酿酒废水处理方法

2017-03-15 09:59:19 12

  在我国,农副产品加工业、食品加工业和饮料业废水约占10%左右,随着国家经济调整,企业结构随之往节能、高效的方向发展,此类工业废水排放量较大并有持续增加的趋势[1]。这类废水的pH偏低,在4~7范围内,COD较高但磷浓度很低,如乳制品、淀粉加工和饮料生产等废水C/P比均超过200∶1,啤酒酿造废水中的C/P比也超过170∶1。由于这类废水中的N、P含量低,维持生物作用的C、N、P比例失调,采用普通的活性污泥法处理,容易发生污泥膨胀,导致污泥流失严重,出水COD较高。而采用生化工艺处理该类废水时,一般是通过添加营养盐保证一般微生物所需的C、N、P比来维持工艺的正常运行。但这种方式不仅会增加运行成本,而且若投加量不足则处理效果不佳,投加量过大则增加了出水的磷含量。因此,亟需建立一种少或无需投加营养元素的生物处理新工艺解决上述问题。

  1993年,J. S. Cech等[2]最早在生物强化除磷(EBPR)系统中发现了聚磷菌(PAOs)之外的另一类微生物。这类微生物在厌氧条件下分解胞内糖原作为能量源和还原力,吸收有机质并合成聚β羟基烷酸酯(PHA)但不释放磷,好氧条件下分解PHA合成糖原但不积聚磷。这类具有聚集糖原生长特性的微生物被称为聚糖菌(GAOs)[3]。

  PAOs和GAOs的代谢机理十分类似:二者均在厌氧阶段分解胞内某一种聚合物以获得能量,吸收有机基质;在好氧阶段,再合成厌氧阶段分解的胞内聚合物,以维持代谢活动,并进行增殖。GAOs对系统内磷的去除没有贡献,但是由于其特殊的代谢特点,可以在磷浓度很低的废水中降解大量有机碳。因此,利用富集GAOs的活性污泥处理高碳低磷型工业废水存在理论可行性。B. Kiss等[4]通过调整某酒厂生产废水处理工艺的参数,使污泥中富集GAOs,结果COD去除率始终保持在50%以上,与通过投加营养元素保证污水处理效果的常规方法相比,不仅节约成本、经济高效,而且在不外加磷元素的条件下降低了活性污泥膨胀的可能性,保证了出水效果。

  本研究采用富含GAOs的活性污泥系统处理某酒厂的废水,考察pH和厌氧/好氧时间比对酒厂废水中COD、TN、TP的去除效果。

  1 实验部分

  1.1 试验材料

  实验进水取自北京某白酒厂的生产废水,该废水pH为7.1,COD为650 mg/L,TP为2.60 mg/L,C/P比高达250,是一种典型的低营养废水。

  实验所用活性污泥系统为本实验室前期通过限制进水磷浓度的控制策略以乙酸钠为碳源培养出的聚糖菌活性污泥系统,通过Roche 454高通量测序测得变形菌门(Proteobacteria)的丰度为84.36%(许多研究已经验证了α-proteobacteria,β-proteobacteria,γ-proteobacteria中存在GAOs的结论)。

  1.2 试验装置

  本研究采用3组相同的SBR装置,有效容积4 L,装置见图1。

 图1 SBR实验装置

  通过时间控制器及附属电子线路实现自动进出水,3组SBR装置共用同一进水系统,采用厌氧、好氧交替的方式连续运行,1天4个周期,每个周期6 h,厌氧+好氧时间为4.5 h,1.0 h沉淀,0.5 h进水和排水。厌氧阶段采用电动搅拌机搅拌;好氧阶段采用鼓风曝气,溶解氧维持在2.0~4.0 mg/L。进水量和排水量各为1 L。

  1.3 试验方法

  根据研究表明[5, 6],在20~30 ℃范围内温度越高越有利于GAOs的富集,但由于实际废水处理过程中,控制高温度能耗较大也不容易实现,因此本研究将系统温度控制在25 ℃左右,仅将进水pH和厌氧/好氧时间比作为调控因素,研究聚糖菌活性污泥系统对酒厂废水的处理效果。

  首先保持厌氧/好氧时间比(1∶1)不变的情况下,分别控制不同的进水pH(1号反应器pH=6.0,2号反应器pH=6.5,3号反应器pH=7.1),考察不同进水pH条件下,聚糖菌活性污泥系统对酿酒废水的处理效果。然后保持pH在6.0左右不变,分别控制不同的厌氧/好氧时间比(1号反应器厌氧/好氧时间比1∶1,2号反应器厌氧/好氧时间比2∶1,3号反应器厌氧/好氧时间比1∶2),考察不同厌氧/好氧时间比条件下,聚糖菌活性污泥系统对酿酒废水的处理效果。

