厭氧與缺氧/好氧交替式SBR處理印染廢水

我國紡織業(yè)印染廢水排放量大、綜合處理成本高。印染廢水水質(zhì)與印染工序(包括退漿、煮練、漂洗、染色、印花與整理等)密切相關(guān)，成分復(fù)雜(包含漿料、染料、助劑、表面活性劑等)、色度高、COD較高(一般為1000~3000mg/L)且可生化降解性較低，另外含氮染料和助劑的廣泛使用造成廢水含氮量較高(氨氮可達(dá)50mg/L、總氮可達(dá)70mg/L)。而現(xiàn)行印染廢水直間接排放標(biāo)準(zhǔn)COD、氨氮、總氮、總磷的限值分別為80/200、10/20、15/30、0.5/1.5mg/L，因此印染廢水處理難度較大、處理成本較。

序批式反應(yīng)器(SBR)具有時間上推流、空間上完全混合的特點(diǎn)，沉淀性能好、處理效率高、便于自動化運(yùn)行調(diào)控，可以運(yùn)行單獨(dú)或組合的厭氧、缺氧和好氧工藝，非常適合中小規(guī)模工業(yè)廢水處理。厭氧污泥相比好(兼)氧污泥具備更強(qiáng)的色度去除潛力，而好(兼)氧污泥可以實(shí)現(xiàn)厭氧污泥不具備的脫氮除磷功能，因此厭氧-好氧組合工藝在印染廢水處理方面有一定的潛在優(yōu)勢。本研究利用厭氧與缺氧/好氧交替式SBR的組合工藝處理含氮量較高的際印染廢水，考察不同運(yùn)行條件下的處理效果，為組合工藝的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1、材料與方法

1.1 印染廢水與接種污泥

試驗用廢水取自中山市某印染廢水處理廠調(diào)節(jié)池，顏色呈紅黑色，水質(zhì)指標(biāo)：COD為(950±50)mg/L、總氮為(47±2)mg/L、總磷為(2.0±0.2)mg/L、氨氮為(10±2)mg/L、色度為(625±20)倍、pH為9.2±0.2、懸浮物(580±25)mg/L。厭氧SBR接種污泥取自中山市某有機(jī)廢物處理廠消化池出料口，缺氧/好氧交替式SBR接種污泥取自中山市某印染廢水處理廠好氧池。

1.2 SBR裝置及其運(yùn)行方法

本研究采用的厭氧SBR和缺氧/好氧交替式SBR裝置見圖1。

厭氧SBR裝置主要由機(jī)械攪拌反應(yīng)器、自動控制系統(tǒng)、進(jìn)出水系統(tǒng)構(gòu)成。反應(yīng)器有效容積為4L，通過自動控制系統(tǒng)控制pH為7±0.1、溫度為(35±0.5)℃、攪拌速度為(300±2)r/min。周期運(yùn)行模式為進(jìn)水0.65h、反應(yīng)20h、沉淀2h、排水0.65h、待機(jī)0.7h。初始污泥質(zhì)量濃度為4g/L，水力停留時間為48h，系統(tǒng)進(jìn)水為實(shí)際印染廢水，共運(yùn)行了50d。

缺氧/好氧交替式SBR裝置主要由機(jī)械攪拌反應(yīng)器、曝氣系統(tǒng)、進(jìn)出水系統(tǒng)構(gòu)成。反應(yīng)器有效容積為1.5L，pH為6.9~7.6、攪拌速度為25r/min、溫度為20~25℃。周期運(yùn)行模式為進(jìn)水6min、反應(yīng)23h、沉淀0.5h、排水10min、待機(jī)14min。反應(yīng)期間，控制曝氣使反應(yīng)器呈現(xiàn)缺(厭)氧→好氧→缺(厭)氧→好氧狀態(tài)運(yùn)行，好氧段的溶解氧控制在2mg/L以上，缺(厭)氧段的溶解氧在0.5mg/L以下。初始污泥質(zhì)量濃度為3.2g/L，水力停留時間為36h，污泥停留時間為50d，系統(tǒng)進(jìn)水為厭氧SBR穩(wěn)定運(yùn)行期出水。

缺氧/好氧交替式SBR試驗分兩階段進(jìn)行。第一階段采用分段進(jìn)水方式，即分別在第一和第二缺(厭)氧段初期進(jìn)水，按時間順序設(shè)置了4個第一、二段進(jìn)水量工況I~IV。在工況I中通過隨反應(yīng)歷時取樣測定氨氮和硝酸鹽氮的實(shí)時變化數(shù)據(jù)，設(shè)定了各段反應(yīng)時長：第一缺(厭)氧段7.5h→第一好氧段6h→第二缺(厭)氧段5.5h→第二好氧段4h；第二階段考察外加碳源(葡萄糖)的強(qiáng)化脫氮效果，在第一缺(厭)氧段初期進(jìn)水(即工況I)，在第二缺(厭)氧段開始30min(利用這段時間在第一好氧段結(jié)束時取樣檢測出反應(yīng)器中硝酸鹽氮濃度，再根據(jù)硝酸鹽氮濃度確定葡萄糖投加量，同時也避免第一好氧段結(jié)束后殘留在水中的溶解氧對葡萄糖投加的不利影響)后投加葡萄糖。葡萄糖的理論投加量按照硝酸鹽氮作為電子受體、葡萄糖碳作為電子供體的式(1)、式(2)進(jìn)行計算，按時間順序設(shè)定了4個實(shí)際投加量與理論投加量之比(簡稱碳源投加比)的試驗工況V~VIⅧ。

