摘要：采用模擬試驗(yàn)方法研究了UASB—曝氣氧化塘組合工藝處理高濃度馬鈴薯淀粉有機(jī)廢水的技術(shù)可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UASB—曝氣氧化塘組合工藝對(duì)廢水中有機(jī)物的去除效果良好，COD去除率可達(dá)到95%左右，BOD5去除率為98%，其他指標(biāo)也均達(dá)到國(guó)家污水綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978—1996)。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯淀粉廢水,UASB反應(yīng)器,曝氣氧化塘,COD去除率

1 引言

我國(guó)是世界馬鈴薯主產(chǎn)國(guó)之一，常年種植面積約409萬(wàn)hm2，產(chǎn)量約5500萬(wàn)t，居世界首位。以前馬鈴薯的加工利用相當(dāng)落后，鮮食量高達(dá)90%以上，僅有一小部分用于加工馬鈴薯干、馬鈴薯片、粉絲和粉皮等[1]。近年來(lái)，隨著淀粉市場(chǎng)需求的增加，我國(guó)的馬鈴薯深加工業(yè)發(fā)展很快，馬鈴薯淀粉、馬鈴薯全粉、馬鈴薯食品等生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)量不斷增加。雖然馬鈴薯深加工技術(shù)能增加成品的附加值，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益，但是馬鈴薯加工廢水中的有機(jī)物濃度高，直接排放會(huì)造成嚴(yán)重污染，目前薯類(lèi)加工廢水處理技術(shù)研究正日益受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注[2]。

本研究針對(duì)馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的季節(jié)性和變動(dòng)性特點(diǎn)，采用上流式厭氧污泥床–曝氣氧化塘工藝對(duì)馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行了處理工藝的模擬試驗(yàn)，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用UASB反應(yīng)器為一有機(jī)玻璃圓柱，內(nèi)徑150mm，高2000mm，總?cè)莘e約為35.0L。反應(yīng)器下部為污泥馴化形成的顆粒污泥膨脹床，中上部為三相分離器，沿反應(yīng)器外側(cè)不同高度設(shè)有取樣口，底部進(jìn)水、排泥，頂端加蓋，設(shè)有集氣裝置。

模擬曝氣氧化塘為一水池，池深600mm，內(nèi)徑500mm。充氧器為一小型曝氣機(jī)，可提供恒定的氧氣量。

2.2 接種污泥

試驗(yàn)接種污泥取至某橡膠廠(chǎng)兼性氧化塘溢流渠中的污泥，該污泥表面呈絮凝狀，顏色為黑色，在UASB反應(yīng)器中填充污泥量為6.0L。

2.3 工藝流程

基于馬鈴薯淀粉廢水易于生化的特性，通過(guò)對(duì)多種處理工藝的比較分析，本試驗(yàn)采用UASB—曝氣氧化塘為核心的處理工藝，該工藝具有處理效率高，投資運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中，馬鈴薯淀粉廢水從UASB反應(yīng)器底部進(jìn)入污泥床，經(jīng)厭氧處理后，再通入曝氣氧化塘處理，氧化塘處理后出水達(dá)標(biāo)直接排放或經(jīng)過(guò)消毒后循環(huán)利用。

3 結(jié)果與討論

3.1 UASB反應(yīng)器污泥顆?；c實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果

UASB反應(yīng)器能否穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，關(guān)鍵是看能否培養(yǎng)出具有優(yōu)良沉降性能和產(chǎn)甲烷菌活性高的顆粒污泥。在UASB柱狀反應(yīng)器內(nèi)可維持很高的顆粒污泥生物量，因此保證了UASB反應(yīng)器可在高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

