某石化企業污水處理場采用A/O2活性污泥法處理煉油廢水，排放標準執行GB 8978-1996一級排放標準，其中COD≤60 mg/L、氨氮≤15 mg/L、石油類≤5 mg/L。隨著國家對污水排放標準的不斷提高及污染物種類和數量的增加，原污水處理廠出水水質已不滿足現有標準要求。受池容及結構限制，亟待對現有生物處理系統進行改造。
生物膜法能大幅提高反應系統中微生物的濃度及容積負荷，近年來多被應用到活性污泥法工藝中，形成復合式活性污泥-生物膜共生系統強化處理工藝(簡稱復合式生物系統)，可發揮2種工藝各自的優勢〔1〕。該系統的應用對于已運行的污水處理廠改造有重要意義。復合式生物系統的核心是能夠形成高污泥濃度的生物膜載體即填料，微生物在填料表面生長的同時，填料在水中充分流化，使得微生物能夠有效利用溶解氧及吸收營養物質。國內研究者曾采用焦炭、石英砂、活性炭、陶粒等填料〔2〕，其密度較大，需要較大的動力消耗才能使填料流化。許建民開發的實用新型專利卍字形嵌套填料〔3〕可大大提高復合式生物系統去除有機物和氨氮的能力。
筆者在某石化企業進行復合式生物系統中試研究，驗證其在污水處理場改造項目中的應用效果。
1 項目背景
該污水處理場原有工藝流程為：廢水經隔油、氣浮預處理后進入A/O2生化系統，隨后經混凝沉淀處理后出水。原處理量為600 m3/h，生化停留時間25 h。現污水量增加至800 m3/h，且部分設備陳舊，導致出水COD>100 mg/L、氨氮25 mg/L、石油類>4 mg/L，部分指標超出排放標準50%以上。在此背景下開展了復合式生物系統應用于煉油廢水的研究，在不改變原污水處理場構筑物且增加水量的情況下，依靠投加填料使出水滿足排放標準要求。
由于煉油廢水含有電脫鹽、焦化等污水，含油較高，水樣中的油可達100 mg/L以上，最大超過140 mg/L。有研究表明污水中的油<10 mg/L時，對活性污泥性能沖擊很小;油在10~20 mg/L左右時有一定沖擊，但不影響系統正常運行;含油20~30 mg/L左右時有明顯沖擊，系統內的活性污泥需要馴化;油>30 mg/L時系統無法正常運行〔4〕。復合式生物系統中形成的生物膜可不斷吸附水中的石油類物質，最終在固定相形成油包泥，抑制了微生物的生長。
為保證復合式生物系統中微生物的生長環境，研究采用前置排泥技術消除水中溶解油的影響。前置排泥主要特點為：在進水端設置厭氧生物選擇區，剩余污泥在此厭氧區進行排放。后段回流的活性污泥在反應初期對水中的油進行吸附，通過排泥將油帶走，防止油類在生化反應池內富集，有利于改善后段生化反應環境，保證系統穩定運行。
2 試驗用水、填料及設備
2.1 試驗用水
中試進水水樣為該企業污水處理場的預處理出水，其COD在580~779 mg/L，石油類物質為14.1~23.6 mg/L，氨氮為48.4~70.4 mg/L。
2.2 填料
采用卍字形嵌套填料，尺寸為25 mm×25 mm×25 mm(如圖 1所示)，材質為彈性聚氨酯，實密度0.98 g/cm3，可在正常曝氣條件下形成流化。在曝氣氣泡的攪動下，這種填料會呈現出高速旋轉狀態，使填料形成自轉的同時能夠上下翻騰，提高了傳質效果;此外該填料有內凹槽通道，大大增加了比表面積，自轉可使填料不會堆積結塊;在填料高速自轉時，填料死膜在水力沖刷及曝氣攪動作用力下及時脫落，提高了生物的新陳代謝。
圖 1 填料外觀
該填料可直接投加在反應池中，無需支架固定，且對曝氣設備及布氣方式等沒有特殊要求。
2.3 主要設備
試驗裝置采用鋼結構集裝箱，如圖 2所示。
圖 2 試驗裝置
其尺寸按原污水處理場水池比例，兼氧槽尺寸1 500 mm×1 000 mm×3 000 mm，一級好氧槽尺寸2 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，一級沉淀槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm，二級好氧槽、二級沉淀槽與一級尺寸相同，混凝反應槽尺寸1 000 mm×1 000 mm×3 000 mm。槽體有效水深2.4 m，一級好氧槽和二級好氧槽填料填充量為有效水深的30%，即0.75 m。
系統采用接種形式啟動，接種污泥為原污水處理場好氧污泥，其有效菌種接種量為3 g/L。原污水處理場預處理后出水進入兼氧槽，在兼氧槽內進水中的殘余油類被一級沉淀槽的回流污泥吸附形成油包泥，通過排泥去除，消除了油類對微生物的抑制作用，向一、二級好氧槽內分別投加卍字形嵌套填料，在形成的復合生物系統中完成有機物及氨氮的去除，二級好氧槽硝化液100%回流一級好氧槽，最后經混凝、沉淀后出水，混凝沉淀時PAC投加量為30 mg/L。中試流程見圖 3。
