SBR工藝抗突發(fā)性油污染事故的能力

張光宇，陳志強，吳昌永，周 利，祁佩時，溫沁雪

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，czqhit@163.com;2.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東青島 266033)

SBR工藝抗突發(fā)性油污染事故的能力

張光宇1，2，陳志強1，吳昌永1，周 利2，祁佩時1，溫沁雪1

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，czqhit@163.com;2.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東青島 266033)

為了考察石油進入SBR工藝城市污水廠后對污水廠造成的影響，選擇石油產(chǎn)品同城市污水處理常用的SBR工藝為對象，并通過試驗驗證了利用污水廠強化去除油污染的可行性，從而為運用SBR工藝處理突發(fā)性石油污染提供決策參考和科學依據(jù).試驗結(jié)果表明:SBR工藝可以有效抵抗50 mg/L含量的石油污染沖擊，有機物、氮和油含量均可實現(xiàn)達標排放;在100 mg/L與200 mg/L含量的石油污染沖擊下，出水COD和石油含量等重要指標出現(xiàn)超出國家標準情況，需結(jié)合其他手段進行強化處理.SBR工藝可承受一定程度的石油污染沖擊，其除油主要是通過污泥的吸附作用.

石油;SBR工藝;突發(fā)性污染;應急處理

石油污染物種類繁多，成分復雜，主要含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和不飽和烯烴、含氧化合物、含硫化合物、含氮化合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等，是一類污染范圍廣，危害程度大的工業(yè)污染物［1］.石油中所含的稠環(huán)芳香烴對生物呈劇毒性，能通過生物富集和食物鏈的傳遞進一步加劇危害［2］.石油成品中的燃料油類會使人類產(chǎn)生麻醉、窒息、化學性肺炎、皮炎等，如短期內(nèi)吸入大量柴油霧滴可導致化學性肺炎［3］.由于石油對生物的毒性性質(zhì)，長期以來石油類污染物一直受到人們的高度重視.2005年11月，中石油吉林雙苯廠爆炸導致松花江發(fā)生重大環(huán)境污染事件，造成嚴重的國際影響，其主要原因在于缺乏有效的工程應對措施.在非常情況下，為避免跨界河流水質(zhì)受到沿岸石化企業(yè)突發(fā)事故造成的污染，可以將事故污染物排入沿江城市污水處理廠，利用現(xiàn)有城市污水處理廠的緩沖能力，應對突發(fā)情況下的油污染事故.

SBR工藝是一種應用廣泛的污水處理工藝，該工藝由于反應池內(nèi)有滯留的處理水，對污水有稀釋、緩沖作用，能有效抵抗水量和有機污物的沖擊［4］.基于上述背景，本文將SBR工藝應用于突發(fā)性油污染事故的應急處理中，考察石油污染對SBR工藝污染物去除及運行的影響，并對SBR污水廠抗突發(fā)性油污染事故的能力進行評估.

1 試驗

1.1 試驗裝置及運行方式

本試驗采用的裝置為SBR反應器，試驗裝置由有機玻璃加工而成.如圖1所示，上部為圓柱型，下部為圓錐體，高465 mm，直徑185 mm，總有效容積10.5 L，排水體積8 L.在反應器壁的垂直方向設置1排間隔90 mm的取樣口，用于取樣和排水.底部設有放空管，用于放空和排泥.采用砂頭曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量.通過電源定時裝置，每周期可自動定時控制進水、出水、攪拌、曝氣與投加碳源.

圖1 試驗裝置示意圖

SBR每天運行3個周期，每個周期8 h，包括:0.5 h進水;4 h好氧曝氣;2.5 h缺氧反硝化;0.5 h沉淀;0.5 h排水，隨即進入下一個循環(huán).好氧曝氣量為0.35 m3/L.缺氧時投加外碳源進行反硝化，為保證反硝化的徹底，防止沉淀期間的污泥上浮，根據(jù)運行期間曝氣結(jié)束時NO－3－N、NO－2－N的含量來確定碳源投加量.另外，為使外碳源得到充分利用，本試驗選擇在好氧結(jié)束后10 min投加外碳源，投加碳源為甲醇，投加量根據(jù)文獻［5］中的方法確定.

