顆粒活性炭厭氧生物流化床處理有機農藥廢水

摘要：采用顆粒活性炭厭氧生物流化床處理某農藥廠生產廢水。研究了AFB反應器在中溫（30±2）℃條件下處理農藥生產廢水的性能，實驗表明：在進水pH為7.0～7.5，水力停留時間為4h，回流量控制在使活性炭處于流化狀態下，當進水COD濃度1400～2000mg/L，COD去除率達到44.99%～86.72%，有機容積負荷達12.08kgCOD/（m³·d）；并初步研究了廢水中氮元素去除的機制。

農藥廢水是典型的高濃度有毒有機工業廢水，具有排放量大、有機物濃度高、污染物成分復雜、難生物降解等特點。除農藥外，不僅含有原料成分，而且含有很多副產物、中間產物；難生物降解物質多，廢水水質水量不穩定，若不經過處理，直接排入江河，將會造成嚴重污染。

厭氧流化床反應器處理高濃度有機廢水的高效優越性已被證實，得到國內外研究者的重視，它具有剩余污泥少、不易堵塞、微生物濃度高、處理效果好等優點。厭氧流化床以固體顆粒作為生物膜的載體，懸浮在流化床中，既有附著生物膜的固體顆粒，又有活性污泥菌膠團。采用顆粒活性炭為厭氧流化床載體，具有較好的化學穩定性和親生物性、比表面積大、廉價的特點。

本研究采用AFB反應器，利用顆粒活性炭載體固定化微生物，在中溫（30±2）℃下處理有機農藥廢水，研究了顆粒活性炭厭氧生物流化床對有機農藥廢水的處理性能。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用的厭氧流化床反應器示意圖見圖1。試驗裝置包括進水箱，進水泵，厭氧流化床反應器，加熱箱，回流泵等。厭氧流化床反應器主體結構為透明有機玻璃管制成，便于觀察反應區內載體流化情況和產氣等反應情況。反應器總體高度1600mm，反應區高度1180mm，反應器直徑90mm，有效容積7.5L。為了生化反應的高效進行，采用對回流水加熱，試驗采用一臺TDW-2002型自動溫度控制儀控制加熱箱內的廢水。

1.2 廢水水質

廢水原水取自主要產品為煙嘧磺隆的某農藥廠，廢水中含有大量的鹽酸、氯化銨、硫、氯化鈉、氯化胺、硫化鈉、二氯乙烷、二甲苯、二甲胺、丙酮等物質，廢水呈暗紅黃色，較混濁，有強烈的刺鼻氣味，COD高達18600mg/L，氨氮濃度為 371.5mg/L，pH 為13.4。實驗用水為該農藥廢水經電催化氧化等預處理后的出水。

1.3 載體性質

以顆粒活性炭作為載體，型號為TX-106SW，平均粒徑1mm，碘值900～1100mg/g，比表面積1100m²/g，充填密度 0.45g/cm³，強度≥95%，pH≥7, 總孔容積≥0.9cm³/g。

1.4 分析項目和分析方法

主要分析項目有COD、NH₃-N、NO₃^-、NO₂^-，按文獻方法進行檢測。

1.5 實驗方法

實驗在中溫（30±2）℃條件下進行，分為微生物培養馴化階段及運行階段。培養階段：將取自某城市污水處理廠氧化溝的混合液，沉淀15min后，取上清液5L、1kg顆粒活性炭和微量元素溶液從反應器頂部投加到反應器中，加自來水至水位達到反應器頂部，打開回流泵連續循環48h。馴化階段：取1L電催化氧化處理后的農藥廢水，加入一定量的葡萄糖溶液和氮磷培養液，調節廢水的COD∶N∶P約為200∶5∶1、pH 值為7.5左右。在HRT=4h、回流量滿足活性炭成流化狀態下，連續運行一段時間，至COD的平均去除率達到80%左右，表明反應器達到穩定運行狀態。

2 實驗結果與分析

反應器啟動成功后，逐步提高進水的濃度，不再添加葡萄糖和氮磷營養液，完全采用電催化氧化處理后的農藥廢水，調節pH值為7.5左右，在HRT=4h、回流量滿足活性炭成流化狀態下運行。

2.1 COD的去除效果

圖2為反應器穩定運行過程中COD進、出水濃度和去除率的變化情況。由于有機農藥廢水的水質不穩定，進水的COD濃度為1463.9～2013.49mg/L，有機容積負荷達12.08kgCOD/（m³·d），COD去除率為44.99%～86.72%，前3天出水COD濃度低，可能是由于活性炭的吸附作用，在吸附達到飽和后出水COD 濃度穩定在600mg/L左右。相應去除率穩定在65%左右，后期去除率又呈下降趨勢，可能是由于出水中含有少量的細小污泥絮體，引起出水COD濃度偏高。

2.2 對氮的去除效果

廢水中的氮一般以氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽和有機氮4種狀態存在。廢水生物脫氮的基本原理是含氮有機物在生物處理過程中被異氧型微生物氧化分解，轉化為NH₃^－-N，由自養型硝化菌將其轉化為NO₂^--N或 NO₃^－-N，然后再由反硝化細菌將NO₂^－-N或NO₃^－-N還原轉化為N₂，從而達到脫氮的目的。

圖3、圖4和圖5分別為進、出水氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度變化情況。

由圖3可知，進水氨氮為17.36～45.02mg/L，平均為35.33mg/L，出水氨氮為60.14～105.77mg/L，平均為80.21mg/L，系統的氨氮平均轉化率為134.85%。

由圖4可知，進水中亞硝酸鹽氮在1mg/L左右，出水中幾乎為0。

由圖5可知，進水硝酸鹽氮為42.21～79.98mg/L，平均為55.83mg/L，出水中硝酸鹽氮為7.99～29.77mg/L，平均為 19.69mg/L，系統的硝酸鹽氮的平均去除率為64.46mg/L。

由此可知，AFB對整個系統的脫氮貢獻首先在于完成對有機氮的氨化作用，使得出水中氨氮濃度升高；其次在反硝化細菌的作用下，將NO₂^－-N和NO₃^－-N還原轉化為N₂。同時發現出水顏色明顯變淺，說明廢水的色度主要是有含氮的雜環類基團或是由偶氮鍵引起。

3 結論

（1）實驗表明：采用顆粒活性炭厭氧生物流化床處理有機農藥廢水，當進水COD濃度為1400～2000mg/L，COD去除率為44.99%～86.72%，有機容積負荷達12.08kgCOD/（m³·d）。對減輕生物反應器后續處理單元的負荷具有重要的意義。

（2）系統在異氧型微生物作用下，使難降解的有機物變成易生物降解的物質，并使有機氮轉化為無機氮；在反硝化細菌的作用下，將NO₂^－-N和NO₃^－-N還原轉化為N₂。