厭氧工藝處理金霉素廢水的比較研究
摘要：對升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧復(fù)合床（UBF）、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）三種厭氧工藝處理金霉素廢水進行了比較研究。研究了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點，從反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度和傳質(zhì)過程、工程投資等方面分析了這三種厭氧工藝對金霉素廢水的處理效果。試驗研究表明：IC反應(yīng)器在容積負荷（Nv）5.5 kg/（m3·d）（以CODCr計）時, CODCr平均去除率為84.36％。UBF反應(yīng)器在容積負荷3.5 kg/（m3·d）時，CODCr平均去除率為75.04%，UASB反應(yīng)器在容積負荷3.0 kg/（m3·d）時，CODCr平均去除率為71.43%。研究結(jié)果表明：IC反應(yīng)器與UASB和UBF反應(yīng)器相比，在容積負荷、CODCr去除率、工程投資等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是處理金霉素廢水最可取的厭氧工藝。
關(guān)鍵字：金霉素廢水；厭氧工藝；UASB；UBF；IC
金霉素屬于廣譜抗生素，其生產(chǎn)廢水主要成份為發(fā)酵殘余的培養(yǎng)基、絲菌體和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的各種復(fù)雜的代謝產(chǎn)物，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、有機酸，還有提取過程中加入的有機溶媒、酸堿和少量抗生素等。廢水中含有生物發(fā)酵代謝所產(chǎn)生的生物難降解物質(zhì)，同時還含有少量對微生物有毒害作用的抗生素，是一種難降解的有毒高濃度有機廢水。該類廢水采用一般的生化處理極難達到預(yù)期的處理效果。需采用高效厭氧+好氧為主體的二級生化處理工藝，結(jié)合預(yù)處理和物化深度處理技術(shù)，才能對該類廢水進行有效的處理并達到排放標準。
厭氧工藝是利用厭氧微生物在無氧情況下，通過自身代謝過程將廢水中的有機物轉(zhuǎn)化為無機物(CH4、CO2和H2O)和少量細胞產(chǎn)物的過程，在處理生物難降解有機廢水方面具有優(yōu)越性，生物難降解有機廢水通過厭氧處理還可提高廢水的可生化性。
某公司主要以玉米淀粉、黃豆粉餅、花生粉餅等農(nóng)副產(chǎn)品為原料，生產(chǎn)飼料級金霉素，年生產(chǎn)能力為15000噸。該公司對原有廢水處理系統(tǒng)進行改造，本文對改造過程中的三種厭氧工藝進行了比較研究，從反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度和傳質(zhì)過程、工程投資等方面分析了它們對金霉素廢水的處理效果并得出有關(guān)結(jié)論。
1 廢水來源及水質(zhì)
 |
廢水主要來自金霉素分離提取過程中的高濃度廢母液和發(fā)酵車間的低濃度沖洗廢水，含有大量未被微生物利用的殘?zhí)呛臀幢惶崛〉慕鹈顾兀?rho;（CODCr）和ρ（BOD5）都很高。水量和水質(zhì)分析見表1。
2 工藝流程
目前該公司共有兩套廢水處理系統(tǒng)，分別和一期、二期工程相配套。一期工程中，厭氧系統(tǒng)由UASB反應(yīng)器與UBF反應(yīng)器并聯(lián)運行組成，二期工程中厭氧系統(tǒng)為IC反應(yīng)器，工藝流程圖如下：
 |
3 厭氧運行效果對比
 |
 |
圖3、圖4、圖5及表2為IC反應(yīng)器、UBF反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器三個月的運行情況。
IC反應(yīng)器在容積負荷5.0~6.0 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為6000~7000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~1500 mg/L，CODCr去除率為78.42％~88.54％，CODCr平均去處率為84.36％，出水ρ（VFA（揮發(fā)性脂肪酸））為500~1000 mg/L。
UBF反應(yīng)器在容積負荷3.0~4.0 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為5000~6000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~1800 mg/L，CODCr去除率為70％~78.37%，平均CODCr去除率為75.04％，出水ρ（VFA）為500~1200 mg/L。
UASB反應(yīng)器在容積負荷2.5~3.5 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為5000~6000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~2000 mg/L，CODCr去除率為60％~83.3%，CODCr平均去除率為71.43％，出水ρ（VFA）為500~1500 mg/L。
 |
4 效果分析
由表2和圖3、圖4、圖5可知，在容積負荷和CODCr去除率上，IC反應(yīng)器明顯好于UBF反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器，而UBF反應(yīng)器略好于UASB反應(yīng)器。具體原因分析如下：
4.1 反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度和傳質(zhì)過程
要提高厭氧反應(yīng)器的容積負荷，必須提高厭氧消化的速率。除營養(yǎng)、溫度、pH值條件外，反應(yīng)器的污泥濃度，以及污泥與有機物之間的有效接觸（即傳質(zhì)過程）是影響厭氧消化速率的兩個重要因素。厭氧反應(yīng)器要有較高的容積負荷，就必須同時具備兩個條件：較高的污泥濃度和良好的傳質(zhì)過程。
