粉末活性炭膜生物反應器深度處理印染廢水的中試

劉魯建，董 俊，張嵐欣*，王 威，熊 蔚，曹斌強，張雙峰

(1.湖北君集水處理有限公司，湖北 武漢430065；2.湖北省污水資源化工程技術研究中心，湖北 武漢 430065)

隨著社會的發展與工業化進程的加快，印染工業園區數量大規模增加，印染行業所排放的有機廢水量與日俱增，印染廢水具有污染物含量高、色度大、毒性大、難以生物降解等特性，對周邊水體環境及居民健康造成了巨大的危害[1-3]。針對印染廢水的特性，常用的處理工藝有吸附法、高級氧化法、膜分離法、生物降解法等。粉末活性炭作為一種良好的吸附劑，價格低廉、易獲得、反應迅速且對CODCr、色度去除率較高；高級氧化法對CODCr、色度去除效果好，但加藥量較大、污泥量大且處置困難[4]；膜分離法可去除絕大部分有機污染物，但其投資及運行費用較高；生物降解法較為成熟，但污染物去除率較低，對于毒性較大的廢水無法完全降解。對于成分復雜的印染廢水，采用單一工藝無法獲得對所有指標均良好的去除效果[5]。研究表明，膜分離法與粉末活性炭吸附組合工藝具有較好的應用前景，在組合反應器內集粉末活性炭吸附、生物活性炭吸附、微生物降解、曝氣增氧、膜分離等多種功能為一體[6]，對CODCr、氨氮、色度、濁度等去除效果顯著。因此，作者以浙江省某印染工業園區排放的印染廢水為研究對象，采用粉末活性炭吸附與超濾膜分離有機結合的工藝——粉末活性炭膜生物反應器(CUF)進行印染廢水處理中試，考察出水的污染物去除情況以及膜組件的污染趨勢，為實際生產應用提供指導。

1 實驗

1.1 原水水質、材料與設備

中試工程地點位于浙江省某印染工業園區內，以工業園區原污水處理系統氣浮池出水為原水，主要水質指標見表1。

表1 原水水質

粉末活性炭，碘值>900 mg·g-1、亞甲基藍吸附值≥100 mg·g-1、比表面積>1 200 m2·g-1、水分≤8%。

粉末活性炭膜生物反應器(CUF)，華清膜公司。采用浸沒式超濾膜組件，過濾精度為0.01～0.05 μm，膜產水通量為15～25 L·m-2·h-1，截留分子量為10 000～60 000，材質為聚砜(PS，能有效截留水中細菌、膠體微粒、蛋白質、大分子有機物等)，運行時超濾膜曝氣量為0.4～0.6 m3·m-2·min-1,反沖洗頻率為每20 min 1次，每周期反沖洗時間為15 s，反沖洗壓力為0.045 MPa。

1.2 設計出水水質

中試工程設計出水水質應滿足GB 4287-2012《紡織染整工業水污染物排放標準》中表3規定的特別排放限值，主要出水水質指標見表2。

表2 設計出水水質指標

1.3 工藝流程(圖1)

圖1 中試工藝流程Fig.1 Process flow of pilot experiment

中試工程處理水量為200 m3·d-1。氣浮池出水首先進入炭水預混合池，與炭漿進行炭水預混合，起初步吸附的作用，以降低后續膜分離池的污染物濃度；隨后炭水混合物進入浸沒式超濾膜分離池，膜池內定期補充一定量的再生粉末活性炭，在膜池內形成高濃度炭漿，有效吸附水中污染物,去除CODCr、色度，膜池內置浸沒式超濾膜裝置對水中粉末活性炭及懸浮物、膠體顆粒進行截留，出水透過超濾膜排出。系統連續運行10 d，每日取樣檢測各水質指標。

1.4 檢測指標和方法

中試過程中定期檢測CODCr、色度、懸浮物濃度，不定期檢測氨氮、總氮、總磷濃度，計算相應指標的去除率。

CODCr濃度采用標準重鉻酸鉀法測定；色度采用稀釋倍數法測定；懸浮物濃度采用重量法測定；氨氮濃度采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定；總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；總氮濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[7]。

2 結果與討論

2.1 CUF對CODCr的去除效果(圖2)

由圖2可知，進水CODCr濃度波動范圍為110～150 mg·L-1，出水CODCr濃度范圍穩定在39～55 mg·L-1，CODCr去除率為55%～68%。對于較低污染物濃度的進水而言，采用超聲波活性炭法吸附，CODCr去除率最高僅為55%；采用超濾膜法，CODCr去除率最高僅為53%[8]；采用微電解-曝氣法，CODCr去除率僅為45%左右[9]；采用O3/H2O2工藝，CODCr去除率僅為49%[10]。與上述單一工藝或組合工藝相比，CUF工藝對CODCr去除率更高，出水CODCr可100%穩定達標。

