王金玉

（帕克環(huán)保技術(shù)（上海）有限公司， 上海 201319）

生物制藥指利用微生物、 寄生蟲、 生物組織等，采用現(xiàn)代生物技術(shù)方法（主要是基因工程技術(shù)）生產(chǎn)治療、 診斷等用途的多肽和蛋白質(zhì)類藥物、 疫苗等藥品的過程［1］。 其生產(chǎn)廢水中含有高濃度的有機(jī)污染物， 并且可能還含有一定濃度的毒性及難降解物質(zhì)。 對于高濃有機(jī)廢水的處理， 近年來的研究與應(yīng)用發(fā)展主要集中在厭氧生物處理技術(shù)， 但傳統(tǒng)厭氧生物工藝在處理生物制藥廢水中存在一些問題， 例如： UASB 反應(yīng)器存在容積負(fù)荷較低， 污泥易流失， 抗沖擊負(fù)荷能力弱等缺點； 兩相厭氧工藝流程復(fù)雜， 工藝運行參數(shù)難以精確控制， 基建投資高。

內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器是新一代高效厭氧反應(yīng)器， 其主要特點為容積負(fù)荷率高， 其進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為普通UASB 反應(yīng)器的3 倍左右； 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)； 出水穩(wěn)定性好， 可處理一定濃度含毒性物質(zhì)廢水等［2］。 自1996 年第1 臺生產(chǎn)性IC 反應(yīng)器被引入國內(nèi)后［3］， 經(jīng)過多年發(fā)展， 現(xiàn)已在造紙、 啤酒、 淀粉、 檸檬酸、 味精等高濃度廢水處理工程中得到成功應(yīng)用。 2020 年， 生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《國家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄（水污染防治領(lǐng)域）》， “高濃度有機(jī)廢水內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術(shù)”作為推廣技術(shù)入選其中。為進(jìn)一步探索IC 反應(yīng)器在高濃度工業(yè)有機(jī)廢水處理工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力， 采用IC 反應(yīng)器對生物制藥廢水進(jìn)行處理， 運行期間考察了反應(yīng)器內(nèi)COD去除率、 VFA 濃度及沼氣產(chǎn)量的變化趨勢， 以期為該類廢水處理工程的設(shè)計及生產(chǎn)運行提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

IC 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示， 直徑為10 m，高度為25.5 m， 有效容積為1 970 m3， 反應(yīng)器內(nèi)沿高度方向設(shè)置6 個取樣口， 分別為1.5、 3、 5、 8、11、 15 m 處。 反應(yīng)器由5 部分組成： 布水區(qū)、 低部位反應(yīng)區(qū)、 高部位反應(yīng)區(qū)、 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)及出水溢流區(qū)。 其中， 作為反應(yīng)器核心部件的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，由一級分離器上升管、 下降管及氣液分離器組成。反應(yīng)器在35 ℃的中溫條件下運行， 廢水泵送至反應(yīng)器底部， 依次經(jīng)過低部位反應(yīng)區(qū)、 高部位反應(yīng)區(qū)， 最終從頂部出水溢流堰流出。 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的沼氣通過氣液分離器分離并由熱式流量計計量。

圖1 IC 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Structure of IC reactor

1.2 廢水水質(zhì)

試驗用水為某生物制藥公司的生產(chǎn)廢水， 由工藝廢水蒸餾水、 設(shè)備沖洗廢水混合而成。 混合廢水COD 及氨氮濃度高， m（BOD5）／m（COD）比在0.5 左右。 具體水質(zhì)如表1 所示。

表1 廢水水質(zhì)Tab. 1 Wastewater quality

1.3 接種污泥

反應(yīng)器啟動用的種泥購買自某淀粉糖生產(chǎn)廠，為厭氧系統(tǒng)內(nèi)活性污泥， 其含水率在80% 左右。反應(yīng)器內(nèi)共接種400 m3污泥， 污泥質(zhì)量濃度約為78.6 g［VSS］／L。 接種完畢后， 開始向反應(yīng)器內(nèi)加入低濃度的廠區(qū)生活污水， 運行7 d 后， 測得反應(yīng)器內(nèi)VSS 質(zhì)量為30 685 kg。

1.4 試驗方法

通過調(diào)節(jié)IC 反應(yīng)器的進(jìn)水量來控制IC 反應(yīng)器的處理負(fù)荷， 在保證IC 反應(yīng)器出水COD 去除率高于80% 的前提下， 每7 d 為1 個周期， 并以20%的幅度提升IC 反應(yīng)器的負(fù)荷， 試驗總歷時為50 d。進(jìn)水啟動初期反應(yīng)器需采用較低的污泥負(fù)荷， 負(fù)荷范圍在0.02 ～0.20 kg［COD］／（kg［VSS］·d）［4］， 由于生物制藥廢水中可能存在一定濃度的毒性物質(zhì)， 故以0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）的初始污泥負(fù)荷啟動反應(yīng)器， 如1.3 節(jié)所述， 反應(yīng)器內(nèi)VSS 總質(zhì)量為30 685 kg， 因此起始進(jìn)水容積負(fù)荷為1.60 kg［COD］／（m3·d）， 即進(jìn)料負(fù)荷為3 068.5 kg［COD］／d。

1.5 分析方法

COD 采用重鉻酸鉀消解法， VFA 采用酸堿滴定法， 懸浮物濃度及污泥濃度采用重量法， 污泥粒徑分布采用篩分法［5］， IC 反應(yīng)器進(jìn)水量采用電磁流量計計量， 沼氣產(chǎn)量采用熱式流量計計量。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器啟動及其對COD 的去除效果

