沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究

蔡 軍，陳 勇，笪 靖，李玉東

(鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212003)

沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究

蔡 軍，陳 勇，笪 靖，李玉東

(鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212003)

采用間歇運行的沸石曝氣生物濾池（ZBAF）處理模擬船舶生活污水，研究表明，ZBAF對污水溫度、pH、船舶傾斜與搖晃、污水水質波動等具有較好的適應性；在水力停留時間HRT=1.5 h，溫度T=30 ℃，pH=7，曝氣量Q=0.16 L/min，當進水化學需氧量COD=798.86 mg/L，氨氮NH3-N=56.45 mg/L，出水COD=48.81 mg/L，NH3-N=14.78 mg/L，去除率分別為93.94%和73.82%；裝置承受的最大進水COD=1 361 mg/L；研究發現反沖洗能明顯改善出水水質。實踐證明，在WCBMBR裝置中，將沸石曝氣生物濾池（ZBAF）取代生物接觸氧化柜具有明顯優勢。

沸石；曝氣生物濾池；船舶生活污水；COD；NH3-N

0 引 言

船舶生活污水主要指船舶廁所的糞便沖洗水，具有水質濃度高，水質水量波動性大等特點，這要求船舶生活污水處理系統具有高效的處理能力、抗沖擊負荷的能力，對船舶運動的動力效應及惡劣的機艙環境，具有較好的適應性[1]。目前主流的船舶生活污水處理裝置采用生物處理法，又以生物接觸氧化法為典型。在技術研究上，陳志莉等[2]采用生物接觸氧化法處理模擬船舶生活污水中試，在進水平均水質COD=560～650 mg/L，NH3-N=25～40 mg/L，HRT=3.5 h，出水水質符合我國及MEPC.107（49）排放標準；在裝置上，WCMBR裝置采用序批式生物接觸氧化法+膜組件，出水水質符合IMO.MEPC 159（55）排放要求[3]。

生物接觸氧化法利用附著生物膜或懸浮污泥將污水COD，BOD，TSS等污染物有效去除，生物接觸氧化裝置中含有一定量的懸浮污泥，一方面易于引起后繼膜組件膜污染，頻繁反沖洗或清洗，影響膜的使用壽命；另一方面污泥的回流和排放系統，增加了維護管理及污泥的處理壓力大。相對于生物接觸氧化法，曝氣生物濾池有以下優勢：1）通過濾料的截留作用，出水含泥量少，緩解后繼泥水分離和污泥處理壓力；2）結構簡單，不需要污泥的回流，減輕維護管理工作量；3）選用強吸附性濾料，有利于強化有機物和氮去除性能。能否用曝氣生物濾池替換WCMBR中生物接觸氧化柜，基于該問題，本文提出用曝氣生物濾池處理處理模擬船舶生活污水。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置采用實驗室構建的多層曝氣生物濾池，如圖1直徑50 cmm，高300 mm，有效容積0.4 L；填料為沸石，分3層布置以利于生物沸石、污水、氧充分接觸；頂部進水，底部曝氣；管1#作為反沖洗進水管、排水管、取樣管、放空管，管2#作為反沖洗出水管；間歇運行。

1.2 進水水質

進水采用由NH4Cl，K2HPO4，NaH2PO4，MgSO4等試劑按比例溶于自來水配制而成，NH3-N=40～60 mg/L并用葡萄糖調節COD=150～2 100 mg/L，模擬廢水的pH約8.5。

1.3 濾料

濾料采用經鹽酸、硫酸、NaCl改性處理的40目沸石。沸石具有特殊的晶體結構，孔隙率高、比表面大、離子交換能力強、吸附能力大，是微生物附著生長的良好載體，沸石生物膜已被廣泛應用于生活污水、工業廢水處理及污水脫氮除磷中[4 – 9]，但用于處理船舶生活污水的報道并不多。

1.4 分析方法

COD：采用密封消解分光光度法；NH3-N：納氏試劑分光光度法。

1.5 曝氣生物濾池的掛膜培養

接種污泥來源于鎮江市某城市污水處理廠曝氣池污泥。在反應器中加入活性污泥，COD=1 500 mg/L、NH3-N=42 mg/L的模擬船舶生活污水，曝氣，每24 h沉淀后排出上清液，重新補充COD=1 500 mg/L的模擬船舶生活污水。3 d后，排出污泥，低COD進水，并逐漸提高進水COD（150～400 mg/L），維持NH3-N=42 mg/L，HRT=6 h，過量曝氣，T=30 ℃，pH=8.5左右，間歇運行10個周期后，沸石表面顏色加深，反應器內壁肉眼可見大量絮狀體附著，當進水COD=376.57 mg/L，NH3-N=42 mg/L，出水COD=55.53 mg/L，NH3-N=5.53 mg/L，兩者去除率分別為85.28%和86.83%，至此掛膜培養完成。繼續運行數個周期，開展實驗。

