填料投加對玉米深加工廢水處理效果的影響

頡亞瑋，年躍剛* ，殷勤，閆海紅，雪梅，辛璐

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制研究中心，北京 100012

2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

玉米是全球主要糧食作物之一，玉米的深度加工利用受到廣泛關(guān)注，其深加工產(chǎn)品已在食品、醫(yī)療、化工等方面得到應(yīng)用。但玉米深加工處理所產(chǎn)生的高濃度廢水若直接排入水體，可能對受納水體造成污染，廢水的排放和造成的環(huán)境污染問題已得到有關(guān)部門的關(guān)注［1］。

目前，玉米深加工廢水主要采用生物法處理，其中厭氧接A/O法的工藝組合可以較好地去除廢水中的污染物，但由于玉米深加工廢水的水質(zhì)變化劇烈，且沖擊負荷較大，影響了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

投加填料可增加活性污泥池的氧傳遞效率，減小曝氣量，減少能耗［2］，但有研究表明，填料填充率超過40%對提高CODCr，NH4+-N，TN的去除率影響不大［3］。向活性污泥池內(nèi)投加填料的方法目前主要集中在對生活污水的處理和對城市污水廠的改造上［4-6］，鮮有研究將該方法應(yīng)用于玉米深加工廢水的處理中。

筆者的試驗基于已有研究，通過向活性污泥池內(nèi)投加比表面積大的塑料載體填料，以增大活性污泥池內(nèi)的污泥濃度，提高廢水的處理效率，并控制實際應(yīng)用成本。在向單一活性污泥池投加填料的投加模式下，分析了4種填充率對玉米深加工廢水處理效果的影響，以期為改善玉米深加工廢水的處理效果提供數(shù)據(jù)支持。

1 裝置及方法

1.1 裝置

試驗工藝按照工廠污水站A/O池設(shè)計，如圖1所示。整個裝置由PP板加工制成，缺氧池有效體積為0.094 m3;好氧池有效高度1.8 m，有效體積0.80 m3，由1格填料投加池和3格活性污泥池組成;沉淀池有效體積為0.13 m3。工藝總處理規(guī)模為0.72 m3/d，水力停留時間為27 h，200%硝化液回流，100%污泥回流。進水和硝化液回流由計量泵控制，污泥回流由蠕動泵控制。

圖1 試驗裝置Fig.1 Schematic presentation of the process in the experiment

填料為HDPE(高密度聚乙烯)材料制成，具有比表面積大(500 m2/m3)，生物易掛膜，比重接近于水，耐腐蝕的特點。

1.2 廢水水質(zhì)

廢水取自中糧生化能源(公主嶺)公司某玉米深加工企業(yè)，以經(jīng)厭氧內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器處理后的出水為原水進行試驗。企業(yè)廢水主要包括淀粉車間工藝廢水和制糖車間工藝廢水，具有高CODCr，高NH4+-N，高TN，高SS和低pH，且變化劇烈等特點，經(jīng)IC反應(yīng)器處理后，出水水質(zhì)比車間直接來水水質(zhì)有較大改善，并有較好的可生化性和較穩(wěn)定的pH，但其出水仍然存在CODCr，NH4+-N，TN變化劇烈等問題。試驗期間IC反應(yīng)器出水(原水)水質(zhì)如表1所示。

表1 IC反應(yīng)器出水(原水)水質(zhì)Table 1 Water quality of the effluent of IC

1.3 監(jiān)測指標(biāo)和分析方法

試驗期間對CODCr，NH4+-N和TN濃度進行監(jiān)測，其中CODCr用CTL-12型COD快速測定儀測定;NH4+-N濃度用納式試劑分光光度法［7］測定;TN濃度用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［8］測定。CODCr和NH4+-N濃度為每天測定1次，TN濃度為每3天測定1次。

2 結(jié)果和分析

為研究填料填充率對處理效果的影響，設(shè)置填充率為0(不投加填料)，10%，20%和30%進行試驗。參照企業(yè)污水處理廠各運行參數(shù)，將水力停留時間設(shè)為27 h，污泥濃度維持在2000～3000 mg/L，以填充率為唯一變量，得出不同填充率對各種污染物的去除效果。

2.1 污染物的去除

2.1.1 CODCr的去除

試驗從現(xiàn)有污水廠活性污泥池內(nèi)取污泥投加到小試裝置活性污泥池內(nèi)進行微生物馴化，經(jīng)過7 d的適應(yīng)期后開始填充率試驗。試驗在0，10%，20%和30%填充率下分別進行了25，29，31和34 d。4種填充率對CODCr的去除效果如圖2～圖5所示。

