EGSBMBR组合工艺处理糖蜜发酵废水效能研究

中国环境科学2015,35(5)：1416~1422ChinaEnvironmentalScienceEGSB-MBR组合工艺处理糖蜜发酵废水效能研究高靖伟,赫婷婷,程翔,封莉,张立秋*(北京林业大学环境科学与工程学院,北京市水体污染源控制技术重点实验室,北京100083)摘要：实验采用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器与好氧膜生物反应器(MBR)组合工艺对糖蜜发酵废水进行处理.重点考察了组合工艺对发酵废水的处理效能,包括甲烷的产生效率、污染物(COD、NH4+-N和TN)的去除效能.实验结果表明:控温条件下[(35±1)℃]、进水COD约为2250mg/L、pH在为6.0左右时,EGSB对发酵废水的COD去除率可达75.6%,甲烷的容积产气速率为0.48m3/(m3·d).MBR在溶解氧(DO)为1~2mg/L左右时,采用曝气-搅拌交替运行方式处理EGSB出水,可以实现同步硝化反硝化,并且在曝气3h-搅拌1h交替运行条件下,NH4+-N、TN去除率分别为85.13%、58.57%,而最终COD去除率达到85%.关键词：发酵废水；膨胀颗粒污泥床；膜生物反应器；同步硝化反硝化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)05-1416-07PerformanceofthecombinedEGSB-MBRreactortreatingfermentationwastewater.GAOJing-wei,HETing-ting,CHENGXiang,FENGLi,ZHANGLi-qiu*(BeijingKeyLaboratoryofWaterPollutionControlTechnology,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(5)：1416~1422Abstract：Thefermentationwastewaterwastreatedbyalab-scaleprocesscombinedwithanaerobicexpandedgranularsludgebed(EGSB)andmembranebioreactors(MBR).Theperformanceofthecombinedtreatmentprocesswasstudiedinthispaper,includingmethanegasproduction,thepollutantsremovalefficiency.TheresultsshowedthatEGSBwaseffectiveinremovingtheorganicpollutantsofthefermentationwastewaterundermesophiliccondition(35±1℃)andthepH6.0.CODremovalratereached75.6%andthemethanevolumetricgasproductionratewas0.48m3/(m3·d)whentheinfluentCODwasaround2250mg/L.TheMBRsystemadoptedcontinuously-fedandaeration-stiralternateoperationtotreatthefermentationwastewaterafterbeingdisposedbytheEGSBreactor.Thesimultaneousnitrification-denitrification(SND)wasrealizedunderdissolvedoxygen(DO)1~2mg/L.ThebestperformanceforTNremovalwasachievedundertheaeration3h-stirring1hoperatingconditions,whiletheNH4+-NandTNremovalefficiencywere85.13%and58.57%respectively.FinallytheCODremoveefficiencyofthecombinedtreatmentprocesswasabout85%.Keywords：fermentationwastewater；expandedgranularsludgebed；membranebioreactors；simultaneousnitrification-denitrification糖蜜因其提取方便、成本低廉,常被当做原料用于发酵行业[1].而糖蜜发酵的废水基本有两种;即高浓度发酵废液(主要来源于酵母通过离心机或旋转真空过滤器分离出的浓液)和设备、车间清洗过程中产生的低浓度废水[2].由于糖蜜发酵废液颜色深、有机物和硫酸盐含量很高、并且在酵母发酵过程中需要人工添加氮源[3-4],使得低浓度废水COD仍高达2300mg/L左右,SO42-和NH4+-N浓度分别约为800、120mg/L.同时,一般中型发酵厂,每天约产生2600t低浓度废水,如果直接排放会对生态环境造成严重危害,因此必须经有效处理后方可排放.目前,糖蜜发酵废水常用厌氧生物方法进行处理,具有负荷高、低成本、产沼气、可脱色等优点,常用的厌氧工艺有上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧生物滤池(AF)、膨胀颗粒污泥收稿日期：2014-09-28基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07201007-003-01)*责任作者,教授,[e-mail]5期高靖伟等：EGSB-MBR组合工艺处理糖蜜发酵废水效能研究1417床(EGSB)等反应器[5],但糖蜜发酵废水中硫酸盐还原菌与产甲烷菌的竞争,以及硫化物对产甲烷菌的抑制,会降低反应器的处理效果[6].