高效生物反應器在低COD難降解石化廢水處理中的應用

王富興，王國棟

(中國石化天津分公司，天津 300270)

高效生物反應器(Advanced Biological Reactor，ABR)是在ABMet(Advanced Biological Metals Removal Process)工藝基礎上開發的難降解廢水生化處理工藝。

高效生物反應器是將針對難降解COD(BOD5/COD<0.2)的特效生物菌群接種于特殊的高效生物載體上，形成穩定并可耐受多種底物作為能量來源的生物膜。在好氧條件下，通過高效生物接觸氧化，將廢水中的難降解COD進一步生物降解，最終合成微生物內源物質或用于代謝，從而消除水中的有機物。高效生物反應器能夠常態維持較高濃度的生物量，掛膜成功后即使在入水營養貧瘠且無額外補充營養源的情況下，仍能利用廢水中難降解COD作為維持細菌穩定性與生物活性的能量來源，從而持續去除水中COD[1]。

1 中試

1.1 裝置簡介

中試裝置進水水量為1 m3/h，水力停留時間6.8 h。中試裝置進水采用第二級生化裝置的出水(相關污水處理系統共三級生化裝置)。中試中采用的高效載體為改良的木質活性炭。

1.2 中試數據

中試穩定運行期間，進水COD平均為65.6 mg/L，出水COD平均為24.2 mg/L，去除率平均為63.1%。中試期間運行數據見圖1。

圖1 中試穩定運行期間進出水COD對比

中試期間，共受到2次沖擊。第1次是由于上游生化處理異常造成的，進水COD最高升至118.6 mg/L，出水略受影響，最高升至42.8 mg/L。

第2次是進行的沖擊試驗，沖擊試驗進水為回用裝置反滲透濃水，其COD為140 mg/L。沖擊實驗期間，出水COD最高升至40.3 mg/L，相關數據見表1。從兩次沖擊來看，高效生物反應器具有很強的抗沖擊性能。

中試期間高效生物載體電鏡掃描圖像見圖2。

圖2 中試期間高效生物載體電鏡掃描圖像

從電鏡掃描圖像可以看出，高效生物載體中的微生物以生長于微孔中為主，這也是高效生物反應器具有優越抗沖擊的原因之一。

1.3 殺菌試驗

8月4日至8月8日對高效生物反應器高效生物載體進行試驗判定，取試驗流程中高效生物載體15 L，裝填在50 L容器中，進水方式為下進上出，投加1227與異噻唑啉酮各400 mL，殺菌24 h后進水置換，調整至停留時間1 h，同時分析正常試驗裝置出水COD數據和殺菌后僅高效生物載體吸附作用出水COD數據。通過殺菌試驗數據(相關數據見表2)可以看出，高效生物反應器的COD去除作用是微生物起到的去除作用，而不是由于高效生物載體的吸附作用造成的。

1.4 小結

中試結果表明，針對難降解的二級生化出水，COD去除率平均為63.1%，針對反滲透裝置的濃水也有很好的處理效果。高效生物反應器具有很強的抗沖擊性能，與高效生物載體中的微生物以生長于微孔中為主有關。高效生物反應器的COD去除作用是微生物起到的去除作用，而不是高效生物載體的吸附作用造成的。

表1 沖擊實驗期間出水COD及pH

表2 殺菌試驗數據 mg/L

2 工程實例

2.1 裝置簡介

某石化企業采用高效生物反應器用以處理回用裝置電滲析裝置的濃水、化學水裝置的酸堿中和廢水、淡化海水深度處理反滲透裝置的濃水、循環水排污水、部分生化裝置出水等，建設規模150 m3/h。高效生物反應器設計進、出水主要指標見表3。

表3 設計進、出水主要指標 mg/L

高效生物反應器工藝流程見圖3。工程中采用的高效載體為改良的煤質活性炭。

高效載體的主要作用是為特效菌附著形成穩定生物膜提供場地，它和特效菌株之間有很強的親和性，細胞通過疏水作用力和靜電作用固著在高效載體上。在啟動期間大量投加特效菌群，短時間內在載體表面可以形成以特效菌群為主體的牢固且致密的生物膜。在投入運行的早期，高效載體也可吸附一部分難降解COD，對COD去除率有一定貢獻，但這種吸附作用很快會隨著載體吸附飽和而減少及消失。當載體吸附飽和后，COD的去除主要依靠生物膜的降解作用，其去除率也隨之穩定下來。

圖3 高效生物反應器工藝流程

2.2 開車

2.2.1載體清洗

高效生物反應器使用的載體帶有飛灰、粉塵和小顆粒物質，在填裝入反應池后，需要清洗載體來去除這些雜質，盡可能得到清潔的載體，為后續特效菌的接入提供良好的環境，同時也可大大降低系統啟動時出水的TSS(總懸浮固體)。