  1.4 检测方法

  温度:温度计;DO:溶解氧仪;pH:pH计;COD:高温消解滴定法[7];PO43--P:钼锑抗分光光度法[7];TP:过硫酸钾消解+钼锑抗分光光度法[7];TN:过硫酸钾消解+紫外分光光度法[7];MLSS:烘干称重法[7]。

  2 结果与讨论

  2.1 不同进水pH的影响

  2.1.1 系统内pH的变化

  图2所示的是不同进水pH条件下,系统内pH的变化规律。由于活性污泥自身的调节能力,3个反应器内的pH变化趋势基本一致,在厌氧阶段和好氧阶段都是先升高然后逐渐趋于稳定。

 图2 各反应器一个周期内pH的变化

  在厌氧阶段,随着有机物被吸收,系统内的pH逐渐上升,然后趋于稳定。进水pH越低时,厌氧阶段初期系统pH上升速率越大,而pH的上升速率可以反映系统内微生物吸收乙酸盐的速率升高,因此,在pH 6~7范围内,进水pH越低,越有利于GAOs的代谢活动。厌氧段后期,微生物呼吸作用的代谢产物进入水中,使得水中pH下降。

  在好氧阶段,由于氧气的吹脱,系统内的CO2逸出,pH快速上升,再趋于稳定。好氧末段3个反应器内的pH较为相近,说明该活性污泥系统有一定的调节能力,将反应器中的pH向中性靠拢。E. Padan等[8]的研究表明,大部分微生物细胞内的pH都在中性范围附近,当环境中的pH上升或下降时细胞内的pH会进行一定的调节。因此,图2中系统内pH的变化是由外部因素和微生物自身调节能力综合作用的表现。

  2.1.2 进出水COD的变化

  各反应器内的污泥负荷(以COD/MLSS计)较低,在0.030~0.035 kg/kg。总体上,3个反应器内的污泥负荷差异不大,但3号反应器内的污泥负荷相对较低。

  实验过程中,1号反应器的活性污泥沉降性能最好,SVI值始终保持在70~90 mL/g,由于静沉时间足够,并未发生活性污泥膨胀影响出水水质的情况,但3号反应器的活性污泥系统沉降性能较差,SV30最大达到了0.69。这是由于pH过高影响了GAOs的新陈代谢,其他异养细菌无法适应低磷环境,导致丝状菌的生长,影响了活性污泥的沉降性能。

  图3和图4是3个反应器进出水COD及COD去除率的变化情况。结合图2可知,pH越低,COD的去除率越高,出水COD越低。

 图3 不同pH条件下各反应器进出水COD变化
 
图4 不同pH条件下各反应器COD去除率变化

  当进水pH为6.0时,系统出水COD较低,且出水浓度稳定。1号反应器出水COD平均为20.68 mg/L,最低时仅为15.31 mg/L,此时去除率也最高,为97.58%,远远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准,可见在不额外投加营养元素的情况下,利用富集聚糖菌的活性污泥系统处理酿酒废水这样的高碳低磷工业废水可行。

  随着pH的升高,出水COD也逐渐升高,处理效果变差。根据各反应器中污泥负荷的情况可知,3号反应器污泥负荷最低,但是处理效果最差,也就是说在pH相对较高的环境下不利于聚糖菌的生长。根据国内外学者对聚糖菌的研究结果表明[9, 10, 11, 12, 13, 14],在一定范围内厌氧区pH升高,聚糖菌对乙酸的吸收速率显著下降;在好氧阶段,虽然聚糖菌的生长速率、PHA的消耗速率以及糖原的合成速率几乎不受pH波动的影响,但系统内的聚磷菌的相应指标却会随pH升高而显著升高,促使系统中聚磷菌的增殖,使聚糖菌处于劣势,最终导致出水效果变差。

  2.1.3 进出水TP的变化

  运行期间,3个反应器的进水TP一直保持在2.70 mg/L以下,C/P比始终维持在200以上,由于进水随着存储时间增长COD逐渐降低,因此后期C/P比有所降低。系统出水的TP浓度相差不大,在0.66~0.79 mg/L的范围内,3号反应器的出水平均TP质量浓度最低,为0.66 mg/L。理论上,较高的pH更适合PAOs的新陈代谢,更有利于系统除磷,因而本实验结果与理论相符。

