桑蚕丝生产废水生物处理回收利用关键技术研究（二）

杜怡昕 刘华平 刘发富

（1江苏省苏豪控股集团公司 江苏南京 210012 2鑫缘茧丝绸集团股份有限公司 江苏海安 22660）

4 压力式生物活性吸附处理装置

4.1 目的和作用

压力式生物过滤装置的出水由于还含有一定量的污染物，并且有异味，不能满足桑蚕丝生产工艺标准要求，必需通过引至压力式生物活性炭吸附处理装置进行处理后才能供给桑蚕丝生产使用，生物活性炭装置内充填经特殊处理驯化的生物活性炭。而生物活性炭技术能有效去除水中有机物(尤其是可生物降解部分)和臭味等，从而提高桑蚕丝生产的用水化学和微生物安全性，目前，对常规处理工艺出水再进行深度净化将成为纺织工业水处理方面的选择之一。它已作为水深度净化的一个重要途径也逐渐被纺织工业企业重视。

活性炭内部具有发达的空隙，比表面积巨大，因此具有很强的吸附处理污物的能力，被广泛用于对空气、水体的净化。但是，在常规方法中活性炭会随着吸附处理物质的积累，其内部空隙会不断减少（饱和度不断提高），而导致吸附处理能力相应降低，即活性碳的饱和程度与吸附处理能力成反比。当饱和度至定值后，就不能保证出水水质。因此常规方法中只能频繁更换活性炭，才能保证出水水质。同时活性炭的价值较高，不断更换新炭必然会提高水处理的成本。本课题为了解决这个问题，进行了如下的试验和研究。

4.2 技术特点

以粒状活性炭为载体富集水中的微生物而形成生物膜，通过生物膜的生物降解和活性炭的吸附处理去除水中污染物，同时生物膜能通过降解活性炭吸附处理的部分污染物而再生活性炭，从而大大延长活性炭的使用周期。生物活性炭滤池的工艺参数直接影响其处理效果和成本，并且合适的参数值还和滤池进水水质有一定关联，对本课题而言，在全面投入应用前进行针对性的研究，找出最佳实施方案，为课题的顺利实施提供可靠的保障。

4.3 试验研究方法

4.3.1 试验工艺流程及装置

本课题的试验工艺流程为生物接触氧化+生物过滤+生物活性炭，桑蚕丝废水生物净化试验装置见工艺流程示意图1，包括常规处理、生物接触氧化装置+生物过滤装置+活性炭滤池处理系统。

生物活性炭吸附处理装置尺寸为∮1500mm，高度为4.5m，内部均分两格，采用小阻力配水系统。装填ZJ-15型柱状活性炭，该炭碘值和亚甲兰吸附处理值分别为961和187mg/g，堆积密度460g/L。活性炭在使用之前，先用未加氯的砂滤出水浸泡一周，再用未加氯的砂滤出水反洗清洁，然后装池。生物活性炭吸附处理装置采用下向流型式，进水溶解氧含量一般在7.50mg/L左右，能充分保证生物降解对溶解氧的需求。生物活性炭吸附处理装置采用两段式气水反冲洗，即首先以空气擦洗、再以未加氯的砂滤出水反冲，反冲洗周期为7天。

生物活性炭吸附处理装置的启动与压力式生物滤池的启动方式相同。国外一般采用三种方式：①间歇培养并逐步增加流速；②在设计流速下或逐渐增加流速进行连续培养；③用活性污泥接种，稳态运行。三种启动方式中生物膜的生长速率、分布和对污染物的去除率等变化规律各不相同，但达到稳态所需的时间却大致相同。本课题根据国外的试验结果采用设计流速进行连续培养，得到了更加稳定的生物量。调试正常并投入正常生产后废水在塔内流速40m/h左右。

4.3.2 试验设计

在参考现有国内外文献的基础上，本课题研究首先采用2.0m和2.5m炭床高度，分别进行空床接触时间10、12min的对比试验。然后选定炭床高度，分别进行空床接触时间7.5、10、12、15、20min的对比试验。

4.3.3 试验方法

试验期间水温较高（26-31℃，平均29℃），生物活性炭吸附处理装置采用自然挂膜，生物膜成熟时间约为15天。进行上述各组条件的试验时间均为7天，其中2天为过渡适应期，5天为稳态试验期。试验期间生物活性炭吸附处理装置进水水质如表9所示：实验结果（表10）还表明，在压力式生物过滤装置接触时间等其它试验条件相同时，炭床高度对压力式生物过滤装置出水色度、pH值的影响不大；但对嗅阈值却有一定影响，在压力式生物过滤装置接触时间同为10min时，炭床高度2.5m池的出水嗅阈值超过管道直饮水水质标准（Q/ZLS001-1998）3的上限标准，这表明较高的滤速不利于除臭。

