石油化工行業(yè)是我國重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，但生產(chǎn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種污水，早在2015年化工行業(yè)就躍居我國行業(yè)污水排放總量第1位。我國的原油加工噸油耗水量和排污量均高于國外，煉化企業(yè)水回用率也遠(yuǎn)低于美國和日本等發(fā)達(dá)國家。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，京津冀地區(qū)對(duì)外排水中懸浮物、COD、氨氮等指標(biāo)進(jìn)一步嚴(yán)格要求，污水經(jīng)深度處理需達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，煉化企業(yè)原有的污水處理工藝已難以滿足新形勢(shì)下的環(huán)保要求。

經(jīng)過傳統(tǒng)“隔油+浮選+生化+沉淀”工藝處理后，污水中營養(yǎng)比例失調(diào)，剩余有機(jī)物難降解。同時(shí)，企業(yè)含鹽量高、可生化性差的污水，如循環(huán)水排污水、化學(xué)水中和水、反滲透濃水等，進(jìn)入污水處理廠后也對(duì)生化系統(tǒng)造成不利影響。目前，煉化企業(yè)多采用臭氧催化氧化、電化學(xué)處理等技術(shù)提高污水的可生化性，以利于后續(xù)的生化處理。然而臭氧催化氧化消耗大量臭氧、經(jīng)濟(jì)成本高，且會(huì)造成二次污染;電化學(xué)氧化耗電量大，工程造價(jià)高，運(yùn)行成本高。因此，本研究采用新型生物催化技術(shù)，利用生物強(qiáng)化催化氧化有效去除污水中難降解有機(jī)物，為外排污水深度處理達(dá)標(biāo)提供了新的技術(shù)途徑。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由高效生物反應(yīng)器(ABR)、原水箱、清洗水箱、泵和管線構(gòu)成，高效生物反應(yīng)器是一種上向流式生物反應(yīng)器，直徑1750mm，高2700mm，采用鋼砼結(jié)構(gòu)。裝置分為布水布?xì)鈪^(qū)、高效載體區(qū)和出水區(qū)。底部布水布?xì)鈪^(qū)由曝氣系統(tǒng)和布水系統(tǒng)組成，布設(shè)3套管路系統(tǒng)，分別為反洗水管、曝氣管和布水管，之上鋪設(shè)高度約600mm的承托層，可實(shí)現(xiàn)均勻曝氣和布水的效果。高效載體區(qū)由附著特效生物膜的高效載體填充，載體在使用前可進(jìn)行清水浸泡。原水箱中污水通過進(jìn)水泵從高效生物反應(yīng)器底部布水區(qū)進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)高效載體系統(tǒng)處理后，通過頂部出水區(qū)排出系統(tǒng)。2臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)(1備1用)為微生物提供氧氣，曝氣風(fēng)機(jī)采用變頻控制，以滿足不同工況的用氣需求。高效生物反應(yīng)器配備1臺(tái)溶解氧在線測(cè)定儀和1臺(tái)壓力變送器。2臺(tái)反洗風(fēng)機(jī)(1備1用)提供反洗空氣，2臺(tái)清洗水泵(1備1用)提供反洗用水。反洗采用氣-水聯(lián)合反沖洗，從載體層下部送入空氣和反沖洗水，空氣通過載體層切割為小氣泡，使氣泡與載體之間及載體與載體之間發(fā)生摩擦，脫除多余生物膜，在反洗水作用下，載體呈懸浮狀態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)了氣泡與載體間的摩擦作用，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

高效生物反應(yīng)器中載體選用生物活性炭，屬于碳基載體。載體粒徑范圍為1651~5880μm，堆積密度為480~520kg/m3，比表面積為900~1050m2/g。

微生物菌劑采用GE公司特種生物菌劑，主要由芽孢桿菌屬、叢毛單胞菌屬、節(jié)桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬、片球菌屬、無色桿菌屬、黃桿菌屬、分枝桿菌屬、Rhodanobacter、寡養(yǎng)單胞菌屬和酵母等組成。菌劑主要以難降解有機(jī)物為基質(zhì)進(jìn)行代謝，包括C1~C10烷烴或烯烴、芳族石油烴、脂族烴、苯酚化合物及其衍生物。

