厭氧水解與MSBR組合工藝處理以抗生素類制藥為主的混合工業(yè)廢水研究

陳建發(fā) （漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建 漳州363000）

劉福權(quán)，姚紅照 （福州江陰工業(yè)區(qū)污水處理廠，福建 福州353000）

陳藝敏，黃慧珍 （漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建 漳州363000）

蔡孝光 （福州江陰工業(yè)區(qū)污水處理廠，福建 福州353000）

抗生素生產(chǎn)廢水是一類成分復(fù)雜、色度高、含多種抑制物質(zhì)、生物毒性大的高濃度難降解有機(jī)廢水，是目前國內(nèi)外水處理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前，該類廢水主要采用物理化學(xué)預(yù)處理—厭氧 （水解酸化或厭氧消化）—好氧生化—后續(xù)物化工藝處理，如UASB＋生物接觸氧化、厭氧濾池＋好氧流化床、厭氧硝化＋活性污泥法等［1－2］，以及光催化氧化法和Fenton試劑法等。由于這些方法存在著投資和處理成本高、廢水處理達(dá)標(biāo)率較低等缺點(diǎn)，因此在工程應(yīng)用中受到限制［3］。

污水處理工藝的選擇決定了污水處理的最終出水水質(zhì)、運(yùn)營管理難度和處理成本。MSBR （即改進(jìn)型SBR）是SBR技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)開發(fā)出的一種更為理想的污水處理技術(shù)，被認(rèn)為是目前世界上最新、集約化程度最高的污水處理工藝。目前MSBR工藝主要應(yīng)用在城鎮(zhèn)生活污水處理領(lǐng)域，對工業(yè)廢水處理效果少見報道，特別是對抗生素為主的混合工業(yè)廢水尚未見報道。抗生素生產(chǎn)廢水處理是目前國內(nèi)外水處理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，MSBR工藝能否應(yīng)用于抗生素生產(chǎn)廢水處理將為抗生素生產(chǎn)廢水處理提供新途徑。

本研究以某工業(yè)區(qū)二級污水處理廠為例，首次在國內(nèi)采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理以抗生素為主的混合工業(yè)廢水。目前，該工業(yè)區(qū)累計簽訂入?yún)^(qū)企業(yè)72家、合同項目74項，總投資250.87億元。區(qū)內(nèi)某抗菌素廠主要產(chǎn)品有硫酸粘桿菌素、硫酸西索米星、硫酸奈替米星、硫酸阿米卡星、利福平、琥乙紅霉素、丙古二肽、帕司異煙肼等8個品種；另一抗生素廠主要生產(chǎn)鹽酸金霉素及硫酸慶大霉素等，均通過發(fā)酵制藥，2家企業(yè)生產(chǎn)廢水占該工業(yè)區(qū)目前工業(yè)廢水約80%，其特點(diǎn)為CODCr含量較高，水量變化較大，BOD5／CODCr比低，廢水難生物降解。

1 試驗方案

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理該污水廠以抗生素為主的混合工業(yè)廢水，廢水處理達(dá)標(biāo)后通過管道深海排放，出水水質(zhì)執(zhí)行GB 8978－1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計進(jìn)水、出水水質(zhì)見表1。一期設(shè)計處理水量為20000t／d。

表1 設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)

1.2 工藝流程與原理

MSBR法的反應(yīng)器由3個主要部分組成，即曝氣格和2個交替序批處理格。主曝氣格在整個運(yùn)行周期過程中保持連續(xù)曝氣，而每半個周期過程中，2個序批處理格交替分別作為SBR池和沉淀池。實際上MSBR是由A／A／O工藝和SBR工藝串聯(lián)而成，它既不需要初沉池和二沉池，又能在反應(yīng)器全充滿并在恒定液位下連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行［4－5］。

本研究采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理以抗生素為主的混合工業(yè)廢水，其工藝流程如圖1所示。

