投加培養(yǎng)基。污泥培養(yǎng)馴化成熟后，逐漸增加廢水進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷和含鹽量，直至有機(jī)負(fù)荷1.0kgCOD_Cr/kgVSSd，含鹽量如表1所示。馴化培養(yǎng)基由米泔水，尿素和磷酸二氫鉀按反應(yīng)液營(yíng)養(yǎng)配比要求組成。

　　階段曝氣4×3=12ｈ，閑置時(shí)間2×3=6ｈ。

　　圖2　耐鹽活性污泥馴化方法

　　1.5 分析方法

　　鈉離子:原子吸收分光光度法;氯離子:硝酸銀容量法;硫酸根:硫酸鋇重量法;COD_Cr:快速重鉻酸鉀法;pH:pHS-3DC精密數(shù)顯酸度計(jì)。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　污泥接種后約一個(gè)半月SBR反應(yīng)器中的活性污泥逐漸成熟，而此時(shí)廢水的COD_Cr去除率已達(dá)80%～90%，接著開始各工況的正式試驗(yàn)，每種工況保持穩(wěn)定運(yùn)行14d～18d以上。

　　2.1 無機(jī)鹽濃度對(duì)有機(jī)物去除率的影響

　　無機(jī)鹽濃度對(duì)有機(jī)物去除率的影響如表3所示。從表3可以看出，在SBR反應(yīng)器各種含鹽量條件下(TDS濃度11720～65000mg/l)，廢水中有機(jī)物的COD_Cr去除率均可穩(wěn)定在90%以上，BOD₅去除率均可穩(wěn)定在95%以上;亦即在溶解性總固體濃度50000～65000mg/l，有機(jī)負(fù)荷0.1～1.0kgCOD/kgVSSd范圍內(nèi)，好氧生化反應(yīng)均能正常進(jìn)行，并未受到明顯的有害抑制。

　　表3　各生物處理工況試驗(yàn)結(jié)果工況

　　注: TDS進(jìn)出水濃度基本相同

　　圖3　兩種活性污泥處理效果的比較

　　2.2 活性污泥馴化前后對(duì)廢水中有機(jī)物處理效果的比較

　　活性污泥馴化前后對(duì)廢水中有機(jī)物處理效果的比較見圖3。從圖3中顯示的結(jié)果表明馴化污泥的有機(jī)物去除率比未馴化污泥顯著提高，具有良好的有機(jī)物吸附 氧化能力。在馴化活性污泥與含鹽廢水充分混合接觸的數(shù)小時(shí)內(nèi)廢水中大部分有機(jī)物即被去除，COD_Cr值自3340mg/Ｌ迅速降至800mg/l以下;曝氣20ｈ后廢水COD_Cr去除率可穩(wěn)定在90%以上。而未經(jīng)馴化的活性污泥則出現(xiàn)明顯的鹽度中毒現(xiàn)象，曝氣24ｈ后COD_Cr去除率僅為45.8%，并且延長(zhǎng)曝氣時(shí)間后COD_Cr下降十分緩慢，再延長(zhǎng)48ｈ后COD_Cr僅下降47.5%。同時(shí)未馴化活性污泥生物相和微生物相對(duì)數(shù)量相應(yīng)發(fā)生重大變化，曝氣20ｈ后原先十分活躍的大量輪蟲、有柄纖毛蟲和其他高級(jí)的原生動(dòng)物迅速死亡，尚存絲狀細(xì)菌、菌膠團(tuán)和少量低級(jí)原生動(dòng)物;曝氣48ｈ后尚存少量絲狀細(xì)菌，菌膠團(tuán)變得稀少，原生動(dòng)物全部消失;曝氣72ｈ后絲狀細(xì)菌亦全部消失，只剩下更為稀少的菌膠團(tuán)。以上結(jié)果說明廢水中鹽度的變化方式對(duì)未馴化微生物的適應(yīng)性具有重大影響:鹽度的急劇變化對(duì)未馴化微生物的抑制作用要比逐漸變化大得多。

