氨基乙酸生產(chǎn)廢水生化法處理的可行性研究

安永峰，羅 曉

（1.河北科技大學(xué)理工學(xué)院，河北石家莊 050035；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

氨基乙酸生產(chǎn)廢水生化法處理的可行性研究

安永峰1，羅 曉2

（1.河北科技大學(xué)理工學(xué)院，河北石家莊 050035；2.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

對經(jīng)過電解預(yù)處理的氨基乙酸生產(chǎn)廢水進(jìn)一步采用UASB-SBBR工藝處理的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明：在UASB啟動階段，接種高活性厭氧顆粒污泥后，在調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì)、合理控制進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的條件下培養(yǎng)馴化，厭氧顆粒污泥能適應(yīng)降解氨基乙酸廢水水質(zhì)，UASB的COD平均去除率達(dá)到60.8%；厭氧出水再經(jīng)SBBR處理后，出水COD質(zhì)量濃度可降低到150 mg／L以下，COD平均去除率為96.1%；出水氨氮質(zhì)量濃度低于25mg／L。

氨基乙酸；廢水；UASB；SBBR

氨基乙酸生產(chǎn)廢水中主要的污染物質(zhì)有甲醇、甲醛、烏洛托品、氯乙酸、氨基乙酸、氨等，屬難降解有機(jī)廢水。相關(guān)研究表明，采用電解法預(yù)處理廢水的COD平均去除率可達(dá)到39.83%。電解預(yù)處理過程去除了廢水中的部分難降解污染物，改善了廢水的可生化性［1］，但廢水COD質(zhì)量濃度仍為8 000～9 000mg／L，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。如果采用稀釋后再用好氧處理法進(jìn)一步處理，雖然比較容易實(shí)施，但是要控制進(jìn)水保持較低的COD質(zhì)量濃度，才能獲得較好的處理效果，這就需要加入大量稀釋水。這種方法既浪費(fèi)水資源，又增加處理水量，導(dǎo)致增加一次性投資及處理成本。

采用UASB-SBBR［2］相結(jié)合的處理工藝較為經(jīng)濟(jì)。UASB（上流式厭氧污泥床反應(yīng)器）是應(yīng)用廣泛的高效厭氧生物處理裝置；SBBR（序批式生物膜反應(yīng)器）屬好氧生物處理裝置，具有生物量大、抗沖擊能力強(qiáng)、凈化效果好的優(yōu)點(diǎn)。UASB-SBBR的主要特點(diǎn)如下：厭氧處理設(shè)備可直接接納高濃度有機(jī)廢水，經(jīng)過預(yù)處理的高濃度氨基乙酸廢水首先經(jīng)過厭氧生物處理，通過厭氧菌的作用，使廢水中大部分有機(jī)污染物在較少的能耗下得到降解，剩余少量有機(jī)物再通過好氧微生物的降解使水質(zhì)進(jìn)一步凈化。SBBR采用“進(jìn)水—曝氣反應(yīng)—靜置沉淀—出水”的操作程序，使其體系交替出現(xiàn)好氧和缺氧狀態(tài)，有利于氨氮的去除。

筆者分別介紹經(jīng)過電解預(yù)處理的氨基乙酸廢水厭氧生物處理和好氧生物處理的可行性研究。

1 厭氧生化法處理的可行性研究

試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證電解預(yù)處理后的氨基乙酸廢水是否適宜應(yīng)用厭氧消化處理、處理過程菌種的培養(yǎng)、設(shè)備啟動運(yùn)行的操作要領(lǐng)，以及所能達(dá)到的處理效果，并通過試驗(yàn)獲得工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自制的UASB反應(yīng)器，有效容積為5.0L，其由有機(jī)玻璃管制成，總高1 200mm，下部直徑為80 mm，上部直徑為120mm。將反應(yīng)器置于保溫箱內(nèi)，采用電加熱，反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在（35±1）℃。反應(yīng)器接種污泥取自華北制藥集團(tuán)污水處理站UASB反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥，污泥接種量（VSS）為21.7g／L。試驗(yàn)所用的廢水是經(jīng)過電解預(yù)處理的氨基乙酸廢水，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Experiment flow chart