圖2 CUF對CODCr的去除效果Fig.2 Removal effect of CODCr by CUF

2.2 CUF對色度的去除效果(圖3)

由圖3可知，進水色度波動范圍為50～65，出水色度范圍穩定在4～10，色度去除率為80%～92%。印染廢水中主要的顯色物質為有機色素、有色金屬離子等，某些酸性色素如品紅溶液，降低pH值可增加活性炭表面正電點位的正電性和數目，促進活性炭吸附；如焦糖色素中大分子結構的顯色物質較多，更適宜用孔徑較大的活性炭吸附[11]；活性炭對金屬離子的吸附屬于物理吸附和化學吸附并存，pH值的增大有助于色度去除率的提高，但過大的pH值會導致金屬氫氧化物沉淀的生成[12]，控制適宜的pH值可有效提高色度去除率。因此，粉末活性炭吸附可表現出優異的色度去除性能。對于色度較深的印染廢水，采用生物降解法，色度去除率最高僅能達到50%～60%[13]。與之相比，CUF工藝對色度去除率更高，基本上可去除絕大部分顯色物質，出水色度可100%穩定達標。

圖3 CUF對色度的去除效果Fig.3 Removal effect of chromaticity by CUF

2.3 CUF對懸浮物的去除效果(圖4)

由圖4可知，進水懸浮物濃度波動范圍為30～68 mg·L-1，出水懸浮物濃度范圍穩定在4～9 mg·L-1，懸浮物去除率為74%～92%。對于懸浮物濃度較高的進水，采用超濾膜能有效去除膠體及懸浮物[14]。采用超濾膜與粉末活性炭組合工藝更能有效提高出水水質[15]，在吸附去除CODCr及色度的同時，還可獲得較高的懸浮物去除率。經CUF工藝處理后，出水懸浮物可100%穩定達標。

圖4 CUF對懸浮物的去除效果Fig.4 Removal effect of suspended substance by CUF

2.4 CUF對其它指標的去除效果

中試系統連續運行期間，同時對氨氮、總氮、總磷指標進行了不定期的取樣檢測。結果顯示，CUF對氨氮、總氮、總磷的去除率分別為75%～80%、3%～9%、25%～50%。分析原因為，CUF內大量曝氣的好氧環境有利于氨氮的深度降解，但同時缺乏反硝化需要的缺氧環境，導致總氮去除率極低；通過反應器內超濾膜的過濾作用可截留部分含磷絮體，從而降低總磷濃度。

2.5 成本分析

中試系統主要投加的藥劑為粉末活性炭，投加量為400～500 mg·L-1。考慮到經濟性，所使用的粉末活性炭采用新炭和再生炭相結合的方式。中試期間累計用炭量為810 kg，折算藥劑成本為1.16元·m-3；中試期間累計用電量為423 kW·h，折算電費成本為0.19 元·m-3；中試工程直接運行成本為1.35元·m-3，隨著處理規模的擴大，運行成本將會更低。相較于采用高級氧化法去除CODCr及色度的工程而言，選用CUF工藝藥劑費用可節省30%～35%[16]，對于有迫切提標需要的印染工業園區，CUF深度處理印染廢水在經濟上是可行的。

2.6 存在的問題及解決方案

(1)由于反應器中投加了高濃度的粉末活性炭，長期連續運行時，如炭粉出現沉積，可能會導致超濾膜組件堵塞。建議加大曝氣量，確保曝氣量0.4～0.6 m3·m-2·min-1，利用水流擾動沖刷膜絲表面，避免形成濃差極化。

(2)中試工程對總氮的去除效果不明顯，原因在于CUF內為大量曝氣的好氧環境，無法實現反硝化脫氮。建議在有總氮脫除需要的工程項目中，CUF工藝之后再增加反硝化系統，以實現污水各指標的穩定達標。

(3)中試工程藥劑成本雖然比高級氧化法有所降低，但活性炭的使用量較大，費用依然較高。建議對于大規模的深度處理工程，同時啟用活性炭再生系統，可大大降低活性炭的使用成本，從而降低運行成本。

3 結論

采用將粉末活性炭吸附與超濾膜分離有機結合的粉末活性炭膜生物反應器工藝，能有效去除印染廢水污染物，降低CODCr、色度及懸浮物濃度，對于氨氮和總磷也有一定的去除效果。在粉末活性炭投加量為400～500 mg·L-1的條件下，CODCr、色度、懸浮物去除率分別達到了55%～68%、80%～92%、74%～92%，出水水質可滿足GB 4287-2012《紡織染整工業水污染物排放標準》中表3規定的特別排放限值。中試工程直接運行成本為1.35元·m-3，對于有迫切提標需要的印染工業園區，采用粉末活性炭膜生物反應器深度處理印染廢水在經濟上是可行的。