圖1 廢水處理工藝流程

調(diào)節(jié)池前設(shè)置人工粗格柵、轉(zhuǎn)鼓式格柵和曝氣沉砂池各1道，相應(yīng)去除廢水中較大顆粒的懸浮物、細(xì)小顆粒和砂粒，防止堵塞后續(xù)處理裝置及管道并保護(hù)水泵機(jī)組不受磨損。柵渣由齒耙刮送至柵渣箱中，定期清理外運(yùn)。廢水經(jīng)格柵、沉砂后匯入初沉池。初沉池的主要功能是初沉的作用，去除部分CODcr和懸浮物等；同時起到一定程度的調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，為后續(xù)厭氧水解、MSBR生化處理創(chuàng)造良好的進(jìn)水條件，少受廢水水質(zhì)、水量波動的影響等。廢水從初沉池出來后，進(jìn)入?yún)捬跛獬兀汛蠓肿印㈦y降解有機(jī)物降解為小分子、易降解有機(jī)物，提高廢水的可生化性。廢水從厭氧水解池出來后，進(jìn)入核心構(gòu)筑物MSBR池，MSBR池分別利用厭氧、缺氧、好氧、沉淀、污泥濃縮等過程，充分利用不同形態(tài)的氧作為電子受體，通過硝化與反硝化和厭氧釋放磷及好氧吸收磷等多種代謝途徑，以使有機(jī)物降解、脫氮除磷及懸浮物的去除達(dá)到較好的效果；MSBR系統(tǒng)可以維持較高的污泥濃度，同時排除出的剩余污泥含水率也相對較低，有利于污泥的后續(xù)處理；連續(xù)進(jìn)水可極大地改善系統(tǒng)承受水力沖擊負(fù)荷和有機(jī)物沖擊負(fù)荷的能力。廢水從MSBR池出來后，進(jìn)入絮凝沉淀池，在絮凝劑和助凝劑的作用下，化學(xué)除磷及進(jìn)一步去除CODcr、懸浮物和氨氮等；最后，出水經(jīng)現(xiàn)場制備二氧化氯消毒達(dá)標(biāo)排放。厭氧水解池、MSBR池均設(shè)置自身泥水分離設(shè)施和強(qiáng)大的污泥內(nèi)回流系統(tǒng)，根據(jù)混合液懸浮固體濃度 （MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度 （MLVSS）確定回流比；由于厭氧水解池、MSBR池的剩余污泥和絮凝沉淀池的污泥含水率較高，均泵送至初沉池前端，經(jīng)初沉池的沉淀作用，通過刮吸泥機(jī)得到含水率較低的污泥，再泵送至污泥濃縮池以備后續(xù)壓泥。

1.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備選型

（1）粗格柵渠與進(jìn)水泵房 采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置機(jī)械粗格柵2臺。設(shè)計流量：Q＝833 m3／h；粗格柵渠尺寸：L×B×H＝8.0m×3.5m×7.5m，機(jī)械粗格柵為不銹鋼材質(zhì)，柵條間距：20mm；尺寸：1.0m×5.0m。水泵的工作由調(diào)節(jié)池中水位自動控制。進(jìn)水泵房尺寸：L×B×H＝8.0m×9.0m×9.0m，污水提升泵型號 SOWDQ10－10－3.75；電機(jī)功率：3.75kW；揚(yáng)程：15m：流量：450m3／h；數(shù)量3臺 （2用1備）。

（2）轉(zhuǎn)筒式格柵及旋流沉砂池 采用地上鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)置轉(zhuǎn)筒式細(xì)格柵1臺。旋流沉砂池：Φ3050mm，H＝3.5m。

（3）調(diào)節(jié)池 調(diào)節(jié)池為半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸L×B×H＝37.4m×18.6m×5.5m；有效容積為4000m3（HRT為4h，有效水深5m）。

（4）厭氧水解池 厭氧水解反應(yīng)池和泥水分離池中設(shè)置有穿孔導(dǎo)流墻。采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計流量為833m3／h；HRT為19h；反應(yīng)池尺寸：66.2m×48.3m×6.9m；有效水深：6.4m；運(yùn)行周期：15.0h。

