摘要:介紹了厭氧處理工藝在處理啤酒廢水中的應(yīng)用,著重分析了ABR、HABR、ASBR、UASB 等反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)等對(duì)啤酒廢水厭氧處理工藝的影響,總結(jié)了目前啤酒廢水處理中的研究成果,指明了厭氧作用在啤酒廢水處理中的可靠性及適用性,指出了單純厭氧作用的局限性,實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放須與好氧作用配合,探討了厭氧技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。
關(guān)鍵詞:厭氧技術(shù);啤酒廢水;ABR;ASBR;UASB
啤酒廢水系其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水,水質(zhì)變化較大,污染物富含糖類、氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、磷酸鹽等無(wú)機(jī)物,屬較高濃度有機(jī)廢水,可生化性好,其BOD5/COD > 0.3。啤酒廢水雖無(wú)毒,但直接排放至水體易導(dǎo)致水體的重度污染;有專家建議現(xiàn)行的啤酒廢水COD 排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)由100 mg·L-1 降至50 mg·L-1。因此,開發(fā)高效啤酒廢水處理技術(shù)迫在眉睫。
厭氧處理技術(shù)具有容積負(fù)荷高、污泥量少、運(yùn)行效果穩(wěn)定,能耗低、可回收能源等特點(diǎn);且運(yùn)行管理費(fèi)用相對(duì)較低,特別適合處理高濃度有機(jī)廢水,故在啤酒廢水的處理中得到了廣泛的應(yīng)用。由于啤酒廢水中COD 含量較高,若單純采用好氧法處理技術(shù),不僅占地面積大、運(yùn)行費(fèi)用高,而且處理效果的穩(wěn)定性差,故一般采用厭氧技術(shù)作為預(yù)處理,后接好氧工藝的聯(lián)合處理工藝。隨著新型厭氧技術(shù)的開發(fā),啤酒廢水的厭氧處理效率將會(huì)得到進(jìn)一步提升[1]。
1 厭氧技術(shù)基本原理
厭氧生物處理是指在無(wú)分子氧條件下,通過(guò)厭氧微生物(包括兼氧微生物)的作用,將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過(guò)程,也稱厭氧消化。最早是由Bryant 提出三階段理論:第一階段為水解與發(fā)酵,第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷,第三階段產(chǎn)甲烷。認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌不能直接利用長(zhǎng)鏈脂肪酸和醇類等有機(jī)酸,這些有機(jī)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下轉(zhuǎn)化為乙酸、H2、CO2等后,才能被產(chǎn)甲烷菌利用[2]。
由于厭氧生物處理過(guò)程不需要另外提供電子受體,故運(yùn)行費(fèi)用低;但其反應(yīng)速率較慢,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),因而,處理構(gòu)筑物容積要大。新型厭氧反應(yīng)器主要是通過(guò)提高反應(yīng)速率和縮小反應(yīng)器容積來(lái)提高處理效率的,從增加微生物菌群與反應(yīng)的接觸幾率和培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群入手,通過(guò)對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn),增加容積效率,縮小反應(yīng)器;結(jié)合微氧技術(shù)和好氧工藝,減小處理過(guò)程中廢氣排氣[2]。在工程應(yīng)用中,一般采用厭氧- 好氧組合技術(shù)。
2 新型厭氧處理反應(yīng)器研究開發(fā)
2.1 ABR 厭氧反應(yīng)器
2.1.1新型ABR 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABR 厭氧反應(yīng)器是由Mc Carty 等人提出的、源于階段式多相厭氧消化(SMPA)理論的厭氧反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置一系列垂直放置的折流擋板,污水在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)呈上下折流運(yùn)動(dòng),使有機(jī)物物質(zhì)與厭氧活性污泥充分接觸而被降解除去[3-5]。雖然ABR 一度認(rèn)為是SMPA 完美的杰作,引起學(xué)者們的廣泛注意,但因其結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單,使其應(yīng)用存在一定的局限性。