　　2.3 污泥馴化前后生物相的比較

　　接種污泥取自城市污水廠二沉池回流污泥，鏡檢結(jié)果顯示其中生物相十分豐富，原生動(dòng)物中的鐘蟲、楯纖蟲等纖毛蟲數(shù)量眾多，十分活躍;并且菌膠團(tuán)中附著大量絲狀細(xì)菌。馴化活性污泥經(jīng)4～6周培養(yǎng)后逐漸成熟，其外觀顏色由深褐色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\棕黃色，污泥沉淀性能優(yōu)異，SVI數(shù)值在0.55～0.80之間，在整個(gè)試驗(yàn)階段由于絲狀細(xì)菌較少，從未發(fā)生過污泥膨脹現(xiàn)象;但其中絮凝顆粒細(xì)小緊密，無機(jī)成分多，MLVSS/MLSS值在0.55～0.65之間?；钚晕勰囫Z化前后生物相觀察結(jié)果見表4。

　　表4　活性污泥馴化前后生物相觀察結(jié)果比較

接種活性污泥馴化活性污泥絲狀細(xì)菌，菌膠團(tuán)，原生動(dòng)物種類豐富，其中原生動(dòng)物以鐘蟲、楯纖蟲為主，并有輪蟲、螺旋蟲等以菌膠團(tuán)為主，有少量原生動(dòng)物。原生動(dòng)物主要以纖毛蟲中的裂口蟲為主，有時(shí)有少量漫游蟲出現(xiàn)混合液中活細(xì)菌總數(shù)為10⁶～10⁷個(gè)/ｍl混合液中活細(xì)菌總數(shù)為6.2×10⁶～3.9×10⁷個(gè)/ｍl菌落形態(tài)多樣菌落形態(tài)相對(duì)較少

　　馴化活性污泥中鐘蟲、楯纖蟲和絲狀細(xì)菌均已消失，其原因顯然是由于它們對(duì)鹽度的提高無法適應(yīng)所致。楯纖蟲是活性污泥微生物中敏感性最高的一種，其數(shù)量的急劇減少可作為出現(xiàn)沖擊負(fù)荷或有毒物質(zhì)抑制的重要表證。馴化活性污泥中尚存一些耐鹽性能較好的原生動(dòng)物，例如纖毛蟲中的裂口蟲(Amphieptus SP)和漫游蟲(Litonotus SP)。同時(shí)，試驗(yàn)證明裂口蟲在該高鹽度工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中具有明顯的水質(zhì)指示作用:當(dāng)裂口蟲在活性污泥中出現(xiàn)時(shí)處理效果就好，出水澄清度高;反之則出水渾濁，處理效果下降。由于裂口蟲以捕食游離細(xì)菌和攝取可溶性有機(jī)物為主，并能分泌黏液使細(xì)菌活化，促使細(xì)菌絮凝，所以它們對(duì)于馴化活性污泥中菌膠團(tuán)的形成，活性污泥的沉淀性能以及出水水質(zhì)都具有重要作用。從馴化前后活性污泥中細(xì)菌種類變化的角度進(jìn)行分析，最明顯的現(xiàn)象是馴化活性污泥中絲狀細(xì)菌的消失，此現(xiàn)象與反應(yīng)器在運(yùn)行期間從未發(fā)生過污泥膨脹的情況是相一致的。對(duì)馴化污泥中的細(xì)菌進(jìn)行分離培養(yǎng)觀察其菌落形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其細(xì)菌種類明顯少于接種污泥，而細(xì)菌總數(shù)則并未明顯減少。顯然馴化活性污泥中微生物種類和各種微生物之間的相對(duì)數(shù)量都發(fā)生了重大變化。

