馬鈴薯淀粉廢水處理UASB裝置制作與試驗(yàn)?

陳曉燕，何秉宇，左昌平，陳磊，曹宏麗

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué)智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830046；3.新疆聯(lián)創(chuàng)華潤(rùn)環(huán)保節(jié)能科技有限公司)

0 引言

馬鈴薯具有食用價(jià)值、藥用價(jià)值、工業(yè)價(jià)值等多種價(jià)值，適宜生長(zhǎng)地區(qū)廣泛，在亞洲、歐洲、美洲、非洲和大洋洲均有種植.中國(guó)馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)包括西南、西北、內(nèi)蒙古和東北地區(qū).新疆北疆廣泛種植馬鈴薯.馬鈴薯淀粉廢水是以馬鈴薯為原料生產(chǎn)淀粉的過(guò)程中產(chǎn)生的廢液，其COD可達(dá)10 000 mg/l以上，屬于高濃度有機(jī)廢水，不加處理直接排放將給環(huán)境帶來(lái)巨大的危害[1].

馬鈴薯淀粉廢水來(lái)源：一是淀粉乳提取產(chǎn)生的廢水，主要是馬鈴薯自身的細(xì)胞液，成份為糖、蛋白質(zhì)、脂肪等.二是淀粉提取產(chǎn)生的廢水，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)水質(zhì)的要求高，但用水量小，也稱為工藝廢水.該廢水中主要含有淀粉、蛋白質(zhì)[2]等有機(jī)物，COD、BOD濃度非常高.目前馬鈴薯淀粉企業(yè)排放的污水主要為細(xì)胞液和工藝廢水.

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

馬鈴薯淀粉廢水目前主要處理方法有內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器，升流式厭氧污泥層（UASB）反應(yīng)器，折流式厭氧反應(yīng)器（ABR)，厭氧生物濾池[3].其中IC反應(yīng)器有很高的容積負(fù)荷率，節(jié)省基建投資和占地面積，靠沼氣提升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)的不必外加動(dòng)力，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、具有緩沖pH能力、出水穩(wěn)定性好[4]，但厭氧啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了安裝和日常維護(hù)的困難，高徑比大、水泵的能耗大.折流式厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理效率高，但在應(yīng)用實(shí)際前需進(jìn)行大量的試驗(yàn)及理論分析，缺乏實(shí)際工程實(shí)驗(yàn).厭氧生物濾池生物濃度高、微生物停留時(shí)間長(zhǎng)、耐沖擊負(fù)荷、停止運(yùn)行再啟動(dòng)容易，但占地面積大、基建投資高.UASB反應(yīng)內(nèi)污泥濃度高、有機(jī)負(fù)荷高、水力停留時(shí)間短、污泥床不填載體、節(jié)省造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵塞.故本文利用設(shè)計(jì)制作UASB裝置，探討UASB裝置處理馬鈴薯淀粉廢水的最適溫度、pH值.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)的裝置為UASB反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，直徑90 mm，高度400 mm，反應(yīng)器的容積為0.002 5 m3，有效容積為0.002 m3.反應(yīng)器上下各開小口供進(jìn)出水，反應(yīng)器下部約30 mm處開口利用蠕動(dòng)泵將馬鈴薯淀粉廢水自下而上升泵入反應(yīng)器，反應(yīng)器上端約30 mm處開口排出處理過(guò)后的馬鈴薯淀粉廢水；在反應(yīng)器頂部用橡膠塞封閉以便造成厭氧環(huán)境，在橡膠塞上打了兩個(gè)孔，一個(gè)用于排出反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣，另一個(gè)插入攪拌器使污泥與馬鈴薯淀粉廢水充分反應(yīng)（圖1）.

