免烧结粉煤灰陶粒BAF对乙烯化工废水的深度处理效果

李丽华，金文杰，胡 成，代秀兰，马 放

（1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2. 辽宁省环境科学研究院，辽宁 沈阳 110031；3. 辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051）

乙烯工业在我国国民经济中占有举足轻重的地位，但同时也是用水和排污大户，为了提高水资源利用率，对乙烯化工废水进行深度处理并回用具有重要意义［1］。由于乙烯化工废水水质较为复杂，经过普通二级生化处理后，废水中仍含有大量的有机物、悬浮物及盐类，处理效果不佳［2］。曝气生物滤池（BAF）是在普通生物滤池基础上发展起来的好氧生物处理新工艺［3-4］，不仅可有效去除COD、BOD5、SS、氮和磷等，而且具有较高的抗盐度冲击能力，在高含盐废水的深度处理中具有独特的优势［5］。新型BAF填料的开发及应用一直是BAF工艺的研究热点［6-10］。在BAF工艺中，大多采用粒状陶粒作为填料，粉煤灰陶粒由于具有性能优良、性价比好和应用范围广等优点，被广泛应用于废水处理中。但目前使用的粉煤灰陶粒大多是采用烧结工艺制备而得，存在工艺复杂、能耗和成本高等缺点。因此，近年来新型免烧结粉煤灰陶粒的研制受到了研究者的关注，并已取得了一定成果［11］。

本工作以粉煤灰为主要原料，制备了一种新型免烧结粉煤灰陶粒，考察了该粉煤灰陶粒BAF工艺深度处理乙烯化工废水的效果。

1 实验部分

1.1 废水水质

实验废水取自辽宁省某乙烯化工厂二级生化处理出水，COD 为40~70 mg/L，SS为24~60 mg/L，ρ（NH3-N）为0.7~3.0 mg/L，电导率为800~1 700 μs/cm。

1.2 材料和仪器

以粉煤灰为主体原料，辅以水泥、生石灰、石膏及硅酸钠等外加剂，采用独特造孔剂和造孔工艺，经自然养护制备了免烧结粉煤灰陶粒。普通商业陶粒：以黏土为主要原料生产，外购。

UV560型紫外-可见分光光度计：日本JASCO公司；DDS-11A型电导率仪：上海光学仪器厂；TG328型电光分析天平：上海天平厂；Phi l ips XL-30型SEM：荷兰飞利浦公司；XRD-7000型XRD仪：日本岛津公司；Autosorb-I型比表面积测定仪：美国Quantachrome公司。

1.3 实验装置及工艺流程

实验装置及工艺流程见图1。

图1 实验装置及工艺流程

BAF由透明有机玻璃柱加工而成，柱内径0.15 m，高2.0 m，下部承托层均采用粒径为10~16 mm的卵石，装填高度10 cm。1#滤柱内填料为自制的免烧结粉煤灰陶粒，作为对比的2#滤柱内填料为普通商业陶粒，两种陶粒粒径均为3~5 mm，装填高度均为1 200 mm。采用上向流运行方式。

1.4 BAF的挂膜启动和运行

采用接种挂膜方式进行BAF的挂膜启动，接种污泥采用该厂污水处理单元曝气池的回流污泥，MLSS为12 g/L，接种量为200 L。BAF中的填料装填完毕后，首先注入清水浸泡陶粒，24 h后排出清水，然后将曝气池回流污泥加入到BAF内进行闷曝，曝气量为6 L/h，4 d后连续进废水，并保持气水比（体积比）为（3~4）∶1，直至BAF挂膜启动成功。

在水力负荷为3 m3/（m2·h）、气水比为3∶1、进水水温为14~21℃的条件下运行装填不同填料的两个BAF。反冲洗时间均为9 min，普通商业陶粒BAF反冲洗水强度为8 L/（m2·S），自制免烧结粉煤灰陶粒BAF反冲洗水强度为5 L/（m2·S）。

1.5 分析方法

采用美国《水和废水标准检验法》中的开管回流法和酚盐法测定废水的COD和ρ（NH3-N）［12］；采用重量法测定 SS［13］。

2 结果与讨论

2.1 陶粒的物理性能

自制免烧结粉煤灰陶粒和普通商业陶粒的物理性能见表1。由表1可见，自制免烧结粉煤灰陶粒的筒压强度与普通商业陶粒相当，但孔隙率和比表面积远高于普通商业陶粒，堆积密度低于普通商业陶粒。