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及工藝流程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為某石化企業(yè)經(jīng)二級(jí)生化處理后污水、反滲透濃水、化學(xué)水中和廢水、循環(huán)水排污水的混合污水，現(xiàn)場(chǎng)來水水量為100~150m3/h。污水中易降解的有機(jī)物可通過二級(jí)生化處理去除，二級(jí)生化出水中COD小于80mg/L，主要由難降解有機(jī)物貢獻(xiàn)，主要包括鏈烷烴、多環(huán)芳烴、雜環(huán)有機(jī)物、鹵代烴等。污水經(jīng)超濾膜和反滲透膜處理后回用，排放的反滲透濃水含鹽量高，且經(jīng)膜濃縮后濃水中難降解有機(jī)物含量進(jìn)一步提高。酸堿中和產(chǎn)生的化學(xué)中和廢水含鹽量高，TDS高于10000mg/L。循環(huán)水排污水中含有一定的氧化、殺菌藥劑，進(jìn)一步增大了污水生化降解難度。因此，混合污水中月平均COD為40~80mg/L，月平均TDS為5000~10000mg/L，有機(jī)物濃度低，含鹽量高，可生化性差，一般生化處理系統(tǒng)難以正常運(yùn)行。

1.2.2 工藝流程

污水首先在調(diào)節(jié)池中進(jìn)行水量和pH調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)池提升泵將污水提升至混凝沉淀池，經(jīng)絮凝沉淀處理后，去除污水中的懸浮物，然后自流進(jìn)入多列并行的高效生物反應(yīng)器;經(jīng)高效生物催化處理后污水自流進(jìn)入產(chǎn)品水池，部分用于高效生物反應(yīng)器反洗，其余達(dá)標(biāo)排放;反洗水進(jìn)入反洗水收集池經(jīng)沉淀后返回調(diào)節(jié)池，工藝流程見圖2。

調(diào)節(jié)水池COD為36~125mg/L，BOD5/COD<0.2，TDS為3300~5100mg/L，pH為6~8。污水具有有機(jī)物濃度低、含鹽量高、難生化降解的特點(diǎn)，不適合進(jìn)一步回用。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，pH、溶解氧在線測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

2.1 載體掛膜載體

掛膜階段，微生物菌劑營養(yǎng)基質(zhì)由葡萄糖、尿素與磷酸二氫鉀按照m(C)∶m(N)∶m(P)=100∶5∶1進(jìn)行配制。接種階段分3次投加，將菌液和營養(yǎng)液進(jìn)行級(jí)配后溶解在菌種投加器中，通過管道混合器與原水混合后進(jìn)入高效生物反應(yīng)器。菌種投加后開啟工藝曝氣系統(tǒng)悶曝培養(yǎng)，曝氣量約1.45L/(m2·s)，DO為6~9mg/L。掛膜期間，載體層溫度控制在25~30℃，較高的溫度有利于微生物掛膜。反應(yīng)器啟動(dòng)一周左右載體層可成功掛膜，接種成功后不需再補(bǔ)充額外營養(yǎng)源，微生物以水中污染物為基質(zhì)進(jìn)行代謝，載體掛膜前后的SEM見圖3。

由圖3可知，生物活性炭載體掛膜前表面粗糙，未見生物膜附著。反應(yīng)器運(yùn)行約6個(gè)月后取樣分析，載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩(wěn)定，可有效發(fā)揮生物降解作用。

2.2 有機(jī)物處理效果

生物活性炭掛膜后反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。來水水量為100~150m3/h，水力停留時(shí)間為2.5h，DO為6~9mg/L。在正常運(yùn)行工況中，高效生物反應(yīng)器對(duì)污水中有機(jī)物的去除效果見圖4。

月平均進(jìn)水COD為40~71mg/L，月平均出水COD為15~27mg/L，COD平均去除率為60%~71%。目前，煉化企業(yè)主要執(zhí)行《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB31570—2015)，要求經(jīng)深度處理后外排水COD在50mg/L以內(nèi)，但其難以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，如《北京市地方標(biāo)準(zhǔn)水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/307—2013)中要求COD小于30mg/L。污水經(jīng)過高效生物反應(yīng)器深度處理后，出水COD均在30mg/L以內(nèi)，滿足達(dá)標(biāo)排放要求。

2.3 反應(yīng)器穩(wěn)定性

反應(yīng)器來水含鹽質(zhì)量濃度為3300~5100mg/L，鹽度較高，污水中高濃度鹽類會(huì)破壞細(xì)胞膜和菌體內(nèi)酶類，抑制或破壞微生物生理活動(dòng)。由于高效生物反應(yīng)器中特種微生物能夠耐受高鹽度，且能以多種難降解污染物作為基質(zhì)來源，因此生物量能夠維持在較高濃度水平，持續(xù)去除水中的難降解有機(jī)物。同時(shí)，高效生物催化載體能夠長期維持菌群穩(wěn)定與微生物活性，反應(yīng)器保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。