（5）MSBR池 MSBR系統(tǒng)包括7個單元，7個單元組合成1座矩形池，單座池設(shè)計規(guī)模2×104m3／d，尺寸82m×51m×5.8m，如圖2所示，它由回流污泥濃縮池 （3＃單元）、缺氧池 （4＃單元）、厭氧池 （5＃單元）、缺氧 （6＃單元）、好氧池 （1＃單元）、2個SBR池 （2＃單元、7＃單元）組成。污泥質(zhì)量濃度3000m3／L；BOD5污泥負(fù)荷：Nv＝0.15kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）（按進(jìn)出水最高濃度計）；單座MSBR系統(tǒng)水力停留時間HRT＝20h。各單元具體分配詳見表2。曝氣系統(tǒng)采用水下微孔曝氣膜曝氣方式，羅茨鼓風(fēng)機(jī)3臺，型號為AR－35－65；供氣量為120m3／h，P＝34.3kPa，功率為2.2kW。

圖2 MSBR系統(tǒng)平面布置示意圖

（6）絮凝沉淀池 為地下式鋼砼結(jié)構(gòu)，尺寸L×B×H＝29m×13m×5.1m；有 效 容 積 為60m3（HRT 為1.5h，有效水深4.4m）。

（7）消毒池 為地下式鋼砼密閉結(jié)構(gòu)，尺寸為L×B×H＝10.8m×2.8m×2.0m。

2 運(yùn)行效果及達(dá)標(biāo)情況

2.1 運(yùn)行效果

表2 MSBR池系統(tǒng)各單元容積及水力停留時間

該污水廠2011年1～12月出水水質(zhì)檢測結(jié)果見表3。從表3可看出，進(jìn)水CODCr、NH3－N含量、TP等水質(zhì)指標(biāo)有些時間超過設(shè)計值，但出水水質(zhì)較穩(wěn)定且優(yōu)于設(shè)計值。

表3 2011年1月～12月進(jìn)水、出水水質(zhì)檢測結(jié)果

2.2 達(dá)標(biāo)情況

該污水廠投產(chǎn)運(yùn)行2年多以來，運(yùn)行正常，出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計水質(zhì)，完全達(dá)到GB8978－1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求，部分指標(biāo)還達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理不僅能處理以抗生素類制藥生產(chǎn)廢水為主的混合工業(yè)廢水，而且能取得很好的處理效果，為難生物降解的混合工業(yè)廢水的處理提供了新途徑。工程運(yùn)營表明最終出水CODCr的質(zhì)量濃度為110mg／L，CODCr平均去除率75.17%；NH3－N的質(zhì)量濃度為2.20mg／L，NH3－N平均去除率90.27%；TP的質(zhì)量濃度為0.62mg／L，TP平均去除率89.05%，出水水質(zhì)均達(dá)到GB8978－1996的二級排放標(biāo)準(zhǔn)。該工藝結(jié)構(gòu)簡單，連續(xù)高效，運(yùn)行成本較低，處理效果好，即使低溫情況下仍具有較好的處理能力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

3.2 討論

MSBR技術(shù)已在國內(nèi)外多個污水處理廠應(yīng)用，實踐表明MSBR是一種可連續(xù)進(jìn)水、高效的污水處理工藝，結(jié)構(gòu)簡單，池體容積小，單池多格，易于實現(xiàn)計算機(jī)自動控制。在較低的投資和運(yùn)行費(fèi)用下，能有效地去除含高濃度CODCr、BOD5、氨氮和總磷的污水。總之，MSBR系統(tǒng)在低MLSS、低HRT和低溫情況 （即使在嚴(yán)寒條件下造成一些冰凍問題）下，具有優(yōu)異的處理能力［6－8］。

新型的活性污泥處理工藝 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝，與傳統(tǒng)的SBR工藝以及A／A／O工藝比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）工藝穩(wěn)定性 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，厭氧水解池起到了水量調(diào)節(jié)和防止進(jìn)水水質(zhì)波動及超標(biāo)進(jìn)水對出水水質(zhì)的影響，特別是在處理高濃度工業(yè)廢水時，厭氧水解池連續(xù)推流加強(qiáng)了系統(tǒng)對難降解有機(jī)物的降解，提高了廢水的可生化性，相對縮短了運(yùn)行周期，提高了處理效率；另外，厭氧水解池也使整個系統(tǒng)更接近了完全混合式，更有利于消除高濃度工業(yè)廢水中CODcr濃度過高積累或毒性物質(zhì)而帶來的不良影響。在SBR反應(yīng)池中易產(chǎn)生污泥膨脹的絲狀菌因反應(yīng)條件厭氧、缺氧、好氧的不斷循環(huán)變化而得到有效抑制［9］。

