改进序批式生物膜法处理青霉素废水的初探

改进序批式生物膜法处理青霉素废水的初探纪树兰,任海燕,崔成武,刘志鹏(北京工业大学环境与能源工程学院,北京　100022)摘要:采用改进序批式生物膜法对高浓度青霉素废水进行小试研究.当进水COD Cr 为3755mg/L 时,经过最终絮凝处理后,出水COD Cr 在300mg/L 以下,总去除率达到90%以上.试验确定了好氧段的水力停留时间(HRT )为12h.建立了改进序批式生物膜法处理青霉素废水的降解动力学模型,并求出了动力学参数U max 和K S ,为放大设计提供了依据.关键词:青霉素废水;序批式生物膜法;絮凝;动力学中图分类号:X70311　文献标识码:A 文章编号:025023301(2004)增刊20074204基金项目:北京市自然科学基金资助项目(8042007)作者简介:纪树兰(1953～),女,教授,研究方向为污水处理与膜分离技术,Email :crchhwy @ ,tel :010267392961Preliminary Study on Penicillin W aste w ater T reatment by Modif ied Sequencing B atch Biof ilm R eactorJ I Shu 2lan ,REN Hai 2yan ,CU I Cheng 2wu ,L IU Zhi 2peng(College of Environment and Energy Engineering ,Beijing University of Technology ,Beijing 100022,China )Abstract :A Pilot experimental treatment on high concentration Penicillin wastewater which adopted Modified Sequencing Batch Biofilm Reactor was studied.When the influent COD Cr was 3755mg/L ,after it ’s treated by flocculations ,the effluent was below 300mg/L.The total removal rates of COD Cr was above 90%.The aerobic HRT were confirmed by the experiment with 12h.A ki 2netic model of degradation in treating Penicillin wastewater by Modified Sequencing Batch Biofilm Reactor was established.And the kinetic parameters U max and K S were gained respectively which offered the base for amplifying design.K ey w ords :Penicillin wastewater ;SBBR (Sequencing Batch Biofilm Reactor );flocculation ;kinetics 抗生素废水是一类高色度、含难生物降解、对微生物具有抑制生长甚至毒害作用的有机废水.制药厂通常是采用间歇生产,间歇排放,产品的种类变化大,造成了废水的水质、水量、污染物的种类变化较大[1～2].青霉素废水是抗生素废水的一类,具有进水浓度高、色度高、硫酸盐含量高、p H 值低、水质变化大、排放量大、可生化性差等特点.序批式生物膜法(Sequencing Batch Biofilm Re 2actor ,SBBR )即向SBR 反应器中投加填料,填料的介入为微生物提供了更为有利的生存环境.在纵向上微生物构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统;在横向上沿着水流到载体的方向构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统,从而大大提高了反应器的处理能力和稳定性[3～6].目前应用于处理高浓度有机废水最主要的工艺之一就是水解酸化+好氧工艺.水解酸化与厌氧工艺相比具有操作简单、动力费用少、易成功等优点.本试验应用改进序批式生物膜法(Modified SBBR ),其目的是让水解酸化在SBBR 反应器中进行,利用反应器中各种菌群的不同作用来达到对废水的有效降解,其降解流程由快速进水、停曝(兼氧)、好氧、静沉和排水几个工序构成.本研究力求充分发挥水解酸化、SBR 以及生物膜的优势,使青霉素生产废水达标排放.1　试验材料和方法111　废水来源废水取自某大型制药企业.废水COD Cr 为12～17g/L ,BOD 5/COD Cr 为011～0115,p H 值为2～3,废水呈棕红色.