SBR工藝抗突發(fā)性油污染事故的能力

張光宇，陳志強(qiáng)，吳昌永，周 利，祁佩時(shí)，溫沁雪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090，czqhit@163.com;2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033)

SBR工藝抗突發(fā)性油污染事故的能力

張光宇1，2，陳志強(qiáng)1，吳昌永1，周 利2，祁佩時(shí)1，溫沁雪1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090，czqhit@163.com;2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033)

為了考察石油進(jìn)入SBR工藝城市污水廠后對(duì)污水廠造成的影響，選擇石油產(chǎn)品同城市污水處理常用的SBR工藝為對(duì)象，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了利用污水廠強(qiáng)化去除油污染的可行性，從而為運(yùn)用SBR工藝處理突發(fā)性石油污染提供決策參考和科學(xué)依據(jù).試驗(yàn)結(jié)果表明:SBR工藝可以有效抵抗50 mg/L含量的石油污染沖擊，有機(jī)物、氮和油含量均可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放;在100 mg/L與200 mg/L含量的石油污染沖擊下，出水COD和石油含量等重要指標(biāo)出現(xiàn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況，需結(jié)合其他手段進(jìn)行強(qiáng)化處理.SBR工藝可承受一定程度的石油污染沖擊，其除油主要是通過(guò)污泥的吸附作用.

石油;SBR工藝;突發(fā)性污染;應(yīng)急處理

石油污染物種類繁多，成分復(fù)雜，主要含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和不飽和烯烴、含氧化合物、含硫化合物、含氮化合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等，是一類污染范圍廣，危害程度大的工業(yè)污染物［1］.石油中所含的稠環(huán)芳香烴對(duì)生物呈劇毒性，能通過(guò)生物富集和食物鏈的傳遞進(jìn)一步加劇危害［2］.石油成品中的燃料油類會(huì)使人類產(chǎn)生麻醉、窒息、化學(xué)性肺炎、皮炎等，如短期內(nèi)吸入大量柴油霧滴可導(dǎo)致化學(xué)性肺炎［3］.由于石油對(duì)生物的毒性性質(zhì)，長(zhǎng)期以來(lái)石油類污染物一直受到人們的高度重視.2005年11月，中石油吉林雙苯廠爆炸導(dǎo)致松花江發(fā)生重大環(huán)境污染事件，造成嚴(yán)重的國(guó)際影響，其主要原因在于缺乏有效的工程應(yīng)對(duì)措施.在非常情況下，為避免跨界河流水質(zhì)受到沿岸石化企業(yè)突發(fā)事故造成的污染，可以將事故污染物排入沿江城市污水處理廠，利用現(xiàn)有城市污水處理廠的緩沖能力，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下的油污染事故.

SBR工藝是一種應(yīng)用廣泛的污水處理工藝，該工藝由于反應(yīng)池內(nèi)有滯留的處理水，對(duì)污水有稀釋、緩沖作用，能有效抵抗水量和有機(jī)污物的沖擊［4］.基于上述背景，本文將SBR工藝應(yīng)用于突發(fā)性油污染事故的應(yīng)急處理中，考察石油污染對(duì)SBR工藝污染物去除及運(yùn)行的影響，并對(duì)SBR污水廠抗突發(fā)性油污染事故的能力進(jìn)行評(píng)估.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

本試驗(yàn)采用的裝置為SBR反應(yīng)器，試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃加工而成.如圖1所示，上部為圓柱型，下部為圓錐體，高465 mm，直徑185 mm，總有效容積10.5 L，排水體積8 L.在反應(yīng)器壁的垂直方向設(shè)置1排間隔90 mm的取樣口，用于取樣和排水.底部設(shè)有放空管，用于放空和排泥.采用砂頭曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量.通過(guò)電源定時(shí)裝置，每周期可自動(dòng)定時(shí)控制進(jìn)水、出水、攪拌、曝氣與投加碳源.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

SBR每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期8 h，包括:0.5 h進(jìn)水;4 h好氧曝氣;2.5 h缺氧反硝化;0.5 h沉淀;0.5 h排水，隨即進(jìn)入下一個(gè)循環(huán).好氧曝氣量為0.35 m3/L.缺氧時(shí)投加外碳源進(jìn)行反硝化，為保證反硝化的徹底，防止沉淀期間的污泥上浮，根據(jù)運(yùn)行期間曝氣結(jié)束時(shí)NO－3－N、NO－2－N的含量來(lái)確定碳源投加量.另外，為使外碳源得到充分利用，本試驗(yàn)選擇在好氧結(jié)束后10 min投加外碳源，投加碳源為甲醇，投加量根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的方法確定.

