UASB—A/O工藝處理淀粉、維生素B12混合廢水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行

陳媛媛，楊 柯，楊景亮

(1.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； 2. 河北省污染防治生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018； 3. 英國(guó)沃克斯弗德環(huán)境工程與技術(shù)服務(wù)有限公司，英國(guó)牛津 OX2 7DL)

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UASB—A/O工藝處理淀粉、維生素B12混合廢水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行

陳媛媛1,2，楊 柯3，楊景亮1,2

(1.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； 2. 河北省污染防治生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018； 3. 英國(guó)沃克斯弗德環(huán)境工程與技術(shù)服務(wù)有限公司，英國(guó)牛津 OX2 7DL)

淀粉、維生素B12混合廢水的COD和氨氮的濃度均較高，并含有大量的難生物降解物質(zhì)，需采用穩(wěn)定、高效的廢水處理工藝對(duì)其進(jìn)行凈化處理，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。采用UASB—A/O工藝處理淀粉、維生素B12混合廢水，處理規(guī)模為5 000 m3/d。當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為8 544～9 720 mg/L、總氮質(zhì)量濃度為240～250 mg/L時(shí)，處理系統(tǒng)出水COD質(zhì)量濃度為78.4 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為18.7 mg/L、總氮質(zhì)量濃度為41.1 mg/L，去除率分別可達(dá)99%以上、92.1%和82.7%。結(jié)果表明，采用UASB—A/O組合工藝對(duì)淀粉、維生素B12混合廢水進(jìn)行處理是可行的，各處理工藝單元的構(gòu)成及設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合理且處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)能夠滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

水污染防治工程；淀粉廢水；維生素B12廢水；UASB—A/O工藝；設(shè)計(jì)與運(yùn)行

某公司是以玉米淀粉和維生素B12為主要產(chǎn)品的企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水均為高濃度有機(jī)廢水。其中，淀粉廢水中的污染物主要為可溶性淀粉、蛋白質(zhì)、纖維等[1-2]，維生素B12廢水中的污染物主要為有機(jī)酸、殘?zhí)恰⑼?、氨氮等[3]。這兩種廢水的水質(zhì)特征為有機(jī)物濃度高，氨氮濃度高，成分復(fù)雜，可生化性較好[4]。

對(duì)于高濃度有機(jī)廢水多采用厭氧消化技術(shù)進(jìn)行處理，該方法處理負(fù)荷高，能耗低，可回收沼氣作能源[5]；廢水中的氨氮宜采用A/O工藝進(jìn)行處理，該方法凈化徹底，無(wú)二次污染[6-8]。針對(duì)廢水的水質(zhì)特征，采用UASB—A/O工藝對(duì)淀粉、維生素B12混合廢水進(jìn)行處理。

1 廢水的水質(zhì)水量

淀粉廢水主要來(lái)自淀粉生產(chǎn)過(guò)程的分離工序和蛋白質(zhì)回收工序[9]，維生素B12廢水主要為提煉工序產(chǎn)生的廢液和精制工序產(chǎn)生的酸堿廢水[10]。混合廢水的水質(zhì)水量見(jiàn)表1。

表1 廢水的水質(zhì)水量

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)設(shè)計(jì)規(guī)模 設(shè)計(jì)處理能力為5 000 m3/d。

2)設(shè)計(jì)水質(zhì) 進(jìn)水水質(zhì)：pH值為 4.5，COD質(zhì)量濃度為10 000 mg/L，總氮(TN)質(zhì)量濃度為 250 mg/L；出水水質(zhì)：滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，即pH值為6～9，COD質(zhì)量濃度不大于100 mg/L、氨氮(NH3-N)質(zhì)量濃度不大于25 mg/L。

2.2 工藝流程

廢水處理工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 UASB—A/O工藝流程圖Fig.1 UASB—A/O process flow diagram

