厭氧水解與MSBR組合工藝處理以抗生素類制藥為主的混合工業廢水研究

陳建發 （漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建 漳州363000）

劉福權，姚紅照 （福州江陰工業區污水處理廠，福建 福州353000）

陳藝敏，黃慧珍 （漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建 漳州363000）

蔡孝光 （福州江陰工業區污水處理廠，福建 福州353000）

抗生素生產廢水是一類成分復雜、色度高、含多種抑制物質、生物毒性大的高濃度難降解有機廢水，是目前國內外水處理的難點和熱點。目前，該類廢水主要采用物理化學預處理—厭氧 （水解酸化或厭氧消化）—好氧生化—后續物化工藝處理，如UASB＋生物接觸氧化、厭氧濾池＋好氧流化床、厭氧硝化＋活性污泥法等［1－2］，以及光催化氧化法和Fenton試劑法等。由于這些方法存在著投資和處理成本高、廢水處理達標率較低等缺點，因此在工程應用中受到限制［3］。

污水處理工藝的選擇決定了污水處理的最終出水水質、運營管理難度和處理成本。MSBR （即改進型SBR）是SBR技術結合傳統活性污泥法技術開發出的一種更為理想的污水處理技術，被認為是目前世界上最新、集約化程度最高的污水處理工藝。目前MSBR工藝主要應用在城鎮生活污水處理領域，對工業廢水處理效果少見報道，特別是對抗生素為主的混合工業廢水尚未見報道。抗生素生產廢水處理是目前國內外水處理的難點和熱點，MSBR工藝能否應用于抗生素生產廢水處理將為抗生素生產廢水處理提供新途徑。

本研究以某工業區二級污水處理廠為例，首次在國內采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理以抗生素為主的混合工業廢水。目前，該工業區累計簽訂入區企業72家、合同項目74項，總投資250.87億元。區內某抗菌素廠主要產品有硫酸粘桿菌素、硫酸西索米星、硫酸奈替米星、硫酸阿米卡星、利福平、琥乙紅霉素、丙古二肽、帕司異煙肼等8個品種；另一抗生素廠主要生產鹽酸金霉素及硫酸慶大霉素等，均通過發酵制藥，2家企業生產廢水占該工業區目前工業廢水約80%，其特點為CODCr含量較高，水量變化較大，BOD5／CODCr比低，廢水難生物降解。

1 試驗方案

1.1 設計標準

采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理該污水廠以抗生素為主的混合工業廢水，廢水處理達標后通過管道深海排放，出水水質執行GB 8978－1996《污水綜合排放標準》的二級排放標準。設計進水、出水水質見表1。一期設計處理水量為20000t／d。

表1 設計進、出水水質

1.2 工藝流程與原理

MSBR法的反應器由3個主要部分組成，即曝氣格和2個交替序批處理格。主曝氣格在整個運行周期過程中保持連續曝氣，而每半個周期過程中，2個序批處理格交替分別作為SBR池和沉淀池。實際上MSBR是由A／A／O工藝和SBR工藝串聯而成，它既不需要初沉池和二沉池，又能在反應器全充滿并在恒定液位下連續進水運行［4－5］。

本研究采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理以抗生素為主的混合工業廢水，其工藝流程如圖1所示。

圖1 廢水處理工藝流程

調節池前設置人工粗格柵、轉鼓式格柵和曝氣沉砂池各1道，相應去除廢水中較大顆粒的懸浮物、細小顆粒和砂粒，防止堵塞后續處理裝置及管道并保護水泵機組不受磨損。柵渣由齒耙刮送至柵渣箱中，定期清理外運。廢水經格柵、沉砂后匯入初沉池。初沉池的主要功能是初沉的作用，去除部分CODcr和懸浮物等；同時起到一定程度的調節水質水量，為后續厭氧水解、MSBR生化處理創造良好的進水條件，少受廢水水質、水量波動的影響等。廢水從初沉池出來后，進入厭氧水解池，把大分子、難降解有機物降解為小分子、易降解有機物，提高廢水的可生化性。廢水從厭氧水解池出來后，進入核心構筑物MSBR池，MSBR池分別利用厭氧、缺氧、好氧、沉淀、污泥濃縮等過程，充分利用不同形態的氧作為電子受體，通過硝化與反硝化和厭氧釋放磷及好氧吸收磷等多種代謝途徑，以使有機物降解、脫氮除磷及懸浮物的去除達到較好的效果；MSBR系統可以維持較高的污泥濃度，同時排除出的剩余污泥含水率也相對較低，有利于污泥的后續處理；連續進水可極大地改善系統承受水力沖擊負荷和有機物沖擊負荷的能力。廢水從MSBR池出來后，進入絮凝沉淀池，在絮凝劑和助凝劑的作用下，化學除磷及進一步去除CODcr、懸浮物和氨氮等；最后，出水經現場制備二氧化氯消毒達標排放。厭氧水解池、MSBR池均設置自身泥水分離設施和強大的污泥內回流系統，根據混合液懸浮固體濃度 （MLSS）和混合液揮發性懸浮固體濃度 （MLVSS）確定回流比；由于厭氧水解池、MSBR池的剩余污泥和絮凝沉淀池的污泥含水率較高，均泵送至初沉池前端，經初沉池的沉淀作用，通過刮吸泥機得到含水率較低的污泥，再泵送至污泥濃縮池以備后續壓泥。

