羧甲基纤维素(CMC)是一种纤维素衍生物,在工业领域中,它的钠盐即羧甲基纤维素钠用途比较广泛^[1,2]。在食品工业中被用作增稠剂及乳化剂,在日化工业中被用作稳泡剂及分散剂,在医药工业中被用作塑性剂及缓释剂等,在石油工业中被用作保水剂和稳定剂等^[3~5]。CMC生产废水是典型的高盐度、高浓度有机废水,若未经处理直接排放将会直接导致江河水质矿化度提高,给土壤、地表水、地下水带来严重的污染,使水体缺氧甚至是厌氧,导致鱼类及其他生物大量死亡^[6]。

　　 曝气生物滤池是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型污水处理技术,它可以在一个反应器内同时实现生物氧化和固液分离的过程。在曝气条件下,曝气生物滤池通过微生物的氧化分解作用、填料及生物膜的吸附作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用对污水进行处理^[7]。曝气生物滤池将废水生物处理与深层过滤集于一身,在组合工艺中位置比较灵活,可用于废水的预处理、二级或者深度处理^[8]。

　　 本研究采用上流式曝气生物滤池深度处理CMC生产废水,考察了各操作参数对COD去除效果的影响,确定了最佳的工艺条件。以期为后期处理CMC生产废水实际工程提供可行的工艺借鉴和数据参考。

　　 废水为经水解酸化-好氧-铁碳微电解工艺处理后的出水,废水主要指标为COD 200 mg/L、Cl^-9 850mg/L、NH₃-N 0.2mg/L、TN 2mg/L、TP 0.3mg/L、SS 30mg/L、总盐1.8g/L、pH 8.2。

　　 接种污泥为SEM高盐废水生化处理菌剂(某研究单位自主研发菌剂),其所具有的丰富的耐盐和嗜盐微生物多样性保证了其对复杂有机物的降解能力、高盐废水适应能力、抗盐度冲击能力和抗有机负荷冲击能力。填料选用粒径为6~8mm的陶粒。

　　 DRB200 数字式反应器:美国哈希公司;DR2800分光光度计:美国哈希公司;PHS-3pH计:上海兰科仪器公司。

　　 试验所用的装置为上流式曝气生物滤池(BAF),滤柱高100cm,内径10cm,底部装填10cm厚的碎石承托层,填料选用粒径为6~8 mm的陶粒,填充高度为80cm,每隔20cm设置一个取样口。曝气头位于承托层下部,利用空气泵进行底部曝气,用气体流量计控制进气量。试验装置如图1所示。

　　 为了减少填料挂膜所需要的时间,采用接种挂膜法对生物膜进行培养,以强化挂膜效果。取SEM耐盐好氧菌剂投加到装置中,浸没填料。按比例补充微生物所需要的营养元素,连续闷曝2~3d,然后小流量进水,当BAF出水不再浑浊时,表明加入的污泥已经被完全置换出来。之后逐渐提高水力负荷,当去除率基本稳定时,表明挂膜成功。

　　 BAF启动成功后研究不同气水比、停留时间、反洗周期和强度等对处理效果的影响,确定BAF的最佳运行参数。由于废水中的氮磷不足,因此按比例向进水中加入尿素与磷酸二氢钾以补充氮磷。

　　 闷曝第3d后,人工配水以小流量进入反应器中COD为200~300mg/L,C∶N∶P=100∶5∶1,进水流量为3L/h,气水比为4∶1。当曝气生物滤池出水不再浑浊时开始计算,在第1~3d时,进水仍为人工配水,在第4~7d时,逐步增加进水中CMC废水比例,且调节进水流量为0.657L/h,气水比仍保持为4∶1,第8d时,进水中CMC废水的比例为60%,到第10~17d时,BAF进水全部为羧甲基纤维素废水。该阶段曝气生物滤池出水COD变化情况见图2。

　　 由图2可知,在1~3d时,由于进水的可生化性好,微生物能利用的有机物充足,曝气生物滤池对COD的平均去除率在70% 以上。到第10~17d时,BAF进水全部为CMC废水,此阶段下曝气生物滤池对COD的平均去除率为62.13%,出水比较稳定,且反应器中陶粒表面附着的生物膜数量明显增加,如图3所示。因此在反应器运行第15d左右,可视为曝气生物滤池挂膜启动成功。

　　 在气水比为4∶1、进水COD为200mg/L条件下,在第1~5d时,水力停留时间为2h;第6~10d时,水力停留时间为5h;第11~15d时,水力停留时间为10h;第16~20d时,水力停留时间为20h。曝气生物滤池出水COD的变化情况见图4。