UASB反應(yīng)器依靠顆粒污泥的形成和三相分離器的作用，使污泥滯留在反應(yīng)器中，從而提高了反應(yīng)器的污泥濃度，也提高了反應(yīng)器的容積負荷。但UASB的傳質(zhì)過程并不理想，進一步提高容積負荷因此受到了限制。
污泥與有機物的良好接觸主要是靠進水和產(chǎn)氣的攪動。因此，強化傳質(zhì)過程最有效的方法是提高表面水力
負荷和表面產(chǎn)氣負荷。然而高負荷產(chǎn)生的劇烈攪動會使UASB反應(yīng)器中的污泥處于完全的膨脹狀態(tài)，使原本是SRT（固體停留時間）>HRT（水力停留時間）的反應(yīng)器向SRT=HRT的方向轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致污泥過量流失。為避免出現(xiàn)過高的水力負荷和產(chǎn)氣負荷，UASB反應(yīng)器常將進水的上升流速控制在1~2 m/h以內(nèi)，將反應(yīng)器的高度控制在6 m以下。所以，UASB反應(yīng)器的缺陷就在于未能解決好傳質(zhì)問題。這也是UASB反應(yīng)器運行效果低于IC反應(yīng)器和UBF反應(yīng)器的一個重要原因。
UASB反應(yīng)器的生物量主要分布在反應(yīng)器的污泥床區(qū)，懸浮層區(qū)的污泥濃度相對較低，而UBF反應(yīng)器除保持了污泥床區(qū)的污泥量外，在上部的填料層區(qū)附著大量具有良好活性的生物膜，在填料的空隙也截留了部分懸浮微生物，使反應(yīng)器微生物總量比UASB反應(yīng)器有較大的增加，而且填料層對CODCr有著20％左右的去除率。更重要的是由于填料的存在，夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之發(fā)生碰撞，加速了污泥與氣泡的分離，從而降低了污泥的流失。二者的聯(lián)合作用使得UBF反應(yīng)器的體積可以最大限度的利用，反應(yīng)器積累微生物的能力大為增強，反應(yīng)器的容積負荷更高。
與UASB反應(yīng)器相比，UBF反應(yīng)器生物量在高度方向的分布發(fā)生了變化，這種污泥沿反應(yīng)器高度方向的分布，有利于去除因污泥床區(qū)發(fā)生短路的廢水中的有機物，提高了出水水質(zhì)和處理效率。
 |
IC反應(yīng)器既能截留污泥，又能強化傳質(zhì)過程，實現(xiàn)了“高負荷與污泥流失相分離”。如圖6所示，IC反應(yīng)器由上、下兩個反應(yīng)室組成。下反應(yīng)室為“高負荷區(qū)”，水力負荷和產(chǎn)氣負荷很大，污泥的膨脹率最大可以達到100％。上反應(yīng)室有充足的空間容納下反應(yīng)室過分膨脹的污泥，避免了污泥的過量流失。上反應(yīng)室為“低負荷區(qū)”，水力負荷和產(chǎn)氣負荷比下反應(yīng)室小很多，有利于污泥的滯留，具有SRT>HRT的特征。IC反應(yīng)器通過上、下兩個動力學過程不同的反應(yīng)室的設(shè)置，實現(xiàn)了“高負荷與污泥流失相分離”，既保持了污泥的高濃度，又強化了傳質(zhì)過程，故容積負荷高。在本工程中UASB反應(yīng)的容積負荷為3 kg/（m3·d），而IC反應(yīng)器可達到5 kg/（m3·d）以上。
IC反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)作用在于增大水力負荷，強化傳質(zhì)過程。在較大產(chǎn)氣負荷和較大水力負荷的共同作用下，下反應(yīng)室的污泥達到了充分的流化狀態(tài)，從而有著良好的傳質(zhì)過程，大大提高了厭氧消化速率和容積負荷。IC反應(yīng)器對污泥的截留能力及內(nèi)循環(huán)的強化傳質(zhì)作用是其運行效果好于UASB反應(yīng)器和UBF反應(yīng)器的根本原因。
4.2 投資分析
IC反應(yīng)器由于存在著內(nèi)循環(huán)，傳質(zhì)效果好，生物量大，污泥齡長，其進水容積負荷比普通的UASB反應(yīng)器和UBF反應(yīng)器高，因此其所建體積就比較小，所以可降低反應(yīng)器的基建投資。又由于IC反應(yīng)器有很大的高徑比，占地面積省，非常適用于占地面積緊張的企業(yè)采用。以處理5500 kgCODCr/d為例，兩期工程投資分析見表3，由表可見，IC反應(yīng)器與UBF反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器相比，可大量節(jié)約投資。
 |
5 結(jié)論
a. 厭氧工藝處理金霉素廢水，IC反應(yīng)器在容積負荷5.0~6.0 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為75％~85.7％。UBF反應(yīng)器在容積負荷為3.0~4.0 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為75.04%，UASB反應(yīng)器在容積負荷為2.5~3.5 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為 71.43%，IC反應(yīng)器處理難生物降解的抗生素廢水更具有優(yōu)越性。
b. IC反應(yīng)器容積負荷高，對同一廢水，IC反應(yīng)器比UASB反應(yīng)器和UBF反應(yīng)器容積小，因此投資費用低；IC反應(yīng)器高徑比大，占地面積小，基建費用省，操作管理方便。
作為第三代高效厭氧反應(yīng)器，IC反應(yīng)器因其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著提高了厭氧反應(yīng)器的性能，是一種高技術(shù)的新型高效厭氧反應(yīng)器，值得推廣應(yīng)用，具有很大的發(fā)展前景。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