表9 生物活性炭滤吸附处理装置进水水质

综合12min和10min的试验结果，可以看出，在压力式生物过滤装置接触时间、进水水质等主要试验条件相同的前提下，炭床高度对压力式生物过滤装置的净水效果总体相同；但较大的炭床高度不利于嗅阈值的控制。事实上的压力式生物过滤装置去除污染物主要靠生物吸附处理降解和物化吸附处理，而这些过程都需要一定的时间，在进水水质和污染物与生物颗粒接触时间相同时，污染物的降解程度理应相同。当然生物活性炭颗粒的机械截留也有一定作用，较大炭床高度的压力式生物过滤装置的出水水质略差，其原因可能就在于较大滤速不利于机械截留作用的发挥。此外，炭床高度的增大还将会对压力式生物过滤装置的反冲洗提出更高的要求，有基于此，建议生产中压力式生物过滤装置的适宜炭床高度取2.0m。

表10 炭床高度对嗅阈值、色度、pH值的影响

4.3.4 空床接触时间

4.3.4.1 空床接触时间与出水浊度

当压力式生物过滤装置的接触时间在7.5～2.0min之间变化时，压力式生物过滤装置进出水浊度变化情况如表11所示。观察表11中的试验数据，压力式生物过滤装置的出水浊度比较稳定，平均在0.22NTU以下；此均值和压力式生物过滤装置的进水浊度均值（0.25NTU以下）较为接近，压力式生物过滤装置能稍微降低水的浊度，但压力式生物过滤装置接触时间对浊度的去除没有明显影响。由此可见，压力式生物过滤装置的功效不在于除浊。

表11 压力式生物过滤装置接触时间与出水浊度

4.3.4.2 空床接触时间与出水CODMn

当压力式生物过滤装置的空床接触时间在7.5～20min之间变化时，压力式生物过滤装置进出水CODMn变化情况不及浊度值稳定（表12）。由表12可见，在空床接触时间相同、进水水质相近的情况下，增大压力式生物过滤装置的空床接触时间，压力式生物过滤装置对CODMn的去除效果随之改善，表现为CODMn平均去除率的提高。在生物膜工艺中，延长空床接触时间意味着延长基质和生物膜的接触时间，有利于基质的生物降解；从生物膜降解机理上来看，接触时间缩短意味着进入压力式生物过滤装置的基质量增加，导致生物膜在单位时间内接触的基质增加，而进水水质一定使得生物膜对基质的降解速率相对稳定，最终导致出水CODMn浓度增加，处理效果下降。此外，接触时间的延长也有利于污染物的物化吸附处理去除。

表12 压力式生物过滤装置进出水的CODMn变化

从表12还可以看出，压力式生物过滤装置空床接触时间的增加幅度影响压力式生物过滤装置对CODMn去除率的提高程度，空床接触时间的增幅大对CODMn去除效果的改善程度较为明显反之收效一般，但接触时间增大到一定程度时，CODMn去除率的提高有限，这主要是由于进水中可生物降解及吸附处理的物质所占的比例一定。此外，对比接触时间15min和20min的CODMn平均去除率，发现前者稍高于后者，主要原因在于压力式生物过滤装置运行前的成熟条件不同。进行接触时间20min的试验前，采用的气冲强度较大（14L/m2·s），生物膜脱落明显，又限于当时条件、只经12h即取样化验；而进行其余接触时间的试验之前，采用的气冲强度小于14L/m2·s，生物膜脱落程度较轻，且经48h成熟期后再取样化验。这说明压力式生物过滤装置的反冲洗及其充分成熟对保证其成功运行极为重要，在实际生产中需对气水联合反冲洗后的初始处理水量作必要的小幅减小。

4.3.4.3 空床接触时间与出水含藻量

压力式生物过滤装置深度处理是作为改善桑蚕丝生产用水水质的有效途径，除藻也是其重要任务之一，因本课题采用的原水供水系统及管网经长期使用后会产生藻类。本研究以含藻量作为优选压力式生物过滤装置空床接触时间的另一重要分析指标，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处理装置作为一个整体，因使用过程中条件固定，故不影响对试验结果的分析。

