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运用HUASB技术处理里海船舶低强度舱底水

摘要

含油污水是船舶直接向海洋排放的主要污染物之一，对海洋环境构成威胁。本文研究了上向流式厌氧污泥床（HUASB）生物反应器处理稀释舱底水的可行性。反应器在10h和8h两个水力停留时间（HRTs）下运行，有机负荷率（OLR）由0.12g逐渐提高到0.6g化学需氧量（COD）/l天。污泥在载体材料表面固定化后，以废水为驯化期（COD去除率为59%）分批投料10天后，反应器开始连续运行。实验结束时，HRT为8h，OLR为0.6g COD/l日，COD去除率达75%。此外，生物反应器在去除污水中的油污方面表现出良好的性能，大大低于国际海事组织（IMO）规定的船舶舱底水排放标准值。结果表明，HUASB反应器是处理低强度舱底水的合适系统。

1. 介绍

舱底水是海水的腐蚀性混合物，含有多种成分，包括清洗剂、溶剂、燃料、润滑油和液

压油。国际海事组织（IMO）规定船舶的排放限值为15毫克/升. 通常采用油水分离器（OWS）处理舱底水。OWS过程是基于油水相密度变化的重力分离器。舱底水中的清洁剂可以产生水中的油乳液。当乳化发生时，油水浮力差太小，不能用现有的OWS技术处理。近年来，国内外对舱底水处理方法进行了研究，包括超滤法、电凝聚法和超滤/光催化氧化法。Peng等人。（2005）指出，舱底水微滤作为预处理阶段是可取的，因为使用过的油和微粒会堵塞超滤螺旋管的进料通道。但也有报道指出了膜法处理舱底水的缺点。这些缺点包括由于原材料昂贵而导致的较高的生产成本，以及膜污染带来的一些负面影响，如膜通量的降低，膜更换和再生带来的额外资金和维护成本。Karakulski等人.（1998）采用实验室规模的管式膜超滤中试装置处理舱底水。但是，为了消除残余油，还需要使用额外的光催化氧化阶段。Rincon和La Motta（2014）研究了电凝聚系统中合成船舱底水的处理。他们的结论是，电凝聚过程是一种有效的方法，在不稳定的油包水乳剂和去除重金属。但为了提高处理效果，采用了附加浮选法。Sun(2010)等人研究了生物膜生物反应器（MBR）处理舱底水的性能。虽然该反应器对COD和油脂的去除效果很好，但由于没有循环侧流进入生物反应器，膜污染严重。

厌氧处理是一种高效、简单、经济的处理方法。这也是一种环保的方式。混合上流式厌氧污泥床（HUASB）反应器结构将细菌的悬浮生长和固定生长结合在一个反应器中。同时利用了上流式厌氧污泥床（UASB）和上流式厌氧固定膜（UAFF）反应器的优点。这种反应器在处理低至高有机负荷率的稀至高浓度废水时是有效的。舱底水属于低浓度废水。厌氧工艺虽然用于处理中、高浓度废水，但已成功地应用于包括低浓度废水在内的多条废物流中。研究了不同低有机负荷率下，基于COD和除油的HUASB反应器处理低强度舱底水的效果。

1. 材料和方法
   1. 实验装置

该装置采用了内径4.4cm、液高194cm的有机玻璃反应塔。该柱包括三个部分：底部、

中间和顶部。塔底1823ml作为UASB反应器，塔中855ml作为固定膜反应器。273毫升的生物反应器的顶部是一个未包装的塔，在废水溢出之前。将270片直径为15mm的PVC波纹环随机装入固定膜段。每个环的高度等于13mm（每个环的比表面积为150m2/m3）。反应器中的介质是用塑料网固定的。作为基质的废水通过与蠕动泵相连的T形入口连续地输送到位于活性污泥床下的反应器底座。在反应器顶部设有一个出口，该出口连接到一个1L漏斗形沉淀室，用作沉淀部分，在沉淀部分，最终废水从该池顶部收集。反应堆在环境温度（15-25摄氏度）下运行。

• 1. 废水特性

舱底水是从停泊在伊朗马赞达兰贝沙赫阿米拉巴港的船只上收集的。在HUASB反应器

中加入预沉10min的舱底水，预沉舱底水的特性为：pH:8-9，COD:20-200mg/l，总固体（TS）：（800-2400）mg/l，TSS:220-1760mg/l，总氮836mg/l，总磷（TP）：211mg/l（以COD=50mg/l计TN和TP）。通过添加稀释的HCl，将饲料的pH值调整到6.8–7.2。唯一的补充营养素，MgNO3，被添加以产生COD（氮比为250:5）作为氮供应。

• 1. 接种物（种子污泥）

该反应器接种了来自马赞达拉制浆造纸工业好氧废水处理的活性污泥和来自UASB反应

器的非颗粒污泥的混合物，该UASB反应器处理来自伊朗马赞达拉阿莫尔盖拉食品工业的乳清废水。混合液的TSS为13g/l，非颗粒污泥具有产甲烷活性，在样品表面的剥离过程中可以观察到明显的沼气气泡。样品表面也被收集在一个密闭的瓶子里。

• 1. 分析方法

在整个操作过程中评估了几个监测参数，包括COD和油浓度，以及pH值和温度。对于

COD分析，使用了HACH的方法8000，即反应器消化法和比色法的组合（DR/890，2009）。该方法相当于标准方法5220D：封闭回流比色法（APHA，2008）。根据USEPA 1664和正己烷重量法对油进行分析。采用pH/温度探针（德国HANNA，PH212）进行温度和pH的自动补偿测量。pH测量中使用的方法通常符合标准方法4500B（APHA，2008）。

