发酵高浓度有机废水生物处理实践探索_李荣祎.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11发酵高浓度有机废水生物处理实践探索李荣祎（核工业甘肃矿冶局，甘肃 兰州 730030）【摘要】为解决发酵有机废水处理过程中活性污泥洗出、膨化，有机负荷处理效率低下等问题，对厌氧+好氧工艺进行了研究，分析了影响有机负荷处理效率的主要原因，提出了相应的对策措施，以期为相关人员提供参考。【关键词】有机废水；活性污泥；厌氧；好氧【中图分类号】X703.1【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0025-030引言近年来，我国发酵行业环境治理致力于资源节约利用与发展循环经济并举，已经走上了一条清洁生产与环境友好的高质量发展之路。发酵行业产生的高浓度有机废水，如淀粉、有机酸、味精、酶制剂、酵母等废水，因其具有良好的可降解性和低毒性，采用生物技术处理是理想的选择。1处理工艺简介1.1工艺路线典型有机废水处理工艺流程如图 1 所示。1.2技术简介在生物处理过程中，废水中有机物被微生物菌群（活性污泥）转化，从而实现废物资源化和达标排放目标。在厌氧处理阶段，有机负荷（以 COD 表示）被硝化细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等微生物菌群代谢1，大部分 COD 被转化为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和水（H2O），少部分用于微生物自身生长繁殖。在好氧生物处理阶段，经厌氧处理剩余的有机物被微生物氧化为 CO2和 H2O。同时以 NH4+N 为主的氮经过硝化、反硝化作用，完成脱氮。其余大部分能量被微生物利用，自身大量繁殖形成污泥。无论从技术角度还是经济角度，厌氧加好氧处理工艺都是一种强有力的互补组合。厌氧技术对氮、磷的去除缺陷被好氧工艺弥补，相对于好氧，厌氧工艺可减少能源消耗，将大量的有机物转化为能源（沼气），减少污泥的产量。1.3生化处理条件有机废水生物处理的关键因素主要包括：生化反应器选择与工艺参数优化、微生物营养条件、微生物菌群的适应性等。1.3.1厌氧工艺厌氧设备主要包括 UASB（上流式厌氧污泥床）反应器、IC（内循环）反应器2。当进水负荷为 6 00020 000 mg/L 时，运行良好的 UASB 反应器处理负荷在 57 kg COD/（m3 d）。先进的 IC 厌氧塔处理负荷能达到 2030 kg COD/（m3 d），沼气产率达 0.50.55 m3/kg COD/d，有机转化率在 85%以上。厌氧是去除 COD 的主要方式。由于 IC 厌氧塔处理效率高、进水负荷高、先进的结构设计，形成了良好的内部循环，因耐负荷冲击强、投资省、占地面积小、容易形成颗粒污泥、有机物去除效率高等优势而被广泛推广使用。厌氧技术的成败关键在于环境因素和工艺设计，其中重要的环境因素包括温度、pH、微生物所需营养和废水特征等。（1）温度。温度是影响微生物生长和有机物转化的关键因素。IC 厌氧塔通常进水温度控制在 3540。低于 30 或高于 40 时会对产生沼气造成严重影响；35 左右时，生物活性维持在稳定状态中。图1典型有机废水处理工艺流程节能环保25DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.001LOW CARBON WORLD 2022/11（2）pH。生物反应器进水 pH 以 77.5 为佳。（3）钙离子。Ca2+对生物反应有较大的影响，当废水中 Ca2+浓度较高时，会造成 CaCO3沉积，导致管路堵塞，反应器下部沉积堵塞，所以，应尽可能减少进水 Ca2+。Ca2+浓度在 4050 mg/L 时，对污泥的颗粒化有益；PO43-5 mg/L 时，有利于防止钙的沉淀。（4）硫化物。一些发酵有机废水中含有 SO42-、SO32-，在转化为 H2S 时，会产生异味，同时抑制甲烷菌的代谢，降低污泥的生物活性，降低 COD 的转化率和沼气的质量。