USR工藝在客家米酒酒糟廢液厭氧生化治理中的應(yīng)用研究

賴偉陽，陳 川，何飛添

(1.廣東自遠(yuǎn)環(huán)保股份有限公司，廣東 梅州 514733；2.廣東樸華檢測技術(shù)有限公司，廣東 梅州 514733）

1 概況

客家米酒在釀造過程中會產(chǎn)生大量酒糟廢棄物。不同于以高粱、小麥原料為主的醬香曲酒、濃香白酒的中高溫堆體發(fā)酵，米酒通常需在發(fā)酵階段就接入較大比例的水；客家米酒又不同于黃酒、娘酒等釀造米酒，采用蒸餾方式得酒，因此蒸餾后剩余酒醅含水量仍然特別高[1]。因剩余酒醅對酒廠無其它利用價(jià)值，含高濃度懸浮酒糟固體顆粒的酒糟混合廢液會整體排出。因?yàn)橄啾扔谄渌愋桶拙漆勗飚a(chǎn)生的酒糟，客家米酒酒糟具有含水率高的特點(diǎn)，其儲存、運(yùn)輸便利性較差。因酒糟廢液易腐敗，各家酒廠往往修建臨時(shí)儲存池（容積約1～2天的酒糟排放當(dāng)量）用于短期酒糟溶液貯存，再通過運(yùn)輸人員一次性將儲存池內(nèi)的酒糟混合液抽走。

由于酒糟營養(yǎng)價(jià)值較高，多被用作豬牛飼料調(diào)口材料服務(wù)于周邊養(yǎng)殖單位，作為廢棄物利用的渠道[2]。但該處置模式受養(yǎng)殖業(yè)行情影響較大，且在轉(zhuǎn)移、終端利用方面缺乏行政監(jiān)管，因此客家米酒酒糟廢液所含高濃度污染物無疑會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成極大壓力，給風(fēng)險(xiǎn)管控措施不力和環(huán)境理念不強(qiáng)的地區(qū)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。酒糟廢液作為碳源，供城鎮(zhèn)污水廠使用的處置思路也有應(yīng)用案例[3]，但其運(yùn)作模式對物料基礎(chǔ)條件要求較高，需因地制宜，目前在華南地區(qū)暫無運(yùn)作效果顯著的案例。而隨著區(qū)域廢棄物收納能力趨于飽和，極度依賴養(yǎng)殖業(yè)消納廢棄酒糟的傳統(tǒng)模式已不合時(shí)宜，酒糟處置問題已成為制約制酒行業(yè)發(fā)展的重要障礙和攸關(guān)企業(yè)存活、急需面對的現(xiàn)實(shí)難題。

據(jù)相關(guān)調(diào)查分析的數(shù)據(jù)顯示，該類酒型酒糟廢液污染物濃度極高。其中廢液COD濃度為30 000～120 000 mg/L，氨氮濃度為180～620 mg/L，總氮濃度為1 200～2 500 mg/L，總磷濃度為60～2 500 mg/L[4]。相關(guān)人員分析樣品各指標(biāo)間相關(guān)性差異，發(fā)現(xiàn)各單一指標(biāo)波動(dòng)性大，說明酒糟廢液組分復(fù)雜，殘余酒醅在存續(xù)期間仍進(jìn)行強(qiáng)烈的生化反應(yīng)，指標(biāo)結(jié)果隨時(shí)空變化異質(zhì)性增強(qiáng)。

本文選用廣東省梅州市某地酒廠米酒酒糟廢液作為研究對象，采用自制USR反應(yīng)器對客家米酒酒糟廢液，厭氧生化工藝處理高濃度酒糟廢液有機(jī)污染物的工藝性能和路線可行性進(jìn)行驗(yàn)證，擬通過產(chǎn)氣資源化利用和無害化廢水治理相結(jié)合的形式，為解決酒糟廢棄物處置難題提供技術(shù)思路。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置與設(shè)計(jì)參數(shù)

米酒酒糟廢液含有大量白色殘余酒醅微粒，類似稀粥。其顆粒含水量高、顆粒密度與水密度差較小、自然重力沉降性差、絮凝結(jié)構(gòu)松散，試驗(yàn)嘗試采用板框壓濾過濾，實(shí)現(xiàn)固液分離預(yù)處理。本試驗(yàn)主反應(yīng)器為自制USR鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，有效容積為16 m3，反應(yīng)器設(shè)計(jì)有效有機(jī)負(fù)荷為12.5 kg/（m3·d），計(jì)劃每日處理酒糟廢液2 m3，設(shè)計(jì)廢液水力停留時(shí)間為8 d；配置鋼結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)池1座，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間2 d；還配有水解酸化池1座，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間12 d。USR出水經(jīng)AO一體化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品后進(jìn)入廠區(qū)原配套生態(tài)塘進(jìn)行收納，生態(tài)塘面積約為400 m3。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖，紅框內(nèi)為本文涉及研究范圍。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

