大蒜切片廢水處理的組合工藝實(shí)驗(yàn)研究

趙大傳，劉璨，王偉

(1.山東大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100; 2.山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 環(huán)境評(píng)估第三研究所，山東 濟(jì)南 250100)

大蒜切片后清洗浸泡過(guò)程產(chǎn)生大量廢水，其COD濃度高.大蒜中的大蒜辣素和大蒜新素具有強(qiáng)烈的抑制細(xì)菌和真菌的能力[1-2]，使得該廢水可生化性差，屬于較難降解的有機(jī)廢水[3]，其處理成本較高，大部分企業(yè)直接稀釋排放，對(duì)水環(huán)境影響較大.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大蒜的研究主要針對(duì)其在醫(yī)學(xué)保健上的價(jià)值[4-5]，鮮有關(guān)于大蒜切片廢水處理的研究報(bào)道.

目前，填料ABR是在ABR反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)填料，以截流更多的生物量，提高ABR反應(yīng)器的容積負(fù)荷[6]，在處理高濃度難降解有機(jī)廢水方面比普通ABR具有更高的效率；活性污泥法的特點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，處理效果較好[7]，作為厭氧工藝的后續(xù)處理工藝，出水水質(zhì)良好且運(yùn)行穩(wěn)定[8]；利用水生植物凈化水質(zhì)具有較好的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[9].本試驗(yàn)研究填料ABR-活性污泥-水生植物的組合工藝對(duì)大蒜切片廢水的處理效果，考察處理大蒜切片廢水的運(yùn)行特性，以及不同運(yùn)行條件對(duì)其處理效果的影響，旨在探討該組合工藝處理大蒜切片廢水的可行性，為廢水的實(shí)際處理提供工藝參數(shù)和技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1廢水來(lái)源與水質(zhì)大蒜切片廢水取自山東聊城某大蒜加工廠，各水質(zhì)指標(biāo)如下：COD為7 400～8 600 mg/L，BOD5為2 500～3 200 mg/L，NH3-N為120～150 mg/L.pH為5.72～6.88，廢水有較濃的蒜辣味.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作，ABR反應(yīng)器為等體積6個(gè)格室，有效容積為16.5 L，在中間的4個(gè)格室懸掛彈性立體填料(直徑60 mm，比表面積123.2 m2/m3，容積負(fù)荷COD 2.5 kg /(m3·d)，孔隙率約90%)，水浴溫度控制在(35±0.5) ℃.曝氣池總有效體積為10.0 L.具體流程見(jiàn)圖1.

1.3實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行填料ABR與活性污泥反應(yīng)器的啟動(dòng)與污泥馴化.由于大蒜廢水具有一定的殺菌性，填料ABR采用低負(fù)荷啟動(dòng)方式[10]，啟動(dòng)初期，控制進(jìn)水COD 為500 mg/L，并添加營(yíng)養(yǎng)鹽，HRT控制在48 h.當(dāng)COD 去除率達(dá)到80%左右時(shí)，保持HRT為48 h不變，改變進(jìn)水濃度，每次遞增500 mg/L左右.經(jīng)過(guò)7周的培養(yǎng)，COD濃度增加到3 000 mg/L，產(chǎn)氣效果明顯，去除率穩(wěn)定保持在90%左右，出水已無(wú)蒜味，ABR啟動(dòng)成功.活性污泥法實(shí)驗(yàn)污泥的培養(yǎng)方式為采用COD為300 mg/L的大蒜廢水將大約MLSS 2 g /L種泥培養(yǎng)馴化15 d，以此污泥作為實(shí)驗(yàn)用泥.水生植物選擇燈心草、蘆葦及鳳眼蓮，植于容器內(nèi)生長(zhǎng).

啟動(dòng)成功后進(jìn)行填料ABR單元、活性污泥法單元和水生植物單元的獨(dú)立運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以確定反應(yīng)的最佳水力停留時(shí)間和容積負(fù)荷，并分別考察其在最佳條件下各自處理廢水的效果.后期進(jìn)行了組合工藝試驗(yàn)，主要考察各反應(yīng)器在最佳條件下對(duì)廢水的處理效果.

1.4分析方法pH值測(cè)定采用pHS-25酸度計(jì)，COD、BOD和NH3-N測(cè)定分別采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)、稀釋接種法(GB7488-87)和鈉氏試劑比色法(GB7479-87)[11].

2 結(jié)果與討論

2.1 填料ABR單元獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn)

圖2 不同HRT下填料ABR去除效果

2.1.1 HRT對(duì)填料ABR單元的影響 保持進(jìn)水濃度不變(COD濃度為3 000 mg/L)，逐漸將HRT由48 h減少到8 h(即進(jìn)水水量從8.2 L/d 提高到49.5 L/ d 左右)，考察了不同HRT對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行性能的影響(圖2).