自制免烧结粉煤灰陶粒（a）和普通商业陶粒（b）的SEM照片见图2。由图2可见，与普通商业陶粒相比，自制免烧结粉煤灰陶粒的表面更粗糙，且表面分布有更多明显的孔径通道，使其具有更大的比表面积，可为微生物和基质的接触、混合创造适宜的环境，更有利于提高微生物与载体之间的黏附力，促进生物膜的形成。

自制免烧结粉煤灰陶粒的化学组分见表2。由表2可见，自制免烧结粉煤灰陶粒的主要组分为硅和铝的氧化物，其次是钙的氧化物，因而该陶粒具有较高的生物和化学稳定性。

表1 陶粒的物理性能

图2 自制免烧结粉煤灰陶粒（a）和普通商业陶粒（b）的SEM照片

表2 自制免烧结粉煤灰陶粒的化学组分

2.2 两种填料BAF的COD去除率

在平均进水COD为54.62 mg/L的条件下，两种填料BAF的COD去除率见图3。由图3可见：装填自制免烧结粉煤灰陶粒的BAF平均COD去除率为57.14%；装填普通商业陶粒的BAF平均COD去除率为55.24%。装填自制粉煤灰陶粒的BAF对COD的去除效果好于装填普通商业陶粒的BAF。因为自制免烧结粉煤灰陶粒具有更大的空隙率和比表面积，更有利于菌体的生长及对污染物的吸附和截留。

图3 两种填料BAF的COD去除率

2.3 两种填料BAF的 SS去除率

在平均进水SS为33.93 mg/L的条件下，两种填料BAF的SS去除率见图4。由图4可见：装填自制免烧结粉煤灰陶粒的BAF的平均SS去除率为68.64%；装填普通商业陶粒的BAF平均SS去除率为66.94%。装填自制粉煤灰陶粒的BAF对SS的去除效果好于装填普通商业陶粒的BAF。

图4 两种填料BAF的SS去除率

2.4 两种填料BAF的NH3-N去除率

在平均进水ρ（NH3-N）为1.33 mg/L的条件下，两种填料BAF的NH3-N去除率见图5。

由图5可见：装填自制免烧结粉煤灰陶粒BAF的平均NH3-N去除率为74.89%；装填普通商业陶粒BAF的平均NH3-N去除率为72.21%。装填自制粉煤灰陶粒的BAF对NH3-N的去除效果好于装填普通商业陶粒的BAF。

2.5 两种填料BAF的反冲洗情况

自制免烧结粉煤灰陶粒BAF反冲洗后，出水水质见表3。由表3可见，出水水质在反冲洗后第三天开始恶化，因此确定最佳反冲洗周期为2 d。

图5 两种填料BAF的NH3-N去除率

表3 反冲洗后出水水质

在反冲洗实验中发现，普通商业陶粒在气流和水流的作用下，呈板结团状上移，很难散开；而自制免烧结粉煤灰陶粒填料则呈分散流化状态上移，有利于反冲洗。在水量和气量均相同的情况下，当自制免烧结粉煤灰陶粒填料膨胀度达到30%时，普通商业陶粒膨胀度却不足20%。当水力停留时间为0.5 h、反冲洗周期为2 d时，达到同样的反冲洗效果，普通商业陶粒BAF每次反冲洗需消耗水量为75 L，而自制免烧结粉煤灰陶粒BAF每次反冲洗仅需消耗水量50 L。可见使用自制免烧结粉煤灰陶粒，具有反冲洗耗水量小、反冲洗效果好的优势，主要是因为自制免烧结粉煤灰陶粒密度较小所致。

3 结论

a）新型免烧结粉煤灰陶粒与普通商业陶粒相比，具有更为优良的物理化学特性，可提供更有利于菌体附着生长的环境和良好的反冲洗条件。

b）在平均进水COD为54.62 mg/L、平均SS为33.93 mg/L、平均ρ（NH3-N）为1.33 mg/L的条件下，自制免烧结粉煤灰陶粒BAF平均COD去除率为57.14%，平均SS去除率为68.64% ，平均NH3-N去除率为74.89%，均略高于普通商业陶粒BAF。

c）自制免烧结粉煤灰陶粒BAF最佳反冲洗周期为2 d。自制免烧结粉煤灰陶粒具有反冲洗耗水量小、反冲洗效果好的优势。

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