任 鵬， 劉紹根， 戴起會， 徐 銳

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，合肥 230000）

0 引 言

釀酒技術(shù)在我國源遠流長，發(fā)展至今釀酒行業(yè)是我國重要的經(jīng)濟組成部分，但是在我國每年釀酒行業(yè)需要排放大量高濃度有機物廢水，給水資源帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。在淮河地區(qū)廣泛分布釀酒產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致廢水大量流入淮河流域造成環(huán)境污染等問題。針對這一現(xiàn)象提出處理釀造廢水的有效方案，以達到保護水資源的目的。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（Internal Circulation，IC）是荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代研究開發(fā)成功的第3代高效厭氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器是目前的超高效厭氧反應(yīng)器，其COD容積負荷是UASB反應(yīng)器的4倍左右［1］，IC反應(yīng)器由于具有容積負荷率高、啟動快、占地面積小、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，而備受關(guān)注并成功應(yīng)用于啤酒、造紙、檸檬酸等廢水的處理中［2］。顆粒污泥是由大量微生物棲息聚集形成顆粒狀固態(tài)物質(zhì)，好氧顆粒污泥具有規(guī)則和結(jié)構(gòu)密實的形態(tài)，且有良好沉淀性能，在反應(yīng)器內(nèi)保留較高的污泥濃度，可以提高生物處理效率，這一特點相對于傳統(tǒng)的絮狀污泥在廢水處理方面有很大的優(yōu)勢。好氧顆粒污泥可以克服厭氧顆粒所固有的缺陷，能夠快速生長，對生長環(huán)境條件，如溫度、污泥活性高、抗沖擊負荷強、沉降性能好、占地面積少、微生物種群多樣等，因此能夠有效運用在釀酒厭氧出水的處理中［3］，在研究過程中針對釀酒厭氧出水特點，采用高效處理方案IC厭氧＋好氧顆粒污泥生物技術(shù)，可以實現(xiàn)處理釀酒廢水能夠達標國家排放標準。

1 試驗裝置與方法

1．1 試驗裝置

IC厭氧反應(yīng)器＋SBAR好氧反應(yīng)器裝置組合而成，并且用鋼板焊接制成。IC反應(yīng)器試驗裝置根據(jù)IC反應(yīng)原理設(shè)計，IC反應(yīng)器分一級IC厭氧和二級厭氧裝置，一級IC內(nèi)徑1．3m，有效高度10．4m，有效容積13．5m3，二級IC內(nèi)徑1．5m，有效高度9．0m，有效容積13．5m3。一級和二級內(nèi)部設(shè)置三相分離器，升流系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、頂部設(shè)置氣液分離器，沿反應(yīng)器的高度設(shè)置取樣孔，試驗溫度為35～37℃，SBAR反應(yīng)器采用圓柱狀鋼體，其筒高8．0m，內(nèi)徑2．8m，有效體積43m3，并且SBAR反應(yīng)器的內(nèi)部有一個鋼制的導(dǎo)流筒，其高6．0m，內(nèi)徑1．9m，裝置詳圖見圖1。

圖1 中試IC厭氧反應(yīng)器＋SBAR好氧反應(yīng)器工藝示意圖

1．2 試驗用水

安徽阜陽金種子酒廠的生產(chǎn)狀況是以酒精糟液為代表的高濃度工業(yè)廢水，其特點是高濃度的有機廢水，排放量為1000m3／d，廢水中COD高30000～40000mg／L，并呈酸性，色度深，含沙量大，水質(zhì)水量波動大，固形顆粒軟，因此疏水性較差。這種廢水含有較高濃度的蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母、酒花殘渣等有機無毒成分，但是含有大量的固體懸浮物和易生物降解的有機物廢水［4］，出水指標見表1。

表1 進水水質(zhì)分析

1．3 污泥接種

IC反應(yīng)器接種污泥取自安徽省阜陽市金種子酒廠處理釀造廢水的UASB反應(yīng)器顆粒污泥，為黑色橢球形、球形等，污泥粒徑主要分布在0．2mm－1．2mm，且主要以0．6mm為主，接種后IC反應(yīng)器污泥TS為2．214mg／L，VS為1．809mg／L。

SBAR反應(yīng)器所用的污泥來自酒廠污水處理站泥水分配井處，該污水處理站采用生物接觸氧化處理技術(shù)，其接種的污泥密度為1．127g／cm3，MLSS在3．0～4．2g／L之間，SVI為100mL／g。接種的污泥外觀比較松散、形狀不規(guī)則且呈現(xiàn)黃褐色。

