中国石油化工股份有限公司天津分公司污水外排原执行国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级B限值，重点污染物COD≤60mg/L。为了响应天津市政府建设美丽天津的号召，中石化天津分公司将对已有废水处理设施进行深度处理改造以满足更严格的排放标准要求，即外排污水主要指标要达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅴ类标准，其中重点污染物指标COD≤40mg/L。此外，天津市地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》A级限值COD≤30mg/L，因此中石化天津分公司计划按最严标准（COD≤30mg/L）来建设外排污水深度治理提标改造工程。
根据文献报道，难降解有机废水深度处理需要采用高级氧化法（包括臭氧催化氧化、Fenton试剂氧化、电子束氧化、电化学氧化、臭氧双氧水氧化、微电解法和超临界水氧化法）、混凝沉淀、活性炭或大孔树脂吸附和生物处理（包括膜生物反应器、曝气生物滤池）等相结合的措施或采用特种生物处理措施。目前石化行业外排含盐污水常规生化处理出水COD的极限一般在50~60mg/L左右，而COD稳定低于30mg/L的运行案例尚不多。本工程先经过了近一年的现场中试试验筛选，比较了臭氧-曝气生物滤池、臭氧-活性炭、臭氧-MBBR、活性炭吸附和高效生物反应器（ABR）5种工艺，综合测试结果表明，ABR可以实现在最低的运行成本下稳定满足深度处理达标要求，并最终选择ABR应用于中石化天津分公司综合废水深度处理工程。
1、ABR的工作机理
ABR是专门针对低负荷且难生物降解（BOD5/COD<0.2）废水深度处理的一种上向流好氧高效生物反应器专利技术，ABR的工作原理见图1。
由图1可知，其池型结构与上向流好氧生物滤池相同，采用气水同向上向流的运行方式，水流自下而上通过ABR载体，但空床停留时间是传统上向流好氧生物滤池的1~2倍，典型处理对象为生化处理系统出水、纳滤或反渗透或电渗析浓盐水、冷却塔排污水、树脂酸碱再生中和废水等。ABR是由针对难降解COD的特效复合功能菌群接种于一种炭基的颗粒状高效生物载体上，能够快速形成长期稳定并可耐受多种底物作为能量来源的高密度、强活性生物膜反应器。其核心技术是特效复合功能菌群和高效生物载体，这些独立培养的复合功能菌与传统驯化的微生物相比生长或发育更慢，包含了选自以下的至少一种微生物物种：杆菌属、丛毛单胞菌属、节杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、片球菌属、无色杆菌属、黄杆菌属、分枝杆菌属、产黄杆菌属、寡养单胞菌属和酵母。在好氧条件下，通过高效ABR复合功能菌群利用水中难降解COD作为维持功能菌稳定的能量来源，将污水中的有机物进一步生物降解，最终合成微生物内源物质或用于代谢，从根本上消除水中的难降解有机污染物。长期在难生物降解COD进水的ABR载体表面存有丰富而稳定的功能菌群，生物量大于0.1mg/g载体（以干重计）。
根据多年多现场的中试结果和工程实践，对ABR与臭氧-曝气生物滤池工艺进行了系统的比较，结果见表1。
由表1可知，与臭氧-曝气生物滤池相比，ABR是一种专门针对难降解有机物去除的低运行成本的高效生物反应器，具有启动挂膜时间快、可耐受高盐废水、运行维护管理简单的特点。
2、天津石化ABR工程案例分析
2.1 工艺流程和运行参数
天津石化深度处理设施的污水组成为：烯烃污水回用设施排水50m3/h、烯烃循环水排污水40m3/h、热电化学水处理站中和排水29m3/h、热电化学水处理站淡化海水精制浓水30m3/h，均为传统生化工艺难以处理的高盐、低COD、低B/C的废水，共计149m3/h。系统最大进水量和设计处理能力为150m3/h。整体工艺包括均质调节、中和预处理后进入ABR系统，处理后排入高密池进行化学除磷和悬浮物控制，出水达标排放。本研究只介绍ABR系统，ABR的典型进水水质见表2。
天津石化ABR工艺流程见图2。
由图2可知，这个典型的ABR流程中包括调节罐、筛网过滤器、菌种/营养物投加系统（可选）、中和药剂投加系统、ABR池、出水池、冲洗排水池。原水自上游进入调节均质罐，并由提升泵泵入进水中和池。在中和池中加酸碱调节pH至6~8.5，流进水渠后，经配水渠与三角堰，由重力作用均匀分配入每一个ABR反应池底部。原水进入ABR高效生物反应器后为上向流，经过处理后由出水渠流出，进入后续高密池工艺。反应器的冲洗同样采用向上流的方式，先气洗再水洗。工艺气和冲洗气经由不同的鼓风机和进气口进入ABR高效生物反应器，作为ABR好氧反应工艺曝气和反冲洗气洗的气源，在通过滤料层后，最终排空进入大气。
