頡亞瑋，年躍剛* ，殷勤，閆海紅，雪梅，辛璐

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

2.中國(guó)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(duì)受納水體造成污染，廢水的排放和造成的環(huán)境污染問(wèn)題已得到有關(guān)部門(mén)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(fù)荷較大，影響了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(guò)40%對(duì)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(duì)生活污水的處理和對(duì)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(yàn)基于已有研究，通過(guò)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(shí)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(duì)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(yàn)工藝按照工廠污水站A/O池設(shè)計(jì)，如圖1所示。整個(gè)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(shí)間為27 h，200%硝化液回流，100%污泥回流。進(jìn)水和硝化液回流由計(jì)量泵控制，污泥回流由蠕動(dòng)泵控制。

圖1 試驗(yàn)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(diǎn)。

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(jìn)行試驗(yàn)。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(diǎn)，經(jīng)IC反應(yīng)器處理后，出水水質(zhì)比車間直接來(lái)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(wèn)題。試驗(yàn)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(cè)指標(biāo)和分析方法

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

2 結(jié)果和分析

為研究填料填充率對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)。參照企業(yè)污水處理廠各運(yùn)行參數(shù)，將水力停留時(shí)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(duì)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(yàn)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(jìn)行微生物馴化，經(jīng)過(guò)7 d的適應(yīng)期后開(kāi)始填充率試驗(yàn)。試驗(yàn)在0，10%，20%和30%填充率下分別進(jìn)行了25，29，31和34 d。4種填充率對(duì)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(shí)，CODCr去除率平均值高于80%。從圖3可以看出，在填充率為10%時(shí)，系統(tǒng)的出水效果很差，原因在于試驗(yàn)進(jìn)行到第7天時(shí)出現(xiàn)了污泥膨脹，SV30一度達(dá)到92%，雖在膨脹初期出水效果較好，但隨著時(shí)間的推移，SS逐漸升高，使出水水質(zhì)變差。經(jīng)過(guò)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(shí)區(qū)別不大。從圖4可以看出，當(dāng)填充率為20%時(shí)，CODCr去除率與填充率為0時(shí)相差不多，但是2個(gè)填充率下系統(tǒng)所受的CODCr沖擊負(fù)荷和劇烈程度之間有很大的差別。填充率為0時(shí)(圖2)，雖然系統(tǒng)的進(jìn)水CODCr容積負(fù)荷變化范圍很大，但其日均波動(dòng)較緩，CODCr的日均變化只有70 mg/L左右，正是這種變化特點(diǎn)給微生物提供了適應(yīng)的時(shí)間，可以抵抗負(fù)荷沖擊;當(dāng)填充率為20%時(shí)(圖4)，進(jìn)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(shí)相鄰2天的變化值超過(guò)600 mg/L，而且波動(dòng)頻繁，雖進(jìn)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(shí)(圖5)，進(jìn)水CODCr的日變化仍然很大，進(jìn)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(guò)進(jìn)水CODCr的94%，系統(tǒng)沒(méi)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(duì)系統(tǒng)抗沖擊能力有所改善，分析其原因在于附著生長(zhǎng)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(fù)荷，減輕了后續(xù)活性污泥池的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。但由于只在第1個(gè)池內(nèi)投加填料，附著生物量有限，對(duì)CODCr的絕對(duì)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(shí)系統(tǒng)對(duì)NH4+-N有較好的去除效果［9］。在試驗(yàn)的4種填充率下，系統(tǒng)對(duì)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(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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(shí)，NH4+-N平均去除率分別為62%，73%，89%和91.6%。說(shuō)明填料投加對(duì)系統(tǒng)NH4+-N去除的影響比較大，雖然NH4+-N負(fù)荷沖擊較大，但填料投加后仍然對(duì)其有較穩(wěn)定的去除效果。其原因?yàn)?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(shí)間較長(zhǎng)的硝化細(xì)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(duì)于未投加填料的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，硝化菌的數(shù)量較多，強(qiáng)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(fù)荷逐漸下降，從而提高了系統(tǒng)硝化能力。2)試驗(yàn)的特點(diǎn)在于只向第1個(gè)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(diǎn)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(fù)荷，有研究表明，隨著CODCr/NH4+-N的增加，會(huì)使氨化菌和亞硝酸鹽氧化菌在整個(gè)生物膜中所占比例下降，造成NH4+-N 去除率的下降［11］。CODCr負(fù)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(zhǎng)的硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，提高NH4+-N的去除效果。

圖6 填充率為0時(shí)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(yàn)初期和填充率為10%的一段時(shí)間內(nèi)出水NH4+-N濃度高于進(jìn)水，分析其原因認(rèn)為，填充率為0的試驗(yàn)初期微生物處于適應(yīng)階段，世代時(shí)間較短的氨化細(xì)菌優(yōu)先開(kāi)始生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)菌群，而世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌沒(méi)有大量出現(xiàn)，因此造成NH4+-N的積累，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，硝化細(xì)菌開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸成為優(yōu)勢(shì)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(duì)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(zhǎng)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(huì)使TN的去除率增大［13-15］。由于試驗(yàn)條件所限，TN的測(cè)定為3天進(jìn)行1次，4種填充率對(duì)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(méi)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(duì)TN的平均去除率差別不大，在50%左右，沒(méi)有明顯的改變。結(jié)果表明，對(duì)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(yàn)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(shí)，試驗(yàn)進(jìn)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(shí)，處理后的出水CODCr仍然較低，甚至出水SS比未發(fā)生膨脹時(shí)還低，其原因?yàn)?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(shí)對(duì)上清液起到進(jìn)一步過(guò)濾作用，捕捉水中細(xì)小的懸浮顆粒，并吸附截留水中的游離細(xì)菌［16］;2)絲狀菌自身具有較高的降解低濃度有機(jī)物的能力［17］。隨后SVI幾乎成直線增長(zhǎng)，最高時(shí)達(dá)到了700 mL/g，與此同時(shí)，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(guò)高或過(guò)低，負(fù)荷異常，營(yíng)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(yàn)污泥膨脹的原因可能是溶解氧過(guò)高，試驗(yàn)中溶解氧平均達(dá)到了4 mg/L，通過(guò)增大進(jìn)水量，提高負(fù)荷，減小曝氣，排泥等措施控制了污泥膨脹，同時(shí)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(shí)也是載體上生物膜生長(zhǎng)最快時(shí)，一般填料掛膜需要14～16 d［19-21］，但試驗(yàn)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(fù)荷能力，且隨著填料填充率的增大，抗沖擊能力增強(qiáng)。在進(jìn)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(guò)進(jìn)水CODCr的94%時(shí)，仍能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保證出水質(zhì)量。

(2)由于載體為生長(zhǎng)慢、世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌提供了生長(zhǎng)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(qiáng)化系統(tǒng)的硝化能力，更徹底地去除NH4+-N。

(3)在試驗(yàn)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(méi)有得到明顯改善。

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

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