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一270·化工2995年第15卷粉末活性炭一生物处理技术机理与应用文一波化工部(北京市规划院100013)粉末活性炭一生物处理技术是众多废水处理方法中行之有效的方法之一。本文分别用活性污泥强化、生物再生和代谢终产物吸附三种作用机理对工艺进行了阐述,同时对目前国外这一技术的研究与应用进行了较系统的介绍,并对该工艺的经济技术性能进行了一定的说明。1前言随着工业生产的不断发展,水环境污染日趋严重。尽管目前很多工厂都采用了传统的二级处理方法,但是有些废水如染料、农药及焦化废水等,由于其生物毒性大,可生化性较差,往往处理效果不很理想,处理后出水达不到国家排放标准。而且有些废水即使其处理出水的coD、BoD等指标达到了国家排放标准,但出水中却残留着难降解、致癌和致突变物1992年3月2魂日收稿荷小于某一数值且氨氮负荷也不过高时,硝化过程可以进行得比较彻底。对于缺氧反硝化池,进水BOD。/TKN4,硝酸盐氮负荷也不过高时,反硝化过程可以进行得较彻底。4.3回流比R在反硝化一硝化过程中的作用当曝气池BOD。负荷、污泥浓度和泥龄、温度和pH及曝’气池内溶解氧等都处于硝化过程非常有利的条件时,刀,、,:及Bon。去除率均较高。这时,出水氨氮主要受硝化混合液的回流比R大小所影响。另外,兼性厌氧反硝化菌是在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体,有机碳作为电子供体,在脱氮的同时氧化分解了废水中大量的有机物。所以,反硝化可使用于氨氮氧化的氧得以部分“回收”(理论最大收率为62.5%),而回流是内碳源前反硝化A/O流程中向反硝化池内提供硝酸盐的唯一途径,故R的大小是A/O脱氮过程的关键因素之一。随着回流比R的增加,氮污染物的去除率有相应的增加,回流至反硝化池内的硝酸盐量也增加,相应地增强了缺氧池内有机物的降解能力,减轻了好氧池的负荷,对整个A/0过程是十分有利的。但R也不可过大,一方面,过大的R对A/O过程的改善并不明显,但却明显地增加了循环水泵的能耗。5结束语内碳源前反硝化脱氮流程,由于经济实用,是工程中最常采用的脱氮工艺。本文所描述的计算公式,可用于估算A/0系统在稳态运行下生物脱氮效果,为工程设计及确定试验流程提供了参考依据。参考文献顾夏声.废水生物处理数学模式(第一版),北京:清华大学出版社,2092.59。张自杰,周帆.活性污泥生物学与反应动力学(第一版),北京:中国环境科学出版社,1950.6“。杜赦林等.缺氧一好氧生物膜法系统处理睛纶度水中的氮氮.环境科学,1986,7(2):48。秦麟源.座水的生物处理(第一版),上海:同济大学出版社,1989.307。第5期环保质,对水体污染仍相当严重。基于此原因,有些发达国家早在70年代就要求工业企业采用BATEA技术(最佳适用技术)处理工业废水〔”,其主要内容是,要求在二级生化处理之后,采用颗粒活性炭(GAc)吸附,作为最后净化处理(polishingstep),但这需要增加大量投资和运行管理费用。因此,各企业积极寻求低成本且可以满足BATEA技术要求的处理方法,其中粉末活性炭(PAC)一生物处理法在技术和经济上均可以替代增设GAC吸附的方法。2粉末活性炭一生物处理机理及其工艺2.1粉末活性炭一生物处理工艺粉末活性炭一生物处理方法是一种在活性污泥系统中投加粉末活性炭(PAc)的改良的活性污泥法。PAC可以直接投入曝气池,也可以与初沉池出水混合后再进人生物处理系统,PAc与生物固体结合在一起,在二沉池中与废水分离后返回系统。图l是典型的粉末活性炭-生物处理工艺流程图。初初沉池池池曝气池池图1典型的粉末活性炎一生物处理工艺流程PAc强化的活性污泥法的优越性已被很多中试或工业化规模的废水处理试验和运行结果所证明。其中一种在活性污泥系统中投加PAC的技术已被杜邦(DuPon)t公司于1972年申请为专利〔,’,即所谓的pACT工艺(powderedAetivatedCarb。