試驗(yàn)UASB反應(yīng)器利用橡膠廠(chǎng)兼性塘溢流堰中的污泥接種，反應(yīng)器在中溫（30～36℃）條件下分階段培養(yǎng)馴化，通過(guò)連續(xù)運(yùn)行35d后，顆粒污泥形成，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的處理效果。污泥顆粒化過(guò)程一般可分為三個(gè)階段：⑴污泥呈現(xiàn)絮凝狀，此階段為微生物適應(yīng)周?chē)h(huán)境的過(guò)程；⑵開(kāi)始出現(xiàn)顆?；勰?，但是直徑較小(0.1～0.3mm)；⑶顆粒污泥不斷增大，絮狀污泥逐漸減少，此時(shí)，顆粒污泥直徑在2.0～5.0 mm之間。顆粒污泥密度比絮體污泥大，具有良好的沉降性能，具有很高的生物活性，并因廢水生化處理階段的不同而呈現(xiàn)黑色和灰色。試驗(yàn)UASB反應(yīng)器處理模擬廢水的效果見(jiàn)表1。

表1 UASB反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) NH3—N T-P 濁度
進(jìn)水 7.00 4016 2677 8.20 3.49 94.67
出水 7.30 864 398 17.3 0.7 38.75
去除率(%) — 78.5 85.1 — 79.9 55.92

3.2 UASB反應(yīng)器運(yùn)行的影響因素

3.2.1 水力停留時(shí)間(HRT)

在不同水力停留時(shí)間(HRT)下UASB反應(yīng)器對(duì)廢水中各項(xiàng)指標(biāo)的處理試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1的曲線(xiàn)可知，隨著HRT值的升高，馬鈴薯淀粉廢水中COD的去除率也升高。但是，當(dāng)水力停留時(shí)間超過(guò)2d時(shí)，廢水中COD去除率的增加非常緩慢，僅僅只增加了三個(gè)百分點(diǎn)。T-P的去除率變化不大，說(shuō)明UASB反應(yīng)器中的生化過(guò)程是以生物分解為主。因此在處理高、中濃度有機(jī)廢水時(shí)，可采用厭氧—好氧串聯(lián)工藝，即用UASB反應(yīng)器去除廢水中大部分含碳有機(jī)物作為預(yù)處理，而用好氧處理設(shè)備去出殘余的含碳有機(jī)物和氮、磷等物質(zhì)。

3.2.2 酸堿平衡

pH值是影響厭氧消化微生物生命活動(dòng)過(guò)程的最重要因素之一。許多研究表明，厭氧消化需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的pH值，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于以產(chǎn)甲烷為主要目的的厭氧過(guò)程要求pH值在6.5～7.5之間。如果生長(zhǎng)環(huán)境的pH值過(guò)高或者過(guò)低，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和繁殖就會(huì)受到抑制，進(jìn)而對(duì)整個(gè)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響[3]。本試驗(yàn)研究的馬鈴薯淀粉原廢水的pH值呈酸性，在進(jìn)入反應(yīng)器之前廢水首先要進(jìn)行水解酸化預(yù)處理，系統(tǒng)在處理過(guò)程中，pH值發(fā)生一系列的變化，其變化的規(guī)律見(jiàn)圖2。

從圖2可知，第一天到第七天，反應(yīng)器中廢水的pH值不斷升高并趨于中性。這是由于廢水中含有的蛋白質(zhì)或氨基酸的分解過(guò)程中形成了較多的銨離子的緣故。因此可以利用厭氧消化過(guò)程使反應(yīng)器具有一定的酸堿緩沖能力，而不必另外投加酸和堿物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的pH值條件，從而簡(jiǎn)化廢水處理工藝。

3.2.3 溫度

對(duì)于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，溫度突變會(huì)對(duì)生物活性產(chǎn)生顯著的影響，降溫幅度越大，低溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)氣量的下降就越嚴(yán)重。在溫度恒定條件下，不同的運(yùn)行溫度，UASB反應(yīng)器的處理效率也不一樣，通過(guò)多年的研究資料表明，厭氧消化中存在兩個(gè)最適溫度范圍，即中溫32～35℃和高溫50～55℃。本試驗(yàn)廢水的溫度范圍為30～35℃，恰好處于中溫消化的最適溫度范圍，因此不需要進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

