運(yùn)用序列式生物膜反應(yīng)器處理味精污水工藝研究

李志華

（天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津300457）

運(yùn)用序列式生物膜反應(yīng)器處理味精污水工藝研究

李志華

（天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津300457）

味精污水中含有較高的氨氮離子，序列式生物膜反應(yīng)器（SBBR）能夠有效實現(xiàn)味精污水的同步硝化與反硝化反應(yīng)，減少設(shè)備占有面積和節(jié)約處理時間。經(jīng)過實驗得出，當(dāng)溶氧（DO）為3～4mg/L能夠有效地滿足生物膜中好氧菌的生長需要，又不會破壞生物膜內(nèi)的厭氧環(huán)境，當(dāng)pH值為8.0時，溫度為30℃時，對味精生產(chǎn)中產(chǎn)生的污水的化學(xué)需氧量（COD）去除率高達(dá)95.34%，氨氮的去除率達(dá)到95.78%，生物需氧量（BOD5）去除率94.1%。

味精；序列式生物膜反應(yīng)器；硝化；反硝化

中國是味精生產(chǎn)大國，雖然采取了一些新的清潔生產(chǎn)工藝，但是在整個生產(chǎn)過程中還是產(chǎn)生了濃縮結(jié)晶后的廢棄冷凝水、生產(chǎn)過程中的洗滌水及一些排污沖洗水，因為這些廢棄水具有較高的化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、硫酸根離子和氨氮離子，所以必須要處理，不能直接排放。目前國內(nèi)外對味精工業(yè)污水處理方法主要有物理化學(xué)方法和生物發(fā)酵方法，雖然有一定的效果，但是總體來講還是不理想，主要原因是處理費(fèi)用高，設(shè)備投資大。建立現(xiàn)代高效的污水處理是實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標(biāo)，味精污水中高氨氮含量需要經(jīng)過硝化與反硝化處理，而序列式生物膜反應(yīng)器[1-5]（sequencing biofilm batch reactor，SBBR）能夠?qū)崿F(xiàn)同步硝化與反硝化處理的較理想方法。

1 材料與方法

1.1 SBBR工作機(jī)理

1.1.1 生物脫氮原理

味精污水中含有較高的COD和氨氮化合物，不管采用什么方式處理都有硝化與反硝化過程，硝化過程是指硝化細(xì)菌將氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程；而反硝化是指在嚴(yán)格的厭氧條件下完成硝酸鹽向N2轉(zhuǎn)化的過程。有機(jī)氮通過異氧菌氨化成游離態(tài)氨氮（NH4+-N），NH4+-N在亞硝酸菌好氧硝化成亞硝態(tài)氮（NO2-N），NO2-N在硝酸菌作用下產(chǎn)生硝態(tài)氮（NO3-N），然后在缺氧環(huán)境下反硝化，最后產(chǎn)生氮氣（N2）進(jìn)行排放，整個過程中發(fā)生了兩步反應(yīng)，見下式。

1.1.2 SBBR的工作原理

SBBR最早由WOBUS A等[6-7]在實驗中提出，其基本原理是活性污泥法和生物膜法相結(jié)合，即通過在SBBR反應(yīng)器中加入不同的填料，按照SBBR操作方式，根據(jù)水質(zhì)和污水不同而采用不同的處理方式。在SBBR工藝中，微生物含量高，污水處理效果好，污泥的沉降性好，除污負(fù)荷高，具有很高的社會效益和環(huán)境效益，現(xiàn)在已經(jīng)成為了國內(nèi)外的研究熱點[8-10]，SBBR的工作原理見圖1。SBBR的運(yùn)行包括充水（fill）、反應(yīng)（react）和潷水（draw）3個階段并組成一個運(yùn)行周期，與傳統(tǒng)的序列間歇式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process，SBRASP）相比，因省去沉淀而縮短了整個周期的循環(huán)時間[11]。

圖1SBBR工作原理圖Fig.1 SBBR working principle

1.2 污水來源及指標(biāo)

通過清潔生產(chǎn)工藝，味精生產(chǎn)污水的主要來源于生產(chǎn)污水和生活污水兩部分，如表1所示。由表1可以看出，由于減少了濃縮結(jié)晶母液的排放，在味精的生產(chǎn)過程中，通過取樣A公司污水，得到處理前混合污水化學(xué)需氧量COD為1836mg/L，生物需氧量（biologicaloxygendemand，BOD）為1 194mg/L，懸浮物含量為12.1mg/L。

表1 治理前L-谷氨酸生產(chǎn)過程中的污水Table 1 Wastewater inL-glutamic acid production before managing mg/L

