黃慧靜 章 偉

(1.浙江偉明環(huán)保股份有限公司，浙江 溫州 325000;2.溫州王朝大酒店有限公司，浙江 溫州 325000)

在食品工業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免都會(huì)產(chǎn)生廢水[1]。食品工業(yè)廢水具有以下特征：COD含量較高(16 000>mg/L)，含有懸浮固體、溶解性有機(jī)物、微生物和無(wú)機(jī)鹽，且BOD/COD≥0.5[2]。由于廢水中有機(jī)物含量較高，因此宜采用生化工藝進(jìn)行處理。在生化處理過程中，厭氧反應(yīng)COD去除效率高，但出水水質(zhì)仍不能達(dá)到排放要求的閾值質(zhì)量，因此增強(qiáng)了好氧過程以滿足現(xiàn)有的出水水質(zhì)要求。

厭氧技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用取決于高速率厭氧生物反應(yīng)器的開發(fā)和利用。在高速率反應(yīng)器中，厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)在廢水工業(yè)處理方面有較廣闊的應(yīng)用前景[3]。其在處理高酚煤氣化廢水，農(nóng)村生活污水，畜禽養(yǎng)殖廢水，紙漿造紙廢水，印染廢水，垃圾填埋場(chǎng)滲濾液等工農(nóng)業(yè)廢水中都有實(shí)踐[4-8]?；谛柩鹾蛥捬踹^程之間的操作考慮，例如有機(jī)負(fù)荷，污泥的產(chǎn)生速率，養(yǎng)分需求，能量需求和產(chǎn)生的能量，厭氧處理的主要問題是消化池或反應(yīng)器中現(xiàn)有廢水與污泥之間的接觸。接觸越好，所消耗的時(shí)間就越少，所需的時(shí)間也越少，那么所要建造的蒸煮器的尺寸就越小[9]。攪拌流反應(yīng)器的建造需要最深5 m的深度，周期性厭氧折流板反應(yīng)器(PABR)反應(yīng)器由于是圓形，因此需要特殊構(gòu)造。本文設(shè)計(jì)了厭氧折流板反應(yīng)器，旨在克服廢水與污泥之間缺乏接觸的問題以及減小其構(gòu)造深度?？疾炝藚捬跸瘯r(shí)不同隔倉(cāng)的pH與COD變化，以期為厭氧折流板反應(yīng)器在番茄加工廢水環(huán)保治理中提供新的應(yīng)用案例。

1 材料和方法

1.1 ABR設(shè)計(jì)

厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無(wú)需機(jī)械攪拌，減少了堵塞的發(fā)生，并且操作成本低，維護(hù)成本低[10]；對(duì)于使用的生物質(zhì)：不需要顆粒污泥生物質(zhì)；不需要低速生長(zhǎng)的特殊沉積物，固體污泥保留時(shí)間長(zhǎng)；不需要固定的介質(zhì)；不需要特定的氣體或固體分離；液體停留時(shí)間低，允許間歇運(yùn)行，對(duì)水力沖擊負(fù)荷穩(wěn)定；可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而無(wú)需處理污泥，對(duì)有機(jī)沖擊負(fù)荷具有很高的穩(wěn)定性[11]。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的透明ABR生物反應(yīng)器是用有機(jī)玻璃板制造的，設(shè)計(jì)成上下3對(duì)，長(zhǎng)60 cm，寬25 cm，高40 cm，擋板之間的距離為10 cm，擋板與底部反應(yīng)器的距離為1.5 cm，總體積60 L。ABR由三對(duì)相等的隔倉(cāng)組成，每個(gè)隔倉(cāng)都有一對(duì)上下流動(dòng)擋板(懸掛和站立擋板)和樣品端口,如圖1所示。由于白天和晚上溫度的變化，內(nèi)部反應(yīng)器的溫差<3 ℃。因此，反應(yīng)器不需要冷卻或加熱系統(tǒng)來(lái)維持溫度。使用蠕動(dòng)泵向ABR供給廢水。

圖1 厭氧桿菌(ABR)反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic bacteria (ABR) reactor

1.2 厭氧污泥馴化

厭氧污泥來(lái)自某豆制品行業(yè)污水處理廠。厭氧污泥由厭氧反應(yīng)器中間的水采樣器采集。將污泥以一定高度裝入反應(yīng)器中，該高度為反應(yīng)器高度的50%。該污泥先調(diào)節(jié)運(yùn)行30 d，番茄醬加工廢水的流量為20 L/d。在該馴化過程中，密度較小的污泥將從反應(yīng)器中洗出并作為懸浮固體釋放。

1.3 實(shí)驗(yàn)與分析

將適應(yīng)期后的污泥準(zhǔn)備好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，污泥高度設(shè)置為反應(yīng)器高度的60%。蠕動(dòng)泵的廢水流量為20 L/d。番茄醬加工廢水COD的含量約為2.3×103和7.3×103mg/L。通過將氫氧化鈉或硝酸稀釋至體系中來(lái)調(diào)節(jié)pH。該廢水需要放置1 d，每天必須達(dá)到等體積和等量的化學(xué)需氧量才能喂料至ABR反應(yīng)器中，測(cè)量每個(gè)隔倉(cāng)的pH和COD的變化。根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定pH和COD。

