IC 反應器處理生物制藥廢水的研究

王金玉

（帕克環(huán)保技術(shù)（上海）有限公司， 上海 201319）

生物制藥指利用微生物、 寄生蟲、 生物組織等，采用現(xiàn)代生物技術(shù)方法（主要是基因工程技術(shù)）生產(chǎn)治療、 診斷等用途的多肽和蛋白質(zhì)類藥物、 疫苗等藥品的過程［1］。 其生產(chǎn)廢水中含有高濃度的有機污染物， 并且可能還含有一定濃度的毒性及難降解物質(zhì)。 對于高濃有機廢水的處理， 近年來的研究與應用發(fā)展主要集中在厭氧生物處理技術(shù)， 但傳統(tǒng)厭氧生物工藝在處理生物制藥廢水中存在一些問題， 例如： UASB 反應器存在容積負荷較低， 污泥易流失， 抗沖擊負荷能力弱等缺點； 兩相厭氧工藝流程復雜， 工藝運行參數(shù)難以精確控制， 基建投資高。

內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應器是新一代高效厭氧反應器， 其主要特點為容積負荷率高， 其進水有機負荷為普通UASB 反應器的3 倍左右； 抗沖擊負荷能力強； 出水穩(wěn)定性好， 可處理一定濃度含毒性物質(zhì)廢水等［2］。 自1996 年第1 臺生產(chǎn)性IC 反應器被引入國內(nèi)后［3］， 經(jīng)過多年發(fā)展， 現(xiàn)已在造紙、 啤酒、 淀粉、 檸檬酸、 味精等高濃度廢水處理工程中得到成功應用。 2020 年， 生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《國家先進污染防治技術(shù)目錄（水污染防治領(lǐng)域）》， “高濃度有機廢水內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術(shù)”作為推廣技術(shù)入選其中。為進一步探索IC 反應器在高濃度工業(yè)有機廢水處理工程領(lǐng)域的應用潛力， 采用IC 反應器對生物制藥廢水進行處理， 運行期間考察了反應器內(nèi)COD去除率、 VFA 濃度及沼氣產(chǎn)量的變化趨勢， 以期為該類廢水處理工程的設(shè)計及生產(chǎn)運行提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

IC 反應器結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示， 直徑為10 m，高度為25.5 m， 有效容積為1 970 m3， 反應器內(nèi)沿高度方向設(shè)置6 個取樣口， 分別為1.5、 3、 5、 8、11、 15 m 處。 反應器由5 部分組成： 布水區(qū)、 低部位反應區(qū)、 高部位反應區(qū)、 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)及出水溢流區(qū)。 其中， 作為反應器核心部件的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，由一級分離器上升管、 下降管及氣液分離器組成。反應器在35 ℃的中溫條件下運行， 廢水泵送至反應器底部， 依次經(jīng)過低部位反應區(qū)、 高部位反應區(qū)， 最終從頂部出水溢流堰流出。 反應過程中產(chǎn)生的沼氣通過氣液分離器分離并由熱式流量計計量。

圖1 IC 反應器結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Structure of IC reactor

1.2 廢水水質(zhì)

試驗用水為某生物制藥公司的生產(chǎn)廢水， 由工藝廢水蒸餾水、 設(shè)備沖洗廢水混合而成。 混合廢水COD 及氨氮濃度高， m（BOD5）／m（COD）比在0.5 左右。 具體水質(zhì)如表1 所示。

表1 廢水水質(zhì)Tab. 1 Wastewater quality

1.3 接種污泥

反應器啟動用的種泥購買自某淀粉糖生產(chǎn)廠，為厭氧系統(tǒng)內(nèi)活性污泥， 其含水率在80% 左右。反應器內(nèi)共接種400 m3污泥， 污泥質(zhì)量濃度約為78.6 g［VSS］／L。 接種完畢后， 開始向反應器內(nèi)加入低濃度的廠區(qū)生活污水， 運行7 d 后， 測得反應器內(nèi)VSS 質(zhì)量為30 685 kg。

1.4 試驗方法

通過調(diào)節(jié)IC 反應器的進水量來控制IC 反應器的處理負荷， 在保證IC 反應器出水COD 去除率高于80% 的前提下， 每7 d 為1 個周期， 并以20%的幅度提升IC 反應器的負荷， 試驗總歷時為50 d。進水啟動初期反應器需采用較低的污泥負荷， 負荷范圍在0.02 ～0.20 kg［COD］／（kg［VSS］·d）［4］， 由于生物制藥廢水中可能存在一定濃度的毒性物質(zhì)， 故以0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）的初始污泥負荷啟動反應器， 如1.3 節(jié)所述， 反應器內(nèi)VSS 總質(zhì)量為30 685 kg， 因此起始進水容積負荷為1.60 kg［COD］／（m3·d）， 即進料負荷為3 068.5 kg［COD］／d。