2.3 主要設(shè)備、構(gòu)筑物

1)調(diào)節(jié)池

采用半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有效尺寸為24.4 m×20.0 m×4.3 m，有效容積為2 000 m3，停留時(shí)間為9.6 h；設(shè)置2座，交替使用；通過(guò)泵循環(huán)攪拌調(diào)節(jié)廢水水質(zhì)，設(shè)3臺(tái)循環(huán)水泵，2用1備，流量為140 m3/h，揚(yáng)程為11.0 m，功率為3.0 kW。

2)UASB反應(yīng)器

采用地上式碳鋼結(jié)構(gòu)，共4臺(tái)，單臺(tái)有效容積為1 000 m3。采用中溫消化，控制溫度為(35±1)℃，水力停留時(shí)間為19.2 h，設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為10.0 kg/(m3·d)(以COD計(jì)，下同)，單臺(tái)反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量為5 200 m3/d。反應(yīng)器采用大阻力配水系統(tǒng)，設(shè)6臺(tái)進(jìn)料泵，4用2備，流量為62 m3/h，揚(yáng)程為50.0 m，功率為15.0 kW。

3)厭氧沉淀池

共建有2座鋼制豎流式沉淀池，直徑為9.0 m，有效水深4.0 m，表面負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)。設(shè)2臺(tái)污泥泵，流量為58 m3/h，揚(yáng)程為17.0 m，功率為11.0 kW。

4)A/O池

A池與O池合建，均為地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)負(fù)荷分別為0.6 kg/(kg·d)(以NH3-N/MLSS計(jì)，下同)和0.13 kg/(kg·d)，A池有效容積為3 300 m3，O池有效容積為6 700 m3，污泥質(zhì)量濃度為3 kg/m3(以MLSS計(jì)，下同)。

A池設(shè)6臺(tái)推流式潛水?dāng)嚢铏C(jī)，單臺(tái)功率為3.0 kW。

好氧池采用鼓風(fēng)曝氣，選用曝氣軟管：曝氣量為3 m3/(m·h)，總長(zhǎng)1 250 m；配套風(fēng)機(jī)：風(fēng)壓為58.8 kPa，風(fēng)量為34.7 m3/min，配電功率為55 kW，共3臺(tái)，2用1備。

設(shè)混合液回流泵2臺(tái)，1用1備，流量為200 m3/h，揚(yáng)程為20.0 m，功率為22.0 kW。

A池、O池分別設(shè)有溫度、pH值、溶解氧測(cè)定儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢水的運(yùn)行狀況。

5)好氧沉淀池

好氧沉淀池為輻流式沉淀池，地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1座，直徑為22.0 m，有效水深4.0 m，表面負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)；設(shè)刮泥機(jī)1臺(tái)；污泥泵2臺(tái)，1用1備，流量為120 m3/h，揚(yáng)程為18.0 m，功率為11.0 kW。

3 系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行

3.1 UASB反應(yīng)器的啟動(dòng)及運(yùn)行

1)接種污泥及接種量

UASB反應(yīng)器污泥菌種為城市污水處理廠的厭氧消化污泥和部分發(fā)酵豬糞，污泥菌種的ρ(MLVSS)/ρ(MLSS)值為0.68，接種量為13.5 g/L(以VSS計(jì)，下同)，接種體積約為UASB反應(yīng)器有效容積的30%。

2)反應(yīng)器的啟動(dòng)及運(yùn)行

根據(jù)UASB反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程一般分為啟動(dòng)階段、負(fù)荷提高階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段[11]。