2 結(jié)果與討論

2.1 ABR系統(tǒng)pH值的變化

初始COD為2.3×103mg/L的番茄加工廢水，經(jīng)過12 d的處理消化降解過程，pH值變化如圖2所示。從圖2可以看出，隔倉(cāng)1、2和3的pH值均趨于降低。第2天，隔倉(cāng)1的pH值從7.6下降到6.3。在11～12天，三個(gè)隔倉(cāng)的pH值接近6.2～6.3。通常，由于堿度的形成，一旦達(dá)到穩(wěn)定的pH條件，pH值將升高。由于隔倉(cāng)1的負(fù)荷較大，第二天pH會(huì)急劇下降，番茄廢水降解較易，在與活性污泥的初始接觸中會(huì)發(fā)生水解，并產(chǎn)生酸[12]。產(chǎn)酸的高級(jí)過程發(fā)生在隔倉(cāng)3中，厭氧過程三個(gè)早期階段的微生物具有較寬pH范圍，為4.0～8.5。pH 7.6～6.3的變化仍處于分解成揮發(fā)性脂肪酸的過程內(nèi)。從第11天開始，隔倉(cāng)3的pH值與其他兩個(gè)隔倉(cāng)相近，這表明產(chǎn)酸過程已經(jīng)完成，如圖2的COD曲線所示，在第11天后，曲線呈指數(shù)形式。

圖2 進(jìn)水COD為2.4×103 mg/L時(shí)隔倉(cāng)pH值變化Fig.2 Change of pH value of influent COD 2.4×103 mg/L compartment

對(duì)于初始COD為7.3×103mg/L的廢水(圖3)，廢水在初始pH為酸性的條件下注入反應(yīng)器，廢水的特性為易于降解，高COD含量導(dǎo)致其中蛋白質(zhì)物質(zhì)的堿度變化很快發(fā)生，堿度的形成速度更快，進(jìn)而導(dǎo)致pH升高。從圖3也可以看出，隨著pH值的增加，水解階段比產(chǎn)酸階段更占優(yōu)勢(shì)[12]。營(yíng)養(yǎng)成分的補(bǔ)充將提供足夠的降解，在11 d和12 d的pH升高至約7.4。

圖3 進(jìn)水COD為7.3×103 mg/L時(shí)隔倉(cāng)pH值變化Fig.3 Change of pH value of influent COD 7.3×103 mg/L compartment

2.2 ABR系統(tǒng)COD的變化

ABR系統(tǒng)中的進(jìn)水COD分別為2.4×103mg/L，7.3×103mg/L的廢水12 d的消化降解過程如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，隔倉(cāng)1、2、3第12 d的COD去除效率分別為91.84%、96.83%、98.03%。到第4天時(shí)，COD去除率增幅最大，每個(gè)隔倉(cāng)的COD去除率分別為80.36%、89.16%、92.80%，而隨后的厭氧發(fā)酵過程中，其COD去除率僅略有增加。COD低濃度進(jìn)水的曲線表示為清晰的指數(shù)曲線，在第4天和第5天之間有曲線拐點(diǎn)。

圖4 進(jìn)水COD 2.4×103 mg/L隔倉(cāng)COD去除率Fig.4 Removal rate of influent COD 2.4 × 103 mg/L compartment

圖5 進(jìn)水COD 7.3×103 mg/L隔倉(cāng)COD去除率Fig.5 Removal rate of influent COD 7.3×103 mg/L compartment

對(duì)于進(jìn)水COD為7.3×103mg/L的廢水(圖5)，12 d時(shí)每個(gè)隔倉(cāng)去除COD的性能分別為98.15%，98.51%和98.83%。一般來(lái)說，ABR中的總COD去除效率與廢水中有機(jī)物含量正相關(guān)，有機(jī)物含量越高，COD去除率越高[13]。COD去除量與消化時(shí)間的關(guān)系曲線為指數(shù)曲線。在低有機(jī)負(fù)荷下，指數(shù)曲線的形狀在曲線的開始處清晰可見，但是當(dāng)有機(jī)含量較高時(shí)，曲線向右移動(dòng)。因此，對(duì)于更高COD負(fù)荷，曲線拐點(diǎn)向右移動(dòng)至第9天出現(xiàn)。對(duì)比圖4，有機(jī)負(fù)荷增加2倍，COD降解耗時(shí)增加了1倍。最高的COD去除發(fā)生在隔倉(cāng)1中，而隔倉(cāng)2,3僅去除了剩余COD的小部分。隨著前一個(gè)隔倉(cāng)中COD的減少，后續(xù)隔倉(cāng)中微生物底物利用率降低，導(dǎo)致去除效率降低。細(xì)菌動(dòng)力學(xué)可以解釋上述現(xiàn)象，即較低的底物濃度會(huì)導(dǎo)致較低的生長(zhǎng)速率[14]。對(duì)于ABR系統(tǒng)，隔倉(cāng)1通過產(chǎn)酸細(xì)菌細(xì)胞生成和氣體釋放(CO2和H2)去除COD，大量的COD則轉(zhuǎn)化為液體中間產(chǎn)物(如乙醇，丁酸，丙酸)留在系統(tǒng)中。隔倉(cāng)2中的底物通過乙酸原轉(zhuǎn)化為乙酸和H2，而隔倉(cāng)3中的產(chǎn)甲烷菌主要通過將中間產(chǎn)物(乙酸)轉(zhuǎn)化為甲烷來(lái)去除COD。

3 結(jié)論

ABR處理番茄醬加工廢水的厭氧過程表明，低水平的COD含量導(dǎo)致消化4～5 d時(shí)曲線呈指數(shù)穩(wěn)定，而對(duì)于較高的COD含量負(fù)荷，曲線向右漂移。ABR的隔倉(cāng)1是減少?gòu)U水中有機(jī)物含量的主反應(yīng)器，而隔倉(cāng)2和3的去除效率并不顯著。有機(jī)負(fù)荷增加2倍，穩(wěn)定時(shí)間增加了1倍，可以將其歸為類似于UASB反應(yīng)器的單級(jí)ABR。厭氧折流板反應(yīng)器有較強(qiáng)發(fā)展前景，本文為番茄加工廢水環(huán)保治理提供新的應(yīng)用案例。