實驗所用接種污泥取自哈爾濱某城市污水處理廠，接種后污泥含量為3 300 mg/L.采用試驗用生活污水對污泥進行了培養(yǎng)，控制污泥為10 d.污泥含量一般維持在2 900～3 300 mg/L之間.運行10 d后，COD去除率85%以上，氨氮去除率90%以上，表明污泥已基本培養(yǎng)成功，試驗正式運行.

1.2 試驗用水及水質(zhì)

試驗所采用的污水取自哈爾濱市某生活小區(qū)的實際生活污水，其主要水質(zhì)指標如表1所示.

表1 污水水質(zhì)指標

1.3 試驗設計

試驗是要對正常運行的SBR反應器內(nèi)，投加一定含量的含油污水，從而模擬在突發(fā)性應急事故中含油污水對于SBR工藝的沖擊.

向10 L生活污水中投加0#柴油250 mL，攪拌2、4、6 h后靜止1 h，從液面下15 cm處取水樣，從而配制出的含油的質(zhì)量濃度約為50、100、200 mg/L的含油生活污水.以含油質(zhì)量濃度為50 mg/L的生活污水作為SBR進水，對SBR工藝進行1周期沖擊，隨后恢復進水，運行30個周期，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再采用含油質(zhì)量濃度為100 mg/L和200 mg/L的生活污水進行沖擊.在沖擊試驗周期中，每隔0.5 h取樣對進行各項水質(zhì)指標檢測，同時取污泥樣品進行OUR測定.

1.4 分析測定方法

COD、NH4+－N、NO3－－N、NO2－－N、TN、TP等含量的測定均采用國家規(guī)定的標準方法，水樣經(jīng)定量濾紙過濾后測定.溫度和pH測定采用德國WTW-InoLab level2在線測定儀，DO采用德國WTW－340i在線測定儀.油的測定采用JDS100紅外測油儀.耗氧速率(OUR)的測定采用溶解氧電極法［6］.

2 結(jié)果與分析

2.1 石油污染沖擊對SBR有機物去除的影響

穩(wěn)定高效的有機物去除是污水廠運行穩(wěn)定的一個顯著標志.圖2給出的是不同石油沖擊質(zhì)量濃度下SBR中COD的去除特征.測定COD含量前，水樣均經(jīng)濾紙過濾，水中的柴油全部被濾紙截留，這樣去除了柴油本身所產(chǎn)生的COD.圖中顯示沖擊在不同的石油質(zhì)量濃度沖擊條件下，SBR前后COD含量變化規(guī)律相同，數(shù)值差異很小，說明石油沖擊對微生物降解生活污水中的有機物產(chǎn)生影響較小.

圖2 不同石油沖擊質(zhì)量濃度下COD的去除特性

試驗還對不同油污染沖擊后1周期的出水進行了不過濾檢測，結(jié)果表明，石油沖擊質(zhì)量濃度為50 mg/L的時候，出水COD含量為48.52 mg/L，達到國家污水綜合排放標準;當石油沖擊質(zhì)量濃度是100 mg/L的時候，出水COD含量為119.64 mg/L，已經(jīng)超出國家污水綜合排放標準.分析原因，柴油中含有大量難被微生物降解的烷烴和芳香烴化合物，進入SBR后一部分被污泥所吸附，另一部分以懸浮態(tài)或乳化態(tài)分散于水中，在1周期內(nèi)沒有被微生物所降解，大量存在于出水中導致出水COD含量變大;當石油沖擊質(zhì)量濃度為200 mg/L的時候，出水COD含量為214.14 mg/L，也超出國家污水綜合排放標準.同100 mg/L油沖擊的情況相同，在污泥降解有機物活性受影響不大的情況下，活性污泥對石油類物質(zhì)的吸附達到飽和，短期沖擊下污泥沒有出現(xiàn)對油類物質(zhì)的降解作用，石油類物質(zhì)含量的超標導致了COD含量的超標.

