桑蚕丝生产废水生物处理回收利用关键技术研究（一）

杜怡昕 刘华平 刘发富

（1江苏省苏豪控股集团公司 南京 2100122鑫缘茧丝绸集团股份有限公司 江苏海安 22660）

我国年生丝产量约10万吨左右，正常情况下，生产1吨生丝需用800吨-1000吨水资源，生产10万吨生丝则产生8000万吨废水，这些废水中含有大量的COD、BOD值排放，造成严重的环境污染。

2007我公司承担了国家科技支撑计划项目《家蚕天然彩色茧新品种选育及蚕丝蛋白资源深加工关键技术研究与产业化开发》，该项目由4个子课题组成，其课题4《彩丝精练废水提取丝胶蛋白关键技术研究与产业化开发》（2007BAD72B04）中涉及桑蚕丝生产废水和蚕丝被废水处理回收利用两项关键技术研究，其中桑蚕丝生产生产废水处理主要内容为采用生物工程技术进行处理，使其达到回用于原生产工序水质标准。通过本课题的研究，掌握桑蚕丝生产废水生物处理回收利用关键技术，回收利用排放的90%废水，解决桑蚕茧深加工过程中排放的废水对环境污染问题，达到既保护环境水体资源又提高企业经济效益目的，对丝绸行业的振兴和可持续发展具有很好的示范意义。

1 试验概况

1.1 试验水质

试验用废水取自海安县鑫缘桑蚕丝生产有限公司总下水道废水，试验期间废水水温为26℃－30℃。

表1 桑蚕丝生产废水水质情况

1.2 工艺流程及方法

工艺流程如图1所示：

图1 桑蚕丝生产废水生物净化装置工艺流程示意图

废水在生化调节池1内经过一段时间预处理后，用废水泵2抽取送至压力式气水混合装置3，来自空压机5的空气在压力式气水混合装置内与废水混合后送至压力式生物接触氧化装置4，压力式生物接触氧化装置内的压力来之于空气加压机，加压的目的主要是加速生化过程，废水经生化处理后，被送至压力式生物过滤装置6，过滤剩余的污物，经压力式生物过滤装置过滤后的水被送至压力式生物活性炭吸附装置7，水经活性碳处理后脱除气味和色度后，水质已达到桑蚕丝生产工艺要求，即水的透明度＞100cm，COD≤15mg/L，BOD≤5mg/L，SS值＜5mg/L。达到桑蚕丝生产工艺要求后的水被送入供水塔8和反冲水蓄水池9，日常生产过程中的用水由供水塔8提供，反冲泵11用于压力式生物接触氧化装置4、压力式生物过滤装置6、压力式生物活性炭吸附装置7的日常清洗。

调试压力式生物接触氧化装置、压力式生物过滤装置、压力式生物活性炭吸附装置时，各自的填料先在装置内常压下用选用的活性菌种加桑蚕丝生产废水接种培育而成进行培养挂膜和成膜，并根据镜检生物相的变化控制挂膜和成膜条件，经7天培养后，镜检可见菌胶团质密、色泽透明，并已有一定的有机物去除率，说明生物膜已基本成熟，随后将桑蚕丝生产废水逐步供入废水生物净化系统，加压开始正常运行，并按照《水和废水监测分析方法》中的标准方法定期取样测定CODcr、BOD5、SS、NH3-N等指标，共累计了稳定运行3个多月的试验数据进行结果分析，每一数据均为10次以上测定结果的平均值。本文将压力式生物接触氧化装置、压力式生物过滤装置、压力式生物活性炭吸附装置的研究情况分别介绍如下。

2 压力式生物接触氧化装置

本研究分析了压力式生物接触氧化装置在运行过程中压力、气水比及溶解氧、停留时间等对污染物去除效果的影响。

2.1 压力对污染物去除效果的影响

来自压力式气水混合装置废水进入压力式生物接触氧化装置时的进水量为22L/s，流速30m/h，曝气强度（即气水比）为4∶1的条件下，研究了在不同压力时对废水中CODcr、BOD5、SS去除率的影响及压力生化装置内溶解氧（DO）浓度的变化情况，试验结果见表2所示。

表2 不同压力（表压）下污染物去除率及反应装置内溶解氧含氧量

由表2可看出，在气水比和流经时间相同的条件下，废水中CODcr、BOD5、SS等污染物的去除率随着压力的增加而增加，同时反应装置内溶解氧含氧量也随之升高。

对于一定浓度的废水而言，有机物降解速度主要受生物动力学氧化速率及含氧量控制，处理可生化性较好的桑蚕丝生产废水，其生物动力学氧化速率主要取决于活性微生物量。加压生物接触氧化法通过“加压”方式提高了废水中含氧量，增大了氧向生物膜内移动的推力，使溶解氧移向细菌细胞膜的速度加快，向生物膜内渗透程度增加，使得好氧生物膜增厚和活性提高，随着活性微生物量增多，有机物降解速度得到提高。在不加压生物接触氧化法中，活性生物膜厚度在2mm左右，加压生物接触氧化法活性生物膜可达5mm而不脱落[1]。通过分析，压力升高后，废水中污染物去除率提高的主要原因是加压接触氧化法能有效提高废水中的溶解氧含量和生物膜活性，增加活性微生物数量。