1.2 廢水處理系統(tǒng)的啟動及運(yùn)行

厭氧反應(yīng)器的啟動運(yùn)行過程分為啟動階段、負(fù)荷提高階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段。為了使反應(yīng)器內(nèi)的微生物逐步適應(yīng)對氨基乙酸廢水進(jìn)行處理，需在不同階段采用不同的稀釋比例，將電解預(yù)處理后的出水用自來水稀釋以控制不同的進(jìn)水COD質(zhì)量濃度。

厭氧反應(yīng)器運(yùn)行情況見表1。

表1 厭氧反應(yīng)器運(yùn)行情況Tab.1 Anaerobic reactor operation data

試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)電解預(yù)處理的氨基乙酸廢水可以通過厭氧生化處理獲得較好的凈化效果。在啟動階段，為減輕廢水中的難降解污染物對厭氧消化處理的抑制影響，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì)，控制厭氧進(jìn)水中COD質(zhì)量濃度為3 200～5 000mg／L，經(jīng)過30d的培養(yǎng)馴化，厭氧微生物才對抑制影響有了較好的承受能力。經(jīng)過70d的試驗(yàn)運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明，UASB反應(yīng)器進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為8 000～9 000mg／L時(shí)，反應(yīng)器水力停留時(shí)間為72h，1kg COD容積負(fù)荷達(dá)到2.67～3.00m3／d，COD平均去除率達(dá)到60.8%，出水COD質(zhì)量濃度為3 136～3 528mg／L。

2 好氧生化處理的可行性研究

氨基乙酸廢水屬于難生化降解的廢水，處理氨基乙酸生產(chǎn)廢水不僅要去除有機(jī)物，還要去除氨氮才能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。根據(jù)厭氧生化的試驗(yàn)結(jié)果，廢水經(jīng)電解預(yù)處理和厭氧處理后，廢水COD質(zhì)量濃度仍為3 600 mg／L左右，因此在好氧生化處理的試驗(yàn)中應(yīng)選擇適宜的工藝設(shè)備。好氧生化法主要分為活性污泥法和生物膜法2大類。由于氨基乙酸廢水可生化性差，微生物生長速度慢，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［3－6］，決定采用活性污泥法與生物膜法相結(jié)合的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）。好氧生化可行性研究包括填料的選擇、SBBR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行以及脫氮效果的試驗(yàn)等內(nèi)容。

2.1 填料的選擇

2.1.1 填料掛膜試驗(yàn)方法

常用的填料有無機(jī)填料、形態(tài)不同的塑料類填料、纖維或纖維與塑料復(fù)合的組合填料?？紤]到來源方便、適用于不同的微生物生長等因素，本試驗(yàn)選擇了2種不同的填料進(jìn)行掛膜試驗(yàn)，分別為礦石填料和微孔聚氨酯填料（micro pore polyurethane filler，簡稱MPUF），填料粒徑為25～30mm。

將相同體積的2種填料固定放入2個量筒中，量筒底部都設(shè)有微孔鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，并同時(shí)接入取自華北制藥集團(tuán)污水處理廠的回流污泥。2個量筒內(nèi)同時(shí)加入稀釋后的氨基乙酸廢水進(jìn)行培養(yǎng)掛膜，控制一定曝氣量。試驗(yàn)的前5天，每天更換25%（體積分?jǐn)?shù)，下同）的污水，曝氣24h；此后，每隔12h更換25%污水后，進(jìn)行曝氣培養(yǎng)。

