中溫厭氧工藝處理豆制品廢水實驗研究

豆制品廢水是一種典型的高濃度有機廢水，其COD高達18 000～20 000 mg·L-1、BOD5達5000～8000 mg·L-1，蛋白質、總氮濃度較高，易酸化，并且產生量較大，處理較難。據統計，一個年產3000 t大豆分離蛋白的生產車間每天約排放150～200 t乳清廢水，相當于25萬人每天排放的生活污水[1]。近幾年基于對食品安全的考慮，國內各大中城市分別對豆制品加工企業進行整合、集中，形成了其加工廢水集中處理、排放的局面。由于豆制品廢水中的有機物含量高、BOD/COD值在0.3～0.5，可生化性好，目前國內一般采用多級生物法處理，其中厭氧生物處理在較好地凈化廢水的同時可生產沼氣、回收能源而被大量應用。目前常用于豆制品廢水的厭氧生物處理工藝有上流式厭氧污泥床(UASB)、折流板反應器(ABR)、兩相厭氧處理工藝等[2]。

作者采用自制的中溫厭氧反應器對豆制品廢水進行處理，考察了反應器上清液的殘留COD濃度、產甲烷量隨厭氧反應時間的變化情況。

1 實驗

1.1 豆制品廢水及厭氧污泥

豆制品廢水(pH=4～5)取自某豆制品加工廠，其主要污染物為多聚糖、蛋白質、脂肪酸，另外還含有一定量的無機酸和無機鹽等，主要水質指標見表1。

表1 豆制品廢水污染指標/mg·L-1

厭氧污泥為取自湖北省某生化科技有限公司污水處理站中溫厭氧反應塔內的顆粒化厭氧活性污泥。

1.2 實驗裝置

自制中溫厭氧反應器裝置(圖1)主要由厭氧反應器、恒溫水浴槽、排液(堿)集氣裝置等組成。其中，1.5 L中溫厭氧反應瓶(玻璃材質)3個，消化器外接排液(堿)集氣裝置，內裝質量分數5%～6%的氫氧化鈉溶液，厭氧產生的沼氣(主要含CO2和甲烷)經集氣瓶內堿液洗滌吸收以去除其中的CO2，并由250 mL量筒計量排出的堿液來讀取甲烷體積。厭氧反應器置于SHZ-C型恒溫水浴振蕩器中，確保反應器內污泥的均勻分布及恒溫(35～37℃)。

圖1 中溫厭氧工藝實驗裝置示意圖

1.3 方法

取3份350 mL厭氧污泥置于3個厭氧反應器中，分別向其中加入等體積的由葡萄糖等配制的營養液，并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧污泥的馴化與培養。厭氧反應器的運行過程一般分為啟動階段、負荷運行階段、穩定運行階段。

第一階段為厭氧反應器的啟動馴化階段，采取低濃度進水，調節進水pH值。實驗溫度從20℃開始(實驗開始時間為11月中旬)，初期以每天升高2℃的速度控制反應器溫度。在投加營養液5 d后將反應器中上清液潷出200 mL，再補充新的營養液。當溫度上升至30℃后，每天升高1℃直至達到中溫厭氧反應的最佳溫度36℃，并按上述方法添加營養液。在污泥馴化的過程中，每隔6 h通過排液(堿)集氣裝置記錄一次產氣量。

第二階段為負荷運行階段，溫度維持在36℃左右，當反應器的產氣量達到穩定后，向其中加入稀釋2倍的豆制品廢水(COD濃度約為7320 mg·L-1)，分別測定不同反應時間反應器上清液的殘留COD濃度，并記錄產甲烷量。

第三階段為提高負荷和穩定運行階段，此階段進水采用COD濃度為14 899 mg·L-1的豆制品廢水，分別測定不同反應時間反應器上清液的殘留COD濃度及累計產甲烷量。

2 結果與討論

2.1 殘留COD濃度及產甲烷量隨厭氧反應時間的變化

厭氧反應器啟動完成后，逐漸增加豆制品廢水的進水濃度和進水量，以使厭氧菌能適應廢水生長。實驗發現，經過48 h的連續運行，廢水COD的平均去除率達到76.4%。可見反應器對廢水已經具有適應性，可進一步提高進水濃度。將廢水進水濃度從7320 mg·L-1提高到14 899 mg·L-1，進水量從200 mL提高到250 mL，在厭氧反應溫度35～37℃的條件下，廢水在反應器中的殘留COD濃度及COD去除率、產甲烷量隨厭氧反應時間的變化分別見圖2、圖3。