①啟動(dòng)階段

厭氧反應(yīng)器采用低濃度髙水力方式啟動(dòng)，即用公司所排低濃度廢水對(duì)高濃度廢水進(jìn)行調(diào)節(jié)后作為反應(yīng)器的進(jìn)水。該階段的控制條件：COD質(zhì)量濃度為2 500～3 000 mg/L，啟動(dòng)負(fù)荷為1.0 kg/(m3·d)，當(dāng)反應(yīng)器出水的pH值為7～8，COD去除率大于80%時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行3～5 d后提高反應(yīng)器的運(yùn)行負(fù)荷，此后反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷提高的幅度為0.5 kg/(m3·d)左右，提高負(fù)荷的控制條件同前述。該階段反應(yīng)器間歇進(jìn)水，水質(zhì)保持不變，負(fù)荷提高靠逐步增加進(jìn)水時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

反應(yīng)器啟動(dòng)后，通過(guò)控制進(jìn)水溫度來(lái)逐步提高反應(yīng)器的運(yùn)行溫度。經(jīng)過(guò)15 d的運(yùn)行，反應(yīng)器的運(yùn)行溫度穩(wěn)定控制在(35±1)℃。按上述控制條件，經(jīng)過(guò)60 d的運(yùn)行，單臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)水量達(dá)到50 m3/h，達(dá)到了反應(yīng)器的設(shè)計(jì)水力負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水，反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到3.06 kg/(m3·d)。此時(shí)，可視為反應(yīng)器啟動(dòng)階段結(jié)束。

②負(fù)荷提高階段

負(fù)荷提高階段的控制條件：維持反應(yīng)器進(jìn)水量不變，通過(guò)增加進(jìn)水COD質(zhì)量濃度來(lái)提高反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷，當(dāng)反應(yīng)器出水pH值為7～8，COD去除率大于85%時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行3～5 d后提高反應(yīng)器的運(yùn)行負(fù)荷，運(yùn)行負(fù)荷提高幅度為1.0 kg/(m3·d)左右。經(jīng)過(guò)100 d的運(yùn)行，反應(yīng)器進(jìn)水的COD質(zhì)量濃度達(dá)到9 870 mg/L，進(jìn)水水質(zhì)不再進(jìn)行調(diào)節(jié)，反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到10.7 kg/(m3·d)，出水COD質(zhì)量濃度為552 mg/L，COD去除率達(dá)到94.4%。反應(yīng)器開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

③穩(wěn)定運(yùn)行階段

在此后的45 d運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)器進(jìn)水量為49.6～52 m3/h，進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為8 544～9 720 mg/L，進(jìn)水容積負(fù)荷為12.11 kg/(m3·d)(均值)，出水COD的質(zhì)量濃度為492～512 mg/L，COD去除率達(dá)到94.2%～94.7%，沼氣產(chǎn)生量約為6 550 m3/d，沼氣產(chǎn)率約為0.531 m3/kg(以去除的COD計(jì)，下同)。

厭氧反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 A/O池的啟動(dòng)及運(yùn)行

1)接種污泥及接種量

A/O池污泥菌種為城市污水處理廠污泥濃縮池污泥，污泥菌種的ρ(MLVSS)/ρ(MLSS)值為0.65，接種量為3 000 mg/L(以MLSS計(jì))。

2)處理水質(zhì)

由UASB反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果可知，反應(yīng)器出水的COD質(zhì)量濃度為492～512 mg/L，出水的pH值為7.6～8.2，由于UASB反應(yīng)器的氨化作用，淀粉廢水中的蛋白質(zhì)和維生素B12中的含氮有機(jī)物較為徹底地轉(zhuǎn)化為氨氮，廢水中的氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到240～250 mg/L，是A/O池凈化的重點(diǎn)。

3)反應(yīng)器的啟動(dòng)及運(yùn)行

為保證A/O池進(jìn)水水質(zhì)的穩(wěn)定，防止進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)對(duì)A/O池啟動(dòng)運(yùn)行的影響，當(dāng)UASB反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后A/O池再開(kāi)始啟動(dòng)。