表2还可看出，污染物的去除率随压力增加而变化的速率是不同的，在压力由低向高变化的过程中，污染物去除率增加的速率逐渐衰减。当压力由0.2Mpa（表压）增加至0.3Mpa时，污染物去除率已增加很小。由于压力增加使反应设备制造成本提高以及压力增加引起的能耗提高等因素，确定将压力定为0.2Mpa。

与常压相比，当压力在0.2Mpa时，污染物去除率提高10%-18%，生物反应装置内溶解氧含氧量由2.1mg/L上升到5.5mg/L。

2.2 气水比及溶解氧对污染物去除率分析

在一定压力范围内，气水比的大小直接影响到桑蚕丝生产废水中溶解氧含氧量的高低，从而影响处理效果。试验在水流速30m/h，压力分别为0.2Mpa和0.3Mpa条件下，不同气水比时反应装置内溶解氧含氧量的变化及污染物的去除效果见表3、表4。

表3 压力为0.2Mpa时，不同气水比时反应装置内溶解氧含氧量及污染物去除率

表4 压力为0.3Mpa时，不同气水比时反应装置内浓度溶解氧及污染物去除率

由表3、表4可看出，在相同的压力下，随着气水比的提高，反应装置内溶解氧含氧量升高，污染物去除率也随之升高；在不同的压力条件下，为使污染物去除率达到一定要求，使处理出水中COD、BOD、SS等主要污染物含量达到废水综合排放一级标准，所需水气比是不同的，压力越高，所要求的水气比就越小。试验表明，水气比的选择主要由反应装置内溶解氧含量决定，当溶解氧含量达到某一值（4.5mg/L以上）以后，继续加大水气比，污染物的去除率增加很小，而当水气比过低时（如当压力P= 0.2Mpa，水气比为2.5∶1时），反应装置内溶解氧含量及污染物去除率都会明显下降，这一现象说明压力生物反应装置能提高废水中污染物去除效果的主要因素之一是溶解氧含氧量提高。因此，实际应用中应根据水质状况，综合考虑运行费用和处理效果，以溶解氧含量作为控制参数来确定合适的运行压力和水气比，实际使用中也可通过调节压力和水气比来满足生物氧化对溶解氧的需要。所以，这种压力式生物接触氧化设施能适应水量和水质的变化，耐冲击负荷能力强。试验表明，压力在0.2－0.3Mpa范围内，采用水气比3－4∶1时，能使压力式生物反应装置内溶解氧含量维持在4.5mg/L以上，经生化处理后水中主要污染物含量可达到废水综合排放一级标准。

2.3 流速对污染物去除效果的分析

压力在P=0.2Mpa，水气比在4∶1的条件下，分析不同流速对污染物去除率的影响结果见表5。

表5 不同停留时间下污染物的去除率

通过分析表5中数据，废水中污染物去除率随着流速的降低而增加，但其速度逐渐变小，当流速为30m/h以上，继续加大流速，处理水中COD、BOD、SS的去除率的变化不明显，因为这时废水中有机物含量已相当低。压力在0.2Mpa时，压力生物接触氧化设施处理废水只需30m/h的流速就能使出水的COD、BOD、SS等污染物含量达到一级排放标准，为常规生物处理法流经时间的1/3-1/4，可有效节省生化池容积。但当进水氨氮浓度较高时，要使出水氨氮达标（不超过15mg/L）所需停留时间要延长，因硝化反应要求很低的F/M，本试验流速采用10m/h，且异养菌的最大比生长速率比自养硝化菌要大，只有当有机物浓度很低以后，硝化菌的比生长速率与异养菌相比足够大时，硝化反应才会发生。

3 压力式生物过处理装置

压力式生物接触氧化处理装置的出水引至压力式生物过滤处理装置。在此单元中，废水中悬浮物质被截留并部分降解。其工作原理主要有过滤、吸附和生物代谢[2]。过滤装置工作时，过滤装置中填装有符合要求的粒状滤料，生物膜在滤料表面生长，废水在过滤装置内部流经曝气时利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力，对废水进行快速净化；废水流经时滤料呈压实状态，由于滤料粒径较小及生物膜的生物絮凝作用，截留了废水中大部分悬浮物和滤料上脱落的生物膜；此外，填料及附着其上生长的生物膜对溶解性有机物具有一定的吸附作用。运行一段时间水头损失增加，滤池需进行反冲洗，以去除截留的悬浮物并促进生物膜更新。压力式生物过滤装置通过这种反复的周期性处理达到再生目的。