1.3 主要構筑物及設備選型

（1）粗格柵渠與進水泵房 采用半地下式鋼砼結構，設置機械粗格柵2臺。設計流量：Q＝833 m3／h；粗格柵渠尺寸：L×B×H＝8.0m×3.5m×7.5m，機械粗格柵為不銹鋼材質，柵條間距：20mm；尺寸：1.0m×5.0m。水泵的工作由調節池中水位自動控制。進水泵房尺寸：L×B×H＝8.0m×9.0m×9.0m，污水提升泵型號 SOWDQ10－10－3.75；電機功率：3.75kW；揚程：15m：流量：450m3／h；數量3臺 （2用1備）。

（2）轉筒式格柵及旋流沉砂池 采用地上鋼砼結構，設置轉筒式細格柵1臺。旋流沉砂池：Φ3050mm，H＝3.5m。

（3）調節池 調節池為半地下式鋼砼結構，尺寸L×B×H＝37.4m×18.6m×5.5m；有效容積為4000m3（HRT為4h，有效水深5m）。

（4）厭氧水解池 厭氧水解反應池和泥水分離池中設置有穿孔導流墻。采用半地下式鋼砼結構，設計流量為833m3／h；HRT為19h；反應池尺寸：66.2m×48.3m×6.9m；有效水深：6.4m；運行周期：15.0h。

（5）MSBR池 MSBR系統包括7個單元，7個單元組合成1座矩形池，單座池設計規模2×104m3／d，尺寸82m×51m×5.8m，如圖2所示，它由回流污泥濃縮池 （3＃單元）、缺氧池 （4＃單元）、厭氧池 （5＃單元）、缺氧 （6＃單元）、好氧池 （1＃單元）、2個SBR池 （2＃單元、7＃單元）組成。污泥質量濃度3000m3／L；BOD5污泥負荷：Nv＝0.15kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）（按進出水最高濃度計）；單座MSBR系統水力停留時間HRT＝20h。各單元具體分配詳見表2。曝氣系統采用水下微孔曝氣膜曝氣方式，羅茨鼓風機3臺，型號為AR－35－65；供氣量為120m3／h，P＝34.3kPa，功率為2.2kW。

圖2 MSBR系統平面布置示意圖

（6）絮凝沉淀池 為地下式鋼砼結構，尺寸L×B×H＝29m×13m×5.1m；有 效 容 積 為60m3（HRT 為1.5h，有效水深4.4m）。

（7）消毒池 為地下式鋼砼密閉結構，尺寸為L×B×H＝10.8m×2.8m×2.0m。

2 運行效果及達標情況

2.1 運行效果

表2 MSBR池系統各單元容積及水力停留時間

該污水廠2011年1～12月出水水質檢測結果見表3。從表3可看出，進水CODCr、NH3－N含量、TP等水質指標有些時間超過設計值，但出水水質較穩定且優于設計值。

表3 2011年1月～12月進水、出水水質檢測結果

2.2 達標情況

該污水廠投產運行2年多以來，運行正常，出水水質優于設計水質，完全達到GB8978－1996《污水綜合排放標準》中的二級標準要求，部分指標還達到一級標準要求。

3 結論與討論

3.1 結論

采用 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝處理不僅能處理以抗生素類制藥生產廢水為主的混合工業廢水，而且能取得很好的處理效果，為難生物降解的混合工業廢水的處理提供了新途徑。工程運營表明最終出水CODCr的質量濃度為110mg／L，CODCr平均去除率75.17%；NH3－N的質量濃度為2.20mg／L，NH3－N平均去除率90.27%；TP的質量濃度為0.62mg／L，TP平均去除率89.05%，出水水質均達到GB8978－1996的二級排放標準。該工藝結構簡單，連續高效，運行成本較低，處理效果好，即使低溫情況下仍具有較好的處理能力，具有明顯的經濟效益、環境效益和社會效益。