　　2.4 試驗(yàn)結(jié)果的動(dòng)力學(xué)分析

　　根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可得出該處理系統(tǒng)BOD₅去除負(fù)荷與相應(yīng)的出水濃度大致呈直線關(guān)系，如圖4所示。根據(jù)生物處理反應(yīng)動(dòng)力學(xué):

　　N=Q(S0-Se)/Vx=(dS/dt)/X

　　=KSe/Ks+Se                  (1)

　　式中Ｎ——污泥去除負(fù)荷，kgBOD₅/kgMLVSSd)

　　Q——廢水流量，l/d;

　　S0——進(jìn)水BOD₅濃度，mg/Ｌ;

　　Se——出水BOD₅濃度，mg/Ｌ;

　?。帧磻?yīng)器容積，Ｌ;

　　Ｘ——反應(yīng)器中污泥濃度，mgVSS/Ｌ;

　　K——最大比基質(zhì)降解速度，ｄ^-1;

　　Ks——半速度常數(shù)，mg/Ｌ。

　　圖4　去除負(fù)荷與出水濃度關(guān)系

　　根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可求得K=1.96ｄ^-1，Ks=340mg/Ｌ。將K，Ks值代入式(1):

　　Ｎ=1.96Se/340+Se           (2)

　　當(dāng)Ｓｅ<<Kｓ時(shí)，可忽略式(2)分母中的Ｓｅ數(shù)值，式(2)可近似簡(jiǎn)化為:

　?。?KSe/Ks=5.76×10^-3Se     (3)

　　式(2)與式(3)均與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的擬合性。式中的動(dòng)力學(xué)系數(shù)Ks值為340mg/Ｌ，明顯高于一般城市污水的Ks值(25～100mg/Ｌ);而相應(yīng)的K值僅為1.96，即在達(dá)到相同的有機(jī)物出水濃度情況下，該系統(tǒng)含鹽廢水有機(jī)廢水的去除負(fù)荷明顯低于城市污水。這在一定程度上反映出該石油烷烴發(fā)酵廢水的降解特性及耐鹽活性污泥對(duì)有機(jī)物的降解能力偏低。

　　3 結(jié)論

　　(1)采用SBR反應(yīng)器可有效地處理高含鹽量石油烷烴發(fā)酵廢水，當(dāng)廢水溶解性總固體濃度50000～65000mg/Ｌ，有機(jī)負(fù)荷0.1～1 0kgCOD_Cr/kgVSSd時(shí)，該系統(tǒng)的耐鹽活性污泥均能正常降解廢水中的有機(jī)物，COD_Cr去除率穩(wěn)定在90%以上，BOD₅去除率穩(wěn)定在95%以上，并具有設(shè)備簡(jiǎn)單和防止污泥膨脹的優(yōu)點(diǎn)。

　　(2)活性污泥的耐鹽能力可通過適當(dāng)?shù)鸟Z化過程大幅度提高。該系統(tǒng)馴化出的耐鹽活性污泥以菌膠團(tuán)為主，菌落形態(tài)相對(duì)較少。同時(shí)有少量原生動(dòng)物，主要以纖毛蟲中的裂口蟲和漫游蟲為主。該耐鹽活性污泥具有良好的耐鹽、吸附、凝聚和降解有機(jī)物性能，其耐鹽濃度可達(dá)65000mg/Ｌ(TDS)。

　　(3)該烷烴發(fā)酵廢水的最大比基質(zhì)降解速度K(1.96ｄ^-1)，半速度常數(shù)Ks(340mg/Ｌ)均明顯有別于一般城市污水，可用于表征該廢水的降解特性和耐鹽微生物的種群物征。

　　(4)SBR反應(yīng)器可采用適當(dāng)?shù)拈g歇曝氣方式大幅度降低該類廢水處理的能耗。

　　參考文獻(xiàn)（略）

　　作者通訊處:200092同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院　

　　電話:(021)65982692(Ｏ)　

　　收稿日期:1998 7 23

　　《給水排水》Voｌ 25　No.3　1999