A/O池采用連續(xù)進(jìn)水方式啟動(dòng)。啟動(dòng)初期控制啟動(dòng)水力負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的25%左右，即進(jìn)水量為50 m3/h，為減輕氨氮質(zhì)量濃度對(duì)啟動(dòng)的抑制影響，用生產(chǎn)過(guò)程的循環(huán)排污水進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制進(jìn)水的氨氮質(zhì)量濃度約為120 mg/L，控制溶解氧質(zhì)量濃度為3.0～3.5 mg/L，污泥回流比為50%，投加NaOH調(diào)節(jié)曝氣池的pH值為7.5～8.0。經(jīng)過(guò)20 d運(yùn)行，氨氮氧化效果達(dá)到70%左右，啟動(dòng)混合液回流，并通過(guò)投加高濃度廢水調(diào)節(jié)A/O池進(jìn)水的ρ(COD)/ρ(NH3-N)值，實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮的有效反硝化，達(dá)到脫氮的目的。當(dāng)氨氮去除率達(dá)到85%以上、脫氮達(dá)到70%以上時(shí)，增加A/O池的運(yùn)行負(fù)荷，視運(yùn)行效果及時(shí)調(diào)節(jié)A/O池的溶解氧、混合液的回流比、ρ(COD)/ρ(NH3-N)值及pH值。經(jīng)過(guò)75 d的運(yùn)行，A/O池運(yùn)行能力、凈化效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，A/O池進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。A/O池運(yùn)行的控制條件見(jiàn)表3，運(yùn)行效果見(jiàn)表4。

表3 A/O池運(yùn)行控制條件

表4 A/O池運(yùn)行效果統(tǒng)計(jì)(均值)

可見(jiàn)，在控制條件下，A/O池取得較好的運(yùn)行效果，處理后出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 處理工藝及運(yùn)行特征

1)調(diào)節(jié)池的設(shè)置保證了厭氧反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)水量的可控性[12-13]。鑒于生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生廢水的水質(zhì)水量波動(dòng)較大，易對(duì)厭氧反應(yīng)器造成沖擊而影響其運(yùn)行效果，處理工藝設(shè)置2座調(diào)節(jié)池，每座水力停留時(shí)間為8.0 h，交替使用，保證了厭氧反應(yīng)器在不同運(yùn)行階段對(duì)水質(zhì)水量的控制要求，為厭氧反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和高效運(yùn)行提供了保障。

2)厭氧沉淀池的設(shè)置阻隔了厭氧反應(yīng)器出水中的懸浮物和厭氧菌群對(duì)后續(xù)A/O系統(tǒng)的影響[14]。在運(yùn)行初期及達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，厭氧反應(yīng)器出水中的懸浮物濃度均較高，造成在運(yùn)行過(guò)程中的大量惰性污泥流失，因此，需設(shè)置沉淀池，以較好地分離厭氧污泥和懸浮物，消除對(duì)后續(xù)好氧處理系統(tǒng)的影響[15-16]。

3)厭氧反應(yīng)器為UASB反應(yīng)器，屬第二代高效反應(yīng)器[17]。具有微生物持有量大、有機(jī)負(fù)荷高、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)；改進(jìn)后的布水系統(tǒng)，廢水分布均勻、不堵塞，改善了反應(yīng)器中液體的流動(dòng)狀態(tài)；新型的三相分離器較好地將水、污泥和沼氣分離，可有效防止污泥流失，從而保證厭氧反應(yīng)器中具有較大的污泥存有量；在反應(yīng)器中可培養(yǎng)、馴化出大量的高活性厭氧顆粒污泥[18-19]。進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，反應(yīng)器污泥床基本實(shí)現(xiàn)顆?；?，實(shí)現(xiàn)了厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