　　 由图4可知,随着水力停留时间的增加,曝气生物滤池对COD的去除率逐渐增加。当水力停留时间为2h时,COD的去除率平均为35.5%;当水力停留时间为5h时,COD的去除率平均为55.21%。而当水力停留时间为10h时,COD的去除率平均达65.03%,继续增加水力停留时间到20h时,COD的去除率平均为68.03%。这是因为水力停留时间较短,使得生物膜与废水的接触时间过短,导致一部分有机物没有被分解利用就随水流排出,因此降低了生化的处理效率。同时也由于较大的水力负荷使得滤料被过度冲刷,造成生物膜的脱落^[9],使得出水COD增加,降低了COD的去除率。随着水力停留时间的增加,生物膜能够与废水的有机物充分接触,使得污染物更好地得到去除^[10],但是较长的水力停留时间也会导致废水中营养物质不足,阻碍生物膜的生长,使得处理效率降低。从处理成本上考虑,较适合的水力停留时间选为10h。

　　 在进水COD为200 mg/L,水力停留时间为10h的条件下,在第1~5d时,气水比为1∶1;第6~10d时,气水比为3∶1;第11~15d时,气水比为4∶1;第16~20d时,气水比为7∶1。曝气生物滤池出水COD的变化情况见图5。

　　 由图5可知,随着气水比的增大,COD的去除率呈先上升后下降的趋势。当气水比为1∶1,COD的去除率平均为53.01%;当气水比为3∶1,COD的去除率平均为58.27%;当气水比为4∶1,COD的去除率平均为65.03%;当气水比为7∶1,COD的去除率平均为55.59%。这是因为,随着气水比的增大,氧气向生物膜中的渗透程度增大,加速了生物氧化过程。同时也会对生物膜产生一定的冲刷作用,促使生物膜剥落与更新,使生物膜的活性得到提高^[11],使COD的去除效率增高。但是,过高的曝气量并不会持续增加溶氧量反而会导致能耗的增加,且过大的曝气量会在溶液中产生较大剪切力,对填料上的生物膜过度冲刷,不利于污染物的截留和微生物的增殖^[12]。较适宜的运行参数选择为系统水力停留时间10h,气水比4∶1,此时出水COD<100mg/L,达到 《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级排放标准。

　　 在水力停留时间为10h,气水比为4∶1,进水COD为200mg/L条件下,考察沿填料层高度方向上的出水COD变化。曝气生物滤池在不同取样高度的出水COD见图6。

　　 由图6可知,随着填料层高度的增加,COD的去除率呈逐渐上升的趋势。 其中,在填料高度20cm时,COD的去除率为31.56%,出水COD为137 mg/L;填料高度40cm时,COD去除率为55.91%,出水COD为88mg/L;填料高度60cm时,COD去除率为62.50%,出水COD为75mg/L;填料高度为80cm时,COD去除率反增加到65.70%。由于该曝气生物滤池的进水方式为上流式进水,因此在进水口附近营养物质会比较充足,微生物生长迅速,活性较高,能充分利用废水中的有机物,使得COD去除效果比较显著^[13]。 而当填料高度大于40cm之后,系统对COD的去除率增加幅度变缓,这是由于进水中的大部分COD被前段的填料层去除,有机物浓度大幅度降低,可生化性也相应降低,微生物活性也不高,使得填料层后段的去除能力明显要低于前段。为了保证系统的去除效果,填料高度应在60cm以上。

　　 经过曝气生物滤池处理后废水中总盐含量变化不大,SEM耐盐菌剂能生活在较高盐分的环境中,但自身并没有降解盐分的能力。由于羧甲基纤维素废水中的盐分主要是氯化钠,可通过蒸发结晶回收盐分,蒸发冷凝水回用生产套用,实现资源化和近零排放目的。并且经曝气生物滤池深度处理后废水中的污染物浓度已较低,可从根本上避免污染物浓度高时蒸发不易结晶问题、以及污染物转移至蒸发固体中产生二次污染的问题。

　　 (1)曝气生物滤池采用挂膜接种法,在15d左右即可形成稳定的生物膜。曝气生物滤池对羧甲基纤维素生产废水进行深度处理是可行的,系统运行稳定,处理效果较好。

　　 (2)曝气生物滤池处理羧甲基纤维素生产废水的最佳运行参数为:水力停留时间10h,气水比4∶1,此时COD的去除率为65%,COD<100 mg/L,达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级排放标准。

　　 (3)曝气生物滤池对COD的去除作用主要集中在填料层的前40cm内,在高度0~40cm,COD去除率达到55.9%,但是为了保证出水COD小于100mg/L,填料层的高度应不小于60cm。