因此，需控制进水的 SO42-、SO32-，使之浓度小于 150 mg/L。可通过预酸化使 COD/SO32-控制在10:1。如 SO42-、SO32-浓度过高，也可通过提高进水 pH来降低影响。1.3.2有机废水营养控制营养是微生物生长代谢的前提条件。发酵有机废水中存在大量的 C 源，不同的废水来源，N、P 各不相同。根据微生物生长特性，微生物生长所需的 N、P，可根据总固体中 10%12%的 N、2%的 P 计算；微生物的生长量以 0.15 kg TS/kg COD 计算。厌氧塔进水 COD:N:P=500:5:1，好氧池进水 COD:N:P=100:5:1。1.3.3活性污泥保持活性污泥的生物量和活性是有机废水处理的核心因素之一，在 IC 厌氧塔中，维持良好的污泥负荷、水力负荷即可形成良好的内循环，从而形成好的颗粒污泥，以维持较高的有机物转化率和稳定性。在 IC 厌氧塔中，厌氧活性污泥培养的主要目的是保证厌氧硝化所需的产甲烷菌和产酸细菌达到平衡，且有机物被微生物不断转化为沼气。产生的颗粒污泥脱水干化后可作为污水处理厂接种污泥进行销售。1.3.4好氧工艺好氧处理通常采用氧化沟、传统活性污泥法、序批式活性污泥法等工艺。爆气方式采用高效爆气管爆气工艺、表爆机爆气工艺等。运行良好的好氧设施BOD5和悬浮固体、NH4+N 等去除效率在 85%以上。好氧处理过程中，容易产生大量的活性污泥，给后续处理带来较大成本压力。在一定浓度底物有机废水中，好氧污泥的产生量取决于污泥的负荷率，在高负荷下，更多有机物转化为活性污泥，但由于剩余的污泥需要另行处理，增加了处理成本，所以好氧工艺应尽量控制污泥的产量，运行设计以低负荷为主。实践证明：增加好氧污泥的颗粒度，可有效提高污水处理效率，减少污泥量。2运行与管理2.1预处理预处理设施通常包括集水井、初沉池、冷却塔、调节池等，废水先经过格栅等除去机械杂物、纤维等，再经过冷却塔降温，调节进水水质及水量波动，同时对进水 pH、营养物质等进行调整，以满足工业条件。由于油、脂肪、油脂等会对处理效果造成不利影响，必须防止其进入。2.2 IC厌氧塔启动与运行在 IC 厌氧塔内，高浓度的有机废水中有大量COD 被微生物转化为沼气，沼气通过气液分离设施进入沼气处理系统作为燃料利用。厌氧反应器出水经反应器顶部溢流，进入好氧工序，同时产生少量活性污泥（约为 COD 总量的 2%）。在厌氧塔接入适量适应性强的活性污泥是必要前提，颗粒污泥的接种量，按 IC 厌氧塔容积的 40%50%计算（不超过 IC 反应器下层三相分离器 1 m处）。考虑到污泥来源、运输距离、颗粒污泥采购成本，也可少量接种，逐步培养驯化启动。成熟的污泥呈深灰色到黑色，具有无 H2S 臭味、沉降性能好、易脱水和干化等特征。活性污泥最好选用同类型废水处理条件的污水处理厂厌氧污泥，此类污泥适应性强，能够快速启动。如不具备上述条件，可就近选用城市污水处理厂中的厌氧污泥逐步驯化，其往往周期较长，为 26 个月。在启动过程中，污泥负荷、进水负荷按照设计的正常运行负荷先减量运行，然后逐步增加到正常工况负荷。决定运行负荷是否提高的判断标准如下：当出水挥发性脂肪酸（volatile fatty acid,VFA）5 meq/L、pH6.5、沼气产量与计算当量相当、未发生污泥被洗出现象时，可按 10%的污泥负荷逐步提高运行负荷。当出水 VFA10 meq/L、pH6.3 时，则需降低水力负荷。在正常运行阶段，水力负荷、污泥负荷变化应尽可能小，进水量及有机负荷相对保持平稳。通过定期检测 VFA、pH、污泥颗粒度、沉降性、污泥量等，及时发现问题，以保持良好的运行工况。2.3好氧池运行高浓度有机废水厌氧处理后，经好氧活性污泥进一步处理，可去除微生物降解的有机污染物，同时完成脱氮除磷。由于在反应过程中微生物不断增值，为保持适量的活性污泥，需将多余的污泥排出。好氧工艺主要控制参数如表 1 所示。污泥负荷在污泥增长的不同阶段有所不同。