ABR-CSTR組合工藝處理黃酒生產(chǎn)廢水研究

付玉潔，吳　鵬，徐樂中，沈耀良，3

（1.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇蘇州215009；3.蘇州科技學(xué)院江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215009）

ABR-CSTR組合工藝處理黃酒生產(chǎn)廢水研究

付玉潔1，2，吳鵬1，2，徐樂中1，2，沈耀良1，2，3

（1.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇蘇州215009；3.蘇州科技學(xué)院江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215009）

采用ABR-CSTR組合工藝對黃酒生產(chǎn)廢水處理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用低負(fù)荷啟動(dòng)并逐步提高容積負(fù)荷是ABR-CSTR組合工藝成功啟動(dòng)的關(guān)鍵，在溫度為（30±2）℃時(shí)，COD容積負(fù)荷從0.3 kg/（m3·d）增至4.0 kg/（m3·d），歷時(shí)100 d啟動(dòng)成功。系統(tǒng)總?cè)コ时３衷?5%～98%，出水平均氨氮、總氮分別為0.57、20.4mg/L，表明ABR-CSTR組合工藝能有效處理黃酒生產(chǎn)廢水。

黃酒生產(chǎn)廢水；厭氧折流板反應(yīng)器；完全混合式反應(yīng)器；啟動(dòng)

隨著我國黃酒行業(yè)的迅猛發(fā)展，黃酒生產(chǎn)廢水所帶來的環(huán)境問題日益顯著〔1〕。黃酒生產(chǎn)廢水富含淀粉、糖類、蛋白質(zhì)等有機(jī)物，其含糖量高，屬于高濃度有機(jī)廢水〔2-4〕。目前，國內(nèi)外對釀酒生產(chǎn)廢水的治理通常采用厭氧-好氧生物處理方法。厭氧工藝不僅經(jīng)濟(jì)低耗，同時(shí)產(chǎn)生的沼氣可進(jìn)行回收利用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益〔5-8〕。然而僅靠厭氧工藝處理的出水難以滿足排放要求，因此常結(jié)合好氧工藝實(shí)現(xiàn)高效處理〔9-12〕。

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）具有較強(qiáng)的生物量截留能力，產(chǎn)泥量少、運(yùn)行費(fèi)用低，適用于處理高濃度有機(jī)廢水，并具有良好的產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷能力〔13-15〕。完全混合式反應(yīng)器（CSTR）作為好氧反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡單、操作管理方便，具有良好的去碳脫氮能力〔16-17〕。本試驗(yàn)采用ABR-CSTR一體式組合工藝處理黃酒生產(chǎn)廢水，在ABR段實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的厭氧消化，在CSTR段實(shí)現(xiàn)對碳氮等污染物的進(jìn)一步去除，探索厭氧-好氧工藝對黃酒生產(chǎn)廢水的處理效果，進(jìn)而研究其處理高濃度有機(jī)廢水的工藝特征，實(shí)現(xiàn)廢水的低濃度排放。筆者以該組合工藝的啟動(dòng)過程為對象，研究反應(yīng)器不同隔室內(nèi)污染物的變化規(guī)律及其對主要污染物的去除效果。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)裝置

反應(yīng)器采用厚為5mm的有機(jī)玻璃板制成，尺寸為480mm×90mm×300mm。由豎向?qū)Я靼宸譃?個(gè)隔室，前4個(gè)隔室為ABR厭氧區(qū)，總有效容積為6.4 L，每格容積均為1.6 L，第5隔室為CSTR好氧曝氣區(qū)，有效容積為1.5 L，第6隔室為沉淀區(qū)，好氧區(qū)與沉淀區(qū)之間設(shè)有可調(diào)污泥回流縫，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)和控制污泥回流量，裝置如圖1所示。