實(shí)驗(yàn)所用接種污泥取自哈爾濱某城市污水處理廠，接種后污泥含量為3 300 mg/L.采用試驗(yàn)用生活污水對(duì)污泥進(jìn)行了培養(yǎng)，控制污泥為10 d.污泥含量一般維持在2 900～3 300 mg/L之間.運(yùn)行10 d后，COD去除率85%以上，氨氮去除率90%以上，表明污泥已基本培養(yǎng)成功，試驗(yàn)正式運(yùn)行.

1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)

試驗(yàn)所采用的污水取自哈爾濱市某生活小區(qū)的實(shí)際生活污水，其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 污水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)是要對(duì)正常運(yùn)行的SBR反應(yīng)器內(nèi)，投加一定含量的含油污水，從而模擬在突發(fā)性應(yīng)急事故中含油污水對(duì)于SBR工藝的沖擊.

向10 L生活污水中投加0#柴油250 mL，攪拌2、4、6 h后靜止1 h，從液面下15 cm處取水樣，從而配制出的含油的質(zhì)量濃度約為50、100、200 mg/L的含油生活污水.以含油質(zhì)量濃度為50 mg/L的生活污水作為SBR進(jìn)水，對(duì)SBR工藝進(jìn)行1周期沖擊，隨后恢復(fù)進(jìn)水，運(yùn)行30個(gè)周期，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再采用含油質(zhì)量濃度為100 mg/L和200 mg/L的生活污水進(jìn)行沖擊.在沖擊試驗(yàn)周期中，每隔0.5 h取樣對(duì)進(jìn)行各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，同時(shí)取污泥樣品進(jìn)行OUR測(cè)定.

1.4 分析測(cè)定方法

COD、NH4+－N、NO3－－N、NO2－－N、TN、TP等含量的測(cè)定均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，水樣經(jīng)定量濾紙過(guò)濾后測(cè)定.溫度和pH測(cè)定采用德國(guó)WTW-InoLab level2在線測(cè)定儀，DO采用德國(guó)WTW－340i在線測(cè)定儀.油的測(cè)定采用JDS100紅外測(cè)油儀.耗氧速率(OUR)的測(cè)定采用溶解氧電極法［6］.

2 結(jié)果與分析

2.1 石油污染沖擊對(duì)SBR有機(jī)物去除的影響

穩(wěn)定高效的有機(jī)物去除是污水廠運(yùn)行穩(wěn)定的一個(gè)顯著標(biāo)志.圖2給出的是不同石油沖擊質(zhì)量濃度下SBR中COD的去除特征.測(cè)定COD含量前，水樣均經(jīng)濾紙過(guò)濾，水中的柴油全部被濾紙截留，這樣去除了柴油本身所產(chǎn)生的COD.圖中顯示沖擊在不同的石油質(zhì)量濃度沖擊條件下，SBR前后COD含量變化規(guī)律相同，數(shù)值差異很小，說(shuō)明石油沖擊對(duì)微生物降解生活污水中的有機(jī)物產(chǎn)生影響較小.

圖2 不同石油沖擊質(zhì)量濃度下COD的去除特性

試驗(yàn)還對(duì)不同油污染沖擊后1周期的出水進(jìn)行了不過(guò)濾檢測(cè)，結(jié)果表明，石油沖擊質(zhì)量濃度為50 mg/L的時(shí)候，出水COD含量為48.52 mg/L，達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)石油沖擊質(zhì)量濃度是100 mg/L的時(shí)候，出水COD含量為119.64 mg/L，已經(jīng)超出國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn).分析原因，柴油中含有大量難被微生物降解的烷烴和芳香烴化合物，進(jìn)入SBR后一部分被污泥所吸附，另一部分以懸浮態(tài)或乳化態(tài)分散于水中，在1周期內(nèi)沒(méi)有被微生物所降解，大量存在于出水中導(dǎo)致出水COD含量變大;當(dāng)石油沖擊質(zhì)量濃度為200 mg/L的時(shí)候，出水COD含量為214.14 mg/L，也超出國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn).同100 mg/L油沖擊的情況相同，在污泥降解有機(jī)物活性受影響不大的情況下，活性污泥對(duì)石油類物質(zhì)的吸附達(dá)到飽和，短期沖擊下污泥沒(méi)有出現(xiàn)對(duì)油類物質(zhì)的降解作用，石油類物質(zhì)含量的超標(biāo)導(dǎo)致了COD含量的超標(biāo).

