石油化工行業(yè)是我國重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，但生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì )產(chǎn)生各種污水，早在2015年化工行業(yè)就躍居我國行業(yè)污水排放總量第1位。我國的原油加工噸油耗水量和排污量均高于國外，煉化企業(yè)水回用率也遠低于美國和日本等發(fā)達國家。隨著(zhù)國家對環(huán)境保護的日益重視，京津冀地區對外排水中懸浮物、COD、氨氮等指標進(jìn)一步嚴格要求，污水經(jīng)深度處理需達到地表水Ⅳ類(lèi)標準，煉化企業(yè)原有的污水處理工藝已難以滿(mǎn)足新形勢下的環(huán)保要求。

經(jīng)過(guò)傳統“隔油+浮選+生化+沉淀”工藝處理后，污水中營(yíng)養比例失調，剩余有機物難降解。同時(shí)，企業(yè)含鹽量高、可生化性差的污水，如循環(huán)水排污水、化學(xué)水中和水、反滲透濃水等，進(jìn)入污水處理廠(chǎng)后也對生化系統造成不利影響。目前，煉化企業(yè)多采用臭氧催化氧化、電化學(xué)處理等技術(shù)提高污水的可生化性，以利于后續的生化處理。然而臭氧催化氧化消耗大量臭氧、經(jīng)濟成本高，且會(huì )造成二次污染；電化學(xué)氧化耗電量大，工程造價(jià)高，運行成本高。因此，本研究采用新型生物催化技術(shù)，利用生物強化催化氧化有效去除污水中難降解有機物，為外排污水深度處理達標提供了新的技術(shù)途徑。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置由高效生物反應器（ABR）、原水箱、清洗水箱、泵和管線(xiàn)構成，高效生物反應器是一種上向流式生物反應器，直徑1750mm，高2700mm，采用鋼砼結構。裝置分為布水布氣區、高效載體區和出水區。底部布水布氣區由曝氣系統和布水系統組成，布設3套管路系統，分別為反洗水管、曝氣管和布水管，之上鋪設高度約600mm的承托層，可實(shí)現均勻曝氣和布水的效果。高效載體區由附著(zhù)特效生物膜的高效載體填充，載體在使用前可進(jìn)行清水浸泡。原水箱中污水通過(guò)進(jìn)水泵從高效生物反應器底部布水區進(jìn)入系統，經(jīng)高效載體系統處理后，通過(guò)頂部出水區排出系統。2臺曝氣風(fēng)機（1備1用）為微生物提供氧氣，曝氣風(fēng)機采用變頻控制，以滿(mǎn)足不同工況的用氣需求。高效生物反應器配備1臺溶解氧在線(xiàn)測定儀和1臺壓力變送器。2臺反洗風(fēng)機（1備1用）提供反洗空氣，2臺清洗水泵（1備1用）提供反洗用水。反洗采用氣-水聯(lián)合反沖洗，從載體層下部送入空氣和反沖洗水，空氣通過(guò)載體層切割為小氣泡，使氣泡與載體之間及載體與載體之間發(fā)生摩擦，脫除多余生物膜，在反洗水作用下，載體呈懸浮狀態(tài)，進(jìn)一步增強了氣泡與載體間的摩擦作用，實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1。

高效生物反應器中載體選用生物活性炭，屬于碳基載體。載體粒徑范圍為1651~5880μm，堆積密度為480~520kg/m3，比表面積為900~1050m2/g。

微生物菌劑采用GE公司特種生物菌劑，主要由芽孢桿菌屬、叢毛單胞菌屬、節桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬、片球菌屬、無(wú)色桿菌屬、黃桿菌屬、分枝桿菌屬、Rhodanobacter、寡養單胞菌屬和酵母等組成。菌劑主要以難降解有機物為基質(zhì)進(jìn)行代謝，包括C1~C10烷烴或烯烴、芳族石油烴、脂族烴、苯酚化合物及其衍生物。

1.2 實(shí)驗水質(zhì)及工藝流程

1.2.1 實(shí)驗水質(zhì)