從圖2可以看出，在填充率為0時，CODCr去除率平均值高于80%。從圖3可以看出，在填充率為10%時，系統(tǒng)的出水效果很差，原因在于試驗進行到第7天時出現(xiàn)了污泥膨脹，SV30一度達到92%，雖在膨脹初期出水效果較好，但隨著時間的推移，SS逐漸升高，使出水水質(zhì)變差。經(jīng)過大約15 d的調(diào)整，SVI下降到150 mL/g左右，CODCr去除率逐漸上升，視為污泥膨脹結(jié)束，此后CODCr去除率與填充率為0時區(qū)別不大。從圖4可以看出，當(dāng)填充率為20%時，CODCr去除率與填充率為0時相差不多，但是2個填充率下系統(tǒng)所受的CODCr沖擊負荷和劇烈程度之間有很大的差別。填充率為0時(圖2)，雖然系統(tǒng)的進水CODCr容積負荷變化范圍很大，但其日均波動較緩，CODCr的日均變化只有70 mg/L左右，正是這種變化特點給微生物提供了適應(yīng)的時間，可以抵抗負荷沖擊;當(dāng)填充率為20%時(圖4)，進水水質(zhì)變化劇烈，CODCr的日均變化值為240 mg/L左右，變化最大時相鄰2天的變化值超過600 mg/L，而且波動頻繁，雖進水CODCr變化劇烈，系統(tǒng)仍然保持80%以上的CODCr去除率和穩(wěn)定的出水。在填充率為30%時(圖5)，進水CODCr的日變化仍然很大，進水平均值為832.7 mg/L，相鄰2天變化的平均值為779.6 mg/L，即CODCr變化均值超過進水CODCr的94%，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)類似污泥膨脹的狀況，CODCr的去除率基本在80%以上。結(jié)果表明填料投加對系統(tǒng)抗沖擊能力有所改善，分析其原因在于附著生長于填料上的微生物形成生物膜，提高了填料填充池中的微生物量，從而降低了該池的污泥負荷，減輕了后續(xù)活性污泥池的負擔(dān)，增強了系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。但由于只在第1個池內(nèi)投加填料，附著生物量有限，對CODCr的絕對去除率改善不大。

2.1.2 NH4+-N的去除研究表明，填充率為20%時系統(tǒng)對NH4+-N有較好的去除效果［9］。在試驗的4種填充率下，系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果如圖6～圖10所示，從圖6～圖9可以看出，當(dāng)填充率為0，10%，20%和30%時，系統(tǒng)進水的NH4+-N 均值分別為 19.7，12.9，26.0和49.3 mg/L，出水的 NH4+-N均值分別為8.0，6.0，1.2和3.7 mg/L;從圖10可以看出，當(dāng)填充率為0，10%，20%和 30%時，NH4+-N平均去除率分別為62%，73%，89%和91.6%。說明填料投加對系統(tǒng)NH4+-N去除的影響比較大，雖然NH4+-N負荷沖擊較大，但填料投加后仍然對其有較穩(wěn)定的去除效果。其原因為:1)填料投加后，在載體上形成生物膜，生物膜的形成為世代時間較長的硝化細菌提供了良好的條件，投加填料后可以使活性污泥池中生物量有所提高，相對于未投加填料的系統(tǒng)來說，硝化菌的數(shù)量較多，強化了硝化效果［10］，隨著填料填充率的增加，附著在填料上的微生物也增多，系統(tǒng)NH4+-N的污泥負荷逐漸下降，從而提高了系統(tǒng)硝化能力。2)試驗的特點在于只向第1個活性污泥池投加填料形成填料投加池，生物附著于載體上，這樣的分布特點造成了填料投加池的污泥濃度大于其他活性污泥池，正是基于這樣的污泥分布，填料投加池可以降解更多的CODCr，減小了后續(xù)活性污泥池的CODCr負荷，有研究表明，隨著CODCr/NH4+-N的增加，會使氨化菌和亞硝酸鹽氧化菌在整個生物膜中所占比例下降，造成NH4+-N 去除率的下降［11］。CODCr負荷的降低提高了后續(xù)活性污泥池內(nèi)的CODCr/NH4+-N，有利于自養(yǎng)生長的硝化菌成為優(yōu)勢菌種，提高NH4+-N的去除效果。

圖6 填充率為0時NH4+-N的去除效果Fig.6 Variation of NH4+-N removal effect with the filling proportion of 0