• 1. 启动运行方案

启动期通常是一个耗时的时期。为了缩短固定化时间，将生物量固定在载体材料上，因

此，采用Zaiat等人描述的技术使用上述污泥混合物。（1994年）。将载体材料与污泥一起存放在1.5L密闭瓶中，均质一周，以保证载体材料中生物颗粒的稳定固定。在这一阶段之后，填料在华sb反应器中填满了它的位置。在反应器中接种500毫升相同的污泥混合物。为适应底水污泥的驯化，选择底水（50mg/l）日投料反应器进行10天的驯化试验。每次进料后，反应器的液体含量连续循环1天（直到下一次进料）。驯化期允许氧水平降低，以防止厌氧菌的抑制，并使细菌种群随饲料废水的变化而调整。经过10天的间歇投料后，污泥的TSS浓度为16.5 g/l，驯化结束时COD去除率达到59%左右。

启动采用分级有机负荷，以产生最快速的生物量开发。在整个启动期间，10h的HRT保持恒定，OLR从0.12g增加到0.24g COD/l天。在每一次OLR变化之前，允许反应器达到稳定状态。当出水COD达到相对恒定值时，达到稳定状态，提高进水OLR。实验过程如图1所示。

图1. UASFF反应器启动运行方案

实验期间，每天监测COD还原和pH值。此外，在整个试验过程中，首先在启动期结束后，检查了两次减油情况。第二次检查也是在整个实验完成之后。

1. 结果与讨论

3.1生物反应器性能

• • 1. PH

图2显示了在运行过程中，来自HUASB反应器的废水酸度（pH）的变化。如图2所

示，在操作过程中，pH值相对稳定（从8.04到8.78），适合高效产甲烷。这表明该体系具有足够的碱度来中和来自水解和发酵阶段的有机酸。从图2中可以看出，由于进水OLR的增加，产生的挥发性脂肪酸（VFA）积聚，通过操作，pH值下降了很多。VFA在反应器中的积聚并没有使反应器变酸。Van Haandel和Lettinga（1994）在处理生活污水方面也报告了类似的结果。由于在手术的这个阶段测试了营养素的效果，pH值从96天的8.52突然下降到111天的8.1。为了测试这种效果，从96天到101天，停止添加营养素，然后将新营养素NH4Cl添加到反应器直到111天。在这段时间内，pH值的降低与消耗VFA的产甲烷细菌的活性降低有关。但是，由于将MgNO3作为营养元素重新引入反应器，反应器恢复了自身，pH值再次升高，这表明产甲烷菌活性增加。

图2. 操作过程中pH值的变化

• 1. COD去除率

运行期间的生物反应器性能如图3所示。在反应器启动阶段，进水COD分别为50mg/l

和100mg/l。如图3所示，COD去除率从启动时的40%提高到运行结束时的75%，这意味着污泥已适当适应舱底水。在运行期间，OLR的每一次增加都会导致COD去除效率的降低。无花果之间的比较。2和3的出水pH值与COD去除率的变化趋势相似，与Zhang等人的研究结果一致。（2008年）。突然减少的原因是由于在反应器中引入新的OLR而产生更多的VFA。其他作者也报道了类似的观察结果。系统很快就恢复了，并随着时间的推移适应了新的情况。此外，我们清楚地了解，最初将微生物固定在载体材料表面对缩短启动程序具有关键作用。

图3. 运行期间的生物反应器性能

如前所述，营养素对反应器性能的影响在96-111天进行了测试。根据图3，在96-101天内，COD去除率从77%下降到42%。在此期间，停止向反应器中添加MgNO3。之后，在反应器中加入新的营养盐（NH4Cl），COD去除率略有提高，在111天达到50%。因此，从111日起，MgNO3被重新引入反应堆。通过增加COD进水量，再引入MgNO3作为反应器的营养盐，COD去除率再次提高，最终达到75%，大大高于Sun等人的实验结果。（2010年）。他们报告说，移动式生物膜反应器（好氧生物反应器）处理船舶废水（包括合成舱底水）的COD去除率在8小时的HRT中约为59%。为了提高生物反应器的性能，他们将膜作为后处理阶段，并将循环流引入生物反应器（Sun等人.，2010年）。

反应器中污泥的TSS浓度从启动时的16.5g/l增加到研究结束时的67g/l，从而使污泥起到了去除废水中悬浮物的过滤作用。随后，UASB反应器对废水中TSS的去除效果显著

• 1. 含油量

反应器启动和运行结束时，废水含油量的降低如图4所示。从图4可以看出，在启动或

运行结束时，油料废水浓度低于15 mg/l，这是船舶废水排放的标准水平（MARPOL，1973）。Sun等人。（2010）得到MBBR反应器出水在8小时HRT下的残油浓度约为30mg/l，是标准水平（15mg/l）的两倍。

图4. 在两个操作点清除机油

1. 结论

采用HUASB反应器在常温下对稀释舱底水进行厌氧处理。污泥在载体材料和启动期得

到良好的固定化后，在运行结束时COD去除率和剩余油浓度有较大的提高。生物量在载体材料中的固定化对降低进水COD有重要作用。结果表明，HUASB反应器是处理里海船舶常温低强度舱底水的理想选择。

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