免燒結粉煤灰陶粒BAF對乙烯化工廢水的深度處理效果

李麗華，金文杰，胡 成，代秀蘭，馬 放

（1. 哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2. 遼寧省環境科學研究院，遼寧 沈陽 110031；3. 遼寧科技大學 化工學院，遼寧 鞍山 114051）

乙烯工業在我國國民經濟中占有舉足輕重的地位，但同時也是用水和排污大戶，為了提高水資源利用率，對乙烯化工廢水進行深度處理并回用具有重要意義［1］。由于乙烯化工廢水水質較為復雜，經過普通二級生化處理后，廢水中仍含有大量的有機物、懸浮物及鹽類，處理效果不佳［2］。曝氣生物濾池（BAF）是在普通生物濾池基礎上發展起來的好氧生物處理新工藝［3-4］，不僅可有效去除COD、BOD5、SS、氮和磷等，而且具有較高的抗鹽度沖擊能力，在高含鹽廢水的深度處理中具有獨特的優勢［5］。新型BAF填料的開發及應用一直是BAF工藝的研究熱點［6-10］。在BAF工藝中，大多采用粒狀陶粒作為填料，粉煤灰陶粒由于具有性能優良、性價比好和應用范圍廣等優點，被廣泛應用于廢水處理中。但目前使用的粉煤灰陶粒大多是采用燒結工藝制備而得，存在工藝復雜、能耗和成本高等缺點。因此，近年來新型免燒結粉煤灰陶粒的研制受到了研究者的關注，并已取得了一定成果［11］。

本工作以粉煤灰為主要原料，制備了一種新型免燒結粉煤灰陶粒，考察了該粉煤灰陶粒BAF工藝深度處理乙烯化工廢水的效果。

1 實驗部分

1.1 廢水水質

實驗廢水取自遼寧省某乙烯化工廠二級生化處理出水，COD 為40~70 mg/L，SS為24~60 mg/L，ρ（NH3-N）為0.7~3.0 mg/L，電導率為800~1 700 μs/cm。

1.2 材料和儀器

以粉煤灰為主體原料，輔以水泥、生石灰、石膏及硅酸鈉等外加劑，采用獨特造孔劑和造孔工藝，經自然養護制備了免燒結粉煤灰陶粒。普通商業陶粒：以黏土為主要原料生產，外購。

UV560型紫外-可見分光光度計：日本JASCO公司；DDS-11A型電導率儀：上海光學儀器廠；TG328型電光分析天平：上海天平廠；Phi l ips XL-30型SEM：荷蘭飛利浦公司；XRD-7000型XRD儀：日本島津公司；Autosorb-I型比表面積測定儀：美國Quantachrome公司。

1.3 實驗裝置及工藝流程

實驗裝置及工藝流程見圖1。

圖1 實驗裝置及工藝流程

BAF由透明有機玻璃柱加工而成，柱內徑0.15 m，高2.0 m，下部承托層均采用粒徑為10~16 mm的卵石，裝填高度10 cm。1#濾柱內填料為自制的免燒結粉煤灰陶粒，作為對比的2#濾柱內填料為普通商業陶粒，兩種陶粒粒徑均為3~5 mm，裝填高度均為1 200 mm。采用上向流運行方式。

1.4 BAF的掛膜啟動和運行

采用接種掛膜方式進行BAF的掛膜啟動，接種污泥采用該廠污水處理單元曝氣池的回流污泥，MLSS為12 g/L，接種量為200 L。BAF中的填料裝填完畢后，首先注入清水浸泡陶粒，24 h后排出清水，然后將曝氣池回流污泥加入到BAF內進行悶曝，曝氣量為6 L/h，4 d后連續進廢水，并保持氣水比（體積比）為（3~4）∶1，直至BAF掛膜啟動成功。

在水力負荷為3 m3/（m2·h）、氣水比為3∶1、進水水溫為14~21℃的條件下運行裝填不同填料的兩個BAF。反沖洗時間均為9 min，普通商業陶粒BAF反沖洗水強度為8 L/（m2·S），自制免燒結粉煤灰陶粒BAF反沖洗水強度為5 L/（m2·S）。

1.5 分析方法

采用美國《水和廢水標準檢驗法》中的開管回流法和酚鹽法測定廢水的COD和ρ（NH3-N）［12］；采用重量法測定 SS［13］。

2 結果與討論

2.1 陶粒的物理性能

自制免燒結粉煤灰陶粒和普通商業陶粒的物理性能見表1。由表1可見，自制免燒結粉煤灰陶粒的筒壓強度與普通商業陶粒相當，但孔隙率和比表面積遠高于普通商業陶粒，堆積密度低于普通商業陶粒。