1.3 儀器與設(shè)備

6B-50型氨氮速測儀：江蘇盛奧華環(huán)?？萍加邢薰?；756MC紫外分光光度計：蘇州江東精密儀器有限公司；YSI550A便攜式DO儀：上海典普儀器設(shè)備有限公司；pHS-2C測定儀：合肥橋斯儀器設(shè)備有限公司；S73F4138型號溫度計：寧波江北慈城紅衛(wèi)家用寒暑表廠；FA2004電子天平：上海精科天平實業(yè)有限公司。

1.4 分析方法

COD的測定方法參考GB11914—89《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定》中的重鉻酸鹽法；BOD5的測定按照中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 505—2009《水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法》中提供的方法；游離態(tài)氨氮（NH4+-N）的測定采用納氏試劑分光光度法；總氮（total nitrogen，TN）測定用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；硝態(tài)氮（NO3-N）的測定采用紫外分光光度法；溶氧（dissolved oxygen，DO）、pH值和溫度測定用儀器法；懸浮物測定采用重量法。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶氧對污水處理的影響

曝氣量的多少直接決定著溶氧（DO）的大小[12]。在SBBR體系中DO不應(yīng)過小，必須滿足COD和氨氮降解的需要，同時DO也不應(yīng)該過大，過大會增大曝氣量，進(jìn)而增加氣體剪切力，減少微生物的附著，其次增加了能量的消耗。同時降解COD主要以好氧異養(yǎng)菌為主，而硝化細(xì)菌也需要氧氣環(huán)境。綜上所述，DO對于脫氮影響巨大，本實驗通過控制曝氣量來控制DO的含量，分別將DO控制在1mg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L條件下，不同DO條件對脫氮處理的影響實驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2DO對脫氮效果的影響Fig.2 Effect of dissolved oxygen on denitrification

由圖2可知，COD受到DO的影響并不明顯，即使在不同的DO條件下，COD的水平仍在90%以上，當(dāng)DO小于3mg/L時，COD隨著DO的增加而增加；超過3mg/L以上，COD水平略微上升。

其次DO對氨氮的去除率影響明顯，當(dāng)DO小于4mg/L時，氨氮去除率隨著DO的增加而增加，但是當(dāng)DO超過4mg/L時，氨氮去除率幾乎沒有變化，這可能是由于DO過大，抑制了反硝化過程，進(jìn)而影響了氮元素的去除，降低了氨氮的去除率。

同時對反應(yīng)器出水中亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)DO在較低水平，亞硝酸鹽的含量大于硝酸鹽的含量，當(dāng)DO大于4mg/L時，亞硝酸鹽的含量明顯低于硝酸鹽的含量，但在1mg/L時由于DO首先被用于降解有機(jī)物，不能滿足亞硝酸菌或者硝酸菌的需求，故亞硝酸鹽和硝酸鹽不足，反硝化過程由于原料受到了抑制，也降低了氨氮和總氮（TN）的去除率。但是當(dāng)DO超過4mg/L時，由于破壞了生物膜內(nèi)厭氧環(huán)境，使得反硝化過程受到抑制，降低了TN的去除率。

因此選擇DO為3～4mg/L能夠滿足生物膜中好氧菌的需要，又同時不破壞生物膜內(nèi)的厭氧環(huán)境。

2.2 pH對污水處理的影響

pH值對細(xì)菌的生長影響很大，只有在最合適的pH范圍下細(xì)菌才能迅速成長，代謝活力也高。硝化細(xì)菌的最佳pH值為8.0～8.4，而反硝化細(xì)菌的最適合pH值在6.5～8.0之間。當(dāng)超過其pH值時，細(xì)菌的生長就會受到抑制，進(jìn)而降低對污水的處理能力。本實驗通過控制進(jìn)水的pH值分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，得到了pH值對脫氮處理的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3pH對脫氮效果的影響Fig.3 Effect of pH on denitrification

在實驗中，由于pH對細(xì)菌的影響緩慢，因此本實驗結(jié)果是在每次改變pH值后8個周期（一個周期12h），出水穩(wěn)定后的pH值。

由圖3可知，隨著pH的降低，COD去除率并沒有明顯的變化，保持在80%以上，即使pH值為5.0時，COD的去除率最低，但仍有82.3%，變化并不顯著。而當(dāng)pH值上升至8.0時，COD去除率為最高，至9.0時仍保持在89.3%。結(jié)果表明，污水中的pH值對生活在活性污泥中的微生物也有影響，主要原因是環(huán)境中pH值的變化影響了細(xì)菌分泌酶的活性，影響了對酶的催化效果。