傳統(tǒng)SBR工藝中，連續(xù)進(jìn)水時，需要較大的調(diào)節(jié)池，對水量水質(zhì)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以根據(jù)水量變化調(diào)整運(yùn)行周期中各個工序的運(yùn)行時間、反應(yīng)器內(nèi)混合液容積的變化及運(yùn)行狀態(tài)，靈活性較強(qiáng)，運(yùn)行較可靠，效果較穩(wěn)定［9－10］。

A／A／O工藝很難同時取得很好的脫氮除磷效果，主要是因為該工藝的回流污泥全部進(jìn)入?yún)捬蹼A段，而回流污泥中大量的硝酸鹽被帶回厭氧池，反硝化菌會以有機(jī)物先進(jìn)行反硝化，脫氮完全后進(jìn)而開始磷的厭氧釋放，導(dǎo)致厭氧段磷的釋放的有效容積減少，使得除磷效果較差，脫氮效果較好；相反，好氧段的硝化作用不好，則隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵蔚南跛猁}減少，磷能充分地厭氧釋放，則除磷效果好，脫氮效果較差［9－10］。

（2）設(shè)備利用率 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，對于曝氣池和二沉池合建的廢水處理構(gòu)筑物來說，在保證泥水分離效果前提下，盡可能提高曝氣容積比，與傳統(tǒng)SBR法及其他變型方法來比，主曝氣池連續(xù)曝氣，使該工藝的曝氣容積比更高，有效提高曝氣裝置的利用率，鼓風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量和功率也相應(yīng)減少。主曝氣池連續(xù)進(jìn)水，無需順序進(jìn)水的閘閥及自控裝置。而傳統(tǒng)SBR工藝中，設(shè)備的閑置率較高，進(jìn)水和排水的閥門自動切換頻繁，設(shè)備故障率較高，增加維修工作量。A／A／O工藝中，反應(yīng)器單元較多，設(shè)備利用率相對較低。

（3）系統(tǒng)的靈活性 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，可根據(jù)進(jìn)出水的水量、水質(zhì)變化來調(diào)整厭氧水解池的運(yùn)行狀態(tài)和MSBR池的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，使之處于最佳工況，同時也可根據(jù)脫氮除磷要求，調(diào)整曝氣時間和曝氣強(qiáng)度，創(chuàng)造厭氧或缺氧環(huán)境。

傳統(tǒng)SBR工藝脫氮除磷需延長周期，增加攪拌。A／A／O工藝對水質(zhì)、水量的變化適應(yīng)性則較差。

（4）工程投資 MSBR系統(tǒng)借助大流量低揚(yáng)程過墻式回流泵、浮筒攪拌器及空氣堰等設(shè)備，使各處理功能區(qū)可以有機(jī)組合在一起，配上自控系統(tǒng)，各反應(yīng)區(qū)域相互協(xié)調(diào)，功能上相互促進(jìn)，使靈活、集約化的設(shè)計理念得以實現(xiàn)。MSBR采用單池多格方式，集合了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不但實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出水，還省去了多池工藝所需要的更多的泵、連接管和閥門，自動化程度較高。整體結(jié)構(gòu)緊湊簡單，土建投資比其他2種工藝小，管線、設(shè)備也較之其他2種工藝少。

綜合考慮投資和運(yùn)行管理成本，根據(jù)在滿足達(dá)標(biāo)排放的前提下盡可能降低投資成本和運(yùn)行成本的原則，對比以上比選，“厭氧水解＋MSBR”組合工藝比傳統(tǒng)的SBR工藝以及A／A／O工藝有明顯的技術(shù)、成本的優(yōu)勢。

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