2.1.2 填料掛膜對比試驗(yàn)結(jié)果

培養(yǎng)掛膜4d后有少量黃褐色的生物膜出現(xiàn)在礦石填料表面，而此時(shí)可觀察到微孔聚氨酯填料表面有一薄層淡黃色的生物膜，但比較松散。10d后可觀察到微孔聚氨酯填料上覆蓋有一層較厚的生物膜，而在礦石填料上覆蓋有一層較厚的生物膜的時(shí)間是20d。

從宏觀觀察結(jié)果可以看出：2種填料中微孔聚氨酯填料的掛膜速度較快，微生物量也較多，而且由于微孔聚氨酯填料內(nèi)部空隙率高，所以在填料內(nèi)部也生長了大量的微生物。

對比試驗(yàn)考察了2種不同填料掛膜后對氨基乙酸廢水的凈化效果，曝氣時(shí)間為12h，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同填料掛膜后對氨基乙酸廢水的凈化效果對比Tab.2 Treatment effect comparison of amino acid wastewater treated by bio-film with different filling materials

試驗(yàn)結(jié)果表明，微孔聚氨酯填料優(yōu)于礦石填料，采用微孔聚氨酯填料不僅掛膜快，生物量大，而且凈化效果好。因此采用微孔聚氨酯填料作為SBBR反應(yīng)器的填料。

2.2 SBBR試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2.2.1 SBBR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置流程見圖2。SBBR反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制作，內(nèi)徑為50mm，高750mm，有效容積為1.5L。其內(nèi)部裝有微孔聚氨酯填料，填充率為40%，共4串懸掛固定到反應(yīng)器中，填料層裝填高度為有效水深的40%。供氧方式采用鼓風(fēng)曝氣法，曝氣頭為短桿狀，安裝在填料層的下方，是一種粗氣泡擴(kuò)散器。該曝氣系統(tǒng)具有易操作、易維護(hù)和動力消耗低等優(yōu)點(diǎn)。

本反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)置了外循環(huán)管路，保證被處理水有良好的水流循環(huán)，達(dá)到液相混合和傳質(zhì)效果。

2.2.2 SBBR系統(tǒng)的運(yùn)行模式

SBBR系統(tǒng)的運(yùn)行采用序批式，即一組行為動作按一定的時(shí)間序列周期性地重復(fù)進(jìn)行的方式。運(yùn)行周期由4個階段組成：進(jìn)水、曝氣反應(yīng)、沉淀和排水。進(jìn)水時(shí)間為1h，沉淀時(shí)間為2h，排水時(shí)間為1h，曝氣反應(yīng)時(shí)間通過試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選。

圖2 SBBR反應(yīng)器示意圖Fig.2 Sketch map of SBBR

預(yù)處理后的氨基乙酸廢水從廢水貯存槽通過進(jìn)水管流入SBBR反應(yīng)器中，隨后經(jīng)過曝氣反應(yīng)使污染物被填料上的生物膜降解，反應(yīng)結(jié)束后通過沉淀，然后經(jīng)過潷水器出水，每次出水排出反應(yīng)器內(nèi)30%處理后的廢水，然后再加入30%新的廢水，從而完成1個反應(yīng)周期。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)首先在SBBR反應(yīng)器內(nèi)加入華北制藥集團(tuán)污水處理站好氧生物處理裝置的活性污泥，逐步加入氨基乙酸廢水進(jìn)行馴化，經(jīng)過10d的馴化期，使填料上形成適應(yīng)處理氨基乙酸廢水的生物膜，然后控制不同的曝氣反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行凈化效果的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

