生物活性炭深度處理和回用鋼鐵工業(yè)廢水
鋼鐵工業(yè)是高能耗、高水耗的產(chǎn)業(yè)之一。目前，我國鋼鐵工業(yè)年耗水量約32億m3[1]。為了節(jié)約水資源，與工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求相適應，對鋼鐵工業(yè)廢水進行深度處理后再生回用，以降低噸鋼耗新水量，減少污水外排。選擇合理的廢水深度處理工藝，保障生產(chǎn)過程和回用水使用設(shè)備的安全是鋼鐵工業(yè)廢水回用的關(guān)鍵之一。
生物活性炭工藝是20世紀80年代發(fā)展起來的廢水處理技術(shù)，多應用于微污染水源預處理及工業(yè)廢水深度處理，以去除水中難降解有機物[2]。鋼鐵工業(yè)廢水經(jīng)常規(guī)工藝處理后，還殘留部分有機物和鐵、錳，不能達到污水回用的水質(zhì)標準。研究生物活性炭工藝在鋼鐵工業(yè)廢水深度處理中的應用，分析其對污染物，尤其是對鐵、錳的去除效果，形成生物活性炭深度處理鋼鐵工業(yè)廢水工藝，對回用鋼鐵工業(yè)廢水、降低鋼鐵工業(yè)水耗有著實用意義。
1 生物活性炭工藝原理
生物活性炭工藝主要是將活性炭作為微生物聚集、繁殖生長的良好載體，在適當?shù)臏囟燃盃I養(yǎng)條件下，發(fā)揮活性炭的物理吸附和微生物生物降解作用[3，4]。當廢水充氧條件較好時，廢水中的污染物被活性炭吸附，被吸附的有機物又為維持炭粒表面及孔隙中微生物的生命活動提供了營養(yǎng)物質(zhì)，好氧微生物在活性炭表面及孔隙中繁殖生長，逐漸形成生物膜。由于活性炭上的生物膜對吸附的污染物持續(xù)的生物降解作用，使活性炭得到生物再生。
2材料與方法
2.1試驗原水
試驗原水取自某大型鋼鐵企業(yè)內(nèi)圍廠河。圍廠河以接納該企業(yè)內(nèi)各生產(chǎn)部門處理后達標排放的工業(yè)廢水為主，還包括廠區(qū)內(nèi)的雨水及部分生活污水。試驗期間圍廠河水質(zhì)變化情況及回用水質(zhì)標準見表1，COD、氨氮和總磷均已達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水水質(zhì)要求。
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鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中含有鐵、錳離子的顆粒物進入水體，經(jīng)常規(guī)物化或生化處理系統(tǒng)處理后，出水水質(zhì)雖達到國家《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的要求，但相對回用水質(zhì)，鐵、錳含量和濁度仍較高。廢水回用中，鐵、錳細菌可利用其作為營養(yǎng)源生長繁殖產(chǎn)生生物黏泥，腐蝕水管壁，嚴重時甚至堵塞水管，影響回用水系統(tǒng)的正常運行[5]22-24。由表1可見，試驗原水濁度及鐵、錳均超過GB/T 19923—2005循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水水質(zhì)標準。因此，對于達標排放的鋼鐵工業(yè)廢水，濁度、鐵、錳是深度處理的主要控制指標。
2.2 試驗裝置及工藝流程
試驗裝置主體為生物活性炭濾柱(以下簡稱濾柱)，工藝流程示意圖見圖1。濾柱為有機玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑150 mm，柱高2 400 mm，柱底裝填100 mm的礫石作為承托層，生物活性炭層高1 200 mm，填料采用Φ1 mm×4 mm的柱狀活性炭。
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2.3 運行參數(shù)
濾柱采用自然掛膜方式，廢水水溫為25~30℃。生物膜培養(yǎng)期內(nèi)，濾速過高易對尚未成熟的生物膜產(chǎn)生沖刷，不利于炭粒表面生物膜的形成，故掛膜期間控制濾柱濾速為1.2 m/h左右，空床停留時間60 min。
生物膜培養(yǎng)成熟后穩(wěn)定運行，采用下向流運行方式，原水由進水箱經(jīng)計量泵加壓至濾柱頂部，跌水曝氣進入濾柱。整個試驗期內(nèi)，濾柱在2種不同工況下運行:工況1為濾柱濾速1.6 m/h，空床停留時間45 min；工況2為濾柱濾速2.4 m/h，空床停留時間30 min。
濾柱運行過程中，炭粒表面老化的生物膜及濾層中累積的顆粒物影響濾柱出水水質(zhì)和產(chǎn)水量，合理的反沖洗是濾柱正常運行的保障。試驗過程中，濾柱反沖洗周期根據(jù)水頭損失及出水水質(zhì)判斷，濾柱平均每隔4~5 d反沖洗一次，沖洗方式采用單獨水沖，反沖洗歷時6~8 min，膨脹率20%~30%。
2.4 分析項目和方法
分析項目主要有濁度、鐵、錳、COD、氨氮和總磷。濁度采用分光光度法測定，鐵采用鄰菲啰啉分光光度法測定，錳采用高碘酸鉀氧化—分光光度法測定，COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定。
3 結(jié)果與討論
3.1 掛膜期運行效果分析
生物活性炭一般以有機物去除率或氨氮去除率作為判斷生物膜是否成熟的標準[6]。試驗中，生物活性炭掛膜期正值夏季，水溫較高(25~30℃)，有利于生物膜的成熟。掛膜培養(yǎng)期內(nèi)，濾柱對有機物及氨氮的去除效果見圖2和圖3。
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由圖2和圖3可見，掛膜期前10天，由于活性炭的吸附作用，濾柱對COD和氨氮的去除率較高，平均去除率分別達到73%和60%；掛膜后期，由于活性炭已吸附了大量污染物，COD和氨氮的去除率較掛膜初期略有下降，但隨著炭粒表面生物膜的成熟，生物對污染物的降解作用逐漸顯現(xiàn)；21 d左右濾柱對COD和氨氮的去除率分別穩(wěn)定在60%和40%左右，此時掛膜成功。
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