2 結果與討論

2.1 HRT的確定

進水COD=390.86 mg/L，NH3-N=56.74 mg/L，過量曝氣，T=30 ℃，pH=8.5，間歇取樣分析。由圖2可見，反應初期，由于較高的底物濃度和沸石高效的吸附性能，COD和NH3-N去除速率較快；隨著反應的進行，底物濃度的降低，兩者的去除速率逐漸降低（COD尤為明顯）；反應180 min，兩者去除率達94.56%和87.63%。以COD為主要去除對象，結合NH3-N的處理效果，初步確定反應體系HRT=1.5 h。由于硝化細菌為自養細菌，世代周期長，在ZBAF生態系統中，硝化細菌不占優勢，尤其在低HRT（1.5 h）的情況下去除效果欠佳（69.01%）。

2.2 溫度對COD，NH3-N去除的影響

進水COD=379.42 mg/L，NH3-N=62.20 mg/L，過量曝氣，pH=8.5，HRT=1.5 h，T=20～50 ℃。由圖3可見，沸石曝氣生物濾池對溫度具有較好的適應性，即能適應船舶機艙溫度的波動。在20 ℃～50 ℃，COD和NH3-N去除率先增大后降低，最佳運行溫度為分別為40 ℃左右（COD去除率94.81%）和30 ℃左右（NH3-N去除率71.99%）。考慮實船運行能耗問題，船舶污水溫度，結合COD和NH3-N去除效果，后繼運行T=30 ℃。

2.3 pH對COD，NH3-N去除的影響

進水COD=382.29 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，過量曝氣，HRT=1.5 h，T=30 ℃，控制pH=5～10。由圖4可見，沸石曝氣生物濾池對pH適應范圍較廣，pH=5～10，COD和NH3-N去除率分別維持在91%和61%以上（pH=7～9，NH3-N去除率＞68%），兩者都有先上升后下降的趨勢，最佳pH為8左右，去除率分別為95.96%和71.68%。考慮堿性環境對船舶設備的腐蝕性，結合COD和NH3-N去除效果，后繼運行pH=7。

2.4 曝氣量對COD，NH3-N去除的影響

進水COD=379.42 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，pH=7，HRT=1.5 h，T=30 ℃，Q=0.08～0.6 L/min。由圖5可見，Q=0.08～0.6 L/min，隨曝氣量的變化，COD和NH3-N去除率先增大后降低，COD和NH3-N的最佳曝氣量為0.16 L/min和0.4 L/min，去除率分別為95.77%和72.23%。根據雙膜理論[10]，有限地提高曝氣量，有利于提高生物膜內溶解氧濃度，相應提高好氧微生物的活性及生物降解速率；曝氣量過大，受氧的平衡溶解度限制，溶解氧不再增加，過強的湍流反而造成溶解氧的解析與生物膜的脫落，導致出水水質降低。從經濟性出發，結合COD和NH3-N去除效果，本實驗最佳曝氣量Q=0.16 L/min。

2.5 底物COD濃度對COD去除的影響及進出水底物濃度相關性

COD是船舶生活污水重要的有機指標之一，其進水底物濃度也是影響COD去除的重要因素，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，維持進水NH3-N=51.24 mg/L，調節進水COD濃度，探討進水底物濃度對COD去除的影響。由圖6可見，反應器對底物COD濃度具有較好的抗沖擊負荷的能力，COD=364.57～2 068.57 mg/L，去除率維持在90%以上，隨著底進物濃度（S0）的增加，出水COD（Se）增加，且S0與Se近乎呈線性關系（R2=0.982 3）。

根據IMO.MEPC227（64）決議，船舶生活污水排放標準COD≤125 mg/L，以Se=125 mg/L計，則S0=1 560.86 mg/L，即當進水COD≤1 561 mg/L，能保證出水COD≤125 mg/L。

關于生物膜反應器中進出水底物的相關性，劉雨提出S0-Se模型[11]：

式中：Soc為臨界進水底物濃度，即理論最大進水底物濃度（mg/L）；Sen為生活污水中非生物降解的底物濃度（mg/L），污水由葡萄糖配制，故Sen=0；K為濃度系數。對式（1）兩邊取倒數，得

用該模型擬合1/S0–1/Se關系如圖7，其中K=28.90，Soc=1 573.80 mg/L。

從排放標準和S0-Se模型綜合考慮，該反應器的最大進水COD濃度設置為1 361 mg/L。當進水COD高于此值時，可通過增加停留時間，以保證出水COD達標排放。

