氣浮-改良活性污泥法處理豆制品加工生產廢水
1工程概況
我國是豆制品的消費大國，每年用于豆制品生產的大豆就需600萬t左右。豆制品生產過程排放大量的廢水，按原料計算排污系數約為20m3廢水/t大豆，每年廢水排放量達1．2億m3。豆制品廢水是一類典型的易生物降解的高濃度有機廢水，主要來源包括：浸泡大豆的廢水（泡豆水）、壓榨豆腐產生的黃漿水以及生產車間的設備和地面沖洗廢水等。泡豆水和黃漿水濃度較高，COD可高達15000～25000mg/L，水量占總廢水量的25％～35％；清洗水和其他廢水濃度低，COD約為400mg/L。豆制品廢水中主要含有大分子蛋白、小分子寡糖、有機酸、色素類物質和鹽類等污染物，BOD5/COD一般為0．6～0．7，極易生物降解。
豆制品廢水的處理方法可以分為兩類。一類是厭氧—好氧聯合處理工藝，包括UASB－SBR、UASB－A/O、UASB－MBR、UASB－接觸氧化、MIC－A2/O等形式，這類工藝處理效果較好、應用范圍廣且可以回收沼氣。但厭氧處理水力停留時間長、基建投資高、對運行管理要求高、啟動及馴化時間長；高濃度懸浮物進入厭氧系統易產生浮渣層，降低設施容積利用率；廢水易酸化，且水質水量波動性大，使厭氧系統需要投加大量的堿來保證適合的反應條件，同時厭氧單元運行的可靠性和穩定性也受到限制。另一類是多級好氧處理工藝，包括多級接觸氧化法、兩級SBR工藝、AB法等，這類工藝運行管理簡便、處理效果能得到保證，在中小型豆制品廠有應用；但多級系統的實施中也增加了基建費用、污泥產量有所增加、能耗略高。
北京市某豆制品公司以生產豆腐、豆漿為主，日排放廢水量為1000～2400m3，主要污染物濃度和設計進水水質指標及排放標準見表1，出水要求達到北京市《水污染物排放標準》（DB11/307—2005）中的二級標準。根據水質特點以及簡化運行管理的要求，本項目采用帶生物選擇器的改良活性污泥法為主體處理工藝，同時通過水力篩聯合氣浮的強化預處理手段保證工藝運行的穩定性。
2工藝流程及主要設計參數
豆制品生產廢水排放不均勻，水質水量波動性很大；廢水所含懸浮物、細顆粒物濃度高，易酸敗變臭，pH較低，對預處理單元、管道設備易產生不利影響。為此本工程采用以下措施來強化預處理：粗格柵和水力篩對廢水中較大的固形物以及豆渣等顆粒物有效去除；調節池預曝氣防止廢水過度酸化和沉渣上浮；混凝氣浮去除大部分的懸浮物和細顆粒物。針對混合廢水平均COD不高（2000～3000mg/L），大部分污染物可通過強化預處理去除的特點，本工程采用改良的活性污泥法作為主體工藝，通過生物選擇器的設置以及營養鹽的合理調配，實現廢水連續穩定達標處理，既避免了厭氧處理較復雜的運行管理要求、啟動馴化時間長、較大的堿消耗量以及運行不穩定易受沖擊等問題，又克服了豆制品廢水好氧處理過程易產生的絲狀菌污泥膨脹的缺點。本工程在生化處理系統后還設置了后氣浮單元作為備用設施，在預處理或生化系統運行不正常時開啟，保證最終出水達標排放。工藝流程見圖1。
（1）絮凝反應池。鋼混結構，1座，有效容積33m3，HRT＝20min。采用聚氯化鋁和陰離子聚丙烯酰胺混凝劑，在調節池提升泵出水管中投加并在折流式配水槽中均勻混合。反應池攪拌機變頻控制。聚氯化鋁（PAC）加藥量為150mg/L；陰離子聚丙烯酰胺（PAM）按懸浮物量的0．2％投加。
（2）氣浮池1。鋼混結構，2座，采用部分出水回流的溶氣氣浮方式，接觸室上升流速為9mm/s，分離室表面水力負荷為2m3/（m2·h），總處理能力為120m3/h。
（3）曝氣池。2組，4廊道，鋼混結構，總有效容積2160m3。曝氣池前設置生物選擇池1座，有效容積43m3。混合液濃度MLSS＝4g/L，污泥負荷為0．21kgBOD5/（kgMLSS·d）。