4)A/O池為前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)，以污水中的有機(jī)物為碳源，對(duì)回流混合液中硝酸鹽反硝化脫氮。該工藝反硝化產(chǎn)生的堿度可補(bǔ)償硝化所消耗堿度的50%左右，工藝流程簡(jiǎn)單，脫氮效率可達(dá)到75%以上[20-23]。但是該工藝的不足在運(yùn)行中也有所體現(xiàn)，例如污泥易上浮流失，動(dòng)力消耗較大[24]。通過(guò)控制ρ(COD)/ρ(NH3-N)值、溶解氧等運(yùn)行參數(shù)，污泥上浮流失基本得到了控制，取得較好的運(yùn)行效果[25-27]。另外，運(yùn)行過(guò)程證明，先進(jìn)的工藝運(yùn)行控制手段是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證。

5)主要單元處理效果好，實(shí)現(xiàn)了處理系統(tǒng)的整體高效能運(yùn)行。UASB反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到12.11 kg/(m3·d)(均值)，COD去除率達(dá)到94.6%(均值)，沼氣產(chǎn)率為0.531 m3/kg；A/O池出水的COD質(zhì)量濃度為78.4 mg/L，COD去除率為84.6%，整體工藝的COD去除率達(dá)到99%以上；A/O池出水氨氮為18.7 mg/L，去除率達(dá)到92.1%；出水總氮為41.1 mg/L，去除率為82.7%。

5 結(jié) 論

針對(duì)目標(biāo)企業(yè)淀粉、維生素B12混合廢水的水質(zhì)特征，采用UASB—A/O組合工藝進(jìn)行處理是可行的。各主要單元的處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了處理工藝的整體高效運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為8 544～9 720 mg/L、總氮質(zhì)量濃度為240～250 mg/L時(shí)，處理系統(tǒng)出水COD質(zhì)量濃度為78.4 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為18.7 mg/L、總氮質(zhì)量濃度為41.1 mg/L，去除率分別可達(dá)99%以上、92.1%和82.7%，出水水質(zhì)能夠滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Design and operation of UASB—A/O process for treatment starch and VB12wastewater

CHEN Yuanyuan1,2, YANG Ke3, YANG Jingliang1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 3.United Kingdom Woxford Environmental Engineering and Technical Services Company Limited, Oxford， England OX2 7DL, Britain)

Starch and VB12wastewater with higher COD and ammonia nitrogen concentration, contains a large number of difficult biodegradable material, complex composition, is difficult to deal with. In recent years, with the increasingly stringent wastewater discharge standards, require the use of a stable and efficient wastewater treatment process for purification treatment of high concentration of ammonia nitrogen in wastewater and the refractory organic pollutants, to achieve discharge standards. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)—Anoxic/Oxic(A/O) process was employed in a wastewater treatment of starch and Vitamin B12wastewater, which was 5 000 m3/d with highly concentrated organic pollutants and ammonia. The efficiency and reliability of the process has been proven. The results of the system operation show that the concentration of the effluent COD, ammonia and total nitrogen (TN) were at 78.4 mg/L, 18.7 mg/L and 41.1 mg/L, and the treatment efficiencies of COD, ammonia and TN reached over 99%, 92.1%, 82.7%, respectively, when the influent COD and TN concentration were in the ranges of 8 544～9 720 mg/L and 240～250 mg/L. The quality of the treated wastewater met the first-class discharge standards inIntegratedWastewaterDischargeStandard(GB 8978—1996).

water pollution control engineering; starch wastewater; VB12wastewater; UASB—A/O process; design and operation

1008-1542(2016)06-0620-07

10.7535/hbkd.2016yx06015

2016-03-08；

2016-04-18；責(zé)任編輯：王海云

國(guó)家“十一五”重大水專項(xiàng)(2009ZX07529-006)

陳媛媛(1987—)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事水污染控制及污染資源化方面的研究。

楊景亮教授。E-mail:yangjingliang@sina.com

X522

A

陳媛媛，楊 柯，楊景亮.UASB—A/O工藝處理淀粉、維生素B12混合廢水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(6):620-626. CHEN Yuanyuan, YANG Ke,YANG Jingliang.Design and operation of UASB—A/O process for treatment starch and VB12wastewater[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(6):620-626.