废水在过滤装置中既被过滤又被生物降解，实质是将生物降解功能与常规过滤功能合二为一，因此去污能力远高于一般的机械过滤装置，且外排物极少，二次污染现象减少。

3.1 结构形式

压力式生物过滤装置的结构与普通快滤池基本相同，差别在于压力式生物过滤装置下部增加了曝气装置且废水向上流。早期的压力式生物过滤装置废水下向流，其纳污效率不低、易堵、再生周期短，因此本课题研究采用上向流方式(即气水同向)，使水气分布更均匀。同时，水气在上升过程中将底部截留的SS带入滤池中上部，增强了过滤装置的处理能力，再生周期延长。

为了适应桑蚕丝生产废水水质，我们对压力式生物过滤装置结构进行研究与改造，采用脉冲反冲洗、气水同向流的形式加强桑蚕丝生产废水深度处理。为了解决滤头堵塞问题，将其改成穿孔管并降低空气扩散管的高度，研究结果表明该技术用于桑蚕丝生产废水的处理取得了良好的效果。

3.2 启用

压力式生物过滤装置的启用与压力式生物滤池的启用方式相同。一般采用三种方式：①间歇培养并逐步加大流量；②在设计流量下或逐步加大流量进行连续培养；③用活性污泥接种后稳态运行。三种启用方式中生物膜的分布、生长速率和对污染物的去除率等变化规律有各自的特点，但达到稳态所用时间基本相同。本课题根据国内外的试验结果采用设计流量连续培养方法，获到更加稳定的生物量。

3.3 关键技术的研究

3.3.1 滤料选用

压力式生物过滤装置的功效取决于滤料的合理选用，它关系到压力式生物过滤装置的结构形式和制造成本。目前，一些滤料为专利产品或属于商业机密，本课题通过收集研究国内外有关资料，对压力式生物过滤装置常用的几种滤料进行了物理化学性能对比研究后，对选定的滤料做了桑蚕丝生产废水处理试验，对以往的研究结果进行试验论证，确定了适合用作本课题的滤料。

滤料的粒径主要取决于压力式生物过滤装置的功能。本课题就滤料粒径对压力式生物过滤装置的影响进行了试验，结果发现滤料粒径越小曝气生物滤池的效果越好，但小粒径会使其工作周期变短，滤料也不易清洗，相应的反冲洗水量也会增加，因此应综合考虑各种因素选定了本课题合适的滤料粒径。本课题做了类似试验，结果表明滤料粒径为2-4mm时，压力式生物过滤装置滤池的硝化功能比滤料粒径为4-8mm和5.6-11.2mm时的要好得多。本课题压力式生物过滤装置采用的滤料粒径确定为3-6mm，滤层厚度确定为3.5m。

3.3.2 负荷

压力式生物过滤装置一般采用两种负荷：容积负荷［kg/(m3/d)］和水力负荷［m3/(m2/h)，也称滤速］。早期的压力式生物过滤装置均采用了较低的负荷值，本课题对压力式生物过滤装置的负荷进行了深入的研究，采用了碳化+硝化+反硝化方式对桑蚕丝生产废水进行处理，采取了加大负荷的措施，突破了早期的压力式生物过滤装置均采用较低的负荷值的理论。表7是压力式生物过滤装置负荷率对比值。

本课题就水力负荷对出水水质的影响做了探讨，结论为水力负荷对BOD5的去除效率影响甚微，只要温度、曝气量、反冲洗等因素在不受制约的条件下应尽量加大水力负荷以获得尽可能大的处理能力。本课题试验证实了滤速在6m/h、13m/h时BOD5的去除率基本不变。本课题研究发现低滤速使传质不均匀，从而造成底部堵塞(上向流)，影响压力式生物过滤装置功能，提高滤速有利于传质。本课题研究表明压力式生物过滤装置的碳化+硝化+反硝化功能与滤速无关，在COD负荷＜10kgCOD/ (m3/d)、滤速为35m/h时硝化率稳定在90%-98%，课题研究表明在其他因素不受制约的条件下滤速越高越好。

表7 压力式生物过滤装置负荷率对比值

3.3.3 反冲洗

本课题设计采用的反冲洗方式是气水联合反冲洗，即先用气冲，再用气、水联合冲洗，最后再用水漂洗。不同形式、不同滤料的压力式生物过滤装置，其反冲洗强度、历时、周期各不相同，用水量和用气量也存在较大差异。表8是本课题通过试验和研究后所整理出的压力式生物过滤装置采用的反冲洗参数。

3.3.4 气水比

表8 压力式生物过滤装置的反冲洗参数

气水比的大小与进水水质、压力式生物过滤装置功能和形式、滤料粒径大小和滤层厚度等因素有关。从有关资料提供的数据表明压力式生物过滤装置气水比一般采用(1-3)∶1。本课题通过反复试验选择确定的气水比为（4-6）∶1。