AO一体化曝气生物滤池降解酱油废水的研究

第２卷　第２期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２２００８年２月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００８Ａ／Ｏ一体化曝气生物滤池降解酱油废水的研究黄　明　肖利平（湘潭大学环境工程系，湘潭４１１１０５）摘　要　针对组分复杂、色度较高的酱油废水，采用Ａ／Ｏ一体化曝气生物滤池进行处理，研究了该反应器处理酱油废水的运行参数及降解动力学。结果表明：采用以废弃物煤渣为主的混合填料，能有效去除废水中的有机物和色度。当水力负荷为１１２ｍ３／（ｍ２·ｈ），容积负荷为０１５～０４３ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ）的条件下，反应器的ＣＯＤ去除率能维持在７５％～８５％之间，色度去除率均在８０％以上，最高达到了９３３％；当容积负荷小于０２７ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ）时，出水的各项指标能达到（ＧＢ８９７８１９９６）的一级排放标准。根据试验结果，反应器Ｏ段的降解动力学可表达为Ｓｅ／Ｓ０＝ｅｘｐ（－１０１２５Ｈ）。关键词　酱油废水　Ａ／Ｏ一体化曝气生物滤池　有机物去除　脱色中图分类号　Ｘ７０３１　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２００８）０２０２０００５Ｓｔｕｄｙｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｓａｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒｒｅａｃｔｏｒＨｕａｎｇＭｉｎｇ　ＸｉａｏＬｉｐｉｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｓａｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｈａｓｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｈｉｇｈｃｈｒｏｍａｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｎａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ（ＢＡＦ）ｒｅａｃｔｏｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｔｒｅａｔｔｈｅｓａｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅＢＡＦｒｅａｃｔｏｒｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔａｎｔｓａｎｄｃｈｒｏｍａｉｎｔｈｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｃｏｕｌｄｂｅｒｅｍｏｖｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｗａｓｔｅｃｏａｌｃｉｎｄｅｒｓｕｓｅｄａｓｍｏｓｔｆｉｌｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｓｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ．ＴｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆＣＯＤａｎｄｃｈｒｏｍａｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅＢＡＦｒｅａｃｔｏｒｗｅｒｅａｔｔａｉｎｅｄｂｅｔｗｅｅｎ７５％～８５％ａｎｄａｂｏｖｅ８００％，ｅｖｅｎｔｏ９３３％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄａｎｄｖｏｌｕｍｅｌｏａｄｉｎｇｓｗｅｒｅ１１２ｍ３／（ｍ２·ｈ）ａｎｄ０１５～０４３ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ）ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｗｈｅｎｔｈｅｖｏｌｕｍｅｌｏａｄｉｎｇｓｗａｓｂｅｌｏｗ０２７ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ），ｔｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｅｆｆｌｕｅｎｔｗａｓｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＣｌａｓｓＩｉｎｔｈｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＷａｓｔｅｗａｔｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅＳｔａｎｄａｒｄＧＢ８９７８１９９６．Ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｏｒｇａｎｉｃｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒｉｎｔｈｅａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅＢＡＦｒｅａｃｔｏｒｃｏｕｌｄｂｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓＳｅ／Ｓ０＝ｅｘｐ（－１０１２５Ｈ）。Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓａｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ａｎａｅｒｏｂｉｃ／ａｅｒｏｂｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ；ｏｒｇａｎｉｃｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｄｅｃｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎ基金项目：湖南省科技厅资助项目（０６ＳＫ４０３６，０１ＮＫＹ２０１８）收稿日期：２００７－０８－１７；修订日期：２００７－１０－２１作者简介：黄明（１９６７～），男，硕士，主要从事废水和废气治理技术的研究。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　近些年来，随着人们生活水平的提高，酱油制造工业快速发展，导致酱油生产废水排放量大增。有研究表明，酱油制造过程产生废水约６～９ｔ／ｔ酱油［１］。这类废水的主要成分包括粮食残留物、发酵过程产物、酱油色素、消毒剂、大量的盐分、各种微生物及其分泌物和代谢产物，具有色度大，ＢＯＤ、ＣＯＤ和ＳＳ浓度较高等特点。虽然其ＢＯＤ／ＣＯＤ值一般大于０５，可生化性好，但是由于酱油的生产原料如大豆、麦麸等在长时间的发酵过程中会通过酶褐变、非酶褐变反应生成各种带色物质，使得废水的色度构成极其复杂［２］，采用单一好氧生物处理工艺很难达标。因此，寻求处理效率高，流程简单的处理方法以实现酱油废水的脱色和有效降解是该废水处理的研究热点。曝气生物滤池（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ，简称ＢＡＦ）作为一种固定式生物膜反应器，是利用载体表第２期黄　明等：Ａ／Ｏ一体化曝气生物滤池降解酱油废水的研究面上生长的生物膜达到净化废水的目的。在ＢＡＦ中，生物量浓度可以达到活性污泥法的８～９倍，因而能获得较高的有机物去除效果［３］；而且该反应器还具有较强的抗冲击能力，污泥产生量少等优点［４］，被广泛地应用在多种废水的处理工艺中［５，６］。基于上述特点，采用Ａ／Ｏ（厌氧／好氧）一体化ＢＡＦ反应器，用废弃物煤渣为主的混合填料处理酱油废水，探讨该反应器处理酱油废水的能力，脱色效果及相关的有机物降解动力学。１　材料与方法１．１　试验系统圆柱形曝气生物滤池试验设备由有机玻璃制作而成，如图１所示。滤池总高３ｍ，直径１００ｍｍ，有效容积为１７３Ｌ。其中，滤池底部装填高约０１ｍ、图１　Ａ／Ｏ一体化ＢＡＦ反应器示意Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＡ／ＯｉｎｔｅｇｒａｔｅＢＡＦｒｅａｃｔｏｒ粒径４～８ｍｍ的卵石作为承托层；滤池下部为厌氧层，高０５ｍ；上部为好氧层，高１５０ｍ。厌氧和好氧层采用由煤渣、颗粒活性碳和陶粒组成的混合填料，３种材料的粒径均为２～４ｍｍ，配比为：煤渣∶活性碳∶陶粒＝２∶１∶１（体积比）。煤渣和活性碳都为多孔的结构，有较强的吸附性能。对于处理高色度的酱油废水，不仅具有较好的脱色能力，也有利于微生物的附着生长和挂膜。陶粒表面相对光滑，具有较好的水力条件。在好氧层和厌氧层之间设曝气管，采用环形穿孔管曝气。废水通过进水泵泵入装置底部，先后经过承托层、厌氧滤层和好氧滤层，处理后的水从装置的顶部排出。装置底部设有反冲洗水管和气管，用于去除老化的生物膜，防止床层板结及阻塞。反冲洗后的出水从装置的顶部排出，剩余污泥则由装置底部的污泥斗排出。根据反应器的运行情况，不定时进行反冲洗，防止床层堵塞。１．