式中：M一一葡萄糖投加量，mg；

V--反應(yīng)器有效容積，L；

C--硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，mg/L；

M一-葡萄糖相對分子質(zhì)量(180)；

M一葡萄糖中碳的相對原子質(zhì)量(72)。

各運(yùn)行工況見表1。

1.3 分析測試方法

試驗期間水質(zhì)與污泥樣品的分析均采用標(biāo)準(zhǔn)方法：COD采用重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵銨滴定法測定；總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定；氨氮采用納氏分光光度法測定；硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法測定；pH和溶解氧采用電極法測定；色度采用稀釋目視比色法測定；污泥濃度采用灼燒稱重法測定。

2、結(jié)果與討論

2.1 厭氧SBR處理效果

厭氧SBR共運(yùn)行50d，穩(wěn)定運(yùn)行期間的出水COD、氨氮、總氮、總磷、色度分別為(237±25)mg/L、(17±2)mg/L、(38±3)mg/L、(1.7±0.2)mg/L、(35±5)倍，相應(yīng)去除率分別為75%±3%、-80%±20%(即氨氮增加)、19%±6%、15%±10%、94%±1%。厭氧SBR對色度和COD的高去除率表明厭氧微生物的良好脫色活性和有機(jī)物降解效果。出水氨氮濃度升高可能主要從含氮染料脫色過程中偶氮基團(tuán)轉(zhuǎn)化而來。由于厭氧微生物增殖速率緩慢，同化作用攝取氮磷的效果很低。厭氧SBR出水除色度外，其他指標(biāo)均不滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步處理。

2.2 缺氧/好氧交替式SBR分段進(jìn)水工況的處理效果

分段進(jìn)水工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果見圖2。

由圖2可知，工況I、II、I、IV出水平均COD分別為76.6、74.72.6.82.3mg/L，COD平均去除率分別為67.7%、68.8%、69.4%、65.2%。工況I、ⅡI和III期間出水COD都低于80mg/L，滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)。僅在工況IV期間出水COD略高于80mg/L，這是因為工況IV期間第二段缺(厭)氧初期進(jìn)水量較大導(dǎo)致該部分進(jìn)水在反應(yīng)器中的停留時間較短所致。尉笑等采用分段進(jìn)水的SBR處理印染廢水，也發(fā)現(xiàn)當(dāng)末段進(jìn)水比例較高時出現(xiàn)因停留時間不足導(dǎo)致出水COD升高的現(xiàn)象。

分段進(jìn)水工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的氮轉(zhuǎn)化去除效果見圖3。

由圖3可知，工況I、II、ⅢI、IV出水平均氨氮和總氮分別為1.1mg/L和35.6mg/L、0.7mg/L和30.4mg/L、1.7mg/L和30.9mg/L、1.2mg/L和32.6mg/L，氨氮和總氮平均去除率分別為93.4%和8.1%、95.9%和21.2%、89.4%和16.9%、91.5%和11.2%。各工況的出水氨氮都低于5mg/L，尤其工況ⅡI出水氨氮穩(wěn)定低于2mg/L，顯著低于印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(10mg/L)。工況ⅡI中出水硝酸鹽氮最低，與工況I相比明顯降低，體現(xiàn)了分段進(jìn)水補(bǔ)充反硝化碳源的效果。隨著工況IⅢI、IV第二段進(jìn)水比例的提高，第二段進(jìn)水中氨氮影響逐步顯現(xiàn)，導(dǎo)致出水硝酸鹽氮逐步升高。出水總氮的變化趨勢與硝酸鹽氮一致，最佳處理效果在工況II期間，但最高去除率僅為22.6%，最低出水總氮質(zhì)量濃度也高達(dá)29.5mg/L，遠(yuǎn)高于印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(15mg/L)。從總氮的平衡來看，出水中氨氮、硝酸鹽氮分別占比約1%~9.8%、62%~82.9%，因此反硝化不足是造成總氮去除率較低的主要原因。盡管分段進(jìn)水能補(bǔ)充部分反硝化碳源，但普通異養(yǎng)菌與反硝化菌的碳源競爭導(dǎo)致反硝化碳源仍然不足。