圖1 UASB裝置圖

3 UASB反應(yīng)器工作原理

UASB反應(yīng)器在處理各種有機(jī)廢水時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)一般情況均能形成厭氧顆粒污泥，而厭氧顆粒污泥不僅具有良好的沉降性能，而且有較高的比產(chǎn)甲烷活性.并且該反應(yīng)器有很高的容積負(fù)荷率和處理效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性[6]，其具有有機(jī)負(fù)荷率和去除率高、耐沖擊負(fù)荷性能好等特點(diǎn)[7].UASB反應(yīng)器廢水被盡可能均勻的引入反應(yīng)器的底部，馬鈴薯淀粉廢水向上通過(guò)包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床.厭氧反應(yīng)污泥顆粒的接觸過(guò)程，在厭氧狀態(tài)下產(chǎn)生沼氣（主要是甲烷和二氧化碳）引起了內(nèi)部循環(huán)，這對(duì)顆粒污泥的形成和維持有利，再加上安裝了攪拌器使污泥與廢水充分接觸反應(yīng).在污泥層形成的一些氣體附著在污泥顆粒上，這部分氣體向反應(yīng)器頂部上升.上升到表面的污泥碰到橡膠塞，會(huì)沉淀到污泥床的表面，這部分氣體會(huì)從橡膠塞孔中溢出.

4 實(shí)驗(yàn)方案與過(guò)程

4.1 試驗(yàn)方案

1.計(jì)算有機(jī)負(fù)荷，自行設(shè)計(jì)、制作UASB裝置；2.配置不同COD濃度的馬鈴薯淀粉廢水；3.運(yùn)用控制變量法（pH值、溫度）進(jìn)行降低COD的試驗(yàn)；4.COD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析；5.探討并確定馬鈴薯淀粉廢水優(yōu)化的運(yùn)行條件.

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.2.1 接種

污泥來(lái)源于烏魯木齊城北再生污水處理廠；接種污泥量占UASB反應(yīng)器有效容積的1/3左右.

4.2.2 污泥馴化

接種完污泥立即投放不同濃度的馬鈴薯淀粉廢水，分別在常溫（20?C左右）、中溫（35?C左右）、高溫（55?C左右）等環(huán)境條件下培養(yǎng)出厭氧活性污泥.一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，實(shí)現(xiàn)污泥顆?；钑r(shí)間越短，但溫度過(guò)高或過(guò)低對(duì)培養(yǎng)顆粒污泥都是不利的[8].

此外，保持適宜的pH值（6.8-7.2之間）是極其重要的[9].利用碳酸鈉調(diào)節(jié)pH值為7左右，避光，在厭氧環(huán)境下進(jìn)行污泥馴化.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中投加混凝劑聚合氯化鋁，有利于污泥的聚集，形成較大的絮體，提高COD去除率.每天在顯微鏡下觀察污泥的形狀變化，并記錄.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出污泥的沉降比SV=28%，污泥濃度MLSS=3 g/L，污泥容積指數(shù)SVIZZ=93.3 mL/g.

對(duì)土壤沙化、水土流失、草場(chǎng)退化、土地污染等生態(tài)環(huán)境退化區(qū)域，綜合利用化學(xué)方法、工程措施及生物措施，加大退化、污染、損毀農(nóng)田改良和修復(fù)力度。嚴(yán)格控制農(nóng)藥使用量，禁止使用高毒、高殘留農(nóng)藥，完善生物農(nóng)藥、引誘劑管理制度，加大使用推廣力度；繼續(xù)實(shí)施灌區(qū)坡耕地改造、淤堤壩建設(shè)、造林綠化工程，建設(shè)農(nóng)田保護(hù)林和道路、河道綠化帶，創(chuàng)新推廣生態(tài)治理與改良技術(shù)，切實(shí)改善河道沿岸和灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高土地的生態(tài)承載力。

馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)水COD濃度從869.6 mg/L不斷增加到5 946.59 mg/L，COD去除率從最初的45.13%不斷增加到92.36%（圖2），馴化11—15天時(shí)COD去除率達(dá)到一個(gè)小高峰，出水COD值降低明顯；馴化25—31天COD去除率和出水COD值都在不斷趨于穩(wěn)定，即29天后COD去除率持續(xù)保持在90%以上，微生物生長(zhǎng)過(guò)程是穩(wěn)定的，故可認(rèn)為污泥馴化達(dá)到了預(yù)期結(jié)果.