圖1　ABR-CSTR一體式組合工藝裝置

1.2試驗(yàn)用水及接種污泥

試驗(yàn)用水為蘇州市某黃酒廠的黃酒生產(chǎn)廢水，其廢水COD為7 000～8 000mg/L，BOD5為4 500～5 500mg/L，SS為300～650mg/L，NH4+-N為30～50 mg/L，TN為40～60mg/L，pH為4～6。ABR接種污泥采用實(shí)驗(yàn)室久置的厭氧顆粒污泥，污泥質(zhì)量濃度為25～30 g/L，VSS/SS=0.5，加入適量葡萄糖靜置2 d后均勻移入ABR各隔室，污泥接種量約為各隔室有效容積的3/5，CSTR接種污泥來自蘇州市某城市污水廠二沉池活性污泥，接種前先將活性污泥悶曝24 h，之后移入CSTR好氧區(qū)，接種污泥量為其有效容積的1/2，污泥質(zhì)量濃度約為6.0 g/L。

1.3試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用低負(fù)荷進(jìn)水方式啟動(dòng)反應(yīng)器〔18-19〕，啟動(dòng)過程分為3個(gè)階段。第Ⅰ階段為污泥馴化階段，采用校園生活污水對原水進(jìn)行稀釋，進(jìn)水COD為300～500mg/L，HRT=24 h。隨著處理效果的穩(wěn)定，逐漸減小稀釋倍數(shù)將進(jìn)水COD提升至2 000mg/L，容積負(fù)荷（以COD計(jì)，下同）由0.3 kg/（m3·d）增至2.0 kg/（m3·d）。第Ⅱ階段為效能提升階段，保持容積負(fù)荷為2.0 kg/（m3·d），將進(jìn)水COD逐漸提升到4 000 mg/L，HRT也相應(yīng)延長至48 h。第Ⅲ階段為提高負(fù)荷階段，固定HRT=48 h，繼續(xù)減少生活污水直至進(jìn)水完全為黃酒生產(chǎn)廢水，容積負(fù)荷由2.0 kg/（m3·d）增至4.0 kg/（m3·d），同時(shí)增加回流裝置，設(shè)置回流比為100%，將CSTR沉淀區(qū)泥水混合液回流至ABR中。

進(jìn)水通過蠕動(dòng)泵控制速率向反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水，用NaHCO3適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，好氧區(qū)用氣泵和砂頭供氣，通過氣體流量計(jì)控制曝氣量為60 L/h。反應(yīng)器置于水浴缸中，溫度控制在（30±2）℃。

1.4分析方法

COD，重鉻酸鉀法；MLSS和MLVSS，稱重法；VFA，滴定法；NH4+-N，納氏試劑分光光度法；TN，過硫酸鉀氧化分光光度法〔20〕；pH，數(shù)字pH計(jì)。

2　結(jié)果討論與分析

2.1進(jìn)水容積負(fù)荷及去除情況

COD隨進(jìn)水容積負(fù)荷的去除情況如圖2所示。

圖2　容積負(fù)荷與去除率的變化關(guān)系

在污泥馴化階段，容積負(fù)荷從0.3 kg/（m3·d）增加到2.0 kg/（m3·d）。前10 d ABR出水略有波動(dòng)，COD去除率僅40%左右，并伴有一定量的污泥流失。到第Ⅰ階段末，隨著污泥逐漸成熟，污泥流失量有所減少，ABR出水COD為110～140mg/L，COD去除率在80%以上，系統(tǒng)出水COD為43～50mg/L。這意味著反應(yīng)器內(nèi)污泥和微生物生長已趨于穩(wěn)定，污泥沉降性能和活性不斷提高，同時(shí)ABR前端隔室有氣泡產(chǎn)生，說明ABR開始產(chǎn)氣。在效能提高階段，容積負(fù)荷保持不變，ABR出水COD為240～280mg/L，經(jīng)CSTR好氧處理后，最終出水COD在60mg/L左右，ABR對COD的去除率在90%以上，系統(tǒng)總COD去除率達(dá)到95%。在啟動(dòng)最后階段，容積負(fù)荷由2.0 kg/（m3·d）增加到4.0 kg/（m3·d），系統(tǒng)運(yùn)行逐漸穩(wěn)定，ABR出水COD上升到700mg/L左右，系統(tǒng)總出水COD略有上升，但仍保持在80mg/L以下，總COD去除率維持在95%以上。