nTreatmentProcess)。与传统活性污泥法比较,PAC强化的活性污泥法一般认为有以下优点〔’,3,`’:(l)可以提高难降解有机物去除效果。(2)提高系统抵抗毒物冲击能力。(3)提高系统脱色效果。(4)改善污泥沉降和脱水性能。(5)提高硝化反应效率。(6)缩短系统水力停留时间。(7)减少曝气池的泡沫产生量。(8)提高系统运行稳定性能。2.2粉末活性炭一生物处理作用机理2.2.1活性污泥的强化有机污染物按其生物降解特性可分为易降解和难降解两类,而根据活性炭吸附性能则又分为可吸附和难于吸附两大类。通常PAC对难于降解的有机物具有较好的吸附性能。在粉末活性炭强化生物处理工艺中,难降解的有机物首先被吸附在PAC表面。这样,宏观环境中的难降解物质和有毒物质的浓度减少,处于游离状态的微生物活性提高,对污染物的分解和去除能力增强。同时由于PAC对难降解物质和微生物的吸附,延长了微生物与这些物质的接触时间。长期运行的结果,使微生物得到了驯化,并提高了对难降解有机物的去除效果。PAC对微生物的吸附,使得微生物泥龄大大延长。在粉末活性炭强化工艺中,经常控制系统固体停留时间在50一100d,甚至更长,这就为微生物繁衍提供了良好的条件。另外有些专性附生生物(obligateperiPhytes)和絮凝能力差的微生物在粉末活性炭一生物处理系统中,由于PAC的作用而得以生存〔5,6〕。因此粉末活性炭强化生物处理系统中的微生物数量和种类要比传统生物处理系统中的微生物数量和种类多,对难降解有机物的去除能力也就相应增强。微生物对有机物的分解都是在酶的参予下进行的。多聚物或其他大分子有机物往往是通过胞外酶水解以后再进入细胞体的。PAC对胞外酶的吸附也有利于微生物对这些物质的分解和去除。另外PAC丰富的比表面还能起到贮存氧源的作用,这对微生物微环境的改善具有积极意义。.272·环保1995年第13卷生物系统废水处理效率提高的一个重要原因。3粉末活性炭一生物处理技术的研究与应用3.1有机化工废水处理杜邦公司70年代初即开展了这方面的工作。最早他们曾将PACT工艺应用于弗吉尼亚州Waynesbor。市一个工厂的聚丙烯腊和醋酸纤维废水处理。处理设施包括中和、调节和完全混合的活性污泥系统,粉末活性炭投加量为30omg/L。结果表明,该系统对可降解和难降解的有机物以及55的去除都有明显的效果。图2为PACT工艺与传统活性污泥法处理出水Bon的对比情况仁`”。(曰、.`)00国泪节有些研究人员认为仁,’,虽然有些物质单独存在时,P人c对其吸附性能不好,但当有其他物质共存时,PAC对这种物质的吸附性能可能会改变,即所谓联合吸附现象。有些水质如城市污水,虽可生化性较好,但可吸附性较差,采用粉末活性炭生物强化方法,同样可以提高其处理效率与速率,这可能与联合吸附作用有关。对于吸附性能差且难于生物降解的有机物的去除机理也大致如此。2.2.2PAC的生物再生大多数研究人员〔’,”认为,对于不能生物降解但能被吸附的物质,可通过粉末活性炭生物强化工艺加以吸附去除。对于能吸附但降解性能较差的有机物,其去除效果与接触时间有关,这就是说,刚开始时这类物质被PAC吸附,当达到足够的接触时间,微生物就可以通过某些途径降解这些被吸附的物质,从而使部分炭表面得到再生。再生了的PAC可以重新吸附新的有机物。这种协同作用为更好地去除可吸附的难降解的和不能降解的有机物提供了条件。在传统的活性污泥法中这些降解缓慢的物质与微生物的接触时间即为系统的水力停留时l’ia,一般为4一sh,而在粉末活性炭强化工艺中,一旦被吸附,这些物质与微生物的接触时间就等于系统的污泥龄,一般可达5一100d。因此生物再生效果随着泥龄的增长而提高。在粉末活性炭强化系统中,PAc的表观负荷可以达到等温曲线计算容量的3一9倍以上。2.2.3代谢终产物(MEP)的吸附很多研究表明活性污泥系统中残留的有机物有很大一部分并非原废水中存在的物质,而是生物代谢过程中形成的,称为代谢终产物(Metabo一ieEndproduet,或MEp)。