在自动控制上，若原水需要进行pH、ORP等调节时，可通过化学品投加装置将酸碱调节剂或氧化还原剂泵入，利用管道混合器将药剂与原水混合，并由在线pH、ORP检测仪表进行监测和反馈。在ABR系统启动时，投入特效功能菌种和营养液进行调试工作。监护池有储水功能，当需要反冲洗时，反冲洗泵将部分出水作为ABR冲洗水，反冲洗出水经由冲洗排水渠流入冲洗废水池，并通过水泵缓慢泵入下游高密池进行处理。
天津石化ABR系统主要工艺参数见表3。
2.2 处理效果
天津石化ABR系统启动周期短，在最低温度情况下，根据现场中试结果同时考虑到来水水质的复杂性和波动性，通过直接投加ABR商业化的复合菌包，分3次投加，每3天投加1次。每次菌包投加后即做保温、闷曝处理，7~10d就完成了挂膜培养并连续进水运行，于2017年12月12日正式投运，2017年12月—2018年12月（投运第一年）和2019年1月—2020年4月的运行处理效果见图3。
由图3可知，从两年多的运行实测的进出水COD数据可知ABR进水（均质罐出水）平均COD为59mg/L，ABR出水能够稳定达到COD<30mg/L（平均值为23mg/L）的处理要求，COD的平均去除率为61%。即使当进水COD出现波动（最高200mg/L）时，ABR出水仍能稳定在30mg/L以下，表现出优异的抗冲击负荷处理能力。
在第一年专门取样对ABR进出水的有机物组分进行了液相色谱-有机碳联用仪（LC-OCD）分析，以溶解性有机碳（DOC）表征有机物成分，结果见图4。
由图4可知，这股难降解有机混合废水基本不含有生物聚合物和低分子酸性物质，而是主要由低分子质量中性物质（占49.2%）、疏水性有机物（占29%）和碎片（占11.2%）组成，ABR对这几类有机物表现出较高的去除率，分别为72.7%、93.8%和77.4%，总体DOC的去除率为78%，这与COD的年平均去除率相符合。
在ABR系统运行半年时，对所选用的新载体和天津石化ABR池中的已运行载体进行了扫描电镜照片对比分析研究，结果见图5。
由图5可知，天津石化现场稳定运行的载体表面附着大量丰富的生物膜，并且是以杆菌属为主的特效功能菌群在载体上成为优势菌群并成功发挥生物降解作用，而其他菌属在逐渐弱化。其后笔者在2019年3月和8月又进一步实测运行载体上的生物量，检测结果显示基本没变化，平均值为0.25mg/g载体（以干重计）左右，这说明长期稳定运行后以难降解有机物（B/C<0.2）为能量来源的生物量生长稳定且不易脱落，这与图3（b）的稳定COD去除相一致。整个ABR系统运行两年多来，没有补充任何的ABR载体、特殊功能菌和营养液；系统第一次反洗是在2018年10月中旬，以后平均每半年左右（6±2个月）会进行一次反洗操作，反洗时间分别在2019年4月中旬、2019年8月下旬和2020年4月中旬，如图3所示，反洗前后处理效果基本没有变化，运行稳定且维护简单，表现出优异的工程运行可靠性和稳定性。
本工程系统没有去除总氮的要求，但是针对复杂废水或工业园区污水的深度处理同时需要满足总氮要求的高严排放标准时，可以结合天津石化工程经验类推和推荐以ABR为核心的ABR-反硝化滤池（强化COD和总氮去除）、反硝化-ABR-高级氧化等组合工艺，将能实现稳定可靠的最佳工艺选择与运行维护。
3、结论与建议
通过对中石化天津分公司综合废水深度处理工程ABR技术的工作原理、工艺流程和运行参数、长期运行数据的深入分析，得出以下结论和建议。
（1）总体来说，ABR是一种新型的用于难降解废水深度处理的采用特效功能菌和高效生物载体的上向流好氧生物滤池，依靠ABR特效菌群在ABR高效载体上形成生物膜（典型生物量大于0.1mg/g载体，以干重计），并在好氧条件下利用和分解废水中的难降解COD来维持细胞活性，从而去除水中难降解COD。实际运行管理会比较简单，运行不需要投加额外营养物和补充功能菌，只需要保证好氧反应的正常曝气，反冲洗频率低，几乎无剩余污泥产生。这为难降解有机废水的深度处理提供了一个低生命周期成本的工艺解决方案。
（2）天津石化ABR工程长期运行结果表明，ABR对COD平均去除率达到61%，出水COD稳定小于30mg/L，运行稳定，维护管理简单，抗冲击负荷能力强，运行成本低于0.3元/m3。通过LC-OCD分析可以很好地解读难降解有机物的组成和去除情况，可为工艺设计提供理论依据和指导。（来源：苏伊士水务技术（上海）有限公司，中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津德鑫石化设备有限公司）