2.2 石油污染沖擊對SBR生物脫氮的影響

圖3是不同質(zhì)量濃度油污染沖擊下SBR氮元素隨著時間的變化.從圖3(b)中可以看出在50 mg/L的油污染沖擊時并沒有在1周期內(nèi)對硝化作用產(chǎn)生影響，油污染沖擊后NH4+－N含量變化趨勢沒有大的改變，油污染沖擊后NH4+－N的去除率仍達到了平時穩(wěn)定運行時的90%以上.缺氧過程NO2－－N和NO3－－N含量的變化同沖擊前沒有大的變化，出水NO3－－N含量約為1 mg/L，說明在50 mg/L油污染沖擊時反硝化效果基本沒有受到影響.總體來看，1個周期50 mg/L的油污染沖擊未對生物脫氮過程造成影響.同樣，在油沖擊含量為100 mg/L和200 mg/L時，即在1個周期200 mg/L的油含量沖擊下，SBR工藝中硝化活性與反硝化活性都沒有受到影響，短時200 mg/L以下的含油污水沖擊不會對硝化反硝化微生物造成毒害作用而造成生物脫氮性能的下降.

圖3 不同石油沖擊質(zhì)量濃度時氮的去除特性

2.3 石油污染沖擊對污泥活性的影響

表2是不同石油濃度沖擊下SBR中活性污泥的OUR變化.可以看出，在1個周期50～200 mg/L油污染沖擊下，污泥的碳氧化活性、硝化活性和總活性均略有降低，其中200 mg/L油沖擊下微生物的硝化活性降低幅度較大些，從生物實驗角度證明了50～200 mg/L的含油生活污水短期沖擊對污泥的有機物降解作用和硝化作用有輕微抑制作用，但由于抑制作用較弱并沒有影響到SBR工藝的出水水質(zhì)，這從圖2和圖3中可得到證實.

活性污泥在曝氣過程中，對有機物的降解(去除)過程可分為2個階段:吸附階段和降解階段.污水與活性污泥混合后，污水中的有機物污染物等首先被吸附轉(zhuǎn)移到活性污泥表面，在含油污水沖擊下，活性污泥必定會吸附一定量的難降解的油類物質(zhì)，這也就相對地降低了與可降解有機物接觸的比表面積，使得活性污泥在降解有機物的吸附階段吸附作用受阻，導致了污泥的活性受到輕微抑制作用.從本研究的數(shù)據(jù)可以得出，在試驗條件下活性污泥在經(jīng)歷50 mg/L以上油質(zhì)量濃度沖擊時，吸附量將趨于飽和.由于活性污泥對于油類物質(zhì)的吸附量相同，所占用的比表面大致相同，因此對于可降解有機物的吸附作用抑制程度相似，出現(xiàn)了污泥活性下降幅度相近的結(jié)果.

表2 石油沖擊對污泥OUR的影響

2.4 不同質(zhì)量濃度含油污水沖擊后水中油的變化情況

圖4給出的是不同濃度油污染沖擊后1周期水中油質(zhì)量濃度變化.從圖中可以看出，雖然沖擊油的質(zhì)量濃度不同，但反應器中油的質(zhì)量濃度在1 h內(nèi)均出現(xiàn)較大幅度的降低，然后一直處于穩(wěn)定值，直至排出系統(tǒng).當沖擊油質(zhì)量濃度為200 mg/L左右時，出水油質(zhì)量濃度為120 mg/L左右，約為國家排放標準的12倍;當沖擊油質(zhì)量濃度為100 mg/L左右時，出水油質(zhì)量濃度穩(wěn)定在42.8 mg/L左右，約為國家排放標準的4倍;當沖擊油質(zhì)量濃度為50 mg/L左右時，出水油濃度穩(wěn)定在5～10 mg/L之間，滿足國家排放標準.