3.3 曝氣氧化塘的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果

UASB反應(yīng)器的出水進(jìn)入模擬曝氣氧化塘中，經(jīng)過(guò)曝氣氧化塘處理后廢水中的主要污染物的去除結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 曝氣氧化塘穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) T-P 濁度 DO
進(jìn)水 7.65 1098 429 0.32 29.36 0.47
出水 8.64 133 27 0.20 13.41 4.23
去除率(%) 87.9 93.7 37.5 54.3 —
二級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 6～9 150 30 1.0 — —

從表2及試驗(yàn)結(jié)果可知，在曝氣氧化塘中停留7d后，氧化塘出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家污水綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996）。

3.4 曝氣氧化塘運(yùn)行的影響因素

3.4.1 溶解氧(DO)

在曝氣氧化塘處理系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的溶解氧是一個(gè)非常關(guān)鍵的部分，溶解氧不足不僅降低了系統(tǒng)的處理效率，而且還容易使廢水水質(zhì)惡化，發(fā)生有機(jī)物腐化現(xiàn)象，使廢水達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。本試驗(yàn)供氧設(shè)備為一小型充氧機(jī)，氧氣供應(yīng)量恒定，以下圖3是曝氣氧化塘在供氧恒定條件下廢水溶解氧變化曲線(xiàn)。

從圖3可知，氧化塘中廢水的溶解氧隨著時(shí)間的推移，DO值不斷的升高。這是由于剛進(jìn)入氧化塘的廢水有機(jī)物含量高，好氧微生物在分解有機(jī)物時(shí)，需要消耗大量的氧氣，因此，系統(tǒng)在運(yùn)行前期廢水中的溶解氧量很低。在運(yùn)行4d以后，廢水中有機(jī)物大部分已經(jīng)被好氧微生物降解，此時(shí)廢水中的溶解氧含量升高。

3.4.2 pH值

氧化塘內(nèi)有機(jī)污染物降解過(guò)程，是溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)換為無(wú)機(jī)物和固態(tài)有機(jī)物—細(xì)菌與藻類(lèi)細(xì)胞的過(guò)程[4]。在細(xì)菌的降解作用和藻類(lèi)的光合作用的過(guò)程中，需要利用H+作為電子受體，如，光合作用轉(zhuǎn)化成1mol藻類(lèi)需要18mol的H+作為電子受體。因此塘水在運(yùn)行過(guò)程中，pH值呈不斷變化。本試驗(yàn)在操作過(guò)程中，均是在下午16﹕00測(cè)定pH值。試驗(yàn)中塘水的pH值變化情況如圖4。

從圖4可看出，塘水在運(yùn)行過(guò)程中，pH值在不斷的上升。這是由于在藻類(lèi)光合作用時(shí)，消耗了大量的H+和CO2，因此廢水才不斷上升。

4 結(jié)論

4.1 UASB–曝氣氧化塘組合工藝對(duì)高濃度馬鈴薯淀粉廢水具有很好的處理效果，當(dāng)廢水進(jìn)水COD濃度為4016mg/L時(shí)，出水COD濃度可達(dá)133mg/L，去除率為96.7%，主要污染指標(biāo)也均達(dá)到國(guó)家污水綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996）。

4.2 選擇UASB反應(yīng)器作為厭氧生物處理裝置，其具有占地面積小、處理能力大、處理效率高、操作簡(jiǎn)單，并可產(chǎn)生沼氣等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廠(chǎng)的具體情況，選擇曝氣氧化塘作為好氧處理單元，其具有處理成本低，運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合目前馬鈴薯淀粉生產(chǎn)具體情況的處理工藝。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳芳，趙景文，胡小松.我國(guó)馬鈴薯加工業(yè)的現(xiàn)狀、問(wèn)題及發(fā)展對(duì)策[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào).2002，4(2)：66—67.

[2] 榮宏偉，催崇威，鄒茂榮.厭氧—好氧處理馬鈴薯加工廢水實(shí)驗(yàn)研究[J].2001，17(1)：40—41.

[3] 馬溪平 等編.厭氧微生物學(xué)與污水處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.7.46—47.

[4] 高延耀，顧國(guó)維 主編.水污染控制工程[M].第二版(下冊(cè)).北京：高等教育出版社，1999.81—82.

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