3.2 討論

MSBR技術已在國內外多個污水處理廠應用，實踐表明MSBR是一種可連續進水、高效的污水處理工藝，結構簡單，池體容積小，單池多格，易于實現計算機自動控制。在較低的投資和運行費用下，能有效地去除含高濃度CODCr、BOD5、氨氮和總磷的污水。總之，MSBR系統在低MLSS、低HRT和低溫情況 （即使在嚴寒條件下造成一些冰凍問題）下，具有優異的處理能力［6－8］。

新型的活性污泥處理工藝 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝，與傳統的SBR工藝以及A／A／O工藝比較，具有如下優點。

（1）工藝穩定性 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，厭氧水解池起到了水量調節和防止進水水質波動及超標進水對出水水質的影響，特別是在處理高濃度工業廢水時，厭氧水解池連續推流加強了系統對難降解有機物的降解，提高了廢水的可生化性，相對縮短了運行周期，提高了處理效率；另外，厭氧水解池也使整個系統更接近了完全混合式，更有利于消除高濃度工業廢水中CODcr濃度過高積累或毒性物質而帶來的不良影響。在SBR反應池中易產生污泥膨脹的絲狀菌因反應條件厭氧、缺氧、好氧的不斷循環變化而得到有效抑制［9］。

傳統SBR工藝中，連續進水時，需要較大的調節池，對水量水質變化的適應性較強，可以根據水量變化調整運行周期中各個工序的運行時間、反應器內混合液容積的變化及運行狀態，靈活性較強，運行較可靠，效果較穩定［9－10］。

A／A／O工藝很難同時取得很好的脫氮除磷效果，主要是因為該工藝的回流污泥全部進入厭氧階段，而回流污泥中大量的硝酸鹽被帶回厭氧池，反硝化菌會以有機物先進行反硝化，脫氮完全后進而開始磷的厭氧釋放，導致厭氧段磷的釋放的有效容積減少，使得除磷效果較差，脫氮效果較好；相反，好氧段的硝化作用不好，則隨回流污泥進入厭氧段的硝酸鹽減少，磷能充分地厭氧釋放，則除磷效果好，脫氮效果較差［9－10］。

（2）設備利用率 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，對于曝氣池和二沉池合建的廢水處理構筑物來說，在保證泥水分離效果前提下，盡可能提高曝氣容積比，與傳統SBR法及其他變型方法來比，主曝氣池連續曝氣，使該工藝的曝氣容積比更高，有效提高曝氣裝置的利用率，鼓風機的額定風量和功率也相應減少。主曝氣池連續進水，無需順序進水的閘閥及自控裝置。而傳統SBR工藝中，設備的閑置率較高，進水和排水的閥門自動切換頻繁，設備故障率較高，增加維修工作量。A／A／O工藝中，反應器單元較多，設備利用率相對較低。

（3）系統的靈活性 “厭氧水解＋MSBR”組合工藝中，可根據進出水的水量、水質變化來調整厭氧水解池的運行狀態和MSBR池的運轉周期，使之處于最佳工況，同時也可根據脫氮除磷要求，調整曝氣時間和曝氣強度，創造厭氧或缺氧環境。

傳統SBR工藝脫氮除磷需延長周期，增加攪拌。A／A／O工藝對水質、水量的變化適應性則較差。

（4）工程投資 MSBR系統借助大流量低揚程過墻式回流泵、浮筒攪拌器及空氣堰等設備，使各處理功能區可以有機組合在一起，配上自控系統，各反應區域相互協調，功能上相互促進，使靈活、集約化的設計理念得以實現。MSBR采用單池多格方式，集合了傳統活性污泥法和SBR技術的優點，不但實現連續進出水，還省去了多池工藝所需要的更多的泵、連接管和閥門，自動化程度較高。整體結構緊湊簡單，土建投資比其他2種工藝小，管線、設備也較之其他2種工藝少。

綜合考慮投資和運行管理成本，根據在滿足達標排放的前提下盡可能降低投資成本和運行成本的原則，對比以上比選，“厭氧水解＋MSBR”組合工藝比傳統的SBR工藝以及A／A／O工藝有明顯的技術、成本的優勢。

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