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者正對(duì)ABR 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,使其性能得到更好的發(fā)揮[6-10]。耿亞鴿等[11]在現(xiàn)有的ABR 研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)其結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、部件尺寸、操作條件等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)探討。候晨雯等[12] 設(shè)計(jì)一種新型的雙層結(jié)構(gòu)的ABR 反應(yīng)器,實(shí)驗(yàn)表明該反應(yīng)器的水力特性與傳統(tǒng)的ABR 的水力特性相一致,總體推流程度也得到了增強(qiáng),并且這種結(jié)構(gòu)能有效減少反應(yīng)器的死區(qū)比率,降低返混程度。不足的是,應(yīng)盡量將HRT 控制在8~10 h 范圍內(nèi),不然受沖擊負(fù)荷和死區(qū)百分率都會(huì)受到影響。孫立柱等[13] 研究表明,ABR 反應(yīng)器整體呈推流狀態(tài),HRT 和進(jìn)水負(fù)荷是影響ABR 反應(yīng)器水力特性的主要因素。張壽通等[14]利用斜式折流板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的垂直的折流板來(lái)研究ABR 反應(yīng)器的研究表明,該裝置能有效防止污泥流失,且具有耐沖擊負(fù)荷強(qiáng),處理效果良好等優(yōu)點(diǎn)。
可見,ABR 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),相對(duì)而言,基礎(chǔ)理論研究落后于實(shí)踐。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模擬方法研究ABR 的水力學(xué)特性,以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和確定操作條件,結(jié)合活性污泥和微生物生長(zhǎng)的相關(guān)機(jī)理,建立數(shù)學(xué)模型,提高工程設(shè)計(jì)的可靠性,應(yīng)該作為ABR 反應(yīng)器研究的重要方面。
2.1.2改型ABR 反應(yīng)器接種好氧污泥
厭氧反應(yīng)器能否成功啟動(dòng)是決定該反應(yīng)器運(yùn)行成敗的先決條件。因厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),影響因素復(fù)雜,一般認(rèn)為,啟動(dòng)最佳種泥是處理同類廢水的厭氧顆粒污泥[15]。有研究者[16]研究了采用好氧活性污泥經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的馴化后來(lái)啟動(dòng)厭氧反應(yīng)器。結(jié)果表明,處理后的出水水質(zhì)優(yōu)于厭氧污泥的啟動(dòng)的效果。
范榮桂等[17]研究了利用改型后的ABR 反應(yīng)器處理屠宰廢水。該反應(yīng)器折流板為傾斜式,傾角為45°,種泥取某廠SBR 池的好氧污泥。培養(yǎng)馴化后,投加污泥體積約為反應(yīng)器有效容積的1/3。研究表明,反應(yīng)器在室溫低負(fù)荷下運(yùn)行約兩月能完成啟動(dòng),COD 去除率達(dá)82%,且穩(wěn)定運(yùn)行;不足之處在于啟動(dòng)時(shí)間還是太長(zhǎng)。
2.1.3 ABR 反應(yīng)器處理啤酒廢水研究實(shí)例
利用ABR 處理啤酒廢水大多處于實(shí)驗(yàn)研究階段,在操作參數(shù)及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上作了相應(yīng)的優(yōu)化;王哲曉等[18]采用有4 隔室的ABR 小試裝置結(jié)構(gòu)處理某啤酒廠廢水,裝置有效容積24 L,折流板底部轉(zhuǎn)角為40°,接種污泥取自該啤酒污水處理廠消化池厭氧污泥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ABR 對(duì)中、低濃度工業(yè)廢水的COD 具有良好的去除效率。即使在負(fù)荷提升階段,HRT 縮短一半,進(jìn)水濃度翻倍的情況下,出水COD 去除率也保持在86%左右;但對(duì)pH 調(diào)整和防止VFA 的積累,也是保證其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。