1）曝氣反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，廢水COD的降解曲線

通過潷水器排出SBBR反應(yīng)器內(nèi)30%的廢水，再加入等量的經(jīng)過預(yù)處理和厭氧處理的氨基乙酸廢水后，開動氣泵曝氣反應(yīng)，10min后取混合水樣作為起始水樣，然后每隔2h從SBBR反應(yīng)器內(nèi)取混合水樣測定其COD質(zhì)量濃度值，并以起始水樣COD質(zhì)量濃度值為基準(zhǔn)，計(jì)算各時(shí)段COD平均去除率，16h后停止試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，氨基乙酸廢水經(jīng)過電解和UASB兩級處理后，其出水可以通過好氧生化法取得良好的凈化效果。在SBBR反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過曝氣反應(yīng)，COD質(zhì)量濃度顯著下降，曝氣反應(yīng)12h后，出水COD質(zhì)量濃度可以降低到120mg／L，達(dá)到了《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中二級標(biāo)準(zhǔn)。曝氣反應(yīng)時(shí)間再延長，COD質(zhì)量濃度下降值很小。

2）不同曝氣時(shí)間連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)的效果對比

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了曝氣時(shí)間為8，10，12h共3個試驗(yàn)組，每組連續(xù)運(yùn)行10d，對所得監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 不同曝氣時(shí)間連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)COD質(zhì)量濃度對比結(jié)果Tab.3 COD removal effects comparison on different aeration time of continuous operation

通過連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)可以看出，在曝氣反應(yīng)時(shí)間為12h的操作條件下，SBBR反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，在試驗(yàn)期間進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為3 500mg／L左右時(shí)，出水COD質(zhì)量濃度低于150mg／L，COD平均去除率為96.1%。試驗(yàn)證明，采用SBBR反應(yīng)器對經(jīng)過電解預(yù)處理和厭氧生化處理的氨基乙酸廢水有良好的凈化效果，可使廢水最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

2.3 脫氮效果的試驗(yàn)

氨基乙酸廢水氨氮質(zhì)量濃度為800mg／L，要實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，需要有效去除氨氮。廢水在電解及厭氧生化處理過程中，已有效降解了大量的氨氮，總?cè)コ室堰_(dá)85%，但好氧生化處理時(shí)，廢水中的氨氮質(zhì)量濃度仍達(dá)到160mg／L。筆者通過試驗(yàn)進(jìn)一步考察了SBBR反應(yīng)器脫氮的效果。

2.3.1 試驗(yàn)方法

由于SBBR反應(yīng)器采用了微孔聚氨酯填料，填料內(nèi)部有許多微孔，因此在填料表面和內(nèi)部分別生長著好氧的硝化細(xì)菌和厭氧的反硝化細(xì)菌。SBBR反應(yīng)器在曝氣時(shí)出現(xiàn)同步硝化、反硝化的現(xiàn)象，而國內(nèi)外學(xué)者對同步硝化、反硝化實(shí)現(xiàn)的最佳溶解氧條件進(jìn)行了大量的研究［7－10］，一般認(rèn)為利用活性污泥系統(tǒng)脫氮所允許的溶解氧質(zhì)量濃度很低，為0.5～1.0mg／L，而利用生物膜法脫氮允許的溶解氧質(zhì)量濃度相對較高，為2.0～5.5mg／L。筆者參考文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù)，選擇了溶解氧質(zhì)量濃度為1.0～4.0mg／L進(jìn)行試驗(yàn)，其他試驗(yàn)條件為SBBR反應(yīng)器的運(yùn)行周期為16h，其中進(jìn)水1h，好氧12h，沉淀時(shí)間為2h，出水1h；每周期出水量為反應(yīng)器有效體積的30%；進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為30mg／L左右，在每一個溶解氧條件下，取樣監(jiān)測進(jìn)、出水氨氮質(zhì)量濃度，計(jì)算氨氮去除率的變化，得到最佳溶解氧質(zhì)量濃度。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在反應(yīng)器啟動完成并連續(xù)穩(wěn)定30d后，選擇溶解氧質(zhì)量濃度為1.0，2.0，3.0，4.0mg／L共4個不同的條件，按上述試驗(yàn)方法，考察反應(yīng)器的脫氮效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氨氮去除率隨溶解氧質(zhì)量濃度的不同而有很大變化，結(jié)果見表4。

