UASB–氧化塘工藝處理馬鈴薯淀粉加工廢水的實驗研究
摘要：采用模擬試驗方法研究了UASB—曝氣氧化塘組合工藝處理高濃度馬鈴薯淀粉有機廢水的技術可行性。實驗結果表明，UASB—曝氣氧化塘組合工藝對廢水中有機物的去除效果良好，COD去除率可達到95%左右，BOD5去除率為98%，其他指標也均達到國家污水綜合排放二級標準(GB8978—1996)。
關鍵詞：馬鈴薯淀粉廢水,UASB反應器,曝氣氧化塘,COD去除率
1 引言
我國是世界馬鈴薯主產國之一，常年種植面積約409萬hm2，產量約5500萬t，居世界首位。以前馬鈴薯的加工利用相當落后，鮮食量高達90%以上，僅有一小部分用于加工馬鈴薯干、馬鈴薯片、粉絲和粉皮等[1]。近年來，隨著淀粉市場需求的增加，我國的馬鈴薯深加工業發展很快，馬鈴薯淀粉、馬鈴薯全粉、馬鈴薯食品等生產企業的數量不斷增加。雖然馬鈴薯深加工技術能增加成品的附加值，取得更大的經濟效益，但是馬鈴薯加工廢水中的有機物濃度高，直接排放會造成嚴重污染，目前薯類加工廢水處理技術研究正日益受到國內外的關注[2]。
本研究針對馬鈴薯淀粉生產的季節性和變動性特點，采用上流式厭氧污泥床–曝氣氧化塘工藝對馬鈴薯淀粉廢水進行了處理工藝的模擬試驗，以期為實際工程設計提供參考。
2 材料與方法
2.1 試驗裝置
試驗所用UASB反應器為一有機玻璃圓柱，內徑150mm，高2000mm，總容積約為35.0L。反應器下部為污泥馴化形成的顆粒污泥膨脹床，中上部為三相分離器，沿反應器外側不同高度設有取樣口，底部進水、排泥，頂端加蓋，設有集氣裝置。
模擬曝氣氧化塘為一水池，池深600mm，內徑500mm。充氧器為一小型曝氣機，可提供恒定的氧氣量。
2.2 接種污泥
試驗接種污泥取至某橡膠廠兼性氧化塘溢流渠中的污泥，該污泥表面呈絮凝狀，顏色為黑色，在UASB反應器中填充污泥量為6.0L。
2.3 工藝流程
基于馬鈴薯淀粉廢水易于生化的特性，通過對多種處理工藝的比較分析，本試驗采用UASB—曝氣氧化塘為核心的處理工藝，該工藝具有處理效率高，投資運行費用低、管理簡單等特點。在運行過程中，馬鈴薯淀粉廢水從UASB反應器底部進入污泥床，經厭氧處理后，再通入曝氣氧化塘處理，氧化塘處理后出水達標直接排放或經過消毒后循環利用。
3 結果與討論
3.1 UASB反應器污泥顆粒化與實驗運行效果
UASB反應器能否穩定、高效地運行，關鍵是看能否培養出具有優良沉降性能和產甲烷菌活性高的顆粒污泥。在UASB柱狀反應器內可維持很高的顆粒污泥生物量，因此保證了UASB反應器可在高負荷下穩定運行[2]。
試驗UASB反應器利用橡膠廠兼性塘溢流堰中的污泥接種，反應器在中溫（30～36℃）條件下分階段培養馴化，通過連續運行35d后，顆粒污泥形成，系統達到穩定的處理效果。污泥顆粒化過程一般可分為三個階段：⑴污泥呈現絮凝狀，此階段為微生物適應周圍環境的過程；⑵開始出現顆粒化污泥，但是直徑較小(0.1～0.3mm)；⑶顆粒污泥不斷增大，絮狀污泥逐漸減少，此時，顆粒污泥直徑在2.0～5.0 mm之間。顆粒污泥密度比絮體污泥大，具有良好的沉降性能，具有很高的生物活性，并因廢水生化處理階段的不同而呈現黑色和灰色。試驗UASB反應器處理模擬廢水的效果見表1。
表1 UASB反應器穩定運行結果
項目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) NH3—N T-P 濁度
進水 7.00 4016 2677 8.20 3.49 94.67
出水 7.30 864 398 17.3 0.7 38.75
去除率(%) — 78.5 85.1 — 79.9 55.92
3.2 UASB反應器運行的影響因素
3.2.1 水力停留時間(HRT)
在不同水力停留時間(HRT)下UASB反應器對廢水中各項指標的處理試驗結果見圖1。
從圖1的曲線可知，隨著HRT值的升高，馬鈴薯淀粉廢水中COD的去除率也升高。但是，當水力停留時間超過2d時，廢水中COD去除率的增加非常緩慢，僅僅只增加了三個百分點。T-P的去除率變化不大，說明UASB反應器中的生化過程是以生物分解為主。因此在處理高、中濃度有機廢水時，可采用厭氧—好氧串聯工藝，即用UASB反應器去除廢水中大部分含碳有機物作為預處理，而用好氧處理設備去出殘余的含碳有機物和氮、磷等物質。
3.2.2 酸堿平衡
