粉末活性炭膜生物反應(yīng)器深度處理印染廢水的中試

劉魯建，董 俊，張嵐欣*，王 威，熊 蔚，曹斌強(qiáng)，張雙峰

(1.湖北君集水處理有限公司，湖北 武漢430065；2.湖北省污水資源化工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430065)

隨著社會的發(fā)展與工業(yè)化進(jìn)程的加快，印染工業(yè)園區(qū)數(shù)量大規(guī)模增加，印染行業(yè)所排放的有機(jī)廢水量與日俱增，印染廢水具有污染物含量高、色度大、毒性大、難以生物降解等特性，對周邊水體環(huán)境及居民健康造成了巨大的危害[1-3]。針對印染廢水的特性，常用的處理工藝有吸附法、高級氧化法、膜分離法、生物降解法等。粉末活性炭作為一種良好的吸附劑，價格低廉、易獲得、反應(yīng)迅速且對CODCr、色度去除率較高；高級氧化法對CODCr、色度去除效果好，但加藥量較大、污泥量大且處置困難[4]；膜分離法可去除絕大部分有機(jī)污染物，但其投資及運(yùn)行費(fèi)用較高；生物降解法較為成熟，但污染物去除率較低，對于毒性較大的廢水無法完全降解。對于成分復(fù)雜的印染廢水，采用單一工藝無法獲得對所有指標(biāo)均良好的去除效果[5]。研究表明，膜分離法與粉末活性炭吸附組合工藝具有較好的應(yīng)用前景，在組合反應(yīng)器內(nèi)集粉末活性炭吸附、生物活性炭吸附、微生物降解、曝氣增氧、膜分離等多種功能為一體[6]，對CODCr、氨氮、色度、濁度等去除效果顯著。因此，作者以浙江省某印染工業(yè)園區(qū)排放的印染廢水為研究對象，采用粉末活性炭吸附與超濾膜分離有機(jī)結(jié)合的工藝——粉末活性炭膜生物反應(yīng)器(CUF)進(jìn)行印染廢水處理中試，考察出水的污染物去除情況以及膜組件的污染趨勢，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原水水質(zhì)、材料與設(shè)備

中試工程地點(diǎn)位于浙江省某印染工業(yè)園區(qū)內(nèi)，以工業(yè)園區(qū)原污水處理系統(tǒng)氣浮池出水為原水，主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 原水水質(zhì)

粉末活性炭，碘值>900 mg·g-1、亞甲基藍(lán)吸附值≥100 mg·g-1、比表面積>1 200 m2·g-1、水分≤8%。

粉末活性炭膜生物反應(yīng)器(CUF)，華清膜公司。采用浸沒式超濾膜組件，過濾精度為0.01～0.05 μm，膜產(chǎn)水通量為15～25 L·m-2·h-1，截留分子量為10 000～60 000，材質(zhì)為聚砜(PS，能有效截留水中細(xì)菌、膠體微粒、蛋白質(zhì)、大分子有機(jī)物等)，運(yùn)行時超濾膜曝氣量為0.4～0.6 m3·m-2·min-1,反沖洗頻率為每20 min 1次，每周期反沖洗時間為15 s，反沖洗壓力為0.045 MPa。

1.2 設(shè)計出水水質(zhì)

中試工程設(shè)計出水水質(zhì)應(yīng)滿足GB 4287-2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中表3規(guī)定的特別排放限值，主要出水水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 設(shè)計出水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 工藝流程(圖1)

圖1 中試工藝流程Fig.1 Process flow of pilot experiment

中試工程處理水量為200 m3·d-1。氣浮池出水首先進(jìn)入炭水預(yù)混合池，與炭漿進(jìn)行炭水預(yù)混合，起初步吸附的作用，以降低后續(xù)膜分離池的污染物濃度；隨后炭水混合物進(jìn)入浸沒式超濾膜分離池，膜池內(nèi)定期補(bǔ)充一定量的再生粉末活性炭，在膜池內(nèi)形成高濃度炭漿，有效吸附水中污染物,去除CODCr、色度，膜池內(nèi)置浸沒式超濾膜裝置對水中粉末活性炭及懸浮物、膠體顆粒進(jìn)行截留，出水透過超濾膜排出。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10 d，每日取樣檢測各水質(zhì)指標(biāo)。

1.4 檢測指標(biāo)和方法

中試過程中定期檢測CODCr、色度、懸浮物濃度，不定期檢測氨氮、總氮、總磷濃度，計算相應(yīng)指標(biāo)的去除率。

CODCr濃度采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定；色度采用稀釋倍數(shù)法測定；懸浮物濃度采用重量法測定；氨氮濃度采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定；總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；總氮濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 CUF對CODCr的去除效果(圖2)

由圖2可知，進(jìn)水CODCr濃度波動范圍為110～150 mg·L-1，出水CODCr濃度范圍穩(wěn)定在39～55 mg·L-1，CODCr去除率為55%～68%。對于較低污染物濃度的進(jìn)水而言，采用超聲波活性炭法吸附，CODCr去除率最高僅為55%；采用超濾膜法，CODCr去除率最高僅為53%[8]；采用微電解-曝氣法，CODCr去除率僅為45%左右[9]；采用O3/H2O2工藝，CODCr去除率僅為49%[10]。與上述單一工藝或組合工藝相比，CUF工藝對CODCr去除率更高，出水CODCr可100%穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖2 CUF對CODCr的去除效果Fig.2 Removal effect of CODCr by CUF