1．4 分析方法

表2 常規(guī)分析項目與測定方法

整個試驗過程需要定期取樣檢測反應(yīng)器出水中污染物的去除效果，常規(guī)分析項目的測定方法均采用國家標準方法［5］測定，如表2所示。

2 結(jié)果與分析

2．1 啟動與運行階段

從圖2－7可以看出，IC厭氧反應(yīng)器裝置啟動階段過程中，IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)接種原污水處理工藝UASB反應(yīng)器的污泥，經(jīng)過2天的侵泡后，保持反應(yīng)器內(nèi)溫度為33－380C，流量控制在1．0m3／h，每日監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)溫度和pH，培養(yǎng)7－10天每天提升2個小時廢水，分別在8:00－9:00、13:00－14:00時間段，此階段同時開啟外部循環(huán)泵，保持24小時不斷循環(huán)，每天有少量的沼氣產(chǎn)生，COD的去除率非常低只有30～40%左右。容積負荷Nv＝1．5～2．5kg／m3d，在試驗中主要測試揮發(fā)性脂肪酸（VFA），主要指乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，是厭氧消化過程中的重要中間產(chǎn)物。通過對VFA的監(jiān)測可以很好地了解有機物質(zhì)的降解進程，試驗對靈敏、快速的VFA的分析方法用于控制厭氧反應(yīng)器的運行是非常必要方法［6］，根據(jù)有關(guān)試驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)VFA的濃度大于5mmol／L時不利于厭氧菌種的生長，根據(jù)這一指標，試驗針對前一周的VFA測試平均濃度達到27．15mmol／L，裝置內(nèi)液體嚴重偏酸性，為防止酸化嚴重，不利于厭氧菌種的生長，試驗開始對進水調(diào)節(jié)pH值添加緩沖溶液，改善進水溶液的pH，在后期調(diào)試過程中試驗效果逐步提高，也逐步增加進水流量，有原來的2小時提升至6個小時，溫度保持不變，經(jīng)過52天的調(diào)試，試驗裝置一級出水COD達到6000－8000mg／L，二級出水COD達到1000mg／L，一、二級VFA濃度下降到5mmol／L以下，此時整個裝置運行正常，并且在調(diào)試階段COD去除率不斷上升，一級達到85%以上，二級達到80%以上，pH保持在7．2以上，產(chǎn)生的沼氣量也在不斷增加，實現(xiàn)裝置的內(nèi)循環(huán)，且循環(huán)量不斷增加，大大提高了反應(yīng)器處理有機物的能力。根據(jù)有關(guān)裝置特點設(shè)計要求，內(nèi)循環(huán)是主要實現(xiàn)高效處理的系統(tǒng)［7］。

圖2 一級IC反應(yīng)器啟動階段COD關(guān)系

圖3 一級IC反應(yīng)器啟動階段NH4＋－N關(guān)系

圖4 一級IC反應(yīng)器啟動階段VFA和pH關(guān)系

圖5 二級IC反應(yīng)器啟動階段COD關(guān)系

圖6 二級IC反應(yīng)器啟動階段NH4＋－N關(guān)系

圖7 二級IC反應(yīng)器啟動階段VFA和pH關(guān)系

從圖8～圖13可以看出，IC厭氧反應(yīng)器裝置運行過程中，經(jīng)過運行3個多月后中試裝置整體運行穩(wěn)定，試驗開始增加進水流量由每天6個小時（8:00到11:00和13:00到16:00）增加到每天15個小時（上午7:00到12:00、下午13:00到18:00、晚上19:00到22:00和00:00到2:00），在現(xiàn)場進行第一天即從第109天到124天，發(fā)現(xiàn)試驗裝置開始酸化，pH由7．8降到5．0以下，VFA由5．24mmol／L升高到23．76mmol／L，一級IC反應(yīng)器COD去除率下降到70%以下，最低值達到60%左右，NH4＋－N也下降到10%以下，最低值達到6%左右，說明裝置出現(xiàn)異常，但為了保持進水流量不變的情況下，為了防止試驗繼續(xù)酸化，開始延長IC反應(yīng)器附加外循環(huán)，由每天12個小時（8:00－10:00、12:00－14:00、16:00－18:00、20:00－22:00、00:00－2:00、4:00－6:00）延長到20個小時（7:00－12:00、13:00－18:00、19:00－00:00、1:00－6:00），同時調(diào)節(jié)進水前pH值，經(jīng)過兩個星期的運行和調(diào)試，酸化現(xiàn)象開始出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，VFA的濃度小于5mmol／L，pH達到7．0以上。一級反應(yīng)器裝置出水COD降到4500mg／L－5000mg／L，滿足啟動階段正常運行的情況。IC厭氧反應(yīng)器裝置運行階段試驗進行污泥顆粒進行測量和觀察，發(fā)現(xiàn)污泥為灰黑色球形顆粒，粒徑也逐漸增加，以0．3mm－0．4mm為主，最大粒徑可達到0．8mm，污泥量增加，由于是中溫培養(yǎng)污泥顆粒表面平滑，有空隙，顯微鏡下觀察可見污泥顆粒以甲烷桿菌為主；污泥表面菌體排列比較緊密，菌體比較飽滿，顆粒中心有明顯的空洞，產(chǎn)甲烷古菌的產(chǎn)甲烷活性的影響生物膜厭氧菌的富集［8］，在啟動階段進水COD濃度有很大的波動，在27050．56～41450．78mg／L之間，但是其出水有機物濃度卻未受到影響，其出水穩(wěn)定在1000mg／L左右，可見IC厭氧反應(yīng)器可以適應(yīng)釀酒厭氧出水的水質(zhì)變化，保持有著良好的優(yōu)勢。到1月下旬由于阜陽天氣下降的零下150C，無法進行后續(xù)試驗停止運行。