一节能环保26LOW CARBON WORLD 2022/11般情况下，好氧污泥负荷在 0.30.5 kg BOD/kg TS/d。污泥体积指数 SVI 在 80150 mL/g 时，污泥的吸附性和沉降性能比较好；若 SVI 值过低，则意味着活性污泥的活性不足，可能带来营养缺失；若 SVI 值过高，可能发生污泥膨胀3，沉降性能变差，易造成污泥流失，从而影响出水质量。3常见问题与处置3.1厌氧活性污泥洗出（1）常见原因。进水含较高的油、脂类物质，会在活性污泥表面形成包裹层，从而使污水中的营养物质难以排出，造成污泥颗粒破裂；进水负荷发生变化，有机负荷、水力负荷过高；IC 厌氧塔内循环管下降管路堵塞，因盐类物质沉降污泥变重，内循环流化床“泥罩”下阻力过大，引起分离器液位上升；反应器长时间低负荷运行，引起反应器喷嘴流体流速降低等。（2）对策。污水中有机负荷是影响污泥颗粒形成的主要因素，高浓度负荷的有机废水，有利于污泥量的增加、颗粒的形成、有机物的降低和沼气的产生。但是，如果有机负荷过高，则会导致产甲烷菌和酸化反应不平衡。因此，需要通过预处理确保进水条件满足工艺要求，还需要调整进水负荷和反应器布水方式，以保证进水喷嘴水压和流速4。3.2好氧活性污泥膨化（1）常见诱发因素。理想条件下，好氧生化处理过程中丝状菌丝和胶团菌处于一种竞合平衡状态。一方面，丝状菌丝对污泥颗粒的形成起主要作用，存在一定的丝状菌丝能很好地保护污泥絮体已形成的稳定结构并增加其强度。但丝状菌丝又是引发污泥膨胀的主要原因，在膨胀诱因影响下，丝状菌丝大量增殖，挤占了胶团菌的空间，破坏了絮凝体的稳定性。另外，废水低营养、进水波动、pH 过低、温度过低等同样也是导致污泥膨化的原因。温度低于 22 时，污泥膨胀加重，应注意冬季保温。（2）丝状污泥引发膨胀的控制方法主要有以下3 种：加入消毒剂，如过氧化氢、漂白粉。调整pH，使VFA 逐步恢复至正常值（60100 meq/L）。加入絮凝剂，如铁盐、铝盐。3.3超负荷运行导致产沼气活性下降超负荷运行往往造成污泥和出水 pH 下降、VFA积累、出水中 VFA 上升、产沼气量先升后降、污泥被洗出等问题。对策措施：减少进水的水量以降低 COD 负荷。如污泥 pH 偏低，可暂时提高进水的 pH，使VFA 恢复至 1015 meq/L；如污泥量不足，可提高污泥量。如果工艺系统紊乱，在排除影响因素后，可采用添加储备厌氧活性污泥的方式，快速恢复系统的正常工艺水平。3.4污泥生长不充分（1）常见原因。微量营养元素限制、IC 厌氧塔进水预酸化程度不高、污泥负荷率太低、颗粒污泥被冲出、悬浮物附带冲出、颗粒污泥解体等。（2）处理方法。可根据分析结果投加微量元素或营养物质，特别是磷元素必须充足；适当排泥，提高污泥负荷率等。3.5污泥腐化在生物处理工艺后端，二沉池可能由于污泥长时间滞留而进行厌氧发酵产生气体，从而使污泥产生大量上浮现象，污泥腐败变黑5-6，产生恶臭。防治方法：定期消除沉降死角，定期排泥，及时开启刮泥机清除浮渣。4结语目前，厌氧颗粒污泥主要用于高浓度有机废水处理，对废水温度要求高，用于生活污水等低浓度有机废水处理效果不佳；同时其脱氮脱磷效果差，仍需进一步研究颗粒活性污泥的形成机制及除污机制。通过菌种的不断选育驯化，培养出适应性更强的菌种，以增强脱氮脱磷功能，提升吸附性能，在重金属离子去除等方面发挥更大的功效，从而提高其在其他废水处理中上的应用效率。参考文献1 黄永.硫酸铜沉淀法+化学氧化法处理甲基硫菌灵废水的研究D.南昌：南昌大学，2016.2 程晓波.厌氧颗粒污泥的性质及其在污水处理中的应用J.中国市政工程，2010（2）：44-46，80.3 韩学滨.核桃乳生产废水处理工艺设计及运行控制研究D.石家庄：河北科技大学，2015.4 吴明燕，王守银，郭春霞.IC 反应器在高浓度有机废水处理中的应用J.氮肥技术，2009，30（5）：49-51.5 朱仁毅.Orbal 氧化沟工艺运行简析：明光市污水厂运行控制特点J.安徽建筑，2009，16（5）：134-136，154.6 刘沙.不同添加物促进厌氧污泥颗粒化的试验研究D.徐州：中国矿业大学，2019.作者简介：李荣祎（19