黃繼國(guó)等[19]對(duì)填料式ABR 處理啤酒廢水進(jìn)行了研究,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行性能試驗(yàn),系統(tǒng)的二次啟動(dòng)性能及與普通ABR 的對(duì)比試驗(yàn)表明,水力停留時(shí)間可縮短,COD 去除率相應(yīng)提高;添加填料的ABR 系統(tǒng)性能明顯提高;系統(tǒng)二次啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的耗時(shí)更短,有彈性的立體填料具有更高的穩(wěn)定性。
2.1.4 HABR 厭氧反應(yīng)器
復(fù)合式折流板厭氧反應(yīng)器(HABR)是對(duì)ABR 反應(yīng)器的改進(jìn),如添加填料,優(yōu)勢(shì)在于能利用原有的無(wú)效空間增加生物總量,提高污染物的去除效率,提高運(yùn)行穩(wěn)定性[20]。
張振庭等[21]采用HABR 反應(yīng)器處理啤酒廢水,對(duì)厭氧污泥的接種馴化、反應(yīng)系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行、在不同影響因素下的運(yùn)行研究以及和普通ABR 的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該HABR 實(shí)驗(yàn)裝置為4 隔室,容積31.5 L,有效容積25 L,高350 mm,第一隔室不加填料,后三室內(nèi)置軟性填料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,處理啤酒廢水最佳水力停留時(shí)間為18~24 h,在溫度為25℃的條件下,COD 去除率最高達(dá)到75%。當(dāng)HRT>18 h 時(shí),50 以上的COD 在第一隔室被去除;當(dāng)HRT<12 h,后面各隔室才能有明顯的作用;不同HTR 下,第四隔室的COD 相對(duì)去除率都較低,處理啤酒廢水,不宜超過(guò)4 隔室。環(huán)境溫度對(duì)HABR 反應(yīng)器的處理效果也有一定的影響,在10 ℃左右時(shí),處理效果明顯變差。跟普通的ABR 反應(yīng)器相比,HABR 反應(yīng)器無(wú)論在啟動(dòng)過(guò)程和穩(wěn)定運(yùn)行階段,都表現(xiàn)出比ABR 更好的效果。
李慧婷[22]等采用一種5 隔室HABR 處理模擬啤酒廢水,采用厭氧污泥接種,對(duì)其相分離特性進(jìn)行的研究表明,反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物是逐步降解的,各種微生物菌群能很好的協(xié)同工作,COD 去除效果明顯。在快速啟動(dòng)過(guò)程中,HABR 表現(xiàn)出明顯的生物相選擇和分離現(xiàn)象。
2.2 ASBR 厭氧反應(yīng)器
厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)采用序批式進(jìn)水,這與啤酒廢水間歇排放的特點(diǎn)相吻合。此外,ASBR反應(yīng)器具有操作靈活、能夠生產(chǎn)顆粒污泥和克服厭氧污泥流失,且工藝具有較高的去除效率和穩(wěn)定性,在常溫下處理高中低濃度廢水等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越引起人們的重視[23]。
吳速英等[23]在20~30 ℃條件下,研究了采用恒水位操作厭氧生物膜序批式反應(yīng)器(ABSBR)處理啤酒廢水的啟動(dòng)試驗(yàn)。研究表明,采用混合菌種接種36 m3/h 速度進(jìn)泥水等措施進(jìn)行廢水處理,經(jīng)25 d的培養(yǎng)馴化,COD 容積負(fù)荷可達(dá)2.84 kg/(m3·d),去除率達(dá)到95%。
郭永福等[24]則以中等濃度啤酒廢水為水源,在低溫下研究了ASBR 反應(yīng)器的快速啟動(dòng)過(guò)程。試驗(yàn)裝置采用內(nèi)徑400 mm、高度2.0 m、有效容積為235 L的ASBR反應(yīng)器。采用某污水廠的絮狀消化污泥接種,溫度在14~20℃。研究表明,采用ASBR 反應(yīng)器在低溫下處理啤酒廢水快速啟動(dòng)是可行的,COD 去除率也高達(dá)96%;相比UASB 處理啤酒廢水,ASBR反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間明顯要快些;出水VFA 濃度低,間歇式攪拌方式比連續(xù)攪拌效果好,污泥粒徑大。
岳秀萍等[25]采用已形成顆粒污泥的ASBR 反應(yīng)器處理啤酒廢水,采用正交試驗(yàn)研究了進(jìn)水COD、運(yùn)行周期、進(jìn)水COD/ 堿度和攪拌頻率4 個(gè)參數(shù)對(duì)COD 去除的影響。實(shí)驗(yàn)表明,各因素對(duì)去除COD 的影響程度排序?yàn)檫M(jìn)水COD> 進(jìn)水COD/ 堿度> 運(yùn)行周期> 攪拌頻率,且ASBR 反應(yīng)器對(duì)COD 的去除率均在95%以上,出水COD 均在80 mg/L 以下。
