UASB–氧化塘工藝處理馬鈴薯淀粉加工廢水的實驗研究
摘要：采用模擬試驗方法研究了UASB—曝氣氧化塘組合工藝處理高濃度馬鈴薯淀粉有機廢水的技術(shù)可行性。實驗結(jié)果表明，UASB—曝氣氧化塘組合工藝對廢水中有機物的去除效果良好，COD去除率可達到95%左右，BOD5去除率為98%，其他指標也均達到國家污水綜合排放二級標準(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
我國是世界馬鈴薯主產(chǎn)國之一，常年種植面積約409萬hm2，產(chǎn)量約5500萬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，隨著淀粉市場需求的增加，我國的馬鈴薯深加工業(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)濟效益，但是馬鈴薯加工廢水中的有機物濃度高，直接排放會造成嚴重污染，目前薯類加工廢水處理技術(shù)研究正日益受到國內(nèi)外的關(guān)注[2]。
本研究針對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的季節(jié)性和變動性特點，采用上流式厭氧污泥床–曝氣氧化塘工藝對馬鈴薯淀粉廢水進行了處理工藝的模擬試驗，以期為實際工程設(shè)計提供參考。
2 材料與方法
2.1 試驗裝置
試驗所用UASB反應(yīng)器為一有機玻璃圓柱，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，可提供恒定的氧氣量。
2.2 接種污泥
試驗接種污泥取至某橡膠廠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，通過對多種處理工藝的比較分析，本試驗采用UASB—曝氣氧化塘為核心的處理工藝，該工藝具有處理效率高，投資運行費用低、管理簡單等特點。在運行過程中，馬鈴薯淀粉廢水從UASB反應(yīng)器底部進入污泥床，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標直接排放或經(jīng)過消毒后循環(huán)利用。
3 結(jié)果與討論
3.1 UASB反應(yīng)器污泥顆；c實驗運行效果
UASB反應(yīng)器能否穩(wěn)定、高效地運行，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)器可在高負荷下穩(wěn)定運行[2]。
試驗UASB反應(yīng)器利用橡膠廠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，通過連續(xù)運行35d后，顆粒污泥形成，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的處理效果。污泥顆粒化過程一般可分為三個階段：⑴污泥呈現(xiàn)絮凝狀，此階段為微生物適應(yīng)周圍環(huán)境的過程；⑵開始出現(xiàn)顆；勰啵侵睆捷^小(0.1～0.3mm)；⑶顆粒污泥不斷增大，絮狀污泥逐漸減少，此時，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UASB反應(yīng)器處理模擬廢水的效果見表1。
表1 UASB反應(yīng)器穩(wěn)定運行結(jié)果
項目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) NH3—N T-P 濁度
進水 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)器運行的影響因素
3.2.1 水力停留時間(HRT)
在不同水力停留時間(HRT)下UASB反應(yīng)器對廢水中各項指標的處理試驗結(jié)果見圖1。
從圖1的曲線可知，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)水力停留時間超過2d時，廢水中COD去除率的增加非常緩慢，僅僅只增加了三個百分點。T-P的去除率變化不大，說明UASB反應(yīng)器中的生化過程是以生物分解為主。因此在處理高、中濃度有機廢水時，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過程的最重要因素之一。許多研究表明，厭氧消化需要一個相對穩(wěn)定的pH值，一般來說，對于以產(chǎn)甲烷為主要目的的厭氧過程要求pH值在6.5～7.5之間。如果生長環(huán)境的pH值過高或者過低，產(chǎn)甲烷菌的生長和繁殖就會受到抑制，進而對整個厭氧消化過程產(chǎn)生嚴重的不利影響[3]。本試驗研究的馬鈴薯淀粉原廢水的pH值呈酸性，在進入反應(yīng)器之前廢水首先要進行水解酸化預(yù)處理，系統(tǒng)在處理過程中，pH值發(fā)生一系列的變化，其變化的規(guī)律見圖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)來調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的pH值條件，從而簡化廢水處理工藝。
3.2.3 溫度
對于厭氧微生物來說，溫度突變會對生物活性產(chǎn)生顯著的影響，降溫幅度越大，低溫持續(xù)時間越長，產(chǎn)氣量的下降就越嚴重。在溫度恒定條件下，不同的運行溫度，UASB反應(yīng)器的處理效率也不一樣，通過多年的研究資料表明，厭氧消化中存在兩個最適溫度范圍，即中溫32～35℃和高溫50～55℃。本試驗廢水的溫度范圍為30～35℃，恰好處于中溫消化的最適溫度范圍，因此不需要進行溫度調(diào)節(jié)。
3.3 曝氣氧化塘的實驗運行效果
UASB反應(yīng)器的出水進入模擬曝氣氧化塘中，經(jīng)過曝氣氧化塘處理后廢水中的主要污染物的去除結(jié)果見表2。
表2 曝氣氧化塘穩(wěn)定運行結(jié)果
項目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) T-P 濁度 DO
進水 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 —
二級標準 6～9 150 30 1.0 — —
從表2及試驗結(jié)果可知，在曝氣氧化塘中停留7d后，氧化塘出水各項指標均達到了國家污水綜合排放二級標準（GB8978-1996）。
3.4 曝氣氧化塘運行的影響因素
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)生有機物腐化現(xiàn)象，使廢水達不到標準要求。本試驗供氧設(shè)備為一小型充氧機，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。
從圖3可知，氧化塘中廢水的溶解氧隨著時間的推移，DO值不斷的升高。這是由于剛進入氧化塘的廢水有機物含量高，好氧微生物在分解有機物時，需要消耗大量的氧氣，因此，系統(tǒng)在運行前期廢水中的溶解氧量很低。在運行4d以后，廢水中有機物大部分已經(jīng)被好氧微生物降解，此時廢水中的溶解氧含量升高。
3.4.2 pH值
氧化塘內(nèi)有機污染物降解過程，是溶解性有機物轉(zhuǎn)換為無機物和固態(tài)有機物—細菌與藻類細胞的過程[4]。在細菌的降解作用和藻類的光合作用的過程中，需要利用H+作為電子受體，如，光合作用轉(zhuǎn)化成1mol藻類需要18mol的H+作為電子受體。因此塘水在運行過程中，pH值呈不斷變化。本試驗在操作過程中，均是在下午16﹕00測定pH值。試驗中塘水的pH值變化情況如圖4。
從圖4可看出，塘水在運行過程中，pH值在不斷的上升。這是由于在藻類光合作用時，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高濃度馬鈴薯淀粉廢水具有很好的處理效果，當(dāng)廢水進水COD濃度為4016mg/L時，出水COD濃度可達133mg/L，去除率為96.7%，主要污染指標也均達到國家污水綜合排放二級標準（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、操作簡單，并可產(chǎn)生沼氣等優(yōu)點。
根據(jù)馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廠的具體情況，選擇曝氣氧化塘作為好氧處理單元，其具有處理成本低，運行管理方便等優(yōu)點，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
[1] 陳芳，趙景文，胡小松.我國馬鈴薯加工業(yè)的現(xiàn)狀、問題及發(fā)展對策[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報.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驗研究[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，顧國維 主編.水污染控制工程[M].第二版(下冊).北京：高等教育出版社，1999.81—82.
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