  2.1.4 进出水TN的变化

  运行期间,不同进水pH条件下,出水TN浓度相差不大,因此,聚糖菌对TN没有去除效果,是系统内其他微生物降解的结果。

  2.2 不同厌氧/好氧时间比的影响

  2.2.1 进出水COD的变化

  由于本实验3个反应器进水COD和COD污泥负荷与以pH为控制因素的实验相差不大,在此不做赘述。

  图5和图6是3个反应器出水COD和COD去除率的变化情况。

 图5 不同厌氧/好氧时间比条件下各反应器进出水COD变化
 
图6 不同厌氧/好氧时间比条件下各反应器COD去除率变化

  1号和2号反应器的COD去除率差别不大,均保持在95%以上,这说明厌氧/好氧时间较大时,利于富集GAOs的活性污泥系统吸收有机质。原因在于厌氧阶段是聚糖菌吸收乙酸盐合成中间代谢产物为后续代谢活动准备的阶段,如果时间不足(如3号反应器厌氧/好氧时间比为1∶2),会使后续的好氧代谢活动受到抑制,进而在厌氧段吸收的乙酸盐量降低,导致出水COD升高。

  由于生产废水实际处理过程中,需要考虑到节约能耗的问题。当总反应时间相同时,厌氧段时间长,就能降低曝气时间,从而降低能耗,节约处理费用。所以,从废水实际处理角度,考虑能耗和COD处理效果,2号反应器的运行模式最佳。

  2.2.2 进出水TP的变化

  运行期间,3号反应器的厌氧/好氧时间比最低(1∶2),其出水TP也最低,这是由于系统中仍存在少量的聚磷菌,聚磷菌可以在较短时间内分解胞内的聚磷,好氧段时间充足,有利于聚磷菌过量吸收水中的磷酸盐,因而出水TP低。相反,2号反应器厌氧/好氧时间比最高(2∶1),厌氧时间过长,引起系统内聚磷菌的二次释磷,在总反应时间不变的情况下,好氧段过量吸收磷酸盐的时间不足,从而导致出水的TP浓度较高。

  2.2.3 进出水TN的变化

  运行期间,3号反应器的出水TN浓度最低,2号反应器出水TN最高。2号反应器脱氮能力较差主要原因在于好氧时间相对较短,水中的氮没有彻底转换为硝酸盐氮,厌氧段的反硝化过程受阻。

  3 结论与展望

  3.1 结论

  (1)酿酒废水是一种低营养型废水,C/P比为 250,若采用传统的活性污泥法处理,容易发生污泥膨胀、出水COD较高的问题。本研究采用富含聚糖菌的活性污泥系统对酿酒废水进行处理,在不投加营养元素的情况下,出水水质良好,未发生污泥膨胀,通过调整运行参数,COD的去除率最高可达到97%,出水COD最低仅为15.31 mg/L。

  (2)pH是影响聚糖菌生长的一个重要因素,本研究中当pH在6.0~7.1范围内时,pH越低,越有利于降低污泥膨胀的可能性,出水COD越低,除碳效果最好。主要原因是,pH降低,在好氧阶段能抑制系统内聚磷菌的生长速率,且在厌氧阶段能提高聚糖菌对乙酸盐的吸收速率,从而使聚糖菌过量除碳。

  (3)厌氧/好氧时间比也是影响聚糖菌活性污泥系统对酿酒废水处理效果的一个重要因素,当厌氧/好氧时间比在1~2时,系统出水的COD较低,COD去除率能维持在95%以上,但该比值越大越不利于氮和磷的去除。当厌氧/好氧时间比小于1时,不利于对COD的去除。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3.2 展望

  本研究采用以乙酸钠为碳源培养出的聚糖菌活性污泥系统对酿酒废水进行处理,证实了在不外加磷营养物的条件下,聚糖菌活性污泥系统对酿酒废水中的有机污染物有很好的去除效果。今后可以针对以下问题开展进一步的系统研究:

  (1)由于GAOs种群的复杂性造成了其代谢途径的多样性,利用现代分子生物学新技术解析GAOs种群及其代谢机制,进行深入的相关理论研究,全面掌握GAOs代谢机理,为GAOs的富集培养奠定理论基础。

  (2)增加对富集GAOs的活性污泥系统处理不同类型的高碳低磷工业废水的研究,探索将该系统应用于处理C/P比更大的工业废水处理的可行性。优化利用GAOs处理高碳低磷废水的运行参数,提高出水水质,进行中试研究,建立生物强化除碳工艺,为实际工程应用提供技术指导。

  (3)进一步利用现代分析检测手段确定GAOs 的代谢产物及含量,摸索从GAOs富集系统的剩余污泥中提取PHA的技术方法,提高PHA的产量,实现该工艺的剩余污泥资源化。

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