2.6 反沖洗對COD、NH3-N去除的影響

進水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，曝氣量Q=0.16 L/min，研究反沖洗對出水水質的影響。由圖8可見，反沖洗后出水水質有較大改善，COD，NH3-N去除率分別由沖洗前（0周期）的94.49%和60.28%上升至98.78%和78.48%，且隨著運行周期的增加（1～4周期），去除率逐漸降低。由此可見，當出水水質惡化時，反沖洗是改善水質的又一有效途徑。

2.7 反應動力學

在當進水COD=720 mg/L，NH3-N=52 mg/L，T=30 ℃，pH=7，Q=0.16 L/min，間歇取樣檢測反應系統中COD，NH3-N值，研究反應動力學。濾池中COD的去除可表示為[12, 13]：

式中：C為COD或NH3-N的濃度（mg/L）；k為反應速率常數；Cx為微生物的濃度（mg/L）；α為COD或NH3-N的反應級數；β為微生物的反應級數。

得：

2.8 船舶適應性研究

進水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，反沖洗后，研究船舶在傾斜（30°）、擺動（隨機）對出水COD的影響。由圖10可見，在傾斜和搖擺情況下，COD和NH3-N去除率略有下降（搖擺略好于傾斜），仍維持在96%，68%以上，可見ZBAF對船舶環境具有較好的適應性，能在任何平面上傾斜22.5°仍能運行的要求。系統處于平穩狀態時，濾池內部氣流分布較為均勻，氣、液相及填料內生物膜的氧的傳質較為穩定；當系統發生傾斜時，由于氣流的上升作用，氣流偏于一側，導致局部位置供氧不足，出水水質降低；當系統處于劇烈的搖擺狀態時，一方面氣水湍流促進了氧的溶解和均勻分布，另一方面較強的湍流加劇了氧的解析和生物膜的脫落，出水水質略有降低。

3 結 語

用間歇運行的沸石曝氣生物濾池處理船舶生活污水的研究表明：

1）ZBAF對COD和NH3-N有較好的去除能力，在HRT=1.5 h，T=30 ℃，pH=7，Q=0.18 L/min，進水COD=798.86 mg/L，NH3-N=56.45 mg/L，出水水質COD=48.41 mg/L，NH3-N=14.78 mg/L，兩者去除率分別為93.94%和73.82%，且反沖洗能有效的改善水質。

2）從排放標準和S0-Se模型綜合考慮，裝置進水最大COD濃度約為1 361 mg/L；裝置中COD，NH3-N的去除反應符合一級動力學方程。

3）對船舶環境具有較好的適應性，船舶發生傾斜、搖晃，出水水質略有下降，且搖擺略好于傾斜。

4）與陳志莉等[2]運行的生物接觸氧化法處理模擬船舶生活污水的數據對比表明，沸石曝氣生物濾池（HRT=1.5 h）對COD的去除效果遠優于生物接觸氧化裝置（HRT=3.5 h），且抗沖擊負荷強；但由于HRT短（1.5 h），濾池對NH3-N的處理受到影響（最高去除率為78%），研究也發現適當增加HRT可明顯改善NH3-N去除效果。綜上所述，在WCBMBR裝置中將沸石曝氣生物濾池取代生物接觸氧化柜具有可行性。

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Research on treatment of ship domestic sewage by using ZBAF

CAI Jun, CHEN Yong, DA Jing, LI Yu-dong
(Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China)

The zeolite biological aerated filter (ZBAF) that is a sequencing batch reactor is used to treat ship simulated domestic sewage.The experimental results show that ZBAF is suitable for temperature variation and pH variation and ship tilt and ship shaking and sewage water quality variation. Under the condition:HRT=1.5 h,T=30 , pH=7,Q=0.16 L/min, when the influent concentration for COD and NH3-N is 789.86 mg/L and 56.45 mg/L, the effluent concentration for COD and NH3-N is 48.81 mg/L and 14.78 mg/L, with the removal rate 93.94% and 73.82% respectively. The maximum concentration of COD that ZBAF can withstand is 1 361 mg/L. Study also finds that back wash could obviously improve the effluent water quality. Practice proves that ZBAF has the obvious advantage to replace the biological contact oxidation tank in the WCBMBR device.

zeolite；biological aerated filter；ship domestic sewage；COD；NH3-N

X736.3

A

1672 – 7649(2017)09 – 0179 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.036

2016 – 08 – 25；

2016 – 10 – 19

蔡軍(1980 – )，男，博士研究生，講師，主要從事水域環境保護和船舶輔助設備的教學與研究。