2.2 接種污泥與試驗(yàn)用水

接種污泥是采購自一食品廠IC厭氧反應(yīng)器培養(yǎng)的厭氧顆粒污泥，以及本地城鎮(zhèn)市政污水處理廠污泥濃縮池絮狀污泥的混合體。啟動(dòng)時(shí)，污泥接種采用常規(guī)接種方式，接種污泥量為有效容積的30%，啟動(dòng)時(shí)控制污泥濃度在10 kgVSS/m3左右。

試驗(yàn)用水為酒廠生產(chǎn)過程中排放的酒糟廢棄液，經(jīng)壓濾機(jī)過濾后將濾液排入調(diào)節(jié)池作為試驗(yàn)用水。過濾干酒糟交由酒廠工作人員處理。經(jīng)試驗(yàn)前期調(diào)查及試驗(yàn)過程對原水的長期監(jiān)測，該廠酒糟廢液原液及經(jīng)過濾后濾液污染物濃度均值見表1。

表1 酒糟原液及濾液污染物濃度均值表

由表1可知試驗(yàn)用水的污染物，主要來自釀造發(fā)酵產(chǎn)生的各類未能蒸餾出的有機(jī)污染物，且過濾前后，廢液COD濃度有明顯衰減，說明原液中大量酒醅碎渣通過固液分離的方式可快速減輕有機(jī)污染物負(fù)荷，而酒醅碎渣含有的高濃度總氮也通過固液分離的方式被從溶液中去除掉。

2.3 主要環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)要求，需對反應(yīng)過程進(jìn)行環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測。主要環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)如表2所示。

表2 主要環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)

3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過程概況

試驗(yàn)啟動(dòng)于2021年3月。啟動(dòng)階段及穩(wěn)定階段均保持厭氧罐出水堿度指標(biāo)符合通用水平范圍（2500 mg/L以上高位值）。通過對系統(tǒng)VFA的持續(xù)監(jiān)測及檢測，并通過投加補(bǔ)充堿度藥劑、暫停進(jìn)水、調(diào)整有機(jī)負(fù)荷、增強(qiáng)回流等方式即時(shí)應(yīng)對，保證VFA/ALK值在合理區(qū)間，整個(gè)階段反應(yīng)器出水盡量保障在VFA＜3 mmol/L，VFA/ALK=0.3以下的狀態(tài)。

有機(jī)負(fù)荷是反應(yīng)器及系統(tǒng)啟動(dòng)、初步運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行的最重要的操作條件。因廢水氨氮值未達(dá)到明顯抑制產(chǎn)氫、產(chǎn)氣階段的氨氮范圍值，所以本項(xiàng)目調(diào)整進(jìn)水負(fù)荷時(shí)，未考慮氨氮部分對厭氧反應(yīng)器的影響，只以有機(jī)負(fù)荷作為不同時(shí)段控制進(jìn)水水質(zhì)、水量及判斷系統(tǒng)整體性能最重要的參數(shù)。在此條件下，通過調(diào)整進(jìn)水水量、水質(zhì)（原水和自來水配合比調(diào)整）來動(dòng)態(tài)調(diào)整水解酸化后的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷。初始運(yùn)行配制低濃度的廢水有利于污泥顆粒的形成，但濃度也應(yīng)當(dāng)足夠維持良好的細(xì)菌生長條件。初始進(jìn)水水量控制在0.8 m3/d左右，配水后CODCr濃度為8 000～10 000 mg/L，初始有機(jī)負(fù)荷為0.5 kgCODCr/（m3·d），然后增加進(jìn)水量，逐步提高有機(jī)負(fù)荷直到1.25 kgCODCr/（m3·d）左右，此時(shí)進(jìn)水日總量達(dá)到2 m3。可降解的CODCr去除率達(dá)到80%為止。污泥負(fù)荷宜控制在0.05～0.15 kgCODCr/(KgVSS·d)。該階段共進(jìn)行2個(gè)月。

