生物转盘反应器处理印染废水的研究

李天罡, 刘红超, 刘贵祥, 毛超群

(哈尔滨工业大学 宜兴环保研究院，宜兴214205)

一般来说，印染废水的有机物质量浓度比较高，成分也较为复杂，其COD质量浓度一般在1500 mg/L以上，同时BOD5的值相对较低，废水BOD5与COD的比值一般都小于0.3，可生化性较差[1-2].如果将废水直接排放到水体中，不仅是一种对水资源的巨大浪费，同时也会对环境造成严重的污染[3].因此，如何快速、高效、低能耗的处理印染废水正在成为人们日益关注的焦点.

生物转盘反应器是生物膜法污水处理技术的一种，这种处理方法可以使细菌、真菌、原生动物和后生动物等在生物转盘的填料载体上生长繁殖，形成膜状生物活性污泥-生物膜[4].污水经沉淀池预处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物通过摄取污水中的有机污染物作为自身生长发育的营养来源，从而使污水得到净化[5-6]；同时生物转盘的生物膜可以周期性地交替于空气与废水之间，这样不需要曝气处理，生物膜中的微生物就可以获得所需的溶解氧，从而降低了处理系统的运行费用[7].废水在生物转盘表面的停留时间较长，生物转盘能够承受冲击负荷的能力也较强，即使是长时间超负荷工作引起处理效率降低后，转盘恢复正常工作的时间也较短[8-9].基于生物转盘反应器的优良特性，本实验对不同转盘转速、不同水力停留时间下生物转盘反应器对印染废水的处理能力进行了研究，以期为印染废水处理工艺提供依据.

1 材料及方法

1.1 废水来源与水质

试验用水取自江苏省宜兴市某印染厂，具体水质指标如表1所示.

表1 污水水质指标

1.2 实验装置及操作方法

生物转盘反应器又名转盘式生物膜法滤池，是生物膜法中常用的一种水处理设备，它的主要组成部分有转动轴、转盘、氧化槽(进水槽、出水槽)和驱动装置等.盘片之间通过串联成组，使之形成盘体，中心用转轴贯穿，两端固定在氧化槽的支架上，盘片面积有45%左右浸没在氧化槽内的污水中，由电机经转轮驱动盘片缓慢旋转，氧化槽为半圆形断面，它与盘片形状吻合，盘片与槽面相距15 mm，槽底位置设置排泥阀门，槽两侧设置锯齿形溢流堰，同时各级间用导流管相互连接.根据实验要求，所用生物转盘的方式为单轴三级，其实物如图1所示.

图1 生物转盘反应器实物图

生物转盘反应器的运行操作方法：开启电源开关，使转盘正常运转，污水经由提升泵引入到第一级氧化槽中，利用进出水水堰之间的高度差，使待处理的污水可以自动的从第一级氧化槽逐级向后流动，最终到第三级氧化槽然后出水.

1.3 生物转盘反应器的相关参数

实验所用的生物转盘反应器相关参数详见表2.

表2 生物转盘反应器相关参数

1.4 生物转盘反应器挂膜与启动

取处理生活污水的活性污泥作为原始菌种，将取来的活性污泥等体积引入到氧化槽的各个室中，启动电机让盘片转动，这样活性污泥上清液中的微生物就会附着在盘片上.由于氧化槽与盘片外形基本吻合，当盘片转动时，就可以将活性污泥液搅动起来，盘片表面就会被覆盖上一层液膜，这就为细菌的生长繁殖和物质、能量的传递过程提供了有利条件.盘片交替与污水和空气接触，微生物可以利用由空气中扩散进来的氧气来氧化分解污水中的有机污染物，不断的进行生长繁殖.为了有效的保证微生物一直处在最佳的生长状态，接种过程中可随时向氧化槽的各个室中加入C∶N∶P为100∶5∶1的营养液，以保证微生物正常生长繁殖对营养物质的需求，大约15 d以后在盘片表面就会生成一层厚厚的生物膜.此时，生物转盘反应器的挂膜工作已经完成，可以开始对生物膜进行驯化，以使其适应所要处理的印染废水的环境.

1.5 分析方法

COD、氨氮等采用国家统一标准方法进行测定[10]，生物转盘反应器盘片表面的生物膜的生物相通过扫描电子显微镜进行观察分析[11].

1.6 数据分析

采用SPSS18.0软件(Duncan法)对所有数据进行差异显著性分析(P<0.05)，用Origin7.5进行图片的绘制.

2 结果与讨论

2.1 生物膜的驯化

待生物转盘反应器的盘片表面挂膜完成后，取实验所用的印染废水，逐步提高生物转盘反应器内的COD负荷，直至负荷和印染废水一样.挂膜期间，通过镜检对微生物的生物相进行观察，并且定期采样测定出水的COD和氨氮的值，具体结果见图2和表3.