藤朝華等[26]采用恒壓浮動(dòng)蓋式ASBR 處理啤酒廢水的研究表明,在COD 容積負(fù)荷為1.5~7 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下,COD 去除率高于80%,平均沼氣產(chǎn)率為410 L/kg;Shao 等[27]也進(jìn)行了類比實(shí)驗(yàn),研究表明,COD 容積負(fù)荷在1.5~5 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下,COD 去除率可達(dá)到90%;裝置大約運(yùn)行60 d 后,出現(xiàn)了顆粒污泥??梢灶A(yù)見[28],ASBR 反應(yīng)器在處理啤酒廢水中具有廣泛的應(yīng)用前景。
2.3 UASB 厭氧反應(yīng)器
升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器是20 世紀(jì)70 年代由Lettinga 開發(fā)的。因反應(yīng)器具有污泥濃度高、有機(jī)負(fù)荷高、適應(yīng)性強(qiáng),且具有厭氧過(guò)濾及厭氧活性污泥法的雙重作用,能回收能源等優(yōu)點(diǎn),正日益受到污水處理業(yè)界的重視[29-32]。
段雪梅等[33]研究了UASB 反應(yīng)器在不同溫度、水力停留時(shí)間、取樣口位置和進(jìn)水濃度條件下運(yùn)行時(shí)對(duì)啤酒廢水COD 處理效果。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于中高濃度的啤酒廢水,反應(yīng)器具有動(dòng)力消耗低、COD 去除率高等優(yōu)點(diǎn);對(duì)高濃度的有機(jī)廢水,UASB 適應(yīng)性更強(qiáng)。張傳兵等[34]采用UASB 反應(yīng)器以城市污水處理廠的厭氧消化污泥接種處理啤酒廢水的初次啟動(dòng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,啟動(dòng)時(shí)間歷時(shí)約50 d,后期運(yùn)行穩(wěn)定;當(dāng)反應(yīng)器出現(xiàn)酸化時(shí),應(yīng)迅速降低反應(yīng)器負(fù)荷,增投厭氧污泥,快速降低VFA,使反應(yīng)器得到快速恢復(fù)。
韓洪軍等[35]以處理啤酒廢水為水源,在UASB反應(yīng)器流態(tài)分布模型的基礎(chǔ)上,假設(shè)UASB 下部為完全混合的厭氧污泥床系統(tǒng),中部為完全混合的污泥懸浮層系統(tǒng)和上部為推流式三相分離區(qū)系統(tǒng),運(yùn)行中的COD 降解規(guī)律符合Monod 方程,推導(dǎo)出UASB 反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)方程式。彭營(yíng)環(huán)等[36]根據(jù)國(guó)內(nèi)啤酒廢水的水質(zhì)特點(diǎn),運(yùn)用UASB 法將河南某啤酒廢水COD 降低到500 mg/L 以下。
高雅玉等[37]采用厭氧UASB 反應(yīng)器和好氧SBR反應(yīng)池組合工藝,處理中高濃度的蘭州某啤酒廢水。實(shí)驗(yàn)表明,這種組合工藝的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,不僅工作效率高,構(gòu)筑物間可實(shí)現(xiàn)重力自流,且能能耗較低。但其操作復(fù)雜,參數(shù)控制嚴(yán)格。賈巖等[38]的實(shí)驗(yàn)表明,UASB 調(diào)試和二次啟動(dòng)中要注意負(fù)荷提高的速度,否則易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象,必要時(shí)加堿調(diào)節(jié)pH。
2.4 其他厭氧技術(shù)
薛苗[39]在(35±1)℃溫度條件下,研究了內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器( IC 反應(yīng)器)處理啤酒廢水的啟動(dòng)特性。結(jié)果表明,IC 反應(yīng)器經(jīng)過(guò)56 d 啟動(dòng)成功,其容積負(fù)荷達(dá)到18.3 kg/(m3·d),水力停留時(shí)間為3.2 h,COD 去除率能穩(wěn)定在80%以上;隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,反應(yīng)器內(nèi)形成了大量的沉降性能良好的顆粒污泥,粒徑> 0.5 mm 的污泥約占87%。
敖凱等[40]采用水解酸化- 外循環(huán)( EC )厭氧- 接觸氧化工藝處理內(nèi)蒙古自治區(qū)某啤酒廠廢水。經(jīng)過(guò)4 個(gè)月的調(diào)試達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,出水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB19821-2005)。COD、BOD5、NH3-N、TN 和TOC 的去除率分別達(dá)97.5%、98.5%、85%、75%和98.5%。實(shí)際運(yùn)行還表明,EC 厭氧反應(yīng)器應(yīng)用于啤酒廢水處理是切實(shí)可行的。