此后在確保內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定的情況下，隨著污泥逐漸適應(yīng)廢水，污泥逐漸具有去除底物能力，自身繁殖代謝能力趨于穩(wěn)定平衡，種群結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，開始快速提高進(jìn)水CODCr值和有機(jī)負(fù)荷值。該階段有機(jī)負(fù)荷從1.25 kgCODCr/（m3·d）提升至13.1 kgCODCr/（m3·d），此時(shí)進(jìn)水水質(zhì)完全為酒糟廢水原水，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD調(diào)整在100000 mg/L左右，處理水量穩(wěn)定在2 m3/d，反應(yīng)器內(nèi)部污泥濃度維持在8000 mg/L左右，污泥負(fù)荷最大為1.6 kgCODCr/(KgVSS·d)。從有機(jī)負(fù)荷快速提升到穩(wěn)定運(yùn)行一共維持約4個(gè)月。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)進(jìn)程中工作人員通過停滯進(jìn)水、增加循環(huán)、藥劑補(bǔ)充等方式及時(shí)對反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)整，在幾次系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題前，都很快使反應(yīng)器恢復(fù)正常，保障了整個(gè)試驗(yàn)過程較為穩(wěn)定安全。COD去除效率隨有機(jī)負(fù)荷提升至設(shè)計(jì)要求時(shí)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)保持在80%以上。同時(shí)總磷在厭氧反應(yīng)器中通過復(fù)雜的物化、生化反應(yīng)得以從溶液中有效去除。圖2為試驗(yàn)周期內(nèi)有機(jī)污染物去除情況。

圖2 試驗(yàn)有機(jī)污染物去除情況

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，本研究對酒糟廢水厭氧產(chǎn)氣效率進(jìn)行了初步探究。研究人員主要利用實(shí)驗(yàn)室專用裝置，對酒糟廢水厭氧產(chǎn)甲烷活性進(jìn)行測試，其中針對過濾后的原水，利用史氏發(fā)酵管裝置進(jìn)行了最大比產(chǎn)甲烷速率和最大比COD去除率的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酒糟廢水在一定狀態(tài)下最大比產(chǎn)甲烷速率為260 mlCH4/g VSS·d。該數(shù)據(jù)相比實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)氣效率高很多，說明本項(xiàng)目這套裝置提升潛力很大，關(guān)鍵在于裝置放大后污泥活性、水力條件、水質(zhì)特性等控制難度增大，不利于產(chǎn)氣的外部因素作用不斷被放大和疊加。由于存在布水性能、內(nèi)部水力條件等客觀因素，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部污泥顆?；潭炔⒉桓?，大量絮狀污泥沉降性明顯低于顆粒厭氧污泥。因此進(jìn)一步提高水量時(shí)，在上流速度增加和沼氣汽提雙重作用下，持續(xù)有不可忽視的絮狀分散污泥帶出，且反應(yīng)器COD去除效率難以達(dá)到80%的標(biāo)準(zhǔn)線，甚至在后期出現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境惡化，系統(tǒng)失穩(wěn)的嚴(yán)重問題。因此關(guān)于厭氧污泥處理酒糟廢液的顆?；Z化還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究表明，采用厭氧生化工藝處理客家米酒酒糟超高濃度有機(jī)廢液是可行的。后續(xù)結(jié)合活性污泥工藝和生態(tài)工藝，發(fā)揮地方生態(tài)環(huán)境承載能力，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)無害化治理目標(biāo)。其處理成本相比其它工藝具有明顯優(yōu)勢，且客家米酒酒廠多分散于村鎮(zhèn)，工藝復(fù)雜、運(yùn)行成本高、管理維護(hù)難度大的處理系統(tǒng)無疑會成為當(dāng)?shù)丨h(huán)保治理的負(fù)擔(dān)，廢物產(chǎn)氣資源化利用途徑更符合現(xiàn)實(shí)需求，也更易實(shí)現(xiàn)長效保障。試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)較多不足和有待深度研究之處，如選用的USR在布水性能和內(nèi)部水力條件方面性能不足，尤其是在試驗(yàn)項(xiàng)目每日進(jìn)水量有限的情況下，污泥顆粒化程度不足，污泥沉降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也制約反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷的承載能力，導(dǎo)致水力停留時(shí)間相對較長，單位水量處理容積較大。在工藝路線方面，對米酒酒糟廢液的預(yù)處理是另一個(gè)應(yīng)更加重視的環(huán)節(jié)。本試驗(yàn)?zāi)壳爸辉诠桃哼^濾分離和水解酸化部分進(jìn)行了較為粗淺的應(yīng)用，無疑對整體系統(tǒng)綜合性能的發(fā)揮有所阻礙?？图颐拙凭圃銖U水不光含有大量可截留的固態(tài)酒糟，還含有大量易碎、沉降性差、穩(wěn)定分散的微粒，其對水質(zhì)影響顯著。成熟的預(yù)處理工藝是厭氧生化工藝性能發(fā)揮的重要保障和前提條件，因此在后續(xù)的深度探索中，相關(guān)人員將在酒糟廢水預(yù)處理工藝選用搭配及技術(shù)操作參數(shù)的控制方面進(jìn)行更多工作。