IC厭氧反應器處理含鹽制藥廢水的研究

魏彩霞 ，李昕禹 ，陳李玉，魏良良，盧 瑤，歐陽二明

（南昌大學建筑工程學院，江西南昌330031）

工業(yè)廢水具有種類繁多、成分復雜、排放量大、毒性強、難處理的特點〔1-2〕。其中制藥廢水作為較典型的工業(yè)廢水，屬于難降解的高濃度有機廢水。在藥物生產(chǎn)過程中常用高濃度的含鹽水作溶劑或原料，由此產(chǎn)生的廢水通常含有大量無機鹽副產(chǎn)物，導致后續(xù)的生物處理效果不理想。因此，對含鹽制藥廢水進行高效穩(wěn)定處理成為國內(nèi)外學者的研究熱點。

不同種類的制藥廢水性質(zhì)迥異，但其共同之處在于污染物種類多、水質(zhì)波動大、可生化性差、含鹽量大。針對該類廢水，工程上一般采用厭氧反應器，通過水解酸化改善可生化性，處理該類廢水。而IC厭氧反應器是典型的第3代厭氧反應器，相比UASB厭氧反應器，具有占地面積小、抗沖擊性能優(yōu)異、出水穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于印染廢水、大豆蛋白廢水、高強度滲濾液、棉漿廢水、釀酒廢水以及秸稈洗滌廢水等多種難降解廢水的處理中。

1 實驗部分

1.1 水樣來源與水質(zhì)

實驗所用接種污泥為南昌某污水廠脫水污泥，取得后立即投入實驗裝置中，接入量為IC厭氧反應器有效容積的1/3（約6 L）。所用廢水取自江西省某藥業(yè)股份有限公司，其主要產(chǎn)品為舒巴坦鈉和舒他西林堿等。實際制藥廢水水質(zhì)為COD 11 270 mg/L、NH3-N 126.48 mg/L、323.14 mg/L、pH 3.14。

1.2 試劑與儀器

試劑：濃硫酸、濃硝酸、濃鹽酸、碘化汞、磷酸，汕頭市西隴科學股份有限公司；硫酸銀、硫酸汞、碘化鉀、氯化鋇，姜堰市環(huán)球試劑廠；氫氧化鈉、磷酸二氫鉀、酚酞、抗壞血酸，汕頭市西隴化工股份有限公司；氯化鈉、氯化銨、碳酸氫鈉、重鉻酸鉀、酒石酸鉀鈉、酒石酸銻氧鉀、鉬酸銨、氨水，天津市大茂化學試劑廠；以上試劑均為分析純。

儀器：pHS-25型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；自制IC厭氧反應器，由有機玻璃加工制成，分為主體與集氣罩2個部分。反應器主體為圓柱形，主體高度為1.42 m，直徑140 mm，有效容積為16.8 L。每個反應室均設有取泥口和取水口，便于實驗過程中取樣。實驗裝置如圖1所示。

圖1 IC反應器

1.3 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；氨氮采用納氏試劑光度法測定；硫酸根采用鉻酸鋇光度法測定；pH采用便攜式pH計測定；VFA采用滴定法測定。

1.4 實驗方法

為啟動IC厭氧反應器，采用中溫發(fā)酵連續(xù)進水方式對反應器進行馴化，運行過程中通過外壁水浴控制反應溫度在35℃左右，控制初始進水COD負荷為 2 kg/（m3·d）， 進水 COD 控制在 2 000 mg/L 左右，控制碳酸氫鈉投加量調(diào)節(jié)pH至7~8，水力停留時間（HRT）控制為 24 h。

啟動馴化過程中，當COD去除率穩(wěn)定、出水VFA低于4 mmol/L，標志著反應器進入初級穩(wěn)定狀態(tài)，此時將進水負荷提升20%，進行下一梯度濃度的啟動。隨著進水濃度的逐漸提升，反應器在每一梯度下均能穩(wěn)定運行，最終以原水為進水時，反應器出水水質(zhì)穩(wěn)定，則認為IC厭氧反應器啟動成功。對啟動過程中出水的COD、氨氮、硫酸根、VFA等進行分析，并在啟動完成后研究鹽度對IC反應器運行特性的影響。

