啤酒廢水對IC反應器啟動階段的影響

張抒意，劉依林，楊尚樂，王 怡，黃 昱，李永峰

(東北林業大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

啤酒廢水對IC反應器啟動階段的影響

張抒意，劉依林，楊尚樂，王 怡，黃 昱，李永峰

(東北林業大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

本實驗以啤酒廢水(啤酒葡萄糖配水)為底物啟動IC(厭氧內循環)反應器，在HRT為6h，溫度為35±1℃的條件下試運行至啟動階段，其實驗結果與同等條件下以糖蜜(紅糖)廢水運行的IC反應器的啟動階段結果數據(COD去除率與出水pH值)作對比分析，得到啤酒廢水加入底物中對IC反應器啟動運行的影響：(1)COD去除率前期較高，可達到60%以上，后期降低，趨于30%；(2)出水pH值降低至4以下；(3)系統不穩定。并根據以上分析對實驗的改進提出建議。

IC反應器；啤酒廢水；糖蜜廢水；COD去除率；出水pH值

啤酒生產經歷制麥、糖化、發酵、罐裝等工序，產出廢水包括浸麥廢水、糖化廢水、廢酵母液、洗滌廢水和冷卻廢水等[1]，主要成分有大量的淀粉、蛋白質、酵母菌殘體、酒花殘渣、殘余啤酒、少量酒精及洗滌用堿[2]，一般屬于中低濃度弱堿性有機無害廢水。

20世紀80年代以來，中國的啤酒產業發展迅速，與此同時，啤酒工業廢水的大量排放也給環境帶來了極大的壓力，據文獻報道，每生產1t啤酒需要排放廢水10～20m3[3]。如今，如何高效低能耗地處理發酵類型廢水成為備受關注的問題之一[4]。近年來，被廣泛應用于啤酒廢水等發酵廢水處置中的厭氧反應器包括：厭氧序批式反應器( ASBR)[5]、上流式厭氧污泥床( UASB)[6]、厭氧流化床( AFB)[7]等，具有處理效率高、耗能低、剩余污泥量少等特點。而屬于第三代高效厭氧反應器的IC反應器，在過去被認為只適合高濃度有機廢水的處理，但在近幾年的探索中發現其對低濃度有機廢水也有較好的處理效果，IC反應器的停留時間短、抗沖擊負荷好、容積負荷高及投資省占地小等優點，能夠進一步提高啤酒廢水的處理效率，因此也具有更高的技術和應用優越性。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

1.氣液分離器；2.集氣管；3.二級三相分離器；4.氣體提升管；5.一級三相分離器；6.泥水回流管；7.進水；8.出水；9.精處理區；10.膨脹床區；11.混合區

圖1 IC反應器構造示意圖[8]

Fig.1 The structure block of IC reactor

本實驗采用的實驗裝置為IC(內循環)厭氧生物制氫反應器，此反應器內部由泥水混合區、污泥膨脹流化床反應區(第一反應室)、精處理區(第二反應室)、內循環系統和出水區五部分組成。圖1所示為本實驗所使用的IC反應器結構[8]。IC反應器的整體制作材質為有機玻璃，內徑為14 cm，總高度為152 cm，反應器總容積為23.1 L，反應區總有效容積為6.4 L，泥水上升管和下降管的直徑均為1.5 cm。反應器頂部裝有布水器，底部設有溢流裝置，中下部設有8個出水閥，便于取樣。

反應器外壁纏繞并固定電熱絲，通過溫控設備保持反應器內溫度為(35±1) ℃[9]。水力停留時間設定為6 h，通過設定蠕動泵的固定流速確保進水的恒定流速。氫氣由第一級三相分離器收集通過濕式氣體流量計測定產生氣體流量。由于產生的氣體通過氣泡對液體產生氣提作用，泥水混合物隨發酵氣體沿氣體上升管上升至反應器頂部的出水區，泥水混合物與發酵氣體分離，發酵氣體被導出反應器，泥水混合物沿回流管返回底部的泥水混合區，與進水混合后進入精處理區(第二反應室)再次反應，由此形成內循環。工藝流程圖見圖2。[2]

1．配水箱； 2.恒流泵；3.溫度探頭；4.溫控儀；5.發酵氣管；6.水封瓶；7.濕式氣體流量計；8.出水

圖2 IC反應系統流程圖[8]

Fig.2 The flow chart of the IC reacting system

1.2 實驗用水

雪花啤酒和葡萄糖配水，COD濃度保持在1～2g·L-1，加入營養液濃度在1mL/L，加入氯化銨和磷酸氫二鉀保持C：N：P為200:5:1，pH值為6.8～7.5。