從表4可知，氨氮的去除率隨溶解氧質(zhì)量濃度的增長而增長，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度從1.0mg／L增加到2.0mg／L時(shí)，氨氮去除率由62.8%升高到74.5%；繼續(xù)升高溶解氧質(zhì)量濃度，氨氮去除率繼續(xù)提高。觀察當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度大于3.0mg／L時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的氨氮去除率達(dá)85%以上，出水氨氮質(zhì)量濃度低于25mg／L，可以滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中二級標(biāo)準(zhǔn)的要求，即當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度大于3.0mg／L即可滿足反應(yīng)器內(nèi)脫氮的需要。

表4 溶解氧質(zhì)量濃度對氨氮去除率的影響Tab.4 NH3－N remove rate on different dissolved oxygen

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)表明：在UASB反應(yīng)器啟動階段，接種高活性顆粒污泥后，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì)，合理控制進(jìn)水COD質(zhì)量濃度，經(jīng)過30d的培養(yǎng)馴化，厭氧菌群能適應(yīng)電解預(yù)處理后的氨基乙酸廢水水質(zhì)，UASB容積負(fù)荷提高到1.67m3／d，COD平均去除率提高到51.2%。再經(jīng)過負(fù)荷提高階段的運(yùn)行，反應(yīng)器的COD容積負(fù)荷和COD平均去除率進(jìn)一步提高，為其后的運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

2）穩(wěn)定運(yùn)行階段的試驗(yàn)表明，UASB反應(yīng)器進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為8 000～9 000mg／L，水力停留時(shí)間為72h的條件下，容積負(fù)荷達(dá)到2.67～3.00m3／d，COD平均去除率達(dá)到60.8%，出水COD質(zhì)量濃度為3 136～3 528mg／L。

3）通過試驗(yàn)優(yōu)選微孔聚氨酯填料作為SBBR反應(yīng)器的填料，經(jīng)過電解和厭氧生化預(yù)處理的氨基乙酸廢水，以SBBR反應(yīng)器處理后，COD平均去除率為96.1%，出水COD質(zhì)量濃度可以降低到150mg／L以下，氨氮質(zhì)量濃度≤25mg／L，達(dá)到了《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中二級標(biāo)準(zhǔn)，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定。

4）SBBR反應(yīng)器氨氮去除率隨溶解氧的增長而增長，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度大于3.0mg／L時(shí)，氨氮去除率達(dá)85%以上，出水氨氮質(zhì)量濃度低于25mg／L，可滿足脫氮的要求。

5）UASB-SBBR工藝用于處理經(jīng)過預(yù)處理的高濃度氨基乙酸廢水，厭氧處理設(shè)備可直接接納高濃度有機(jī)廢水，SBBR凈化效果好，氨氮去除率高，出水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，工藝技術(shù)可行。

［1］ 安永峰，羅 曉.電解法處理氨基乙酸生產(chǎn)廢水的試驗(yàn)研究［J］.河北工業(yè)科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technology），2011，28（2）：109-111.

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Study on feasiblity of biological treatment of amino acid production wastewater

AN Yong-feng1，LUO Xiao2
（1.College of Polytechnic，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050035，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

In this paper，the feasibility of UASB-SBBR treatment of amino acid production wastewater pretreated by electrolytic treatment was studied.The experiments show that during the UASB start-up phase，if highly activated granular sludge is inoculated and the influent COD is controll properly，and after a period of domesticating，anaerobic granular sludge can be used to treat amino acid production wastewater.UASB′s COD removal rate can reach 60.8%；as anaerobic effluent is treated by SBBR，effluent COD can be reduced to 150mg／L，the average COD removal rate is 96.1%and effluent ammonia is less than 25 mg／L.

amino acid；wastewater；UASB；SBBR

X703

A

2011-03-15；

2011-04-28；責(zé)任編輯:張士瑩

安永峰（1970-），男，河北涿鹿人，高級政工師，碩士，主要從事污水處理及教育管理方面的研究。

1008-1542（2011）04-0397-06