2 結(jié)果與分析

采用逐步提升進水濃度梯度的方式啟動IC厭氧反應器，在此過程中觀察各指標變化情況，分析反應器啟動運行效果。當系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，說明IC反應器啟動完成。啟動結(jié)束后，考察鹽度對IC反應器處理效果的影響，由于實驗用實際制藥廢水不含鹽度，故通過外加NaCl提升進水鹽度，并逐步提升鹽度梯度，觀察反應器在此過程的運行效果。

所以，我們要學會換位思考，有顆包容的心，將“心理放大鏡”對準積極的東西。對于班上老是不交作業(yè)的孩子，深入了解原因后，一定會發(fā)現(xiàn)這樣一類孩子，他們沒有聽懂，又不敢去抄別人的作業(yè)。對于這類學習困難的孩子，老師的責罵和懲罰是不起作用的。站在這類孩子的角度想想，他們也想快點做、早點交，但“巧婦難為無米之炊”，心有余而力不足。與其發(fā)脾氣、干生氣，不如多一點耐心，再細心地面對面講一遍，或許他們就學會了。

2.1 啟動過程中COD變化

反應器啟動階段COD變化情況如圖2所示。

圖2 反應器啟動期間進出水COD變化情況

如圖2所示，反應器啟動初期，進、出水的COD變化不明顯，COD去除率僅為20%左右；隨著運行時間的增加，進水COD負荷從最開始的2 kg/（m3·d）逐步提升至 9 kg/（m3·d），COD 去除率則隨進水負荷的增大逐漸上升，并達到穩(wěn)定。分析認為，啟動初期反應器內(nèi)的厭氧污泥微生物尚未適應制藥廢水，其活性受到一定影響，COD去除率較低。經(jīng)過一段時間的運行，厭氧微生物逐漸適應進水水質(zhì)，對COD逐漸升高的廢水進行穩(wěn)定處理，COD去除率從初期的19.62%提升至后期的67.01%；反應器運行57 d后，COD去除率逐步穩(wěn)定在65%左右。

2.2 啟動過程中氨氮變化

反應器啟動階段氨氮變化情況如圖3所示。

圖3 反應器啟動期間進出水氨氮變化情況

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，運行過程中進水氨氮始終低于出水氨氮。分析認為，制藥廢水中的大分子含氮有機物被水解酸化降解為小分子，此時反應器內(nèi)的氮主要以氨氮形式存在，導致出水氨氮高于進水，說明反應器的水解酸化效果良好；其次，啟動初期微生物活性受到影響，生長代謝速率較慢，導致反應器內(nèi)氨氮的消耗較少。綜合以上原因，造成進水氨氮一直低于出水。

2.3 啟動過程中硫酸根變化

反應器啟動階段硫酸根變化情況如圖4所示。

圖4 反應器啟動期間進出水硫酸根變化情況

圖4中，由于活性污泥中的微生物在反應器啟動初期還未完全適應制藥廢水水質(zhì)，導致硫酸根去除率不是很高，約為33%。隨著微生物逐漸適應初期廢水水質(zhì)，硫酸根去除率在第8天有明顯上升趨勢，之后硫酸根去除率與進水硫酸根濃度呈正相關。但啟動運行14 d時，可能因負荷急劇增加導致硫酸根去除率下降。逐漸提升進水硫酸根至150 mg/L左右，去除率達到72%，之后出水硫酸根隨著進水硫酸根的增加而增加，其去除率最終穩(wěn)定在73.4%左右。

2.4 啟動過程中pH和VFA變化

pH與VFA是厭氧反應器的重要控制參數(shù)，可反映反應器內(nèi)部實際運行情況。對啟動過程中pH與VFA的變化情況進行監(jiān)測。

由于實驗進水pH較低，添加NaHCO3調(diào)節(jié)進水pH在7~8，使反應器能夠正常運行。反應器啟動初期出水pH較穩(wěn)定，最高達到7.56。啟動40 d時出現(xiàn)出水pH下降現(xiàn)象，可能是此時容積負荷增大導致。運行58 d后，出水pH最低達到6.69。

VFA在反應器啟動運行階段變化較大，波動范圍保持在1.6~3.6 mmol/L。當反應器提升1個階段的進水負荷后，VFA均有不同程度地提高，適應該進水負荷后VFA又逐漸恢復正常。