實(shí)驗用水為某石化企業(yè)經(jīng)二級生化處理后污水、反滲透濃水、化學(xué)水中和廢水、循環(huán)水排污水的混合污水，現場(chǎng)來(lái)水水量為100~150m3/h。污水中易降解的有機物可通過(guò)二級生化處理去除，二級生化出水中COD小于80mg/L，主要由難降解有機物貢獻，主要包括鏈烷烴、多環(huán)芳烴、雜環(huán)有機物、鹵代烴等。污水經(jīng)超濾膜和反滲透膜處理后回用，排放的反滲透濃水含鹽量高，且經(jīng)膜濃縮后濃水中難降解有機物含量進(jìn)一步提高。酸堿中和產(chǎn)生的化學(xué)中和廢水含鹽量高，TDS高于10000mg/L。循環(huán)水排污水中含有一定的氧化、殺菌藥劑，進(jìn)一步增大了污水生化降解難度。因此，混合污水中月平均COD為40~80mg/L，月平均TDS為5000~10000mg/L，有機物濃度低，含鹽量高，可生化性差，一般生化處理系統難以正常運行。

1.2.2 工藝流程

污水首先在調節池中進(jìn)行水量和pH調節；調節池提升泵將污水提升至混凝沉淀池，經(jīng)絮凝沉淀處理后，去除污水中的懸浮物，然后自流進(jìn)入多列并行的高效生物反應器；經(jīng)高效生物催化處理后污水自流進(jìn)入產(chǎn)品水池，部分用于高效生物反應器反洗，其余達標排放；反洗水進(jìn)入反洗水收集池經(jīng)沉淀后返回調節池，工藝流程見(jiàn)圖2。

調節水池COD為36~125mg/L，BOD5/COD<0.2，TDS為3300~5100mg/L，pH為6~8。污水具有有機物濃度低、含鹽量高、難生化降解的特點(diǎn)，不適合進(jìn)一步回用。

1.3 分析項目及方法

COD采用重鉻酸鉀法測定，pH、溶解氧在線(xiàn)測定。

2、結果與討論

2.1 載體掛膜載體

掛膜階段，微生物菌劑營(yíng)養基質(zhì)由葡萄糖、尿素與磷酸二氫鉀按照m（C）∶m（N）∶m（P）=100∶5∶1進(jìn)行配制。接種階段分3次投加，將菌液和營(yíng)養液進(jìn)行級配后溶解在菌種投加器中，通過(guò)管道混合器與原水混合后進(jìn)入高效生物反應器。菌種投加后開(kāi)啟工藝曝氣系統悶曝培養，曝氣量約1.45L/（m2?s），DO為6~9mg/L。掛膜期間，載體層溫度控制在25~30℃，較高的溫度有利于微生物掛膜。反應器啟動(dòng)一周左右載體層可成功掛膜，接種成功后不需再補充額外營(yíng)養源，微生物以水中污染物為基質(zhì)進(jìn)行代謝，載體掛膜前后的SEM見(jiàn)圖3。

由圖3可知，生物活性炭載體掛膜前表面粗糙，未見(jiàn)生物膜附著(zhù)。反應器運行約6個(gè)月后取樣分析，載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩定，可有效發(fā)揮生物降解作用。

2.2 有機物處理效果

生物活性炭掛膜后反應器進(jìn)入穩定運行階段。來(lái)水水量為100~150m3/h，水力停留時(shí)間為2.5h，DO為6~9mg/L。在正常運行工況中，高效生物反應器對污水中有機物的去除效果見(jiàn)圖4。

月平均進(jìn)水COD為40~71mg/L，月平均出水COD為15~27mg/L，COD平均去除率為60%~71%。目前，煉化企業(yè)主要執行《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB31570―2015），要求經(jīng)深度處理后外排水COD在50mg/L以?xún)?，但其難以滿(mǎn)足日益嚴格的環(huán)保標準，如《北京市地方標準水污染綜合排放標準》（DB11/307―2013）中要求COD小于30mg/L。污水經(jīng)過(guò)高效生物反應器深度處理后，出水COD均在30mg/L以?xún)?，滿(mǎn)足達標排放要求。

2.3 反應器穩定性

反應器來(lái)水含鹽質(zhì)量濃度為3300~5100mg/L，鹽度較高，污水中高濃度鹽類(lèi)會(huì )破壞細胞膜和菌體內酶類(lèi)，抑制或破壞微生物生理活動(dòng)。由于高效生物反應器中特種微生物能夠耐受高鹽度，且能以多種難降解污染物作為基質(zhì)來(lái)源，因此生物量能夠維持在較高濃度水平，持續去除水中的難降解有機物。同時(shí)，高效生物催化載體能夠長(cháng)期維持菌群穩定與微生物活性，反應器保持高效穩定運行。