因此,糖蜜发酵废水仅采用单级厌氧工艺不能达到排放标准.张萍等[7]采用厌氧脱硫-EGSB-混凝的组合工艺,在处理糖蜜发酵废水实验中,实现了对废水中COD、SO42-、色度的有效去除.此外,赵华章等[8]采用EGSB-MFC-BAF组合工艺处理糖蜜发酵废水,COD、SO42-、色度去除率分别达到了53.2%、52.7%和53.2%.近年来,为了降低除水中悬浮物浓度、病原体等,以达到更高的排放要求,好氧膜生物反应器(MBR)被广泛应用于污水处理中[9-11].MBR具有占地小、容积负荷高、污泥产量少、出水质量高等优点[12],但是在大多数MBR反应器中,反硝化受到抑制,从而影响系统的脱氮效率[13].为此,本实验对MBR进行了改进,增加了机械搅拌装置,采用曝气-搅拌交替操作的方式运行.同时为了更好的反映实际情况,实验中采用实际发酵废水进行试验,重点考察厌氧EGSB和改进型MBR组合工艺对低浓度发酵废水的处理效果,包括甲烷的产生效率、主要污染物(COD、NH4+-N和TN)的去除效率.组合工艺系统运行过程中,还将对厌氧颗粒污泥形态的变化进行观察和分析.1材料与方法1.1实验用水实验所用低浓度的发酵废水,取自哈尔滨市某酵母厂一般性生产废水,该厂以甜菜为糖蜜原料,采用硫磺法为制糖工艺.废水取回后4℃保存.并对发酵废液的水质特征进行分析,结果如表1所示.同时,利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对该发酵废水中有机物的主要成分进行了分析,结果如表2所示,其中主要的有机物质为苯乙醇,占36.22%.表1发酵废水水质特点(mg/L)Table1Characteristicsoffermentationwastewater(mg/L)项目CODTOCTPTNNH4+-NpH值总碱度(以CaCO3计)SO42-Cl-蛋白质数值2200~2500780~90020~25200~230100~1308.0~8.2900~1000780~8501500~170086~95表2发酵废水GC-MS分析结果Table2ThefermentationwastewaterGC-MSanalysis峰编号检出有机物名称化学式匹配度(%)占总有机物百分比(%)2苯乙醇C8H10O9436.2244-羟基苯乙醇C8H10O29111.334-乙烯基-2-甲氧基苯酚C9H10O2956.096吲哚-3-乙醇C10H11NO955.545对羟基苯乙腈C8H7NO964.677双酚A二甲醚C17H20O2963.679抗氧剂2246C23H32O2973.178(Z)-9-十八烯酸酰胺C18H35NO992.712,3,5-三甲基吡嗪C7H10N2871.361.2接种污泥实验采用取自某啤酒厂的产甲烷厌氧颗粒污泥接种于EGSB反应器,MLVSS/MLSS值为0.73,平均粒径为0.5~1.5mm,接种体积约占反应区总体积的2/3.MBR好氧污泥取自某污水处理厂好氧处理单元.1.3实验装置EGSB-MBR反应装置如图1所示,其中EGSB反应器由有机玻璃制成,总容积为4.0L,反应柱内径为60mm,主反应区高径比为12:1.EGSB反应器共设有5个取样口,取样口间距为20cm.在反应器外表面缠绕电热丝进行加热,控制温度在[(35±1)℃];进水由蠕动泵从反应器底部打入,并在沉淀区三相分离器附近设有回流口,采用蠕动泵进行出水回流,实现内循环,维持上升流速2.0m/h;产生的气体经过1mol/L的氢氧化钠溶液,吸收去除H2S和CO2后,进入湿式气体流量计.MBR单元为一体式反应器,改进后增加了机械搅拌装置,其有效容积为6L,中空纤维膜直接浸入到反应器中与混合液接触,中空纤维膜的材质为聚偏氟乙烯(PVDF),孔径为0.1µm,膜面积1418中国环境科学35卷为0.03m2.溶解氧由曝气泵提供,采用气体流量计控制曝气量,并由安装在反应器底部的空气扩散管扩散到整个反应器.膜组件定时清洗,采用流动的清水去除膜表面的污泥,然后再放入0.1mol/L的次氯酸钠水溶液中,在曝气的情况下清洗0.5h后,用清水将表面的次氯酸钠溶液去除.湿式气体流量计碱液吸收瓶温度探头蠕动泵蠕动泵蠕动泵螺动泵搅拌器膜组件活性污泥暖气泵气体流量计图1EGSB-MBR反应器示意Fig.1Schematicdiagramofthelab-scaleEGSB-MBRreactor1.4分析方法COD采用快速消解法;NH4+-N、NO3-、NO2-其检测方法采用国家环保部颁布的标准方法[14],MLSS和MLVSS采用重量法测定;碱度采用电位联合滴定法[15];pH值采用酸度计(PHS-3C,上海精密科学仪器有限公司)直接测定;溶解氧(DO)采用溶解氧仪(OxiCal-SL197,WTW,Germany)直接测定.气体产量采用湿式气体流量计进行计量;TOC/TN采用JenamultiN/C3100分析仪测定;颗粒污泥形态采用扫描电子显微镜进行观察;阴离子采用离子色谱仪(DIONEX,IC-3000)测定.挥发性脂肪酸(VFA)采用Agilent789气相色谱仪测定,配置AgilentHP-INNOWAX毛细管柱(30m,0.53mm,1.0µm).测定条件为:载气为N2,流速5ml/min;进样口温度250℃;检测器为氢火焰检测器(FID),温度300℃;柱温70~170℃,采取程序升温,初始温度70℃,保持1min,然后以25℃/min的升温速率升至170℃,在170℃停留5min;进样量1µL.1.5实验方案实验将后续MBR处理工艺的运行过程分为6个阶段:连续曝气期Ⅰ(1~60d);曝气1h-搅拌1h期Ⅱ(61~70d);曝气3h-搅拌1h期Ⅲ(71~80d);曝气5h-搅拌1h期Ⅳ(81~90d);曝气3h-搅拌1h期Ⅴ(91~100d),其中Ⅰ期DO为3~4mg/L,Ⅱ-Ⅴ期DO为1~2mg/L.2结果与讨论2.1EGSB-MBR对发酵废水的处理效能2.1.1EGSB-MBR组合工艺对COD的去除,图