接种污泥取自该制药企业污水处理厂的消化池,污泥呈黑色、粘稠且有臭味,镜检未发现原、后生动物.112　实验装置试验用反应器装置见图1.反应器高100cm ,直径10cm ,总有效体积7L ,有机玻璃制作,采用鼓风曝气,加热器用于调控水温.113　分析方法DO 、p H 、温度:德国WTW p H/Oxi 340i 测定仪;COD Cr 、ML SS 、色度:按标准分析方法[7]进行分析;生物相:江南牌XS 218型生物显微镜;填料:J WX 组合填料.第25卷增刊2004年6月环 境 科 学ENV IRONM EN TAL SCIENCEVol.25,Sup.J une ,2004图1　实验装置示意图Fig.1　Sketch map of apparatus114　污泥的培养与驯化试验初期将进水稀释80倍,同时接种约1L的污泥,混合均匀后,反应器内污泥浓度(ML SS)为1125g/L.培养初期,维持进水COD Cr为150～210mg/L、p H值调到6～8,采用好氧预挂膜的方法,闷曝24h后排水.采用A/O法驯化污泥并同时挂膜,驯化过程中逐渐降低稀释倍数,在培养后期稀释倍数降低到2倍.在A/O法驯化污泥、挂膜的过程中,采用快速进水、兼氧10h、好氧12h、静沉+排水2h的序批式工艺.每次从反应器中排出418L上清液,出水静沉淀后进行絮凝试验.115　试验方案(1)为了验证改进序批式生物膜法处理青霉素废水的可行性,试验中维持曝气量恒定在0108 m3・h-1,进水COD Cr逐渐提高,温度维持在28℃左右.实验数据稳定运行10～15个周期以上进行跟踪检测.(2)经过前期的试验发现,青霉素废水在初期兼氧的条件下降解很快,因此后期改变试验方案,进水后进行1h的预曝气.在预曝阶段,由于好氧微生物在前一周期的闲置阶段处于饥饿状态,因此能够快速吸附并降解青霉素废水中易降解的营养物质,使COD Cr下降很快.而后续的兼性微生物将不得不利用剩下的大分子、难降解有机物并将它们分解为小分子、易降解有机物,从而为接下来的好氧过程提供可被利用的营养物质.因此预曝气在处理难降解有机污染物方面是有一定实用意义的.2　结果与讨论211　污泥生长情况污泥培养3d后发现黄色菌胶团增多,有少量丝状菌、豆形虫.随着时间的推移,污泥颜色由黑色变为黄褐色,膜上污泥量也逐渐增多.镜检发现悬浮污泥和生物膜上的生物相变化为:丝状菌、菌胶团→大量豆形虫、漫游虫、肾形虫→大量斜管虫→大量钟虫、轮虫、线虫和　体虫.212　各工序COD Cr及总去除率图2表示了各工序COD Cr的去除情况.可以看出,在对反应器中的活性污泥进行驯化和生物膜的挂膜过程中,随着进水COD Cr浓度的逐渐增加,好氧出水始终保持在300mg/L以下.这表明,改进序批式生物膜法有较强的抗冲击性,对于水质的变化有较强的适应性.图2　进出水COD C r以及COD C r去除率Fig.2　COD Cr of the influent and effluentand it’s removal rates213　好氧HR T的确定当进水COD Cr为800mg/L左右时,连续24h监测COD Cr的去除情况.如图3所示,12h后,COD Cr的去除率基本上维持在75%左右,因此确定好氧HR T为12h.图3　好氧HRT的确定Fig.3　HRT of the aerobic treatment214　兼氧作用测定结果为明确兼氧过程在全过程中的作用,设计了如下试验.在进水COD Cr 相同的条件下,比较了有、无兼氧条件时的出水COD Cr 情况(进水COD Cr 为3755mg/L ).从图4中看出,在12h 以前,有、无兼氧条件的出水COD Cr 基本是一样的.12h 以后,在好氧条件下,经过兼氧处理后的效果较好.这是因为,兼氧微生物可将大分子有机物转化为易被好氧微生物降解的小分子有机物,而没有经过兼氧处理的废水中,大分子难降解有机物相对较多,导致好氧出水COD Cr 较高.图4　有无兼氧条件下好氧出水COD C r 的比较Fig.4　The compare of the aerobic effluent COD Crwith or without facultative condition215　絮凝试验(1)COD Cr 去除效果分析　当原水COD Cr 为3000～4000mg/L ,HR T 为24h 时,经过序批式生物膜法处理后的废水依然不能达标排放,因此选择最佳絮凝剂对出水进行絮凝试验,以使出水COD Cr 达标排放.取好氧青霉素废水出水5份各500mL (絮凝进水COD Cr 为783mg/L )进行絮凝试验,测定处理后上清液的COD Cr ,实验结果见表1.表1　絮凝结果Table 1　The result of flocculation参数絮凝进水1号2号3号4号5号COD Cr /mg ・L -1783428364324300212去除率/%43135315581661177219 其中1号为投加Ca (OH )2,投加量为500mg/L ;2、3、4号分别为投加Ca (OH )2和FeCl 3,其中Ca (OH )2的投加量均为500mg/L ,FeCl 3的投加量分别为50、100、150mg/L ;5号为投加Ca (OH )2、FeCl 3以及聚丙烯酰胺(PAM ),投加量分别为500、150和1mg/L.