正常運行時(shí)載體層不易堵塞，一是系統采用特種微生物專(zhuān)性代謝難降解有機物，以污水中難降解有機物為基質(zhì)形成優(yōu)勢菌群，不需額外補充營(yíng)養源，普通異養微生物即使進(jìn)入系統也難以代謝難降解有機物，無(wú)法大量增殖；二是曝氣充氧過(guò)程中載體呈微懸浮狀態(tài)，載體間互相碰撞摩擦，氣泡和上升水流也摩擦載體表面，實(shí)現生物膜的部分脫膜更新。二者結合既可保持生物膜長(cháng)期在合適的膜厚范圍內，從而保持高微生物活性，同時(shí)可避免異養微生物過(guò)快生長(cháng)導致載體層堵塞，有效減少了反洗頻率?，F場(chǎng)試驗裝置反洗頻率約為3月/次，有效降低了水耗和能耗，反洗周期可隨來(lái)水濁度變化進(jìn)行調節。

2.4 抗沖擊能力分析

高效生物反應器具備較好的抗沖擊能力，5~6月份的運行情況見(jiàn)圖5。

由圖5可知，反應器來(lái)水月平均COD為66~70mg/L，COD最高約為125mg/L，反應器進(jìn)水COD波動(dòng)較大，但經(jīng)高效生物反應器處理后出水COD仍小于30mg/L，滿(mǎn)足《城鎮污水處理廠(chǎng)水污染物排放標準》（GB18918―2002）A類(lèi)標準。這是由于特殊菌群可附著(zhù)于高效載體形成致密生物膜，微生物流失少；生物膜載體層耐沖擊性強，能夠適應原水不同水質(zhì)變化，保持處理出水水質(zhì)穩定。載體與來(lái)水均勻接觸分散固定污染物，可以降低有機物沖擊對系統的影響，同時(shí)生物膜反應器延長(cháng)了污染物在系統中的停留時(shí)間，有利于去除難降解有機物。因此，該工藝對于低負荷、生物降解性比較差的污水（BOD5/COD<0.2），生化處理效果顯著(zhù)。

2.5 經(jīng)濟成本分析

高效生物反應器的月處理水量為75361~90591m3，主要的運行成本是電耗，月耗電量為29100~36084kW?h。反應器單位水量耗電量為0.32~0.48kW?h/m3，電耗成本為0.20~0.29元/m3。該工藝正常運行期間無(wú)需添加其他藥劑，系統運行成本低，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。較之臭氧催化氧化、電化學(xué)氧化等物化方法，高效生物反應器具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。目前，煉化企業(yè)深度處理常采用“臭氧催化氧化+BAF”工藝，將二者綜合運行效果對比分析，結果見(jiàn)表1。

由表1可知，“臭氧催化氧化+BAF”工藝不僅運行費用高，失活的催化劑為危廢，且存在臭氧污染大氣的風(fēng)險。高效生物反應器啟動(dòng)掛膜周期較短；反洗頻率較之BAF顯著(zhù)降低；噸水處理成本約0.3元以下；處理過(guò)程無(wú)需臭氧或催化劑、無(wú)危廢產(chǎn)生。

3、結論

（1）高效生物反應器啟動(dòng)一周后可成功掛膜，掃描電鏡顯示載體表面被特效微生物包裹形成致密生物膜，菌群性狀穩定。

（2）反應器可有效去除污水中難降解有機物，當月平均進(jìn)水COD約40~71mg/L時(shí)，月平均出水COD約15~27mg/L，COD平均去除率為60%~71%。

（3）反應器抗沖擊能力強，進(jìn)水COD高至約125mg/L時(shí)，出水COD仍小于30mg/L，滿(mǎn)足《城鎮污水處理廠(chǎng)水污染物排放標準》（GB18918―2002）A類(lèi)標準。

（4）反應器單位水量耗電量為0.32~0.48kW?h/m3，電耗成本為0.20~0.29元/m3，運行成本遠低于臭氧催化氧化、電化學(xué)氧化等物化方法，為外排污水深度處理達標提供了新的技術(shù)途徑。（來(lái)源：中國石化集團公司綜合管理部）