2.2 石油污染沖擊對(duì)SBR生物脫氮的影響

圖3是不同質(zhì)量濃度油污染沖擊下SBR氮元素隨著時(shí)間的變化.從圖3(b)中可以看出在50 mg/L的油污染沖擊時(shí)并沒(méi)有在1周期內(nèi)對(duì)硝化作用產(chǎn)生影響，油污染沖擊后NH4+－N含量變化趨勢(shì)沒(méi)有大的改變，油污染沖擊后NH4+－N的去除率仍達(dá)到了平時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的90%以上.缺氧過(guò)程N(yùn)O2－－N和NO3－－N含量的變化同沖擊前沒(méi)有大的變化，出水NO3－－N含量約為1 mg/L，說(shuō)明在50 mg/L油污染沖擊時(shí)反硝化效果基本沒(méi)有受到影響.總體來(lái)看，1個(gè)周期50 mg/L的油污染沖擊未對(duì)生物脫氮過(guò)程造成影響.同樣，在油沖擊含量為100 mg/L和200 mg/L時(shí)，即在1個(gè)周期200 mg/L的油含量沖擊下，SBR工藝中硝化活性與反硝化活性都沒(méi)有受到影響，短時(shí)200 mg/L以下的含油污水沖擊不會(huì)對(duì)硝化反硝化微生物造成毒害作用而造成生物脫氮性能的下降.

圖3 不同石油沖擊質(zhì)量濃度時(shí)氮的去除特性

2.3 石油污染沖擊對(duì)污泥活性的影響

表2是不同石油濃度沖擊下SBR中活性污泥的OUR變化.可以看出，在1個(gè)周期50～200 mg/L油污染沖擊下，污泥的碳氧化活性、硝化活性和總活性均略有降低，其中200 mg/L油沖擊下微生物的硝化活性降低幅度較大些，從生物實(shí)驗(yàn)角度證明了50～200 mg/L的含油生活污水短期沖擊對(duì)污泥的有機(jī)物降解作用和硝化作用有輕微抑制作用，但由于抑制作用較弱并沒(méi)有影響到SBR工藝的出水水質(zhì)，這從圖2和圖3中可得到證實(shí).

活性污泥在曝氣過(guò)程中，對(duì)有機(jī)物的降解(去除)過(guò)程可分為2個(gè)階段:吸附階段和降解階段.污水與活性污泥混合后，污水中的有機(jī)物污染物等首先被吸附轉(zhuǎn)移到活性污泥表面，在含油污水沖擊下，活性污泥必定會(huì)吸附一定量的難降解的油類物質(zhì)，這也就相對(duì)地降低了與可降解有機(jī)物接觸的比表面積，使得活性污泥在降解有機(jī)物的吸附階段吸附作用受阻，導(dǎo)致了污泥的活性受到輕微抑制作用.從本研究的數(shù)據(jù)可以得出，在試驗(yàn)條件下活性污泥在經(jīng)歷50 mg/L以上油質(zhì)量濃度沖擊時(shí)，吸附量將趨于飽和.由于活性污泥對(duì)于油類物質(zhì)的吸附量相同，所占用的比表面大致相同，因此對(duì)于可降解有機(jī)物的吸附作用抑制程度相似，出現(xiàn)了污泥活性下降幅度相近的結(jié)果.

表2 石油沖擊對(duì)污泥OUR的影響

2.4 不同質(zhì)量濃度含油污水沖擊后水中油的變化情況

圖4給出的是不同濃度油污染沖擊后1周期水中油質(zhì)量濃度變化.從圖中可以看出，雖然沖擊油的質(zhì)量濃度不同，但反應(yīng)器中油的質(zhì)量濃度在1 h內(nèi)均出現(xiàn)較大幅度的降低，然后一直處于穩(wěn)定值，直至排出系統(tǒng).當(dāng)沖擊油質(zhì)量濃度為200 mg/L左右時(shí)，出水油質(zhì)量濃度為120 mg/L左右，約為國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的12倍;當(dāng)沖擊油質(zhì)量濃度為100 mg/L左右時(shí)，出水油質(zhì)量濃度穩(wěn)定在42.8 mg/L左右，約為國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的4倍;當(dāng)沖擊油質(zhì)量濃度為50 mg/L左右時(shí)，出水油濃度穩(wěn)定在5～10 mg/L之間，滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn).