（4）二沉池。鋼混結構的輻流式沉淀池2座，中心進水周邊出水方式運行，尺寸為11m×H4m，單池有效容積400m3，總有效容積800m3，表面負荷為0．5m3/（m2·h）。
（5）氣浮池2。采用組合式氣浮機2臺，碳鋼防腐，單臺處理能力為50m3/h。投加聚氯化鋁和陰離子聚丙烯酰胺兩種混凝劑。后氣浮單元作為整個廢水處理工藝最終的保障單元，在預處理混凝氣浮單元或生化系統運行不正常時，適時開啟，保證出水達標排放。
3調試及運行
3．1氣浮系統的調試運行
廢水在廠內管道和集水井中已經產生了明顯的酸敗發臭現象，為滿足混凝反應的需要，在調節池中投加適量的片堿，提高廢水pH到6．5～7．5。同時通過調節池中空氣攪拌進行預曝氣，防止廢水的進一步酸化，減少堿的投加量。實際運行中堿的投加量為30～35mg/L。混凝反應池中投加PAC150～250mg/L和PAM5～8mg/L，變頻控制絮凝攪拌機轉速為20～30r/min。氣浮系統進出水COD變化見圖2。調試期間進水COD平均為3444mg/L，氣浮出水COD平均為1562mg/L，COD去除率為50．03％。調試初期由于生產車間升級改造，造成廢水水質波動很大，氣浮系統出水水質亦隨之波動。為此，根據氣浮池出水的混濁程度和顏色以及進水COD適當調整混凝反應藥劑投加量，使氣浮出水水質較為穩定，調試后期氣浮出水COD基本維持在1200mg/L左右，也表明此部分COD主要為溶解態的有機物，難以被氣浮系統去除。
3．2改良活性污泥系統的調試運行
曝氣池中接種北京高碑店污水處理廠機械脫水后的泥餅（含水率80％）約30t，使曝氣池中的污泥濃度達到2～3g/L。將氣浮出水加滿曝氣池，首先采用悶曝的方式恢復污泥的活性。2d后，按設計水量的1/4連續進水，即600m3/d，二沉池的污泥回流比為100％。活性污泥的顏色逐漸由灰褐色變為淺棕色，鏡檢可見少量楯纖蟲和鐘蟲，污泥活性逐漸恢復，出水COD在100～150mg/L。隨后每隔8d提高一次進水量，每次提高設計進水量的1/4。第21d，曝氣池達到設計進水負荷，此后逐漸降低污泥回流比，增加剩余污泥的定時排放。同時啟用生物選擇器，將二沉池回流污泥與曝氣池進水均引入生物選擇器，采用穿孔管布水器進行水下混合，生物選擇器采用缺氧方式運行，缺氧條件下活性污泥中的絲狀菌活性得到抑制。由于本項目廢水中磷的含量不高，同時由于氣浮單元投加聚氯化鋁等混凝劑對廢水中的磷有一定的去除作用，使得曝氣池中的碳磷比不足以滿足微生物生長需要，調試期間向曝氣池中投加適量的磷酸鹽，運行一段時間后發現活性污泥的絮凝性仍不理想，二池沉出水中針狀懸浮污泥較多，曝氣池混合液的污泥指數在150左右，經過分析發現，廢水中的氮元素含量較低，曝氣池進水的碳氮比約為25∶1，究其原因是生產車間加強了對大豆蛋白的回收，使廢水中的總氮濃度下降所致。為保證活性污泥系統運行正常，將投加的磷酸鹽改為磷酸氫二銨，向廢水中補充氮磷元素。正常運行后，活性污泥的沉降性能明顯改善，從未出現絲狀菌污泥膨脹現象，出水COD平均為53．9mg/L（見圖3）。
本工程實際運行中設置了在線監測系統，對進出水水量水質進行實際監測，部分運行數據見圖4。最終出水水質可達到北京市《水污染物排放標準》（DB11/307—2005）中的二級標準。
4技術經濟分析
本項目占地面積4950m2，長110m，寬45m。
工程總投資為400萬元，勞動定員8人，裝機容量160kW，運行日均耗電3126kW·h。單位水量處理費用為1．8元/m3，其中電耗成本1．06元/m3，藥劑成本0．38元/m3，人工成本0．36元/m3。