圖4 不同濃度油污染沖擊后1周期出水油質(zhì)量濃度

油質(zhì)量濃度在進水1 h內(nèi)出現(xiàn)較大幅度下降，分析其原因為:1)活性污泥是一種有多孔結(jié)構(gòu)和胞外聚合物的絮體，有較大的比表面積［7－9］，對水中的污染物具有良好的吸附能力.活性污泥對于有機物的吸附平衡時間一般在0.5～1 h之間［10］，所以在污水進入反應器的1 h內(nèi)，水中油質(zhì)量濃度通過吸附作用迅速下降.2)柴油中的主要成分為烴類化合物，細菌和真菌降解石油的關(guān)鍵步驟是底物被氧化酶氧化［11］.通常自然界中的微生物只有經(jīng)過長時間的馴化，才有可能提高微生物對烴類有機物的降解效果，在突發(fā)性污染應急處理中，沖擊時間較短，微生物很難降解柴油的主要成分，因此在1 h吸附達到平衡后整個周期內(nèi)并沒有出現(xiàn)柴油質(zhì)量濃度降低的現(xiàn)象.從圖4中還可以看出，不同質(zhì)量濃度含油污水進入SBR后1 h內(nèi)，油質(zhì)量濃度降低的幅度大致相同，約為40～50 mg/L.因此，當污泥質(zhì)量濃度為3 000 mg/L，油質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，污泥對于油的吸附趨于飽和，飽和吸附量約為13.3～16.7 mg/g.

3 結(jié)論

1)SBR工藝在含柴油質(zhì)量濃度為50 mg/L的生活污水1個周期沖擊下，硝化作用、反硝化作用與有機物降解作用受到輕微抑制;但由于抑制作用較弱，COD、NO2－N、NO3－N、NH4－N 及油的質(zhì)量濃度(石油類)等水質(zhì)指標均達到國家污水綜合排放標準，因此SBR工藝在1周期內(nèi)可以有效抵御油質(zhì)量濃度≤50 mg/L的油污染沖擊.

2)SBR工藝在含油質(zhì)量濃度為100、200 mg/L的生活污水1個周期沖擊下，雖然硝化作用、反硝化作用與有機物降解作用受到輕微抑制，NO2－N、NO3－N、NH4－N質(zhì)量濃度仍能達到國家污水綜合排放標準.COD、油的質(zhì)量濃度(石油類)出現(xiàn)嚴重超標情況.單純依靠SBR工藝不能有效抵御100、200 mg/L質(zhì)量濃度的油污染沖擊.

3)SBR工藝除油主要是通過污泥吸附作用，當污泥含量為3 000 mg/L，含油污水中油質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，污泥對于油的吸附趨于飽和，飽和吸附量約為13.3～16.7 mg/g.出水中由于含有難降解的烯烴和芳香烴而導致出水COD和油質(zhì)量濃度(石油類)超出國家污水綜合排放標準，此時應使用其他手段輔助SBR工藝聯(lián)合除油.

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Impact resistance of SBR wastewater treatment plant in episodic oil pollution accident

ZHANG Guang-yu1，2，CHEN Zhi-qiang1，WU Chang-yong1，ZHOU Li2，QI Pei-shi1，WEN Qin-xue1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China，czqhit@163.com;2.School of Environmental and Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China)

In this study，petroleum products and a typical SBR wastewater treatment plant were chosen to investigate the impact of episodic petroleum pollution accident on the performance of wastewater treatment of the plant.The feasibility of using wastewater treatment plant to remove oil pollution was investigated.The experimental results show that SBR wastewater treatment plant can effectively resist the impact of 50 mg/L oil pollution and the effluent water quality reaches the national discharge standards.However，the COD and oil concentrations are over the national discharge standards when the oil impact concentration is higher than 100 mg/L.In such a case，other technical methods combined with SBR are needed to enhance the treatment efficiency.SBR wastewater treatment plant can resist the effect of oil pollution when the petroleum concentration is within a threshold value.

petroleum;SBR process;episodic pollution accident;emergency treatment

X703.1

A

0367－6234(2010)06－0899－05

2010－03－01.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目重大專項基金(SQ2007AA06XK14114);國家水專項研究項目(2008ZX07207－005－003).

張光宇(1982—)，男，碩士研究生.

(編輯 魏希柱)