压力式生物过滤装置进出水含藻量的检测结果（表13）表明，在进水含藻量为10万个体数/L左右、压力式生物过滤装置空床接触时间从7.5min增加到15min时，压力式生物活性炭吸附处理装置出水含藻量从8.5万个体数/L逐渐降低到2.43万个体数/L,对应除藻率从23%逐渐增加到73.5%，但增加程度逐渐降低。试验期间，发现活性炭表面并未完全长有生物膜，因此生物处理和活性炭处理是生物活性炭的两大除藻途径。生物除藻的可能机理有以下几种：生物膜的吸附处理、附着，生物载体之间的生物絮凝和机械截留，微生物的氧化分解，原、后生动物的捕食等。本课题研究又表明，在短短（0～10nm）范围内，细菌等微生物的疏水性产生的微观疏水引力远远大范德华引力，藻类向炭粒的迁移和粘附将是影响生物活性炭除藻的一个重要环节。在一定范围内延长压力式生物过滤装置空床接触时间，将会增加藻类和生物活性炭的接触机会，利于藻类寻求合适的附着点，促使上述各机理作用的发挥，从而加强该系统对藻类的去除效果；而接触时间15min和20min的除污染效果对比（表13）又表明此结论须以压力式生物活性炭吸附处理装置充分成熟为前提条件。另一方面，过高地延长压力式生物活性炭吸附处理装置接触时间，会降低压力式生物活性炭吸附处理装置的水力负荷，明显增加包括活性炭在内的基建投资，不足为取。结合中试结果，建议生产上用于除藻的空床接触时间不宜高于15min。

表13 空床接触时间与O3-BAC单元出水的含藻量

4.3.4.4 空床接触时间与其它出水水质参数

在7.5～20min的范围内变化压力式生物活性炭吸附处理装置空床接触时间的试验结果表明，压力式生物活性炭吸附处理装置出水的嗅阈值、色度、pH值相对变化不大，也即空床接触时间对嗅阈值、色度、pH值的影响相对微小。一般压力式生物活性炭吸附处理装置出水的臭阈值在2～3甚至更小，色度在5或5以下，压力式生物活性炭吸附处理装置出水的pH值在7.60左右。

综合炭床高度和空床接触时间的试验结果，可以看出空床接触时间是影响压力式生物活性炭吸附处理装置净水效果的决定性因素，这和大多数研究成果一致，但具体数值取决于压力式生物活性炭吸附处理装置进水水质情况和出水水质要求。基于目前当地水源水低浊高藻、有机物和氮磷含量较高的水质特征，结合不同空床接触时间的试验结果，若压力式生物活性炭吸附处理装置出水水质以CODMn达到桑蚕丝生产用水水质标准，压力式生物活性炭吸附处理装置的空床接触时间以12～15min为宜，原水水质差时取相应高值。

5 结语

（1）加压生物接触氧化法通过“加压”方式提高了桑蚕丝生产废水中污染物去除率,减少了生化反应时间。其高效的关键原因是有效提高了废水中的溶解氧含量，加大了氧向生物膜内迁移的推力和向生物膜内渗透程度，使生物膜活性得到提高，活性微生物数量增加，从而使有机物降解速度提高。而且可通过调节压力和水气比使加压生物接触氧化设施内保持适当的溶解氧含量来适应水质和水量的变化，耐冲击负荷能力增强。

（2）课题研究表明，加压生物接触氧化法处理桑蚕丝生产废水，采用压力0.2Mpa（表压），流速30m/h，水气比3～4∶1时，可使出水中COD、BOD5、SS等污染物含量达到一级排放标准。与常压法相比，在相同的流经时间内污染物去除率提高10%～18%，达到相同的处理效果（一级排放标准）流经时间为常规生物处理法的1/3-1/4。因此，该法具有处理效率高、效果好、用地少、适应性强、耐冲击负荷的特点，适合桑蚕丝生产废水处理成套设施的建设，对高浓度有机废水的处理也有较好的应用前景。

（3）与常压生化法对比，加压接触氧化法的区别是采用压缩空气，能耗有所增加。炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到3～5NTU。

（4）两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为11～14L/(m2·s)、历时为3～5min，水冲强度为8L/(m2·s)、历时为5～7min。

（5）如采用单独水反冲，建议适宜的反冲强度为12～14L/(m2·s)、滤层膨胀率为20%左右，反冲历时为6～8min。

（6）炭床上表面与反冲废水排水槽间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.5～2.0m为宜。

（7）在本课题试验条件下，压力式生物活性炭吸附处理装置的空床接触时间是影响其净水效果的决定性因素，且主要影响有机物和藻类的去除；炭床高度和运行滤速的影响相对较小。

（8）压力式生物活性炭吸附处理装置的具体空床接触时间取决于原水水质情况和出水水质要求，若出水水质以CODMn达到桑蚕丝用水水质标准，建议压力式生物活性炭吸附处理装置的适宜炭床高度为2.0m，适宜的空床接触时间为12～15min，原水水质较差时取此范围内的较高值。

[1]明欲晓，曹敬华．加压生物接触氧化法的初步研究[J]．中国环境科学，1991，11（2）：147-150.

[2]李汝琪，钱易，孔波，等．曝气生物滤池去除污染物的机理研究 [J]．环境科学，1999，20(6)：49-52．