圖8 一級IC反應(yīng)器運行階段COD關(guān)系

圖9 一級IC反應(yīng)器運行階段NH4＋－N關(guān)系

圖10 一級IC反應(yīng)器運行階段VFA和pH關(guān)系

圖11 二級IC反應(yīng)器運行階段COD關(guān)系

圖12 二級IC反應(yīng)器運行階段NH4＋－N關(guān)系

2．2 SBAR裝置啟動與運行

中試SBAR的啟動階段:試驗設(shè)置體積交換率為50%，沉淀時間為30min，COD容積負荷為4．0KgCOD／（m3d），HRT為480min。根據(jù)好氧顆粒污泥的理論，在中試試驗中對好氧顆粒污泥啟動初期階段，對沉淀時間適當(dāng)增加，為了更好地培養(yǎng)顆粒污泥，通過對廢水中有機物去除效果的觀察，可以將選擇沉淀時間定為最優(yōu)培養(yǎng)方案。所以試驗根據(jù)選擇沉淀時間的不同，將中試好氧顆粒污泥的啟動分為兩個沉淀時間方案:方案一，選擇沉淀時間設(shè)置45min，根據(jù)現(xiàn)場實際情況裝置運行22天；方案二，選擇沉淀時間設(shè)置30min，根據(jù)現(xiàn)場實際情況運行40天，經(jīng)過兩個多月的培養(yǎng)，好氧顆粒污泥成熟。

圖14 SBAR反應(yīng)器啟動和運行階段COD關(guān)系

圖15 SBAR反應(yīng)器啟動和運行NH4＋－N關(guān)系

由圖14和15可以看出，啟動和運行階段隨著運行時間COD、氨氮的去除效果逐漸趨于穩(wěn)定且去除率穩(wěn)步上升，平均去除率分別為91．4%、67．11%，表現(xiàn)出好氧顆粒污泥良好的成長狀態(tài)；試驗10天內(nèi)COD去除率穩(wěn)步上升，由42．7%穩(wěn)步上升至54．3%，氨氮去除率最高可達到74．62%。表明污泥接種成功，且具有良好的活性。試驗運行到第10天，去除率略有下降，由55．3%下降至50．8%，隨后試驗去除率平穩(wěn)升高。試驗可以得出，好氧顆粒污泥對沉淀時間45min，有良好適應(yīng)性，說明好氧顆粒污泥培養(yǎng)趨于穩(wěn)定。從第11天到第20天，中試好氧顆粒污泥啟動第一階段結(jié)束，COD、氨氮去除率穩(wěn)步上升，分別由53．8%逐步上升到71．2%和43．39%上升到59．43%，這表明好氧顆粒污泥正在迅速繁殖，培養(yǎng)初見起色。到第20天發(fā)現(xiàn)COD、氨氮去除率有小幅下降，COD由71．2%下降至62．1%，氨氮由67．44%下降至52．86%，說明試驗調(diào)整沉淀時間對COD、氨氮的去除有一定的影響。隨之以后試驗COD、氨氮的去除率又逐步上升至90．4%和65．48%，同時，從圖13和圖14可以發(fā)現(xiàn)，雖然啟動階段進水水質(zhì)有較大的波動，但其出水COD、氨氮濃度并未受到很大的影響，在整個試驗運行階段出水COD、NH4＋－N去除率分別為93．2%、78．4%以上，出水pH 值在7．0以上，該工藝最終出水COD、NH4＋－N濃度分別低于100mg／L、10mg／L，出水均達到《發(fā)酵酒精和白酒工業(yè)水污染排放標準》（GB27631－2011）。

3 總 結(jié)

（1）IC厭氧反應(yīng)器＋SBAR好氧反應(yīng)器工藝針對白酒釀造廢水處理工藝中試，試驗運行對進液COD濃度的廢水變化有良好的適應(yīng)性和抵抗性，試驗的COD、NH4＋－N出水去除率分別穩(wěn)定達到在92%、79%以上，出水pH值在7．0以上，最終出水濃度則低于100mg／L，氨氮出水10mg／L左右，對釀造廢水有良好的處理效果。

（2）對于白酒釀造廢水，若啟動正常，采用普通消化污泥接種，2個月反應(yīng)器的啟動即可完成，對pH值、COD濃度的抗沖擊負荷能力大大提高，顆粒污泥強度高，出水懸浮物含量少，水質(zhì)清澈。

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