由表2可以看出5号出水效果较好.这表明,在进水浓度较高的条件下,金属盐类絮凝剂需与高分子絮凝剂配合使用才能取得良好的去除效果.(2)色度去除效果分析　表2编号与表1相同.由于青霉素废水中含有大量硫酸根离子,因此色度较高.由表2可以看出,金属絮凝剂对色度的去除效果并不十分理想,需与高分子絮凝剂配合使用才能达到较好色度的去除效果.这主要是因为架桥和电性中和的作用,阳离子PAM 会与带负电的硫酸根离子形成较大的胶体粒子,而有助于对色度的去除.表2　色度去除效果/倍Table 2　The removal effect of chroma絮凝进水1号2号3号4号5号150684233255216　动力学方程的确定动力学方程中的参数U max 和K S 的大小与基质性质、微生物种群、填料种类以及环境条件有关.由于青霉素废水是一种高浓度、难降解,并含有对微生物有毒害物质的有机工业废水,本次试验以式U=U max (L -L n )K S +(L -L n )为基质降解动力学模型[8].式中,U 为单位填料面积基质去除速率[g/(m 2・d )];U max 为饱和基质浓度时,单位填料面积最大基质去除速率[g/(m 2・d )];K S 为饱和常数,为U =1/2U max 时的基质浓度(mg/L );L 为出水的基质浓度(mg/L );L n 为非生物降解的基质浓度(mg/L ).由于改进序批式生物膜法包括兼氧阶段和好氧阶段.因此需要分别求出这两阶段的基质降解动力学参数,并求出动力学方程.(1)兼氧阶段动力学参数的确定　通过对兼氧段实验数据的处理,以L 为横坐标,U 为纵坐标,通过线性回归求得L n =59mg/L ,K =010237,相关系数r =01984.利用上述模型,等号两边取倒数,以1/U 为纵坐标,1/(L -L n )为横坐标作图,求得U max =169g/(m 2・d ),K S =6252mg/L ,相关系数r=01993,见图5.因此,兼氧阶段基质降解动力学数学模型为:U =169(L -L n )6252+(L -L n ) (2)好氧阶段动力学参数的确定　同样求得好氧段L n =26mg/L ,K =010347,相关系数r =01988,U max =8612g/(m 2・d ),K S =2231mg/L ,相关系数r =01993,见图6.因此,好氧阶段基质降解动力学数学模型为:U =86.2(L -L n )2231+(L -L n)图5　兼氧过程中按Monod 关系式拟合的结果Fig.5　Results deduced from Monod equationin facultativecondition图6　好氧过程中按Monod 关系式拟合的结果Fig.6　Results deduced from Monod equationin aerobic condition3　结论经过试验验证,改进序批式生物膜法处理青霉素废水具有可行性.在兼氧阶段,COD Cr 去除率不 高,但可以把大分子有机物转化为小分子有机物,对接下来的好氧工序至关重要;在好氧阶段,好氧微生物利用水解产物,COD Cr 进一步降低.试验确定了好氧HR T 为12h ;预曝气试验证明了青霉素废水中具有相当成分的易降解物质;通过进行有无兼氧条件的试验发现,进行兼氧时,好氧出水COD Cr 去除效果明显优于没有兼氧过程的出水;絮凝试验发现,加入Ca (OH )2、FeCl 3以及聚丙烯酰胺絮凝后的COD Cr 以及色度的去除效果都比较理想.通过对实验数据的处理,求出了改进序批式生物膜法处理青霉素废水的基质降解动力学模型,为处理该种废水提供了放大设计依据的同时验证了青霉素废水属难生物降解废水.参考文献:[1]　姜家展,季斌.高浓度抗生素有机废水处理[J ].中国给水排水.1999,15(3):517～518.[2]　杨军,陆正禹,胡纪萃,等.抗生素工业废水处理技术的现状与展望[J ].环境科学,1997,18(3):83～85.[3]　刘雨,赵庆良.生物膜法污水处理技术[M ].北京:中国建筑工业出版社,2000.3.[4]　陈一申,朱敏.小诺霉素发酵废水好氧生物处理试验研究[J ].上海环境科学,1997,4(16):26～27.[5]　陈杰,许田,等.制药废水处理技术[J ].工业水处理,2001,21(10):1～3.[6]　张自杰.排水工程(第四版)[M ].北京:中国建筑工业出版社,2000.6.[7]　国家环保局编.水和废水监测分析方法(第三版)[M ].北京:中国环境科学出版社,1989.5.[8]　侯立安.接触曝气法处理小规模生活污水的动力学模型[J ].水处理技术,1994,20(1):40～44.。