啟動(dòng)過程中，各隔室中的容積負(fù)荷隨進(jìn)水容積負(fù)荷的提高而升高，在同一時(shí)間各隔室容積負(fù)荷的大小順序?yàn)锳BR1＞ABR2＞ABR3＞ABR4＞CSTR。COD的去除主要在ABR前端隔室中完成，隨著進(jìn)水COD的增加，前端隔室承受較大的有機(jī)負(fù)荷沖擊，酸化作用明顯，出水COD不穩(wěn)定，后端隔室去除率逐漸增強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。各隔室在不同階段的去除貢獻(xiàn)率見表1。

表1　各隔室不同階段COD去除貢獻(xiàn)率

由于反應(yīng)器獨(dú)特的構(gòu)型及推流特征使其沿程有機(jī)負(fù)荷逐漸降低，各隔室的進(jìn)水水質(zhì)有較大差別。盡管進(jìn)水COD及容積負(fù)荷的變化對反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生了一定影響，但增加負(fù)荷時(shí)整個(gè)系統(tǒng)仍處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，出水COD不會(huì)出現(xiàn)太大的波動(dòng)〔21〕。

整個(gè)啟動(dòng)過程共歷時(shí)100 d。第Ⅲ階段末運(yùn)行基本穩(wěn)定，在進(jìn)水COD為8 000mg/L，HRT=48 h條件下，ABR出水COD基本在700mg/L以下，經(jīng)CSTR好氧處理后，系統(tǒng)出水COD在80mg/L左右，COD去除率高達(dá)99%。

2.2pH及VFA濃度變化

pH及VFA濃度作為運(yùn)行過程中的常規(guī)控制參數(shù)，是反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的重要參考指標(biāo)〔22〕。在厭氧反應(yīng)器運(yùn)行過程中，可通過各隔室的pH分布及VFA濃度變化了解反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，初步判斷反應(yīng)器的酸化完成情況，同時(shí)根據(jù)反應(yīng)器的最低pH點(diǎn)調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，以防止反應(yīng)器的過度酸化。

在啟動(dòng)期間，各隔室在不同階段末期的平均pH及VFA濃度變化情況如圖3所示。

圖3　各隔室不同階段末期的平均pH及VFA濃度變化

ABR的前端隔室主要進(jìn)行厭氧水解酸化作用，有機(jī)污染物在此被水解成小分子有機(jī)酸，進(jìn)而被產(chǎn)酸菌降解為低分子脂肪酸，使得pH相對于進(jìn)水下降，后端隔室中小分子有機(jī)酸水解氧化為小分子無機(jī)物，同時(shí)含氮有機(jī)物被還原為氨態(tài)氮，pH逐漸上升。至CSTR中發(fā)生硝化反應(yīng)，消耗一定堿度，因此pH略有下降。

由圖3可以看出，pH與VFA濃度變化存在一致性，但pH的波動(dòng)性相對較小，而VFA濃度的變化較為靈敏。隨著進(jìn)水濃度增加，酸化作用加強(qiáng)，VFA濃度增加并逐漸向后端隔室推移。由于前端隔室產(chǎn)酸作用占優(yōu)勢，VFA濃度較高，使得第一隔室的pH最低。第二隔室產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷作用同時(shí)存在，而第三隔室pH的變化為甲烷菌的生長活動(dòng)創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件，使其承擔(dān)起產(chǎn)甲烷的主要功能。整個(gè)ABR反應(yīng)器出現(xiàn)生物相分離，形成前端隔室產(chǎn)酸產(chǎn)氫，后端隔室產(chǎn)甲烷的聯(lián)合產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷系統(tǒng)〔23〕。