分段進(jìn)水工況條件下缺氧好氧交替式SBR的總磷去除效果見圖4。

由圖4可知，工況I、Ⅱ、Ⅲ、IV出水平均總磷分別為0.51.0.29、0.37、0.5mg/L，總磷平均去除率分別為70.6%、82.5%、77.7%、71.2%。出水總磷變化趨勢與硝酸鹽氮基本一致，在工況Ⅱ、IⅢI中低于0.5mg/L，滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)。工況I和IV中出水硝酸鹽氮較高，導(dǎo)致下一周期第一缺(厭)氧段中存在反硝化菌與除磷菌的碳源競爭，除磷菌的釋磷過程受到抑制，進(jìn)而總磷去除效果偏低，出水中總磷質(zhì)量濃度高于0.5mg/L。

2.3 缺氧/好氧交替式SBR外加碳源的處理效果

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的COD去除效果見圖5。

由圖5可知，工況V、VI、VII、VI出水平均COD分別為90.8、79、72.3、66.3mg/L，COD平均去除率分別為61.7%、66.7%、69.5%、72%。各工況出水平均COD隨實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而降低(90mg/L→68mg/L)，主要因為隨著葡萄糖投加量降低，相應(yīng)地因投加葡萄糖而剌激產(chǎn)生的微生物代謝產(chǎn)物也會降低(表現(xiàn)為COD隨之降低)。各工況廢水COD平均去除率隨實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而略有上升(61.7%→72.1%)。當(dāng)實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比為3.2、1時，出水COD都能夠滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(80mg/L)。

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的氮轉(zhuǎn)化去除效果見圖6。

由于受試驗條件限制，雖然每一工況的運(yùn)行時間偏短，但各工況的第3、4d出水中硝酸鹽氮和總氮已經(jīng)基本穩(wěn)定。由圖6可知，工況V、VI、VI和VⅧ出水平均氨氮和總氮分別為0.5mg/L和9.3mg/L、0.4mg/L和13.5mg/L、0.6mg/L和18.6mg/L、0.7mg/L和23.9mg/L，氨氮和總氮平均去除率分別為96.1%和74%、96.9%和62.4%、95.3%和48.3%、95%和32.8%。各工況出水氨氮平均僅為0.6mg/L，遠(yuǎn)低于印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(10mg/L)，顯示硝化效果良好。各工況出水硝酸鹽氮穩(wěn)定值隨實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(0.1→15.2mg/L)，顯示葡萄糖投加量越大第二缺(厭)氧段反硝化越充分。各工況出水總氮穩(wěn)定值隨實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比降低(4→1)而升高(8.9→24.4mg/L)，當(dāng)實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比為3.4時，出水總氮低于15mg/L，滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(15mg/L)。

外加碳源工況條件下缺氧/好氧交替式SBR的總磷去除效果見圖7。

由圖7可知，工況V、VI、VII、VⅧ出水平均總磷分別為0.06.0.14.0.24.0.28mg/L，總磷平均去除率分別為96.5%、91.2%、85.6%、83.9%。在各工況條件下，出水總磷均小于0.4mg/L，平均值僅為0.18mg/L，滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)(0.5mg/L)。與分段進(jìn)水工況相比，硝酸鹽氮大幅降低解除了第一缺(厭)氧段的除磷菌釋磷抑制，總磷去除效果得以顯著提高。綜合來看，實(shí)際與理論葡萄糖投加量之比為3時，出水平均COD、氨氮、總氮、總磷分別為79、0.4、13.5、0.14mg/L，均滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，該外加碳源投加量仍然是偏高的，進(jìn)一步研究充分利用印染廢水原有碳源的措施是非常必要的，比如縮短厭氧SBR的水力停留時間或者改變厭氧SBR為水解酸化SBR，使得更多廢水原有碳源進(jìn)入缺氧/好氧交替式SBR從而補(bǔ)充反硝化所需碳源。

3、結(jié)論

(1)在水力停留時間為48h的條件下，厭氧SBR處理印染廢水的平均COD去除率為75%，出水平均COD為237mg/L；色度去除率達(dá)94%，出水平均色度為35倍。

(2)缺氧/好氧交替式SBR處理厭氧SBR出水的分段進(jìn)水模式下，第一、二缺(厭)氧段進(jìn)水分配比為800mL：200mL時，出水平均COD為74mg/L、氨氮為0.7mg/L、總磷為0.29mg/L滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)，但出水總氮較高(29.5mg/L)，超過排放標(biāo)準(zhǔn)。反硝化碳源不足是總氮去除率偏低的主要原因。

(3)缺氧/好氧SBR處理厭氧SBR出水的外加葡萄糖碳源模式下，當(dāng)實(shí)際與理論投加量之比為3時處理效果最佳，出水平均COD為79mg/L、氨氮為0.4mg/L、總氮為13.5mg/L、總磷為0.14mg/L，均滿足印染廢水直接排放標(biāo)準(zhǔn)。（來源：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院市政工程系，珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，中山市民東有機(jī)廢物處理有限公司，廣東新大禹環(huán)境科技股份有限公司）