從IC 反應(yīng)器進(jìn)水啟動至負(fù)荷提升結(jié)束， 總共歷時50 d。 起始進(jìn)水容積負(fù)荷為1.60 kg［COD］／（m3·d）， 采用連續(xù)進(jìn)水方式， 將原廢水的pH 值調(diào)節(jié)至5 ～6。 由于接種了足量的污泥， 反應(yīng)器內(nèi)污泥負(fù)荷較小， 為0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）。 故反應(yīng)器啟動初期即表現(xiàn)出良好的COD 去除效果。隨后提高進(jìn)料負(fù)荷。

啟動及負(fù)荷提升過程中， 反應(yīng)器進(jìn)出水COD濃度、 COD 去除率及容積負(fù)荷的變化趨勢如圖2和圖3 所示。 由圖2 可知， 進(jìn)水COD 的質(zhì)量濃度為7 000 ～12 000 mg／L， 出水COD 質(zhì)量濃度為500 ～750 mg／L， COD 去 除 率 在90% 以 上， 最 高 達(dá) 到94.6%。 反應(yīng)器運行平穩(wěn)， 出水COD 濃度沒有出現(xiàn)較大的波動。

圖2 進(jìn)出水COD 濃度及去除率情況Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

圖3 COD 進(jìn)料負(fù)荷及去除負(fù)荷變化Fig. 3 Changes of COD feeding load and removal load

從COD 的進(jìn)料負(fù)荷和去除負(fù)荷看， 在反應(yīng)器運行第45 天時， COD 進(jìn)料負(fù)荷和去除負(fù)荷達(dá)到最大， 分別為6.3 和6.1 kg／（m3·d）， 折合COD 去除量為11 850 kg／d。

2.2 反應(yīng)器VFA 濃度與pH 值變化

為控制負(fù)荷提升幅度， 保證反應(yīng)器平穩(wěn)運行，連續(xù)測試了啟動期間反應(yīng)器內(nèi)VFA 的變化情況， 結(jié)果如圖4 所示。 進(jìn)水VFA 質(zhì)量濃度為1 400 ～2 200 mg／L， 出水VFA 最高質(zhì)量濃度為347 mg／L， 最低時低于200 mg／L。 反應(yīng)器內(nèi)的揮發(fā)酸沒有積累， 說明IC 反應(yīng)器運行良好， 沒有因進(jìn)料負(fù)荷的提高而形成酸化的趨勢。 由圖4 還可以看出， 反應(yīng)器出水pH值較平穩(wěn)， 并且出水pH 值一直高于進(jìn)水pH 值。 分析其原因主要有兩方面， 一方面是IC 反應(yīng)器對COD 的高效去除可以向廢水中返還大量的堿度［6］，另一方面得益于IC 反應(yīng)器的高效內(nèi)循環(huán)作用， 使得進(jìn)水在反應(yīng)器內(nèi)得到稀釋和緩沖。

圖4 VFA 濃度及pH 值變化Fig. 4 Changes of VFA concentration and pH value

2.3 沼氣產(chǎn)量

厭氧生物處理廢水過程中， 90% 以上的COD最終被微生物轉(zhuǎn)化為沼氣［7］， 并且沼氣產(chǎn)量與COD去除量之間存在一定的比例關(guān)系［8］， 圖5 顯示了IC反應(yīng)器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關(guān)系。 反應(yīng)器運行期間從整體變化規(guī)律上看， 隨著COD 去除量的增加， 沼氣產(chǎn)量在逐漸增大， 并且COD 去除量和沼氣產(chǎn)量之間存在比較明顯的比例關(guān)聯(lián)性。 沼氣產(chǎn)量與COD 去除量的比值稱為沼氣比產(chǎn)氣率， 運行階段實測沼氣比產(chǎn)氣率在0.42 ～0.55 之間， 該值符合理論預(yù)期［9］。

圖5 反應(yīng)器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between COD removal and biogas output

2.4 反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的粒徑變化

歷時50 d 的運行， IC 反應(yīng)器污泥顆粒粒徑變化趨勢如表2 所示。 隨著進(jìn)水負(fù)荷的逐漸增加， 反應(yīng)器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸增大， 0.5 mm 以下顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸減少，污泥顆?；M(jìn)程較明顯， 這可能是反應(yīng)器內(nèi)較高的上升流速及適宜的代謝負(fù)荷促進(jìn)微生物凝聚成團(tuán)等所致。

表2 顆粒污泥粒徑分布Tab. 2 Granular sludge particle size distribution

3 結(jié)論

經(jīng)過50 d 的啟動和運行， IC 反應(yīng)器對COD 的去除率高于90%， COD 去除量及容積負(fù)荷分別達(dá)到11 850 kg／d 和6.1 kg／（m3·d）。 反應(yīng)器內(nèi)VFA 濃度變化很小， 出水pH 值保持穩(wěn)定。 隨著COD 去除量的上升， IC 反應(yīng)器的沼氣產(chǎn)量逐漸增大， 并且沼氣產(chǎn)量符合理論預(yù)期。 IC 反應(yīng)器運行期間，污泥顆?；M(jìn)程明顯， 反應(yīng)器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥占比逐漸增加。 在實際工程中， IC反應(yīng)器能夠穩(wěn)定高效地處理生物制藥廢水。