1.3 營養液微量元素配比

表1 營養液中金屬營養元素的配比[8]

1.4 污泥馴化

采用COD為2 g·L-1的紅糖廢水馴化污泥，并投加一定量的氯化銨和磷酸氫二鉀，確保C：N：P的質量比為500～1000：5：1，間歇曝氣30 d，污泥馴化成熟的標志是其由黑色泥漿狀轉變成黃褐色絮狀顆粒，并且沉降性良好。污泥馴化完畢后放入反應器進行實驗。

1.5 實驗思路

本次實驗以啤酒葡萄糖配水為底物，在1.1中所述條件下運行IC反應器至啟動階段，與丁睿[10]以糖蜜廢水為底物在同等的水力停留時間和溫度等相關條件下運行IC反應器的實驗結果進行對比，以得到啤酒廢水對IC反應器啟動階段各參數變化的影響，從而為改進啤酒廢水的厭氧處理技術提供理論依據。

2 結果與分析

2.1 COD濃度的變化情況

2.1.1 以啤酒葡萄糖廢水為底物的COD變化情況

如圖3所示，是以啤酒廢水為底物的啟動階段COD去除情況。實驗1～6 d內，COD去除率并不穩定，但總體很高，最高達到了68.93%。7～11 d內，COD去除率呈下降趨勢，甚至最后下降到了0%，主要考慮是反應器內揮發酸積累導致微生物的活性受到一定抑制，進而COD去除率降低，第11 d時，進水加堿過多使反應器內部環境失穩，污泥流失，造成出水cod大于進水COD的現象。12～31 d，控制加堿量，COD去除率總體有了較大的回升，但波動性依舊很高，并且對比運行初期總體呈下降趨勢，并趨于30%。由于時間有限，未能運行至穩定階段。

2.1.2 以糖蜜廢水為底物的COD變化情況

如圖4所示，是丁睿所做的以糖蜜(紅糖)廢水啟動IC反應器的COD去除率變化情況[10]。在啟動階段的前14 d內，COD去除率較低，基本維持在15%以下，并且不穩定。此情況主要原因是反應器環境在初期變化強烈不穩定，活性污泥中的微生物適應性差而數量銳減，除此之外，啟動初期污泥的沉降性能也較差，有一定的污泥流失現象。反應器啟動第16 d，經過對進水pH值的調控，微生物對環境的不斷適應，系統的COD去除率迅速上升，最高可達35%左右，并在30 d內的啟動階段基本穩定在32%左右。

圖3 以啤酒廢水為底物的啟動階段COD去除情況

Fig.3 The COD removal rate of treating the wastewater with wine and amylaceum in the commissioning stage

圖4 以糖蜜廢水為底物的COD去除情況[8]

2.1.3 兩種底物的實驗結果對比及分析

首先，可以明顯看出，以啤酒廢水運行反應器的COD去除率變化波動很大，在反應器運行初期總體去除率較高，最高達到了60%以上，可以考慮是底物中有啤酒加入造成的反應器內環境不穩定，其中的根本原因可能是啤酒本身所含有特殊微生物如各類酵母菌等對污泥中的厭氧菌造成的影響，其次是啤酒廢水在初期對于糖蜜廢水馴化下的活性污泥的降解難度較低。運行后期，啤酒廢水的COD去除率總體趨勢下降，略低于糖蜜廢水，推測一可能是啤酒廢水馴化下的微生物的降解有機物能力要弱于糖蜜廢水，推測二是因為啤酒廢水啟動階段整體出水pH值過低(見圖5)，抑制微生物降解有機物的活性，造成COD去除率降低和波動性大以及污泥流失的情況，并根據反應初期的情況推測啤酒廢水馴化的優勢菌種有更優的降解有機物的能力。據大量有關啤酒廢水厭氧處理的微生物群落研究表明，在低負荷條件下甲烷八疊球菌屬( Methanosarcina mazei) 優勢地位比較顯著[11]，判斷此菌種較糖蜜廢水馴化下的優勢菌種具有更優亦或是更差的分解氧化有機物的能力還需進一步的研究。

除此之外，本次啤酒廢水啟動試驗開始于11月份，屬于冬季，據了解，糖蜜廢水的啟動時間可能在夏季，季節的差異也可能對COD去除率變化的大小與速度產生一定影響。

2.2 系統出水pH值的變化情況及對比分析

圖5 啤酒廢水啟動階段出水pH值變化情況

Fig.5 The pH of water out treating the wastewater with wine and amylaceum in the commissioning stage