載體清洗的步驟為：①利用原水來進行載體清洗；②利用沖洗水(水量5 L/(m2·s))來清洗；③持續用水沖洗載體1 h，停止水洗并保持曝氣沖洗5 min；④步驟3重復5～6次；⑤停止進水，排空反應池內積水，整個清洗流程完畢。

2.2.2接種菌種

高效生物反應器特效菌由A、B、C 3種組成，接菌種是首先將菌種和營養物溶解在投加桶中，再通過管道混合器與原水混合，通過進水渠和配水渠流入ABR反應池。接菌種一般需要7～12天時間，標準流程為9天。營養物用葡萄糖、尿素與磷酸二氫鉀來分別提供碳、氮、磷源，根據C、N、P比例100∶5∶1來配置加入。菌種及營養物的投加量由載體的使用量決定。通常每噸載體需投加約1 800 g菌種及900 g營養物。接菌種需要分3次將菌種和營養物打入反應池，每一次需要投加的菌種數量如表4。

表4 特效菌與營養物投加量 %

標準9天的特效菌投加流程和操作為：①第一次接菌種，在菌種/營養物投加桶中裝入原水，再加入菌種A、B和營養物。原水與菌種(A與B的總和)重量比為10∶1；②菌種和營養物易溶于水，投加桶底部設有氣體混合器，通過鼓氣20 min將菌種與營養物溶解于原水之中；③用菌種投加泵將投加桶中的菌種、營養物溶液泵至進水管線中的管道混合器，與原水混合，并通過進水渠、配水渠，流入反應池中。持續進水，直到各個反應池中水位高于載體層，關閉進水；④開啟工藝曝氣系統，保持曝氣率在1.45 L/(m2·s)；⑤持續曝氣至第4天，進行第二次接菌種，步驟如①～④；⑥持續曝氣至第7天，進行第三次接菌種，步驟如①～④；⑦持續曝氣至第9天，完成接菌種步驟。

高效生物反應器專屬菌啟動掛膜時，最佳水溫應控制在30～35 ℃，本次開車由于在冬季，將水溫控制在25～30 ℃

2.3 運行數據

高效生物反應器1月至11月運行數據見圖4，進水COD平均60.1 mg/L，出水COD平均24.4 mg/L，去除率達59.4%；此期間進水超過設計指標數據(COD>70 mg/L)占總進水數據的19.9%，出水超過設計指標數據(COD>30 mg/L)占總進水數據的13.8%。雖然高效生物反應器進水COD波動較大，但出水COD基本能保持在40 mg/L以下。正常運行期間，高效生物反應器出水COD基本在10～30 mg/L范圍內波動。進水異常期間，高效生物反應器出水COD基本在20～40 mg/L范圍內波動，可見高效生物反應器的抗沖擊性能很好。進水異常期間(COD>70mg/L)進、出水COD對照見圖5。

圖4 高效生物反應器進、出水COD

圖5 高效生物反應器進水異常時進水與出水COD

高效生物反應器運行費用較低，費用主要發生在曝氣風機產生的電費。正常運行期間電耗為48.5 kW，電費按0.61元/kWh計算，如滿負荷運行，電單耗為0.197元/m3，相比高級氧化除COD工藝優勢明顯。

10月份取高效生物反應器中層的高效載體進行電鏡掃描，圖像見圖6。從圖像中可以看出高效載體微孔中的污泥量很大。

圖6 高效生物載體電鏡掃描圖像

下一級高密度沉淀池1月至11月出水COD平均為18 mg/L(相關數據見圖7)，較高效生物反應器降低6.4 mg/L，COD去除率為26.2%。異常數據由13.8%降低至0.6%，全部數據中僅有4個異常。因此考慮到出水波動高效生物反應器后應增加一級除懸浮物及膠體的設施。

2.4 小結

高效生物反應器使用的載體帶有飛灰、粉塵和小顆粒物質，在填裝入反應池后，需要清洗載體來去除這些雜質。高效生物反應器接種需要7～12天。啟動掛膜時最佳水溫應控制在30～35 ℃。實際工程中針對低濃度的難降解廢水，高效生物反應器COD去除率達到59.4%，且運行費用低，抗沖擊性很好。為提高整套裝置的穩定性，高效生物反應器后應增加一級除懸浮物及膠體的設施。

圖7 高密度沉淀池出水COD

3 結語

綜上所述，高效生物反應器針對低COD難降解廢水中試的COD去除率為63.1%，實際工程的COD去除率為59.4%，且運行費用低，抗沖擊性能好，工藝流程簡單，運行效果穩定。