從圖3可以看出，當(dāng)pH值降低時，氨氮質(zhì)量濃度在不斷增加，去除率逐漸降低，同時消化速率也在下降。當(dāng)pH值達(dá)到7.5～8.0時，氨氮去除率最高；而當(dāng)pH值下降為5.0時，氨氮去除率下降至低于30%，這時出水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度都很低，說明了較低的pH值嚴(yán)重抑制了硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長繁殖，當(dāng)pH值上升至8.0，細(xì)菌適宜生長的區(qū)域內(nèi)，氨氮去除率很快上升，當(dāng)pH值達(dá)到9.0時，氨氮去除率又呈下降趨勢，這證明pH值大于9.0會抑制硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長。

當(dāng)pH值為8.0時，TN的去除率最高，達(dá)到77.21%。當(dāng)pH值低于8.0或者高于8.0時，TN都有下降的趨勢，這說明硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌受到pH值影響比較明顯，并且可以看出pH值恢復(fù)后能迅速的恢復(fù)正常，這說明在此變化范圍內(nèi)，pH值的變化只是對微生物產(chǎn)生抑制作用，而不會對其產(chǎn)生毒害。

2.3 溫度對污水處理的影響

在同時進(jìn)行硝化與反硝化的污水處理工藝來說，溫度對其的影響至關(guān)重要[13]，本研究一共設(shè)計了5個溫度水平，分別是15℃、20℃、25℃、30℃及35℃，研究了溫度對COD、氨氮、總氮的去除率。在實驗進(jìn)行時，保證pH值為8.0，同樣每次在改變溫度8個周期后，待穩(wěn)定后進(jìn)行取樣檢測，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對脫氮效果的影響Fig.4 Effect of temperature on denitrification

從圖4可以看出，隨著溫度的升高，COD的去除率也逐漸升高，由此證明，在此溫度變化范圍內(nèi)溫度升高有利于COD去除；并且TN的去除率也隨著溫度的升高而升高，這說明溫度越高越有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，在低溫時TN的去除效率下降了一半左右，說明低溫可能抑制了硝化細(xì)菌的活性導(dǎo)致不適合硝化反應(yīng)的進(jìn)行。而當(dāng)溫度維持在15℃時，細(xì)菌生長代謝受到了抑制，進(jìn)而降低了脫氮效率。當(dāng)溫度高于30℃時，COD和TN的去除率上升不明顯，說明這時已經(jīng)達(dá)到了微生物代謝的極限，綜上所述，選擇30℃作為此反應(yīng)器的最佳反應(yīng)溫度。

2.4 污水處理前后的指標(biāo)對比

按照上述條件優(yōu)化SBBR工藝后[14-15]，并將味精產(chǎn)生的污水進(jìn)行處理，運(yùn)行8個實驗周期，結(jié)果見表2。由表2可以看出，經(jīng)過處理后的污水，COD、BOD5、懸浮物、總磷及氨氮含量下降很多，達(dá)到了國標(biāo)GB19431—2004《味精工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，取得了良好的效果。

表2 治理后L-谷氨酸生產(chǎn)過程中的污水Table 2 Wastewater inL-glutamic acid production after managing mg/L

3 總結(jié)

通過序列式生物膜反應(yīng)器（SBBR）能夠有效地實現(xiàn)對味精污水的同步硝化與反硝化作用，經(jīng)過實驗得出，當(dāng)DO為3～4mg/L能夠滿足生物膜中好氧菌的需要，而且也不破壞生物膜內(nèi)的厭氧環(huán)境，當(dāng)pH值為8.0，溫度30℃時，對污水的COD去除率高達(dá)95.34%，氨氮的去除率達(dá)到95.78%，BOD5去除率94.1%，取得良好的效果，并且經(jīng)過處理的污水，達(dá)到了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

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Technology of monosodium glutamate wastewater treatment by sequencing biofilm batch reactor

LI Zhihua
(College of Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Monosodium glutamate(MSG)wastewater contains high ammonia nitrogen ions.Sequencing batch biofilm reactor can effectively realize the simultaneous nitrification and denitrification in monosodium glutamate wastewater treatment,resulting in the occupied area reduced and processing time saved.The result showed that it can meet the need of aerobic bacteria in the biofilm and cannot destroy biofilm in anaerobic environment when the dissolved oxygen(DO)was 3-4mg/L.When the pH value was 8 and the temperature was 30℃,the chemical oxygen demand removal of the wastewater produced in MSG production was up to 95.34%,ammonia nitrogen was 95.78%,and BOD5was 94.1%.

monosodium glutamate;sequencing biofilm batch reactor;nitrification;denitrification

X703

A

0254-5071（2014）03-0017-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.005

2014-01-14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃‘863計劃’（No.2013AA102106）

李志華（1974-），男，工程師，博士，研究方向為代謝控制發(fā)酵。