2.2 CUF對色度的去除效果(圖3)

由圖3可知，進(jìn)水色度波動范圍為50～65，出水色度范圍穩(wěn)定在4～10，色度去除率為80%～92%。印染廢水中主要的顯色物質(zhì)為有機(jī)色素、有色金屬離子等，某些酸性色素如品紅溶液，降低pH值可增加活性炭表面正電點(diǎn)位的正電性和數(shù)目，促進(jìn)活性炭吸附；如焦糖色素中大分子結(jié)構(gòu)的顯色物質(zhì)較多，更適宜用孔徑較大的活性炭吸附[11]；活性炭對金屬離子的吸附屬于物理吸附和化學(xué)吸附并存，pH值的增大有助于色度去除率的提高，但過大的pH值會導(dǎo)致金屬氫氧化物沉淀的生成[12]，控制適宜的pH值可有效提高色度去除率。因此，粉末活性炭吸附可表現(xiàn)出優(yōu)異的色度去除性能。對于色度較深的印染廢水，采用生物降解法，色度去除率最高僅能達(dá)到50%～60%[13]。與之相比，CUF工藝對色度去除率更高，基本上可去除絕大部分顯色物質(zhì)，出水色度可100%穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖3 CUF對色度的去除效果Fig.3 Removal effect of chromaticity by CUF

2.3 CUF對懸浮物的去除效果(圖4)

由圖4可知，進(jìn)水懸浮物濃度波動范圍為30～68 mg·L-1，出水懸浮物濃度范圍穩(wěn)定在4～9 mg·L-1，懸浮物去除率為74%～92%。對于懸浮物濃度較高的進(jìn)水，采用超濾膜能有效去除膠體及懸浮物[14]。采用超濾膜與粉末活性炭組合工藝更能有效提高出水水質(zhì)[15]，在吸附去除CODCr及色度的同時，還可獲得較高的懸浮物去除率。經(jīng)CUF工藝處理后，出水懸浮物可100%穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖4 CUF對懸浮物的去除效果Fig.4 Removal effect of suspended substance by CUF

2.4 CUF對其它指標(biāo)的去除效果

中試系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行期間，同時對氨氮、總氮、總磷指標(biāo)進(jìn)行了不定期的取樣檢測。結(jié)果顯示，CUF對氨氮、總氮、總磷的去除率分別為75%～80%、3%～9%、25%～50%。分析原因?yàn)椋珻UF內(nèi)大量曝氣的好氧環(huán)境有利于氨氮的深度降解，但同時缺乏反硝化需要的缺氧環(huán)境，導(dǎo)致總氮去除率極低；通過反應(yīng)器內(nèi)超濾膜的過濾作用可截留部分含磷絮體，從而降低總磷濃度。

2.5 成本分析

中試系統(tǒng)主要投加的藥劑為粉末活性炭，投加量為400～500 mg·L-1。考慮到經(jīng)濟(jì)性，所使用的粉末活性炭采用新炭和再生炭相結(jié)合的方式。中試期間累計用炭量為810 kg，折算藥劑成本為1.16元·m-3；中試期間累計用電量為423 kW·h，折算電費(fèi)成本為0.19 元·m-3；中試工程直接運(yùn)行成本為1.35元·m-3，隨著處理規(guī)模的擴(kuò)大，運(yùn)行成本將會更低。相較于采用高級氧化法去除CODCr及色度的工程而言，選用CUF工藝藥劑費(fèi)用可節(jié)省30%～35%[16]，對于有迫切提標(biāo)需要的印染工業(yè)園區(qū)，CUF深度處理印染廢水在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

2.6 存在的問題及解決方案

(1)由于反應(yīng)器中投加了高濃度的粉末活性炭，長期連續(xù)運(yùn)行時，如炭粉出現(xiàn)沉積，可能會導(dǎo)致超濾膜組件堵塞。建議加大曝氣量，確保曝氣量0.4～0.6 m3·m-2·min-1，利用水流擾動沖刷膜絲表面，避免形成濃差極化。

(2)中試工程對總氮的去除效果不明顯，原因在于CUF內(nèi)為大量曝氣的好氧環(huán)境，無法實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮。建議在有總氮脫除需要的工程項(xiàng)目中，CUF工藝之后再增加反硝化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)污水各指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(3)中試工程藥劑成本雖然比高級氧化法有所降低，但活性炭的使用量較大，費(fèi)用依然較高。建議對于大規(guī)模的深度處理工程，同時啟用活性炭再生系統(tǒng)，可大大降低活性炭的使用成本，從而降低運(yùn)行成本。

3 結(jié)論

采用將粉末活性炭吸附與超濾膜分離有機(jī)結(jié)合的粉末活性炭膜生物反應(yīng)器工藝，能有效去除印染廢水污染物，降低CODCr、色度及懸浮物濃度，對于氨氮和總磷也有一定的去除效果。在粉末活性炭投加量為400～500 mg·L-1的條件下，CODCr、色度、懸浮物去除率分別達(dá)到了55%～68%、80%～92%、74%～92%，出水水質(zhì)可滿足GB 4287-2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中表3規(guī)定的特別排放限值。中試工程直接運(yùn)行成本為1.35元·m-3，對于有迫切提標(biāo)需要的印染工業(yè)園區(qū)，采用粉末活性炭膜生物反應(yīng)器深度處理印染廢水在經(jīng)濟(jì)上是可行的。