２　试验水质酱油废水为湘潭市某酱油厂产品车间清洗废水。水样呈黄褐色，有臭味，并含有一些白色悬浮物，其具体的水质指标如表１所示。由于原废水的悬浮物（ＳＳ）含量很高，为防止滤床堵塞和减少反冲洗的次数，采用砂滤工艺对原废水进行简单的预处理。预处理后的废水水质指标也列在表１中，该废水即为ＢＡＦ的进水。１．３　试验过程和方法采用接种挂膜方式实现微生物挂膜。首先将活性污泥导入滤柱，按照ＣＯＤ∶Ｎ∶Ｐ＝１００∶５∶１添加葡萄糖营养液闷曝２４ｈ，然后采用连续进水方式，维持进水流量约为４．７Ｌ／ｈ，加入原废水和葡萄糖废水混合液。混合液中废水约占总组分１０％（体积比），待反应器运行稳定后，按照２０％、５０％、８０％和１００％的比例逐步提高混合液中原废水的含量。经过约３０ｄ的培养驯化后，可在滤料上观察到薄薄的表１　酱油废水的主要水质指标Ｔａｂｌｅ１　Ｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓａｕｃｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒ废水水样ｐＨＣＯＤ（ｍｇ／Ｌ）ＳＳ（ｍｇ／Ｌ）色度（倍）ＮＨ３Ｎ（ｍｇ／Ｌ）原废水５．８～６．８４０８．４～１０３１．５１０２．５～２５５．３１２０～２５０９．３～３３．６预处理后废水６．６～７．１２８５．３～８１２．２５６．２～１３６．３６０～２００９．０～３２．９一层生物膜。镜检结果显示生物膜上附着大量如丝状菌、豆形虫等微生物，这时反应器对废水的去除率约为８０％，标志着生物膜培养成熟。ＢＡＦ挂膜和驯化完成后，分别考察水力负荷和容积负荷对反应器处理效果的影响。采用维持进水浓度不变，改变进水流量的方式，考察水力负荷由１０２环境工程学报第２卷０６０ｍ３／（ｍ２·ｈ）逐步提高到１５０ｍ３／（ｍ２·ｈ）的情况下整个反应器的处理效果，每个水力负荷连续运行７ｄ。然后选择最佳水力负荷，通过进水浓度的变化，探讨容积负荷对反应器处理效果的影响，并对好氧滤料层不同高度段（０３ｍ，０７ｍ，１２ｍ和１５ｍ）的处理能力进行监测，该试验连续运行约３０ｄ。试验过程中，始终维持出水溶解氧浓度在３ｍｇ／Ｌ以上。１．４　分析方法试验过程中，ＣＯＤ、色度、ＮＨ３Ｎ和ＳＳ的测定方法参见文献［７］；ｐＨ采用ｐＨＳ３Ｃ型酸度计测定；微生物膜观测采用光电显微镜。２　结果与讨论２．１　水力负荷对处理效果的影响水力负荷是ＢＡＦ正常运行的重要参数之一。在挂膜和驯化完成后，控制进水ＣＯＤ浓度在４１０～４５０ｍｇ／Ｌ，平均值为４２５３ｍｇ／Ｌ；相应的废水色度和ＳＳ浓度分别在８０～１００倍和８０２～１１０４ｍｇ／Ｌ，平均值分别为９０５倍和１０３２ｍｇ／Ｌ。通过调整进水流量，改变水力停留时间（ＨＲＴ），使ＢＡＦ的水力负荷由０６０ｍ３／（ｍ２·ｈ）到１５０ｍ３／（ｍ２·ｈ）逐步提高，探讨不同水力负荷下ＢＡＦ反应器的处理效果，如表２所示。水力负荷的提高，即ＨＲＴ的缩短，Ａ段的平均去除率由２２８％减少到８２％，总体呈下降趋势，而Ｏ段的处理情况则表现出不同的变化趋势。当水力负荷由０６０ｍ３／（ｍ２·ｈ）提高到１１２ｍ３／（ｍ２·ｈ）时，Ｏ段对酱油废水ＣＯＤ的平均去除率由８０８％升高到８３４％；对废水中ＳＳ的去除率也维持在８２９％～８７２％之间。这说明在水力负荷较小的条件下，床层的阻力会导致气、水流分布不均，影响微生物对底物的摄取，使滤池上部的微生物增殖缓慢；而水力负荷的适当提高则有利于生物膜表面不断更新，强化废水与微生物之间的传质过程，有效提高整个系统的处理效果。但当水力负荷进一步提高到１５０ｍ３／（ｍ２·ｈ）时，ＣＯＤ和ＳＳ的平均去除率都呈现明显下降趋势，平均降幅分别达到了１１８％和２３３％。这是由于在较高的水力负荷条件下，气、水的剪切力增强使得部分生物膜脱落、破碎，导致出水ＣＯＤ和ＳＳ的浓度增加，滤池的去除率下降。因此，该ＢＡＦ反应器的水力负荷宜应控制在１１２ｍ３／（ｍ２·ｈ）以下，经处理后出水各项指标才能基本达到废水综合排放标准（ＧＢ８９７８１９９６）的一级排放标准。表２　水力负荷对处理效果的影响Ｔａｂｌｅ２　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｓｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔ水力负荷（ｍ３／（ｍ２·ｈ））测试项目Ａ段出水范围值平均值Ａ段平均去除率（％）Ｏ段出水范围值平均值Ｏ段平均去除率（％）总平均去除率（％）ＣＯＤ（ｍｇ／Ｌ）３２６．３～３３２．６３２８．５２２．８７５．２～９２．３８１．５７５．２８０．８　０．６０ＳＳ（ｍｇ／Ｌ）４５．４～６３．５５２．５４９．１８．４～１５．５１１．６７７．９８７．２色度（倍）２５～６０４２．９５２．６５～２５１５．０６５．０８３．４ｐＨ６．８～７．２７．１／７．１～７．５７．３／／ＣＯＤ（ｍｇ／Ｌ）３２７．４～３４７．７３３５．２２１．２６５．４～８３．５７３．５７８．１８２