圖4 不同濃度油污染沖擊后1周期出水油質(zhì)量濃度

油質(zhì)量濃度在進(jìn)水1 h內(nèi)出現(xiàn)較大幅度下降，分析其原因?yàn)?1)活性污泥是一種有多孔結(jié)構(gòu)和胞外聚合物的絮體，有較大的比表面積［7－9］，對(duì)水中的污染物具有良好的吸附能力.活性污泥對(duì)于有機(jī)物的吸附平衡時(shí)間一般在0.5～1 h之間［10］，所以在污水進(jìn)入反應(yīng)器的1 h內(nèi)，水中油質(zhì)量濃度通過(guò)吸附作用迅速下降.2)柴油中的主要成分為烴類化合物，細(xì)菌和真菌降解石油的關(guān)鍵步驟是底物被氧化酶氧化［11］.通常自然界中的微生物只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的馴化，才有可能提高微生物對(duì)烴類有機(jī)物的降解效果，在突發(fā)性污染應(yīng)急處理中，沖擊時(shí)間較短，微生物很難降解柴油的主要成分，因此在1 h吸附達(dá)到平衡后整個(gè)周期內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)柴油質(zhì)量濃度降低的現(xiàn)象.從圖4中還可以看出，不同質(zhì)量濃度含油污水進(jìn)入SBR后1 h內(nèi)，油質(zhì)量濃度降低的幅度大致相同，約為40～50 mg/L.因此，當(dāng)污泥質(zhì)量濃度為3 000 mg/L，油質(zhì)量濃度大于50 mg/L時(shí)，污泥對(duì)于油的吸附趨于飽和，飽和吸附量約為13.3～16.7 mg/g.

3 結(jié)論

1)SBR工藝在含柴油質(zhì)量濃度為50 mg/L的生活污水1個(gè)周期沖擊下，硝化作用、反硝化作用與有機(jī)物降解作用受到輕微抑制;但由于抑制作用較弱，COD、NO2－N、NO3－N、NH4－N 及油的質(zhì)量濃度(石油類)等水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，因此SBR工藝在1周期內(nèi)可以有效抵御油質(zhì)量濃度≤50 mg/L的油污染沖擊.

2)SBR工藝在含油質(zhì)量濃度為100、200 mg/L的生活污水1個(gè)周期沖擊下，雖然硝化作用、反硝化作用與有機(jī)物降解作用受到輕微抑制，NO2－N、NO3－N、NH4－N質(zhì)量濃度仍能達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn).COD、油的質(zhì)量濃度(石油類)出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)情況.單純依靠SBR工藝不能有效抵御100、200 mg/L質(zhì)量濃度的油污染沖擊.

3)SBR工藝除油主要是通過(guò)污泥吸附作用，當(dāng)污泥含量為3 000 mg/L，含油污水中油質(zhì)量濃度大于50 mg/L時(shí)，污泥對(duì)于油的吸附趨于飽和，飽和吸附量約為13.3～16.7 mg/g.出水中由于含有難降解的烯烴和芳香烴而導(dǎo)致出水COD和油質(zhì)量濃度(石油類)超出國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)使用其他手段輔助SBR工藝聯(lián)合除油.

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Impact resistance of SBR wastewater treatment plant in episodic oil pollution accident

ZHANG Guang-yu1，2，CHEN Zhi-qiang1，WU Chang-yong1，ZHOU Li2，QI Pei-shi1，WEN Qin-xue1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China，czqhit@163.com;2.School of Environmental and Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China)

In this study，petroleum products and a typical SBR wastewater treatment plant were chosen to investigate the impact of episodic petroleum pollution accident on the performance of wastewater treatment of the plant.The feasibility of using wastewater treatment plant to remove oil pollution was investigated.The experimental results show that SBR wastewater treatment plant can effectively resist the impact of 50 mg/L oil pollution and the effluent water quality reaches the national discharge standards.However，the COD and oil concentrations are over the national discharge standards when the oil impact concentration is higher than 100 mg/L.In such a case，other technical methods combined with SBR are needed to enhance the treatment efficiency.SBR wastewater treatment plant can resist the effect of oil pollution when the petroleum concentration is within a threshold value.

petroleum;SBR process;episodic pollution accident;emergency treatment

X703.1

A

0367－6234(2010)06－0899－05

2010－03－01.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目重大專項(xiàng)基金(SQ2007AA06XK14114);國(guó)家水專項(xiàng)研究項(xiàng)目(2008ZX07207－005－003).

張光宇(1982—)，男，碩士研究生.

(編輯 魏希柱)