由圖6和圖7可以看出，在填充率為0的試驗初期和填充率為10%的一段時間內(nèi)出水NH4+-N濃度高于進水，分析其原因認(rèn)為，填充率為0的試驗初期微生物處于適應(yīng)階段，世代時間較短的氨化細菌優(yōu)先開始生長成為優(yōu)勢菌群，而世代時間較長的硝化細菌沒有大量出現(xiàn)，因此造成NH4+-N的積累，隨著試驗的進行，硝化細菌開始出現(xiàn)并逐漸成為優(yōu)勢菌群，NH4+-N濃度升高現(xiàn)象消失;而填充率為10%的階段NH4+-N濃度升高原因，主要是為了應(yīng)對系統(tǒng)出現(xiàn)的污泥膨脹而大量排泥所造成的污泥齡縮短，硝化菌失去生長條件，隨著污泥膨脹的緩解，排泥趨于正常，NH4+-N濃度升高現(xiàn)象消失。

2.1.3 TN的去除

研究表明，載體上附著的一定厚度的生物膜可以造成一定的厭氧環(huán)境［9，12］，所以填料的投加會使TN的去除率增大［13-15］。由于試驗條件所限，TN的測定為3天進行1次，4種填充率對于TN的去除效果如圖11～圖15所示。從圖11～圖14可以看出，TN去除率很不穩(wěn)定，而且填料的投加并沒有使這種情況得到改善;從圖15可以看出，4種填充率下，系統(tǒng)對TN的平均去除率差別不大，在50%左右，沒有明顯的改變。結(jié)果表明，對于TN的去除而言，前置缺氧池的作用占主導(dǎo)地位，在本試驗投加模式和填充率條件下，載體上附著的生物膜所提供的厭氧環(huán)境有限，不能起到明顯改善脫氮性能的作用。

2.2 污泥膨脹的處理及討論

當(dāng)填充率為10%時，試驗進行到第7天，系統(tǒng)發(fā)生了污泥微膨脹，SVI升高到240 mL/g左右，但在污泥膨脹的初期，雖然污泥沉降性能很差，絮凝效果卻很好，出水清澈，出水CODCr較低，去除率較高，如圖16所示。有研究表明，發(fā)生了污泥膨脹，但當(dāng)膨脹不嚴(yán)重，SVI在300 mL/g以下時，處理后的出水CODCr仍然較低，甚至出水SS比未發(fā)生膨脹時還低，其原因為:1)由于絲狀菌菌絲的牽連交織形成致密網(wǎng)狀污泥層，沉淀時對上清液起到進一步過濾作用，捕捉水中細小的懸浮顆粒，并吸附截留水中的游離細菌［16］;2)絲狀菌自身具有較高的降解低濃度有機物的能力［17］。隨后SVI幾乎成直線增長，最高時達到了700 mL/g，與此同時，CODCr去除率也驟然下降。鏡檢發(fā)現(xiàn)有大量絲狀菌存在，其他微生物很少。

溶解氧過高或過低，負荷異常，營養(yǎng)物質(zhì)，pH等都有可能引起污泥膨脹［18］。分析認(rèn)為，造成試驗污泥膨脹的原因可能是溶解氧過高，試驗中溶解氧平均達到了4 mg/L，通過增大進水量，提高負荷，減小曝氣，排泥等措施控制了污泥膨脹，同時CODCr去除率也逐步上升，出水水質(zhì)逐漸變好。

值得注意的是污泥膨脹時也是載體上生物膜生長最快時，一般填料掛膜需要14～16 d［19-21］，但試驗中載體只用10 d左右就成功掛膜，這可能是由于掛膜成功后載體上的微生物主要是絲狀菌［20-21］，而膨脹期間池內(nèi)存在的大量絲狀菌為迅速掛膜提供了有利條件。

圖16 污泥膨脹期間SVI和CODCr去除率Fig.16 Relationship of SVI and CODCrremoval efficiency

3 結(jié)論

(1)投加填料可以提高活性污泥池的抗CODCr沖擊負荷能力，且隨著填料填充率的增大，抗沖擊能力增強。在進水CODCr平均值為832.7 mg/L，相鄰2天CODCr變化的平均值為779.6 mg/L，即CODCr變化均值超過進水CODCr的94%時，仍能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保證出水質(zhì)量。

(2)由于載體為生長慢、世代時間長的硝化菌提供了生長空間，特殊的填充方式又降低了后續(xù)活性污泥池的CODCr/NH4+-N，因此投加填料可以強化系統(tǒng)的硝化能力，更徹底地去除NH4+-N。

(3)在試驗研究的填充率下，填料投加并不能有效增加反硝化菌脫氮所需的缺氧環(huán)境，因此，在10%，20%，30%填充率下，TN的去除并沒有得到明顯改善。

(4)污泥微膨脹時，出水水質(zhì)異常良好;能否通過調(diào)整工藝參數(shù)將污泥膨脹控制在某個可以凈化水質(zhì)的范圍內(nèi)，值得后續(xù)的思考;試驗觀察到污泥膨脹時，載體掛膜加快，其中的關(guān)聯(lián)性需要進一步試驗驗證。

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