1.5 分析方法

COD 采用重鉻酸鉀消解法， VFA 采用酸堿滴定法， 懸浮物濃度及污泥濃度采用重量法， 污泥粒徑分布采用篩分法［5］， IC 反應器進水量采用電磁流量計計量， 沼氣產(chǎn)量采用熱式流量計計量。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應器啟動及其對COD 的去除效果

從IC 反應器進水啟動至負荷提升結(jié)束， 總共歷時50 d。 起始進水容積負荷為1.60 kg［COD］／（m3·d）， 采用連續(xù)進水方式， 將原廢水的pH 值調(diào)節(jié)至5 ～6。 由于接種了足量的污泥， 反應器內(nèi)污泥負荷較小， 為0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）。 故反應器啟動初期即表現(xiàn)出良好的COD 去除效果。隨后提高進料負荷。

啟動及負荷提升過程中， 反應器進出水COD濃度、 COD 去除率及容積負荷的變化趨勢如圖2和圖3 所示。 由圖2 可知， 進水COD 的質(zhì)量濃度為7 000 ～12 000 mg／L， 出水COD 質(zhì)量濃度為500 ～750 mg／L， COD 去 除 率 在90% 以 上， 最 高 達 到94.6%。 反應器運行平穩(wěn)， 出水COD 濃度沒有出現(xiàn)較大的波動。

圖2 進出水COD 濃度及去除率情況Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

圖3 COD 進料負荷及去除負荷變化Fig. 3 Changes of COD feeding load and removal load

從COD 的進料負荷和去除負荷看， 在反應器運行第45 天時， COD 進料負荷和去除負荷達到最大， 分別為6.3 和6.1 kg／（m3·d）， 折合COD 去除量為11 850 kg／d。

2.2 反應器VFA 濃度與pH 值變化

為控制負荷提升幅度， 保證反應器平穩(wěn)運行，連續(xù)測試了啟動期間反應器內(nèi)VFA 的變化情況， 結(jié)果如圖4 所示。 進水VFA 質(zhì)量濃度為1 400 ～2 200 mg／L， 出水VFA 最高質(zhì)量濃度為347 mg／L， 最低時低于200 mg／L。 反應器內(nèi)的揮發(fā)酸沒有積累， 說明IC 反應器運行良好， 沒有因進料負荷的提高而形成酸化的趨勢。 由圖4 還可以看出， 反應器出水pH值較平穩(wěn)， 并且出水pH 值一直高于進水pH 值。 分析其原因主要有兩方面， 一方面是IC 反應器對COD 的高效去除可以向廢水中返還大量的堿度［6］，另一方面得益于IC 反應器的高效內(nèi)循環(huán)作用， 使得進水在反應器內(nèi)得到稀釋和緩沖。

圖4 VFA 濃度及pH 值變化Fig. 4 Changes of VFA concentration and pH value

2.3 沼氣產(chǎn)量

厭氧生物處理廢水過程中， 90% 以上的COD最終被微生物轉(zhuǎn)化為沼氣［7］， 并且沼氣產(chǎn)量與COD去除量之間存在一定的比例關(guān)系［8］， 圖5 顯示了IC反應器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關(guān)系。 反應器運行期間從整體變化規(guī)律上看， 隨著COD 去除量的增加， 沼氣產(chǎn)量在逐漸增大， 并且COD 去除量和沼氣產(chǎn)量之間存在比較明顯的比例關(guān)聯(lián)性。 沼氣產(chǎn)量與COD 去除量的比值稱為沼氣比產(chǎn)氣率， 運行階段實測沼氣比產(chǎn)氣率在0.42 ～0.55 之間， 該值符合理論預期［9］。

圖5 反應器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between COD removal and biogas output

2.4 反應器內(nèi)顆粒污泥的粒徑變化

歷時50 d 的運行， IC 反應器污泥顆粒粒徑變化趨勢如表2 所示。 隨著進水負荷的逐漸增加， 反應器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸增大， 0.5 mm 以下顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸減少，污泥顆?；M程較明顯， 這可能是反應器內(nèi)較高的上升流速及適宜的代謝負荷促進微生物凝聚成團等所致。

表2 顆粒污泥粒徑分布Tab. 2 Granular sludge particle size distribution

3 結(jié)論

經(jīng)過50 d 的啟動和運行， IC 反應器對COD 的去除率高于90%， COD 去除量及容積負荷分別達到11 850 kg／d 和6.1 kg／（m3·d）。 反應器內(nèi)VFA 濃度變化很小， 出水pH 值保持穩(wěn)定。 隨著COD 去除量的上升， IC 反應器的沼氣產(chǎn)量逐漸增大， 并且沼氣產(chǎn)量符合理論預期。 IC 反應器運行期間，污泥顆?；M程明顯， 反應器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥占比逐漸增加。 在實際工程中， IC反應器能夠穩(wěn)定高效地處理生物制藥廢水。