正常運(yùn)行時(shí)載體層不易堵塞，一是系統(tǒng)采用特種微生物專性代謝難降解有機(jī)物，以污水中難降解有機(jī)物為基質(zhì)形成優(yōu)勢(shì)菌群，不需額外補(bǔ)充營養(yǎng)源，普通異養(yǎng)微生物即使進(jìn)入系統(tǒng)也難以代謝難降解有機(jī)物，無法大量增殖;二是曝氣充氧過程中載體呈微懸浮狀態(tài)，載體間互相碰撞摩擦，氣泡和上升水流也摩擦載體表面，實(shí)現(xiàn)生物膜的部分脫膜更新。二者結(jié)合既可保持生物膜長期在合適的膜厚范圍內(nèi)，從而保持高微生物活性，同時(shí)可避免異養(yǎng)微生物過快生長導(dǎo)致載體層堵塞，有效減少了反洗頻率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置反洗頻率約為3月/次，有效降低了水耗和能耗，反洗周期可隨來水濁度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 抗沖擊能力分析

高效生物反應(yīng)器具備較好的抗沖擊能力，5~6月份的運(yùn)行情況見圖5。

由圖5可知，反應(yīng)器來水月平均COD為66~70mg/L，COD最高約為125mg/L，反應(yīng)器進(jìn)水COD波動(dòng)較大，但經(jīng)高效生物反應(yīng)器處理后出水COD仍小于30mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)A類標(biāo)準(zhǔn)。這是由于特殊菌群可附著于高效載體形成致密生物膜，微生物流失少;生物膜載體層耐沖擊性強(qiáng)，能夠適應(yīng)原水不同水質(zhì)變化，保持處理出水水質(zhì)穩(wěn)定。載體與來水均勻接觸分散固定污染物，可以降低有機(jī)物沖擊對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)生物膜反應(yīng)器延長了污染物在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，有利于去除難降解有機(jī)物。因此，該工藝對(duì)于低負(fù)荷、生物降解性比較差的污水(BOD5/COD<0.2)，生化處理效果顯著。

2.5 經(jīng)濟(jì)成本分析

高效生物反應(yīng)器的月處理水量為75361~90591m3，主要的運(yùn)行成本是電耗，月耗電量為29100~36084kW·h。反應(yīng)器單位水量耗電量為0.32~0.48kW·h/m3，電耗成本為0.20~0.29元/m3。該工藝正常運(yùn)行期間無需添加其他藥劑，系統(tǒng)運(yùn)行成本低，操作簡便，自動(dòng)化程度高。較之臭氧催化氧化、電化學(xué)氧化等物化方法，高效生物反應(yīng)器具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前，煉化企業(yè)深度處理常采用“臭氧催化氧化+BAF”工藝，將二者綜合運(yùn)行效果對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，“臭氧催化氧化+BAF”工藝不僅運(yùn)行費(fèi)用高，失活的催化劑為危廢，且存在臭氧污染大氣的風(fēng)險(xiǎn)。高效生物反應(yīng)器啟動(dòng)掛膜周期較短;反洗頻率較之BAF顯著降低;噸水處理成本約0.3元以下;處理過程無需臭氧或催化劑、無危廢產(chǎn)生。

3、結(jié)論

(1)高效生物反應(yīng)器啟動(dòng)一周后可成功掛膜，掃描電鏡顯示載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩(wěn)定。

(2)反應(yīng)器可有效去除污水中難降解有機(jī)物，當(dāng)月平均進(jìn)水COD約40~71mg/L時(shí)，月平均出水COD約15~27mg/L，COD平均去除率為60%~71%。

(3)反應(yīng)器抗沖擊能力強(qiáng)，進(jìn)水COD高至約125mg/L時(shí)，出水COD仍小于30mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)A類標(biāo)準(zhǔn)。

(4)反應(yīng)器單位水量耗電量為0.32~0.48kW·h/m3，電耗成本為0.20~0.29元/m3，運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于臭氧催化氧化、電化學(xué)氧化等物化方法，為外排污水深度處理達(dá)標(biāo)提供了新的技術(shù)途徑。