逐步提高負(fù)荷.運(yùn)行一段時(shí)間得出微生物對(duì)高濃度的馬鈴薯淀粉廢水有了適應(yīng)性，7天后COD去除率上升到70%以上，11天后COD去除率逐漸穩(wěn)定在80%以上，COD出水濃度在600-700 mg/L左右，故得出微生物在馴化后能較好的適應(yīng)馬鈴薯淀粉廢水.負(fù)荷容積率直接反應(yīng)基質(zhì)與微生物之間的平衡關(guān)系，是一項(xiàng)重要的控制參數(shù).在一定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水COD出現(xiàn)大波動(dòng)，但出水沒(méi)有出現(xiàn)太大波動(dòng)[8].

圖2 馴化時(shí)COD去除率的變化

圖3 容積負(fù)荷與去除率的變化

由V=QSo/Lv[5]，得出馴化過(guò)程中負(fù)荷與去除率的關(guān)系，從圖3可以看出容積負(fù)荷與COD去除率在不斷增高，從最初的0.47不斷增高，最高穩(wěn)定于5左右，得出UASB裝置耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，負(fù)荷的提高使COD去除率不斷增加.

4.2.3 裝置的啟動(dòng)

UASB反應(yīng)器的啟動(dòng)是指反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷和有機(jī)物去除效率的過(guò)程，稱為污泥的快速顆?；?其實(shí)質(zhì)是對(duì)菌種馴化、選擇、增值的過(guò)程.一般可采用顆粒污泥成熟作為反應(yīng)器啟動(dòng)完成的標(biāo)志[10].污泥先是呈現(xiàn)絮狀，接著開始出現(xiàn)顆?；勰?，最后顆粒污泥不斷增大，絮狀污泥逐漸減少，污泥實(shí)現(xiàn)顆?；?

4.3 測(cè)量方法

COD用重鉻酸鉀法滴定[11]；溫度用溫度計(jì)測(cè)定；pH值用pH計(jì)測(cè)定；SV，MLSS，SV測(cè)定[12].

5 結(jié)果與討論

5.1 pH影響分析

UASB在運(yùn)行過(guò)程中為了保證厭氧反應(yīng)器的處理效果和顆粒污泥的形成，pH值一般控制在6.5-7.5[13].由于UASB裝置在較高負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，乙酸積累會(huì)抑制產(chǎn)甲烷化過(guò)程，從而引起pH迅速降低，產(chǎn)生酸化[14]，pH值過(guò)高或者過(guò)低，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖就會(huì)受到抑制，進(jìn)而對(duì)整個(gè)厭氧反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，故需調(diào)節(jié)UASB反應(yīng)器中pH值，使它達(dá)到最適值，提高COD的去除率.通過(guò)控制進(jìn)出水及反應(yīng)器pH值基本保持在正常范圍，但pH值的波動(dòng)已經(jīng)影響了厭氧菌的活性，讓厭氧菌的培養(yǎng)馴化的時(shí)間增加，所以我們?cè)趯ふ易钸mpH值，來(lái)調(diào)節(jié)UASB裝置的COD去除率.

圖4中可觀察到隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，pH值逐漸降低，運(yùn)行到第7—12天時(shí)，pH很低（4左右），影響了反應(yīng)器的正常運(yùn)行，故向反應(yīng)器加堿（碳酸鈉），提高pH值，加入后pH值明顯上升，但接著又降低.原因其一為馬鈴薯淀粉廢水偏酸性，其二為產(chǎn)酸菌食物充足，大量繁殖，然而產(chǎn)甲烷菌不能充分利用產(chǎn)酸菌的產(chǎn)物，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)酸積累.在運(yùn)行過(guò)程中為了防止反應(yīng)器內(nèi)酸積累，使甲烷菌不能正常生長(zhǎng)，需要不斷調(diào)節(jié)pH值，即加堿（碳酸鈉），提高UASB反應(yīng)器處理效率.

在避光，35?C條件下，加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH值，監(jiān)測(cè)COD去除率的變化情況，如圖5.

圖4 pH值變化

圖5 pH值與COD去除率變化

從圖5pH值與COD去除率變化可知，在初期前15天，出水pH值從8.2降至4.1，COD去除率在50%左右，后來(lái)隨著添加碳酸氫鈉pH值逐漸增加，COD的去除率效率明顯提高.隨后出水pH值出現(xiàn)波動(dòng)，COD去除率也隨之變動(dòng).當(dāng)pH值介于4.1—6.8，COD去除率低于70%，處理效果不好；當(dāng)pH值介于7.1—8.0，COD去除率可達(dá)到85%以上，處理效果好；當(dāng)pH值穩(wěn)定在7.5—8.0左右時(shí)，COD去除率接近90%.故說(shuō)明最佳pH值略大于7.5.