2.5 鹽度對IC厭氧反應器處理效果的影響

制藥工藝中常用高濃度鹽水作溶劑或原料，產(chǎn)生的廢水中含有一定鹽度，當所含鈉離子、鈣離子、氯離子和硫酸根超出范圍，會對污泥微生物的代謝產(chǎn)生抑制毒害作用，給后續(xù)污水處理帶來極大影響。通過外加NaCl提升進水鹽度，研究進水鹽度對IC厭氧反應器處理效果的影響。

反應器啟動完成后，IC厭氧反應器的進水COD和硫酸根分別在10154~12748mg/L和250.36~327.48 mg/L之間波動。從第70天開始，每隔12 d逐步提高進水中的氯離子（3 000、6 000、9 000、12 000、15 000 mg/L），考察鹽度對COD和硫酸根去除率的影響。

2.5.1 鹽度對COD去除率的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著鹽度的增加，其對系統(tǒng)的毒害增加，COD去除率降低，見表1。

表1 鹽度對COD去除率的影響

隨著鹽度的增加，系統(tǒng)對COD去除率的變化情況見圖5。

由圖5可知，當進水氯離子為3 000 mg/L時，COD去除率從65%降到55.2%，幾天后COD去除率又有所提高，最終穩(wěn)定在60.61%左右；當進水氯離子提高到6 000 mg/L時，COD去除率降到54.02%，隨后穩(wěn)定在58.26%左右；當進水氯離子變?yōu)? 000 mg/L時，COD去除率降到53.47%，隨后穩(wěn)定在56.22%左右；當進水氯離子為12 000 mg/L時，COD去除率降到52.59%，隨后穩(wěn)定在54.21%左右；進水中的氯離子為15 000 mg/L時，COD去除率降到51.48%，隨后穩(wěn)定在52.71%左右?？梢姡琁C厭氧反應器對一定濃度范圍的氯離子有一定忍耐性，氯離子增加并未引起COD去除率大幅降低，即鹽度對IC厭氧反應器處理含氯離子有機廢水的影響較小。

2.5.2 鹽度對硫酸根去除率的影響

硫酸根去除率的變化趨勢與COD去除率基本類似，隨著鹽度增加，IC反應器對硫酸根的去除率降低，見表2。

圖5 系統(tǒng)對COD去除率隨鹽度變化情況

表2 鹽度對硫酸根去除率的影響

隨著鹽度的增加，系統(tǒng)對硫酸根去除率的變化情況見圖6。

由圖6可以看出，進水氯離子為3 000 mg/L時，硫酸根去除率從73.4%降到68.12%，幾天后硫酸根去除率有所提高，最終穩(wěn)定在70.73%左右；進水氯離子為6 000 mg/L時，硫酸根去除率降到67.14%，隨后穩(wěn)定在68.38%左右；當進水氯離子為9 000 mg/L時，硫酸根去除率降到65.89%，隨后穩(wěn)定在67.43%左右；進水氯離子為12 000 mg/L時，硫酸根去除率降到65.26%，隨后穩(wěn)定在66.09%左右；進水氯離子為15 000 mg/L時，硫酸根去除率降到64.02%，隨后穩(wěn)定在64.83%左右。

在60d的鹽度馴化期間，硫酸根去除率從73.4%降到64.83%，之后趨于穩(wěn)定，說明鹽度對硫酸根去除率有一定影響，但影響較小，表明IC厭氧反應器對一定濃度范圍內(nèi)的鹽度有一定耐受能力。

圖6 系統(tǒng)對硫酸根去除率隨鹽度變化情況

3 結(jié)論

采用IC厭氧生物反應器對實際制藥廢水進行處理，采用35℃中溫發(fā)酵、連續(xù)進水方式實現(xiàn)厭氧反應器的啟動。隨著進水COD逐步提升至原水濃度，反應器運行穩(wěn)定，啟動效果良好；經(jīng)過68 d的啟動，COD去除率最終穩(wěn)定在65%左右，硫酸根去除率達到73%左右，進水氨氮較出水氨氮低，出水VFA在4 mmol/L以下，pH＞6.6，各污染物去除效果穩(wěn)定，反應器運行良好。在0~1.5%的鹽度范圍內(nèi)，進水鹽度增加將導致COD及硫酸根的去除率不同程度地降低，但最終去除效果仍趨于平穩(wěn)，說明IC厭氧系統(tǒng)對外界鹽度有一定耐受能力。