如圖5和圖6所示，展示了兩個實驗的出水pH值變化情況[10]。以啤酒廢水為底物的反應器啟動階段，出水pH值總體在3.3～4.0之間，系統酸化嚴重，但在實驗后期，出水pH值出現緩慢回升，逐步趨近于4，可能表明微生物對酸的緩釋能力加強。以糖蜜廢水為底物的啟動階段，出水pH值可達到5.24，遠遠高于正常出水pH值的要求，主要考慮是由于運行初期微生物對環境適應性差，活性低，產酸量少。運行第10 d時，系統內的揮發酸積累導致出水pH值下降至3.76，此時系統內的酸性過強會降低菌落的降解能力。在進水中添加NaHCO3使出水pH值達到4.5左右，之后反應器運行狀態穩定，出水pH值也穩定在4.2～4.8內。

以上情況，可能是由于啤酒廢水馴化的微生物產酸作用增強，使第一個實驗的出水pH值平均值低于第二個實驗。并且，底物中加入啤酒，在其微生物的作用下使進水酸化，也是出水pH值降低的主要原因之一。

圖6 以糖蜜廢水為底物的進出水pH值變化情況[10]

Fig.6 The pH of water out treating the molasses wastewater in the commissioning state

3 結論與改進

3.1 啤酒對IC反應器運行啟動階段的影響

(1)COD去除率前期較高，可達到60%以上，后期降低，趨于30%。主要考慮是啤酒廢水馴化下微生物對有機物的降解能力降低，反應器內酸度較高，且啤酒本身所含微生物影響系統不穩定性所致；或推測僅因為反應器揮發酸積累過多抑制微生物活性，而啤酒廢水馴養下微生物的氧化分解能力強于糖蜜廢水。

(2)加強系統內微生物的產酸能力，出水pH值降低。

(3)降低反應器系統的穩定性。可能是由于啤酒廢水中的各類微生物的影響，反應器穩定性差，進而也導致COD去除率在運行后期降低。

3.2 對實驗的改進意見

(1)盛裝進水容器若能設計為封閉容器，可以很大程度改善進水在存放過程中酸化影響系統穩定性進而造成出水pH值降低、COD去除率降低波動大的問題；同時若排除出水pH值過低的原因，也可進一步判斷COD去除率的降低是否與啤酒廢水馴化下的微生物降解能力的優劣直接相關。

(2)若以啤酒與糖類的配水運行反應器，建議先以純糖類配水運行反應器至穩定運行階段，再逐步加入或提高啤酒占比，提升污泥抗不同有機負荷的能力，可能將有效解決反應器系統不穩定、COD變化波動大的問題。

(3)若能以啤酒工廠真正的啤酒廢水作為底物，以工廠產出污泥作為反應器的活性污泥，對啤酒廢水的厭氧處理的理論依據的提供將更加具有現實意義。

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(本文文獻格式：張抒意，劉依林，楊尚樂，等.啤酒廢水對IC反應器啟動階段的影響 [J].山東化工，2017，46(06)：151-154.)

The Influence of Brewery Wastewater on the Commissioning Stage of IC Reactor

ZhangShuyi,LiuYilin,YangShangle,WangYi,HuangYu,LiYongfeng

(Department of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

A internal circulation (IC) reactor uses brewery wastewater (the solution within wine and amylaceum) as fundamental subtracts. The results are compared with the one from another experiment that Ding Rui treated the molasses wastewater(water within only brown sugar) by the same IC reactor under the same condition: the HRT is 6 h and the temperature is 35±1℃, for acquiring a conclusion how wine can influence the commissioning stage of the IC reactor. The results are following:(1) It can raise removal rate of COD in early days and decrease it later, which is more than 60% highest in the initial stage but levels off to about 30%.(2)It can decrease pH of the water going out. (3) It can make the system unstable. And then, according to the above, the last part of article supports some advices on how to improve the experiment.

internal circulation reactor; brewery wastewater; malasses; removal rate of COD; pH of water out

2017-03-07

東北林業大學大學生國家級創新訓練項目(項目編號：201610225011)

張抒意(1996—)，女，遼寧鞍山人，本科生，主要研究方向：水污染控制工程；通訊作者：李永峰(1961—)，教授，研究方向：水污染控制工程與生物能源。

X703

A

1008-021X(2017)06-0151-04