5.2 溫度影響分析

溫度控制在試驗(yàn)中是極為重要的因素，對(duì)于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，溫度的突變會(huì)對(duì)生物活性產(chǎn)生顯著的影響，降溫幅度越大，低溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)氣量的下降就越嚴(yán)重，所以溫度將直接影響有機(jī)物的去除率，在厭氧消化中存在兩個(gè)最適溫度區(qū)即中溫消化為33-37?C，高溫消化50-55?C[15].將馴化好的污泥放入U(xiǎn)ASB裝置，利用蠕動(dòng)泵將配置的高濃度馬鈴薯淀粉廢水泵入U(xiǎn)ASB裝置，設(shè)不同的溫度梯度，在UASB裝置中進(jìn)行.由于裝置的水力停留時(shí)間為20 h，故設(shè)計(jì)20?C、25?C、30?C、35?C、40?C、45?C、50?C、55?C、60?C不同梯度，每個(gè)溫度運(yùn)行時(shí)間為3天.圖6為避光，pH值為7.5條件下的溫度與COD去除率的關(guān)系圖.

從圖6溫度與COD去除率的變化可以看出：溫度是影響生物生命過(guò)程的重要影響因素，所以溫度直接影響有機(jī)物馬鈴薯淀粉廢水的去除率.從圖中可以看出，當(dāng)溫度從20?C增加到35?C，出水COD值與去除率在同步變化；40?C-55?C出水COD值與去除率不穩(wěn)定，在不斷變化；60?C出水COD值與去除率變化不大，但去除率較低；溫度為35?C時(shí)和55?C時(shí)COD去除率達(dá)到一小高峰，出水COD值達(dá)到最低；可以得出在厭氧消化中存在兩個(gè)最適溫度，中溫消化的最適值為35?C左右，高溫消化最適值為55?C左右.在工藝生產(chǎn)過(guò)程中，采用中溫消化，更節(jié)省資源且能夠很好的去除高濃度有機(jī)馬鈴薯淀粉廢水，故此次實(shí)驗(yàn)的最適溫度為35?C左右.

5.3 利用UASB裝置COD去除率變化

在避光，溫度為35?C左右，利用碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH值為7.5左右，配置進(jìn)水COD濃度為4 854.27 mg/L的馬鈴薯淀粉廢水，利用UASB裝置，監(jiān)測(cè)出水COD濃度的變化與COD去除率的變化情況.

圖6 溫度與COD去除率的變化

圖7 UASB裝置運(yùn)行COD變化

如圖7為UASB裝置運(yùn)行COD變化.配置好的馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)水COD濃度4 854.27 mg/L.實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)歷時(shí)63天，出水COD濃度從最初的2 269.86 mg/L降至166.02 mg/L，其中37天后COD出水濃度在1 000 mg/L以下，51天后COD出水濃度在700 mg/L以下，59天后COD出水濃度在300 mg/L以下；COD去除率45天后保持在80%以上，55天后保持在95%以上.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，可以得出利用UASB裝置處理高濃度馬鈴薯淀粉廢水其COD去除率在不斷提升.

6 結(jié)論

對(duì)UASB反應(yīng)器處理高濃度馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論.

（1）處理過(guò)程中的pH值應(yīng)控制在略大于7.5，當(dāng)pH值低于6.8時(shí)，COD的去除率明顯降低，當(dāng)pH值穩(wěn)定在7.5—8.0區(qū)間時(shí)，COD的去除率達(dá)到最好狀態(tài)；

（2）在避光、pH值為7.5的條件下，存在兩個(gè)處理最適溫度：中溫為35?C左右，高溫為55?C左右；

（3）實(shí)驗(yàn)表明，UASB裝置去除馬鈴薯淀粉廢水中COD的環(huán)境優(yōu)化組合條件：溫度為35?C左右，pH值為7.5左右.