2.3氨氮的去除情況

由于在ABR反應(yīng)器中含氮有機(jī)物被微生物水解為無機(jī)氮，因此ABR出水氨氮濃度高于進(jìn)水，經(jīng)過CSTR好氧硝化后，氨氮逐漸被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽〔24〕。隨著硝化細(xì)菌對環(huán)境的適應(yīng)，微生物通過新陳代謝活性逐漸增強(qiáng)，氨氮的去除效果逐漸升高。在啟動(dòng)第Ⅱ階段，出水氨氮基本穩(wěn)定在11mg/L左右，平均去除率為73.6%。第Ⅲ階段將CSTR沉淀區(qū)的泥水混合液進(jìn)行回流，硝化細(xì)菌進(jìn)一步繁殖富集，污泥濃度不斷增加，硝化能力增強(qiáng)，平均氨氮低于1mg/L，去除率可達(dá)到99%。氨氮濃度的變化情況如圖4所示。

圖4　NH4+-N濃度及其去除率的變化

2.4總氮的去除情況

研究表明，通常COD在300～800mg/L，C/N為4～15的情況下，能滿足或完成反硝化〔25〕。因此將混合液回流設(shè)置在ABR第4隔室前端，實(shí)現(xiàn)對總氮的去除。啟動(dòng)過程中總氮的去除情況隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖5所示。

圖5　TN濃度及其去除率的變化

在回流運(yùn)行前10 d，由于氨氮去除率不高，反硝化微生物較少，總氮的去除率僅為40%左右。但隨著氨氮去除率的上升，回流液中的硝酸鹽含量增加，同時(shí)反硝化微生物逐漸生長，總氮去除率隨之提高，在回流運(yùn)行33 d后，出水平均TN在20mg/L左右，平均去除率在56%左右。

3　結(jié)論

（1）ABR-CSTR組合工藝對高濃度黃酒生產(chǎn)廢水具有穩(wěn)定高效的處理效果。采用低負(fù)荷進(jìn)水可成功啟動(dòng)反應(yīng)器，逐步增加容積負(fù)荷可使微生物在生長和增殖過程中對負(fù)荷的變化有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)為后續(xù)優(yōu)化運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

（2）歷經(jīng)100 d成功啟動(dòng)反應(yīng)器，出水水質(zhì)穩(wěn)定。在溫度為（30±2）℃，進(jìn)水COD為8 000mg/L，HRT=48 h條件下，總?cè)莘e負(fù)荷為4.0 kg/（m3·d），出水COD在80mg/L以下，去除率維持在95%～98%。

（3）在回流比為100%條件下，出水平均NH4+-N、TN分別為0.57、20.4 mg/L，去除率分別為99%、56%，還需進(jìn)一步優(yōu)化提高TN去除率。

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Study on the treatmentofwastewater from rice w ine production by ABR-CSTR combined process

Fu Yujie1，2，Wu Peng1，2，Xu Lezhong1，2，Shen Yaoliang1，2，3
（1.SchoolofEnvironmentalScienceand Engineering，Suzhou University of Scienceand Technology，Suzhou 215009，China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Centerof Technology and Materialof Water Treatment，Suzhou 215009，China；3.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Scienceand
Engineering，Suzhou University of Scienceand Technology，Suzhou 215009，China）

The research on the treatment ofwastewater from ricewine production by the combined process，ABRCSTR，has been accomplished.The results show that the key of starting up the ABR-CSTR process successfully is bymeansofusing low load start-up and then increasing the volume load gradually.When the operation temperature is（30±2）℃，the COD volume load increases from 0.3 kg/（m3·d）to4.0 kg/（m3·d）.The start-up issuccessful in 100 d. The total removing rate of the system stays constantat95%-98%.The average effluentconcentration ofNH4+-N and TN are 0.57mg/L and 20.4mg/L，respectively.The results indicate that ABR-CSTR process can effectively treat the wastewater from ricewine production.

wastewater from ricewineproduction；anaerobic baffle-plate reactor；completelymixed reactor；start-up

X703.1

A

1005-829X（2016）03-0043-04

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（12KJA610002）；蘇州市環(huán)?？萍柬?xiàng)目（B20130502）

付玉潔（1990—），碩士。電話：15250982057，E-mail：fufu_yujie@163.com。通訊聯(lián)系人：徐樂中，E-mail：kgre505@163.com。

2016-01-19（修改稿）