这些物质大部分是可以被吸附的。过去一直认为MEP是不可生物降解的,但新的研究表明〔`””’,在粉末活性炭强化生物处理系统中,被吸附的MEP有20%一30%可以通过生物降解去除。因此PAC对MEP的去除作用也是粉末活性炭强化1251020口090保证率(线)图2杜邦公司弗吉尼亚厂出水溶解性BOD的分布后来他们又将这一技术应用于新泽西州钱伯斯工厂废水处理。该污水厂于1977年建成,是美国第一套大规模的PACT系统,大约可接纳6120t/h废水和43000kgBoD/d。钱伯斯工厂是一个大型的综合性企业,它拥有2000多种生产工艺,其中大多数为有机化工产品,主要是碳氟化合物、芳香族化合物、染料、石油添加剂、异氰酸醋、常用化工产品等。图3为钱伯斯工厂PACT工艺流程图。经过中和后的废水,加入PAC泥浆后,通过配第5期·化工.273.图3杜邦公司PACT工艺流程a.P人C、H:50`贮槽;2.曝气机;3.曝气池;4.螺旋泵;5.沉沈池;6.浓缩池;7.燃料油槽;8.压逮机;9.多膛炉;10.洗涤器;11.后嫩烧室;12.熄火池;13.Hcl贮槽;14.酸接触池;15.炭泥池。表1为该工艺小试和早期生产规模装置运行结果。从表中看出生产性装置较小试处理效果有所提高。该厂技术人员认为通过合理设计可以省去常规的调节池和消饱设施。3.2焦化废水焦化废水是在炼焦和煤气精制过程中产生的一种高浓度高毒有机废水,其中含有大量的芳香族和杂环化合物、氰化物、硫氰化物以及氨(钱)等。采用传统的活性污泥法(水力停留时间6一sh)处理时,其COD去除率一般只有60%一70%,CN一去除率为50%左右,NH:一N基本上没有去除。台湾高雄钢铁公司研究人员采用粉末活性炭一生物处理法处理焦化废水,结果表明,当PAC投加量为300mg/L时,系统对COD、CN一、SCN一的处理能力较传统法提高一倍。当固体停留时间为15d,HRT为20h时,投加PAC后Con的去除效率可以从传统法的76%提高到86%;当HRT为10h时,coD去除率可以从55%提高到81%(图4)〔”,。1500...矛二”二二----.PAC系统吕吕详详l二二000500ǎ闷、.已)Q00水井进入三个平行的曝气池。粉末活性炭投加t为80一19omg/L,其中30%一50%用于补充运输和再生过程中损失部分。曝气池中炭和生物混合污泥浓度维持在20,000一23,000mg/L。乘J余污泥进入污泥浓缩池,浓缩池上清液返回曝气池,底流污泥进人压滤器,脱水后污泥通过传输带进人燃料油燃烧的多膛燃烧炉(Mul-tipleHearthFurnaee),在这里,混合污泥中的生物体和有机物被烧掉,PAC得到再生,残留污泥经淬熄、酸洗(溶解无机盐)后返回PAC进料池。表l钱伯斯工厂PACT试验结果小试规模参数生产规模—PACT传统活性污泥法时间(d)(A)水力停留时间(h)投炭t(二g/L)嗯气池温度(℃)、~。-7022750502251勺7八沙OU只ù,曰进水水质溶解性BoD(mg/L)溶解性有机碳(mg/L)色度APHA3002142089304214142030421414207时间(d)(B)111314671900图4焦化废水COD去除效果SRTzsd,温度Zsoe,PAC投加t300mg/L;(A)HRT=20h;(B)HRT=10h。192870丹Jn口甘n,二O山O甘通出水水脸溶娜性BoD(m`/L)德娜性有机曦(mg/L)色度APHA化工1993年第13卷3.弓炼油班水采用PACT技术处理炼油废水同样可以取得令人满意的效果。表2为美国得克萨斯州一炼油厂废水处理中试结果。”。试验中PAC投加量为25mg/L,混合液中pAc浓度为2500mg/L。目前已有一生产规模的PACT装置在得克萨斯的一炼油厂运行,该炼油厂炼油产量为50000桶/夭。市污水厂为了取得更稳定和满意的处理效果,在传统活性污泥法基础上也引进了粉末活性炭技术〔’`,’`,。内布拉斯加州的一座污水厂,在两个平行的曝气池中分