自制免燒結粉煤灰陶粒（a）和普通商業陶粒（b）的SEM照片見圖2。由圖2可見，與普通商業陶粒相比，自制免燒結粉煤灰陶粒的表面更粗糙，且表面分布有更多明顯的孔徑通道，使其具有更大的比表面積，可為微生物和基質的接觸、混合創造適宜的環境，更有利于提高微生物與載體之間的黏附力，促進生物膜的形成。

自制免燒結粉煤灰陶粒的化學組分見表2。由表2可見，自制免燒結粉煤灰陶粒的主要組分為硅和鋁的氧化物，其次是鈣的氧化物，因而該陶粒具有較高的生物和化學穩定性。

表1 陶粒的物理性能

圖2 自制免燒結粉煤灰陶粒（a）和普通商業陶粒（b）的SEM照片

表2 自制免燒結粉煤灰陶粒的化學組分

2.2 兩種填料BAF的COD去除率

在平均進水COD為54.62 mg/L的條件下，兩種填料BAF的COD去除率見圖3。由圖3可見：裝填自制免燒結粉煤灰陶粒的BAF平均COD去除率為57.14%；裝填普通商業陶粒的BAF平均COD去除率為55.24%。裝填自制粉煤灰陶粒的BAF對COD的去除效果好于裝填普通商業陶粒的BAF。因為自制免燒結粉煤灰陶粒具有更大的空隙率和比表面積，更有利于菌體的生長及對污染物的吸附和截留。

圖3 兩種填料BAF的COD去除率

2.3 兩種填料BAF的 SS去除率

在平均進水SS為33.93 mg/L的條件下，兩種填料BAF的SS去除率見圖4。由圖4可見：裝填自制免燒結粉煤灰陶粒的BAF的平均SS去除率為68.64%；裝填普通商業陶粒的BAF平均SS去除率為66.94%。裝填自制粉煤灰陶粒的BAF對SS的去除效果好于裝填普通商業陶粒的BAF。

圖4 兩種填料BAF的SS去除率

2.4 兩種填料BAF的NH3-N去除率

在平均進水ρ（NH3-N）為1.33 mg/L的條件下，兩種填料BAF的NH3-N去除率見圖5。

由圖5可見：裝填自制免燒結粉煤灰陶粒BAF的平均NH3-N去除率為74.89%；裝填普通商業陶粒BAF的平均NH3-N去除率為72.21%。裝填自制粉煤灰陶粒的BAF對NH3-N的去除效果好于裝填普通商業陶粒的BAF。

2.5 兩種填料BAF的反沖洗情況

自制免燒結粉煤灰陶粒BAF反沖洗后，出水水質見表3。由表3可見，出水水質在反沖洗后第三天開始惡化，因此確定最佳反沖洗周期為2 d。

圖5 兩種填料BAF的NH3-N去除率

表3 反沖洗后出水水質

在反沖洗實驗中發現，普通商業陶粒在氣流和水流的作用下，呈板結團狀上移，很難散開；而自制免燒結粉煤灰陶粒填料則呈分散流化狀態上移，有利于反沖洗。在水量和氣量均相同的情況下，當自制免燒結粉煤灰陶粒填料膨脹度達到30%時，普通商業陶粒膨脹度卻不足20%。當水力停留時間為0.5 h、反沖洗周期為2 d時，達到同樣的反沖洗效果，普通商業陶粒BAF每次反沖洗需消耗水量為75 L，而自制免燒結粉煤灰陶粒BAF每次反沖洗僅需消耗水量50 L。可見使用自制免燒結粉煤灰陶粒，具有反沖洗耗水量小、反沖洗效果好的優勢，主要是因為自制免燒結粉煤灰陶粒密度較小所致。

3 結論

a）新型免燒結粉煤灰陶粒與普通商業陶粒相比，具有更為優良的物理化學特性，可提供更有利于菌體附著生長的環境和良好的反沖洗條件。

b）在平均進水COD為54.62 mg/L、平均SS為33.93 mg/L、平均ρ（NH3-N）為1.33 mg/L的條件下，自制免燒結粉煤灰陶粒BAF平均COD去除率為57.14%，平均SS去除率為68.64% ，平均NH3-N去除率為74.89%，均略高于普通商業陶粒BAF。

c）自制免燒結粉煤灰陶粒BAF最佳反沖洗周期為2 d。自制免燒結粉煤灰陶粒具有反沖洗耗水量小、反沖洗效果好的優勢。

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