圖2 豆制品廢水殘留COD濃度及COD去除率隨厭氧反應時間的變化

圖3 豆制品廢水累計產甲烷量隨厭氧反應時間的變化

由圖2和圖3可知，厭氧反應過程對豆制品廢水的COD去除率與產甲烷量呈正相關。厭氧反應在0～12 h內處于零級反應階段，計算其零級反應的動力學常數為36.67 mL·h-1。反應進行12 h后，豆制品廢水的COD去除率達到89.49%,產甲烷勢為0.133 L·(g COD)-1;反應進行24 h后，廢水中殘留COD的降解不明顯;連續運行36 h后，豆制品廢水的COD去除率達到94%。由此可見，該類廢水的厭氧可生化性較好，但由于其中的有機物含碳量不高，所以產甲烷勢不高。也說明該類廢水可采用厭氧處理工藝處理，并獲得一定量的沼氣能源。可為厭氧反應器的工程設計水力停留時間提供參考。

2.2 加入鐵屑形成內電解對厭氧反應參數的影響

有文獻指出，鐵在厭氧產甲烷過程中起到十分關鍵的作用，鐵離子作為厭氧微生物胞內氧化還原反應的電子載體負責電子的輸送[3]，同時還參與細胞色素、細胞氧化酶的合成[4]。畢亞凡等[5]研究黃姜皂素廢水厭氧處理發現，加入鐵屑形成內電解后優化了整個流程，提高了產甲烷過程的速率。為了驗證鐵元素在厭氧產甲烷過程中的作用，本實驗以向反應器加入少量鐵屑與不加鐵屑進行豆制品廢水(COD濃度為14 899.2 mg·L-1)處理的對比，結果見表2。

表2 加與未加鐵屑時豆制品廢水殘留COD隨厭氧反應時間的變化

由表2可知，向反應器中加入少量鐵屑確實能提高厭氧反應的速度，厭氧反應12 h，廢水的COD去除率已達到91.56%，較不加入鐵屑時提高了2.07%，并且其厭氧反應速率明顯提高。厭氧反應36 h后，廢水殘留COD濃度變化不大。顯然，厭氧反應器中加入鐵屑后，其鐵屑表面形成了極多的微電解池，不僅降低了反應器內的電極電位(ORP)，同時也補充了產甲烷菌所需的微量元素(Fe、Co和Ni)，增加了厭氧產甲烷菌的活性，有利于其生長和增殖。

3 結論

(1)在溫度為(36±1)℃的中溫厭氧環境下，厭氧菌對高濃度豆制品廢水的COD具有較好的去除效果。厭氧反應12 h，COD去除率達到89.49%，產甲烷勢為0.133 L·(g COD)-1。

(2)向厭氧反應器中加入少量鐵屑形成內電解后，經厭氧反應12 h，廢水的COD去除率較不加鐵屑時提高了2.07%。說明加入鐵屑能明顯改善厭氧產甲烷菌的生存環境，加快整個厭氧反應的進程，可解決厭氧產甲烷反應時間長、處理效果不佳的問題。

(3)豆制品加工廢水水溫一般為35～40℃，其有機物含量高，BOD/COD值在0.3～0.5，厭氧可生化性好，適合采用中溫厭氧工藝處理。

參考文獻：

[1] 胡朝宇，李亞峰，劉鑫，等.大豆蛋白廢水處理方法研究[J].遼寧化工,2009,38(9):626-628,631.

[2] 唐受印,戴友芝,劉忠義,等.食品工業廢水處理[M].北京:化學工業出版社,2001:113-117.

[3] Zandvoort M H，van Hullebusch E D，Fermoso F G，et al.Trace metals in anaerobic granular sludge reactors：Bioavailability and dosing strategies[J].Eng Life Sci,2006，6(3):293-301.

[4] Zandvoort M H，Geerts R，Lettinga G，et al.Methanol degradation in granular sludge reactors at sub-optimal metal concentrations:Role of iron， nickel and cobalt[J].Enzyme and Microbial Technology,2003，33(2-3):190-198.

[5] 畢亞凡,汪建華,嚴向東,等.黃姜皂素廢水厭氧處理間歇試驗研究[J].工業水處理,2005,25(9):45-48.