圖 3 中試流程
2.4 分析方法
COD采用重鉻酸鹽法(GB 11914-1989)測定;氨氮采用蒸餾滴定法(GB 7478-1987)測定;石油類采用紅外分光光度法(HJ 637-2012)測定。
3 結果與討論
3.1 卍字形填料生物膜的形成
中試研究中，卍字形嵌套填料生物膜的培養與形成是在氣水比(20~30)∶1、水力停留時間8~12 h、系統連續進水條件下完成的，經過12~15 d后發現大量菌膠團已大量出現，生物膜逐漸形成，20 d后生物膜已基本成熟，輪蟲、線蟲等后生動物出現。
相比懸浮填料處理工業廢水時近30 d的成膜時間〔5〕，卍字形嵌套填料的掛膜速度大大提高，與改性PU填料處理生活污水的成膜時間(15 d)相當〔6〕，這是由于卍字形嵌套填料有許多內凹槽，傳質距離比起普通方形填料大為減少，提高了傳質效率，同時4條內凹槽使得生物啟動階段填料可在無碰撞摩擦的狀態下快速掛膜，啟動時間減少;卍字形嵌套填料有內外溝槽，提高了填料表面的粗糙度，可減少流體流動相生物膜中細菌細胞所承受的水力剪切力〔7〕，降低了細胞被沖刷的可能性，也有利于填料的初期掛膜。
3.2 復合式生物系統的除油能力
預處理后的煉油廢水含油仍在14~24 mg/L左右，最大達到30 mg/L。在卍字形填料生物膜形成初期，填料外表面包裹一層油膜，抑制了微生物對氧的吸收，導致生物系統啟動緩慢甚至停滯;重新進水培養時采用前置排泥技術，即將一級沉淀槽排泥回流至兼氧槽，經過污泥的吸附作用將污油截留后排放，消除石油類對微生物的抑制，好氧槽內填料的掛膜速度迅速提升，微生物生長逐漸達到最佳增殖速度。經此處理后一級好氧槽中的油控制在5 mg/L以下，保證了復合式生化系統的良好運行環境。系統出水石油類在2 mg/L左右，最低可達0.98 mg/L。
3.3 運行結果分析
采用該中試裝置考察了不同進水條件下有機污染物和氨氮的去除效果，連續運行15 d以上，采樣頻次為1~2次/d，測定結果如下所述。
(1)COD去除效果。在進水COD為580~779 mg/L時，混凝沉淀槽出水COD均在50 mg/L以下，去除情況見圖 4。如圖 4所示，在復合式系統運行開始的3 d內，系統出水COD與原污水場COD接近(100 mg/L左右)，這可能是因為微生物還未完全適應水質條。隨著來水不斷注入，出水COD逐漸下降，直至穩定在<50 mg/L，COD去除率逐漸提高，基本穩定在90%以上，目前在國內煉油廢水的處理項目中很少做到此去除率。這與復合式生物系統中投加的卍字形填料結構密不可分，相比其他懸浮填料，卍字形嵌套填料的比表面積大，能夠附著更多的微生物，且其內部多條溝槽對有機物的去除能力很強，對培養長泥齡微生物也有很好的效果。經測定，生物系統內污泥質量濃度可達10 000 mg/L，比普通活性污泥法提高2倍以上。投加生物增效菌種同樣可達到提高污泥質量濃度、降低COD的目的〔8〕，但成本相對較高，在污水處理廠的應用范圍有限。
圖 4 復合式生物系統對COD的去除效果
(2)NH3-N去除效果。圖 5為復合式生物系統對NH3-N的去除效果。
圖 5 復合式生物系統對NH3-N的去除效果
由圖 5可知，在復合式系統運行的前5 d，出水氨氮不穩定且在10 mg/L以上，超出標準要求，與COD去除情況類似。當微生物適應來水水質后，系統出水氨氮逐漸穩定在8 mg/L以內，氨氮去除率在88%以上。由此說明投加卍字形生物填料的復合式生物系統對煉油廢水氨氮有良好的去除效果。
(3)其他污染物去除效果。投加卍字形嵌套填料的復合式生物系統除對COD、NH3-N有較好的去除效果外，對其他污染物的去除同樣有效，石油類 < 3 mg/L，揮發酚、硫化物的去除率也在60%以上。具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
4 結論
卍字形嵌套填料具有比表面積大、掛膜快、流化狀態好等特點，對形成的生物膜及活性污泥復合生物系統有良好的有機物及氨氮去除效果。同時采用前置排泥技術也為復合式生物系統的穩定運行提供了良好的水質環境。中試結果表明，填料投加率為30%、水力停留時間為18 h的工況下，當進水COD為 580~779 mg/L、氨氮為 48.4~70.4 mg/L、石油類為 14.1~23.6 mg/L時，出水COD < 50 mg/L、氨氮<8 mg/L、石油類<3 mg/L，對揮發酚及硫化物的去除率也在60%以上。與傳統活性污泥法相比，該系統內污泥質量濃度提高了2倍以上;與普通懸浮填料形成的復合生物系統相比，其處理煉油廢水的停留時間更短，效率更高。該中試研究結果可為煉油污水處理廠的改建提供理論依據和試驗支持。