图2 生物转盘反应器表面生物膜的扫描电镜图

由图2可以看出，转盘盘片上生物膜内有明显的分层现象，生物膜的内部颜色比较黑，说明此部分的微生物已经完全处于厌氧状态；生物膜的外部颜色较为透明，外层生物膜的生物相也比较丰富，后生动物较多，菌胶团生长状况良好.通过表3可以看出，当驯化进行7 d后，出水水质的COD和氨氮的值比较平稳，并且已经达到《污水排入城市下水道水质标准》(COD<150 mg/L、氨氮<25 mg/L)的要求，说明此时生物膜的驯化工作已经完成.

表3 进出水水质分析

2.2 不同转盘转速对生物转盘反应器处理印染废水能力的影响

转盘转速是指生物转盘反应器的盘片每分钟旋转的周期数，单位为r/min.本试验在进水水质、水力停留时间一定的条件下，研究了不同转盘转速条件下，生物转盘反应器处理印染废水时对COD和氨氮的去除效率，实验所得的数据如图3所示.

图3 不同转盘转速下生物转盘反应器对COD和氨氮的去除效率

由图3可知，随着转盘转速的逐渐升高，出水水质的COD、氨氮的去除效率也在逐渐升高.当盘片的转速为2 r/min时，出水水质的COD和氨氮较高，此时去除率仅为86.61%和80.51%，通过对运转期间生物转盘的盘片进行观察发现，附着在盘片表面的生物膜由原来较为透明变成了黑色，这可能是因为盘片的转速较低，导致溶解氧含量不足，没有足够的氧气进入生物膜，造成生物膜内本应该是好氧区域逐渐变成厌氧区域，生物膜对有机物质的氧化分解能力降低.当盘片转速为3 r/min时，出水COD和氨氮值分别为145.08 mg/L和16.37 mg/L，有机物的去除效果较好，最大去除率可以达到90.93%和91.15%.当盘片的转速为4 r/min和5 r/min时，出水COD和氨氮值更低，有机物的去除效果更好，但是此时由于盘片的转速过快，随着时间的延长，原本已经附着在盘片上的生物膜由于受到水体剪切力的作用，会使盘片边缘部位的生物膜脱落，导致单位面积内的生物量减少，氧化分解能力下降，从而造成出水COD和氨氮值偏高.综合来说，转盘转速为3 r/min，出水COD、氨氮的值已经达到排放标准，并且系统可以长期、稳定、高效的运行，所以当转盘转速为3 r/min时效果最好.

2.3 不同水力停留时间对生物转盘反应器处理印染废水能力的影响

水力停留时间(HRT)是指所处理的污水在反应器内的平均停留时间，它可以直接反映出反应器的有效容积与进水流量之比.本试验在转盘转速为3 r/min、进水水质一定的条件下，研究了不同的HRT条件下，生物转盘反应器处理印染废水时对COD、氨氮的去除效率，实验所得的数据如图4所示.

图4 不同水力停留时间下生物转盘反应器对COD和氨氮的去除效率

由图4可知，当水力停留时间(HRT)为2 h的条件下，出水水质的COD、氨氮的去除效率并不高，仅为81.72%和79.33%，这可能是因为水力停留时间(HRT)短，会使生物转盘的单位处理量增大，有机负荷相对较高，容易对微生物的生长和繁殖造成冲击，导致一些原本已经附着在生物转盘盘片上，但是附着不是很牢固的微生物游离到水体中，这样一方面减少了生物反应器内的生物相，降低了处理污水的能力，另一方面增加了出水水质的 COD 和氨氮的值.当水力停留时间为4 h时，COD、氨氮的去除效率比较高，COD、氨氮去除率分别为94.12%和90.03%，此时出水水质的COD、氨氮的值分别为94.08 mg/L和18.45 mg/L.当水力停留时间超过6 h时，出水COD和氨氮的值更低，去除效果更好.虽然在水力停留时间超过6 h的条件下COD去除效果更好，但是对COD的去除率增加幅度并不是很高，对氨氮的去除率也没有明显增加，同时考虑经济效益分析，综合来说水力停留时间为4h时效果最好.

3 结 语

生物转盘反应器能够有效的对印染废水进行处理，当转盘转速为3 r/min、水力停留时间为4 h时，出水水质的 COD、氨氮的值分别为94.08 mg/L和18.45 mg/L，去除率分别为94.12%和90.03%，其出水水质已经达到《污水排入城市下水道水质标准》；同时，该方法具有快速、高效、低能耗等优点，是一种适用于处理印染废水的处理技术.

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