田立江等[41]采用改進(jìn)型CASS 工藝對(duì)啤酒廢水處理的特性和最佳性能運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)型CASS 工藝處理啤酒廢水,COD 去除率達(dá)到98%,MLSS 為3 000 mg/L 時(shí),排水比λ=1/2,出水COD 為20~30 mg/L;λ=1/2,周期為1 h的極限容量處理工況下COD 去除率達(dá)到96%;短時(shí)曝氣時(shí)間為2 h,出口COD 為39.98 mg/L,COD 去除率為95.84%。改進(jìn)型CASS 工藝的處理效果、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)非常明顯。
方春玉等[42]用自制的厭氧流化床反應(yīng)器對(duì)活性污泥的培養(yǎng)與馴化條件進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明,采用一次培養(yǎng)法接種,接種量為30%的活性污泥和100 mL 活性炭,將溫度控制在(37±2)℃,進(jìn)水的pH 控制在7.3~8.0,進(jìn)水流速控制在使活性炭處于流化狀態(tài),不需額外添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),可在25~30 d 左右成功地完成馴化。在此控制條件下培養(yǎng)出的活性污泥,對(duì)廢水COD 的去除率可達(dá)到85%左右,對(duì)減輕生物反應(yīng)器后續(xù)處理單元的負(fù)荷具有重要意義。
3 厭氧技術(shù)研究動(dòng)向
(1) 厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)與馴化。顆粒態(tài)污泥因其具有極好的沉降性能和去污能力而備受人們的青睞,但污泥的顆粒化形成較難,條件控制嚴(yán)格。厭氧反應(yīng)中引入顆粒態(tài)污染;對(duì)提升反應(yīng)速率和反應(yīng)器的容積效率,以及污染成份的去除十分重要,對(duì)于高效厭氧反應(yīng)器工程應(yīng)用意義重大。
(2) 關(guān)鍵設(shè)備的改進(jìn)和研制。厭氧反應(yīng)器是厭氧條件下的無(wú)動(dòng)力反應(yīng)裝置,反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對(duì)于反應(yīng)的效果影響很大,設(shè)計(jì)的反應(yīng)器應(yīng)更加適用水力學(xué)特性、適合微生物的生長(zhǎng)、適合生物反應(yīng)的需要。
(3) 污泥結(jié)構(gòu)和菌種的動(dòng)力學(xué)形成機(jī)理。學(xué)者對(duì)此研究的不多,很多活性污泥形成和菌種產(chǎn)生機(jī)理不是很透切,弄清這些機(jī)理,不僅可以更好的發(fā)揮其特性,而且可以借助計(jì)算機(jī)輔助模擬,更好的指導(dǎo)實(shí)際工作。
(4) 新型填料的引用。填料不僅能給微生物提供很好的生長(zhǎng)環(huán)境,而且可以阻止部分污泥的流失,提高污泥濃度,延長(zhǎng)污泥停留時(shí)間,對(duì)反應(yīng)器效率的提高有著非常重要的意義。然而,在這一領(lǐng)域,應(yīng)用新填料去研究反應(yīng)器的處理效率并不多見。
4 結(jié)語(yǔ)
厭氧技術(shù)特別是新型厭氧反應(yīng)器的構(gòu)建應(yīng)用于啤酒廢水的處理具有高效、低耗的特點(diǎn),通過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù),縮短停留時(shí)間,提高反應(yīng)負(fù)荷,完全可以推廣應(yīng)用。依靠單一厭氧處理難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,厭氧與好氧的協(xié)同作用是十分必要的。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)決定著水力特性及微生物的生境,通過(guò)對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和完善,使之更加有利厭氧作用的發(fā)揮,提高容積效率,改善出水水質(zhì)。
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作者簡(jiǎn)介:范榮桂(1962-),男,副教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事水資源與水污染控制研究。
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