5工程運行經驗
（1）調節池宜采用空氣攪拌預曝氣。豆制品廢水極易酸化，在管道、儲水池等處易產生沉降后的污泥成塊上浮，同時增加后續處理單元調節pH的堿消耗量。因此在調節池中宜采用空氣攪拌的方式，對廢水進行預曝氣，可采用的攪拌形式包括穿孔管攪拌、散流式曝氣系統攪拌以及水下攪拌機。預曝氣后的廢水在混凝氣浮單元的去除效果良好，氣浮出水的穩定性提高。
（2）強化氣浮預處理單元的處理效果。豆制品廢水預處理的常見工藝有隔油沉淀、混凝沉淀、混凝氣浮等。沉淀單元的水力停留時間一般為1～2h，但沉降的污泥在沉淀池內的停留時間較長，特別是在排泥頻率低的情況很容易產生酸化上浮現象，降低了沉淀過程的有效性。因此豆制品廢水這類易生物降解、懸浮物濃度很高的廢水宜采用混凝氣浮工藝進行預處理。廢水在氣浮池內停留時間短，溶氣釋放過程有一定的充氧效果，有利于后續生化處理。在工藝運行中，有必要根據氣浮出水的混濁度和顏色等表觀特征，結合進水濃度進行混凝劑投加量的適當調節，可保證廢水中大部分的懸浮物、膠體物在氣浮單元中去除，降低進入生化系統的有機負荷。
（3）對傳統活性污泥法進行改良，采用生物選擇器來抑制絲狀菌污泥膨脹。豆制品廢水進行好氧處理，易產生污泥膨脹問題，主要原因有兩方面：一是生產廢水水質波動性大，水量不均衡，容易使進入曝氣池中的有機負荷過高，局部產生缺氧，使易于獲得溶解氧的絲狀菌增殖；二是曝氣池進水中氮磷營養元素不平衡，使活性污泥微生物生長受限，而比表面積大的絲狀菌更易獲得營養增殖迅速。一般認為豆制品廢水中總氮濃度較高，總磷并不缺乏，但本項目由于生產強化了蛋白回收使進水氮磷濃度不高，而且在混凝反應中聚氯化鋁有一定的除磷作用，使得進入曝氣池中廢水的BOD5∶N∶P＝100∶4．5∶0．6。因此解決活性污泥膨脹的問題首先需要從進水水質方面進行，在提高預處理去除效果的同時，在曝氣池中投加磷酸氫二銨，補充微生物生長所需的營養元素。另外在工藝設計運行方面，通過好氧池前設置生物選擇器，使回流污泥在缺氧好氧交替的狀態下運行，有助于抑制絲狀菌的生長。
（4）污泥處理系統需要合理設計、可靠運行。氣浮浮渣中含很多小氣泡，不易沉降，降低了重力污泥濃縮池的效果，適宜采用機械濃縮的方式。與剩余污泥混合后進行長時間重力濃縮，很容易產生沉降后的污泥產氣上浮。因此本工程中將原設計的污泥濃縮池改為儲泥池，縮短污泥停留時間至2～4h，利用帶式濃縮脫水機完成濃縮脫水的過程。工藝運行中取得了較好的效果。另外由于污泥中含有大量的氣浮浮渣，污泥比阻較大，脫水性能較差，因此需要選擇聚合度較高的陽離子聚丙烯酰胺作為脫水絮凝劑；脫水機上下濾帶的張力應選用較低數值，防止產生嚴重跑泥現象；脫水機的濾帶清洗要徹底，應保證沖洗水壓在0．6MPa左右。脫水后的污泥含水率略高（80％～85％），有機物含量高，需要有妥善的處置方式，可考慮用做農肥或土壤改良劑。
6結論
（1）采用氣浮—改良活性污泥工藝處理豆制品廢水，效果穩定，維護管理較為簡便，運行的安全性提高，生化出水COD平均為53．9mg/L，各項指標可以達到設計要求。
（2）預處理單元的選擇及運行效果對于豆制品廢水的達標處理有非常重要的作用，正常運行時氣浮系統的COD去除率在50％以上，有助于降低生化處理系統的負荷。調節池采用空氣攪拌進行預曝氣，可以降低中和所需堿量，提高氣浮處理效果。
（3）生物選擇器的設置，使回流污泥在缺氧、好氧條件下交替，可有效抑制絲狀菌的生長。工藝運行中應保證生化系統進水營養元素的合理調配，適時的補充氮磷元素，促進菌膠團微生物生長，是解決污泥膨脹問題的關鍵之一。
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