pH值是影響厭氧消化微生物生命活動過程的最重要因素之一。許多研究表明，厭氧消化需要一個相對穩定的pH值，一般來說，對于以產甲烷為主要目的的厭氧過程要求pH值在6.5～7.5之間。如果生長環境的pH值過高或者過低，產甲烷菌的生長和繁殖就會受到抑制，進而對整個厭氧消化過程產生嚴重的不利影響[3]。本試驗研究的馬鈴薯淀粉原廢水的pH值呈酸性，在進入反應器之前廢水首先要進行水解酸化預處理，系統在處理過程中，pH值發生一系列的變化，其變化的規律見圖2。
從圖2可知，第一天到第七天，反應器中廢水的pH值不斷升高并趨于中性。這是由于廢水中含有的蛋白質或氨基酸的分解過程中形成了較多的銨離子的緣故。因此可以利用厭氧消化過程使反應器具有一定的酸堿緩沖能力，而不必另外投加酸和堿物質來調節反應器內的pH值條件，從而簡化廢水處理工藝。
3.2.3 溫度
對于厭氧微生物來說，溫度突變會對生物活性產生顯著的影響，降溫幅度越大，低溫持續時間越長，產氣量的下降就越嚴重。在溫度恒定條件下，不同的運行溫度，UASB反應器的處理效率也不一樣，通過多年的研究資料表明，厭氧消化中存在兩個最適溫度范圍，即中溫32～35℃和高溫50～55℃。本試驗廢水的溫度范圍為30～35℃，恰好處于中溫消化的最適溫度范圍，因此不需要進行溫度調節。
3.3 曝氣氧化塘的實驗運行效果
UASB反應器的出水進入模擬曝氣氧化塘中，經過曝氣氧化塘處理后廢水中的主要污染物的去除結果見表2。
表2 曝氣氧化塘穩定運行結果
項目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) T-P 濁度 DO
進水 7.65 1098 429 0.32 29.36 0.47
出水 8.64 133 27 0.20 13.41 4.23
去除率(%) 87.9 93.7 37.5 54.3 —
二級標準 6～9 150 30 1.0 — —
從表2及試驗結果可知，在曝氣氧化塘中停留7d后，氧化塘出水各項指標均達到了國家污水綜合排放二級標準（GB8978-1996）。
3.4 曝氣氧化塘運行的影響因素
3.4.1 溶解氧(DO)
在曝氣氧化塘處理系統中，控制系統的溶解氧是一個非常關鍵的部分，溶解氧不足不僅降低了系統的處理效率，而且還容易使廢水水質惡化，發生有機物腐化現象，使廢水達不到標準要求。本試驗供氧設備為一小型充氧機，氧氣供應量恒定，以下圖3是曝氣氧化塘在供氧恒定條件下廢水溶解氧變化曲線。
從圖3可知，氧化塘中廢水的溶解氧隨著時間的推移，DO值不斷的升高。這是由于剛進入氧化塘的廢水有機物含量高，好氧微生物在分解有機物時，需要消耗大量的氧氣，因此，系統在運行前期廢水中的溶解氧量很低。在運行4d以后，廢水中有機物大部分已經被好氧微生物降解，此時廢水中的溶解氧含量升高。
3.4.2 pH值
氧化塘內有機污染物降解過程，是溶解性有機物轉換為無機物和固態有機物—細菌與藻類細胞的過程[4]。在細菌的降解作用和藻類的光合作用的過程中，需要利用H+作為電子受體，如，光合作用轉化成1mol藻類需要18mol的H+作為電子受體。因此塘水在運行過程中，pH值呈不斷變化。本試驗在操作過程中，均是在下午16﹕00測定pH值。試驗中塘水的pH值變化情況如圖4。
從圖4可看出，塘水在運行過程中，pH值在不斷的上升。這是由于在藻類光合作用時，消耗了大量的H+和CO2，因此廢水才不斷上升。
4 結論
4.1 UASB–曝氣氧化塘組合工藝對高濃度馬鈴薯淀粉廢水具有很好的處理效果，當廢水進水COD濃度為4016mg/L時，出水COD濃度可達133mg/L，去除率為96.7%，主要污染指標也均達到國家污水綜合排放二級標準（GB8978-1996）。
4.2 選擇UASB反應器作為厭氧生物處理裝置，其具有占地面積小、處理能力大、處理效率高、操作簡單，并可產生沼氣等優點。
根據馬鈴薯淀粉生產廠的具體情況，選擇曝氣氧化塘作為好氧處理單元，其具有處理成本低，運行管理方便等優點，是一種適合目前馬鈴薯淀粉生產具體情況的處理工藝。
參考文獻
[1] 陳芳，趙景文，胡小松.我國馬鈴薯加工業的現狀、問題及發展對策[J].中國農業科技導報.2002，4(2)：66—67.
[2] 榮宏偉，催崇威，鄒茂榮.厭氧—好氧處理馬鈴薯加工廢水實驗研究[J].2001，17(1)：40—41.
[3] 馬溪平 等編.厭氧微生物學與污水處理[M].北京：化學工業出版社，2005.7.46—47.
[4] 高延耀，顧國維 主編.水污染控制工程[M].第二版(下冊).北京：高等教育出版社，1999.81—82.
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