由圖2可知，當(dāng)HRT由8 h增加到20 h時(shí)，COD去除率增幅較快，HRT 為20 h時(shí)，COD去除效率達(dá)92.4%，這說(shuō)明水力停留時(shí)間是影響填料ABR 單元處理大蒜切片廢水的重要因素.因HRT 越長(zhǎng)，甲烷化程度越高[12]，所以HRT由20 h繼續(xù)增加時(shí)，COD的去除效率仍有提高，但增幅明顯變緩.考慮到處理成本等因素，對(duì)于該廢水填料ABR的HRT 選擇20 h 為宜.

圖3 不同有機(jī)負(fù)荷下填料ABR去除效果

2.1.2 有機(jī)負(fù)荷對(duì)填料ABR單元的影響 保持HRT在20 h左右，逐步提高進(jìn)水濃度，考察有機(jī)負(fù)荷對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行性能的影響(圖3).

由圖3可知，填料ABR 反應(yīng)器在有機(jī)負(fù)荷從COD 4.2 kg /(m3·d)提高到10.8 kg/(m3·d)時(shí)，即進(jìn)水濃度從3 500 mg/L 提高到9 000 mg/L，COD 去除率隨有機(jī)負(fù)荷的增加而下降，變化范圍為96.9%～44.0%.當(dāng)有機(jī)負(fù)荷保持在COD 4.2～7.8 kg /(m3·d)之間時(shí)，填料ABR 的COD 去除率能保持在92.1%以上，說(shuō)明填料ABR反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力.當(dāng)有機(jī)負(fù)荷大于COD 9.0 kg /(m3·d)時(shí)，COD去除率迅速下降，主要表現(xiàn)為污泥流失嚴(yán)重，原因主要是隨著大蒜辣素和大蒜新素濃度增加，其殺菌、抑制微生物生長(zhǎng)的作用較明顯，致使填料ABR單元中微生物不能正常生長(zhǎng).因此填料ABR單元適合于處理有機(jī)負(fù)荷小于COD 7.8 kg /(m3·d)的大蒜切片廢水.

2.1.3 填料ABR單元獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn) 填料ABR在最佳HRT和有機(jī)負(fù)荷條件下，即HRT為20 h，有機(jī)負(fù)荷為COD 7.8 kg /(m3·d)，水浴溫度35 ℃時(shí)，運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 最佳條件下填料ABR穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，填料ABR單元在最佳HRT和有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，COD和BOD的去除率分別穩(wěn)定在92.5%和87.0%左右，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行期間出水水質(zhì)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大波動(dòng).COD和BOD的去除效率均較高，并且B/C由進(jìn)水時(shí)的0.31～0.35提高到出水時(shí)的0.52～0.57，提高了廢水的可生化性，有利于后續(xù)好氧處理.

2.2活性污泥法單元獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn)

2.2.1 HRT對(duì)活性污泥法單元的影響 保持進(jìn)水濃度COD為300 mg/L不變，曝氣量為3 m3/min，將HRT由20 h減小到6 h，考察不同HRT對(duì)反應(yīng)器性能的影響(圖5).

圖5 不同HRT下活性污泥法的去除效果

圖6 不同有機(jī)負(fù)荷下活性污泥法的去除效果

圖7 活性污泥法獨(dú)立運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同HRT下水生植物的去除效果

從圖5可以看出，隨著HRT的增加，活性污泥法單元對(duì)COD的去除效率增大.當(dāng)HRT為12 h，COD的去除率達(dá)70.1%，當(dāng)HRT由12 h增加至20 h過(guò)程中，COD的去除率增長(zhǎng)緩慢.考慮到HRT越大，必定會(huì)增加基建投資，此時(shí)沒(méi)有必要再通過(guò)增加HRT方式來(lái)獲得更高的COD去除率.因此認(rèn)為12 h為活性污泥法的最佳水力停留時(shí)間.

2.2.2 有機(jī)負(fù)荷對(duì)活性污泥法的影響 保持HRT為12 h不變，改變進(jìn)水濃度(從300 mg/L增至1 000 mg/L)，考察有機(jī)負(fù)荷對(duì)反應(yīng)器性能的影響(圖6).從圖6可知，有機(jī)負(fù)荷為COD 1.0 kg /m3·d時(shí)(即COD濃度為500 mg/L)，COD的去除效率最高，達(dá)80.7%.有機(jī)負(fù)荷過(guò)低，微生物生長(zhǎng)速度下降，導(dǎo)致COD的處理效率降低；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為COD 1.6 kg /(m3·d)時(shí)，COD出水濃度較高，去除效率低于57%；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷繼續(xù)增加時(shí)，COD去除效率下降迅速.因此，活性污泥法適宜的有機(jī)負(fù)荷為COD 0.8～1.2 kg /(m3·d)，本實(shí)驗(yàn)選擇最佳有機(jī)負(fù)荷為COD 1.0 kg /(m3·d).

2.2.3 活性污泥法單元獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn) 保持HRT為12 h，有機(jī)負(fù)荷為COD 1.0 kg /(m3·d)左右的最佳條件下穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)果見(jiàn)圖7.

由圖7可知，反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水COD均在91～99 mg/L之間，去除率穩(wěn)定在81%左右，出水水質(zhì)沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng).但出水水質(zhì)仍不能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[13]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

2.3水生植物單元獨(dú)立運(yùn)行試驗(yàn)植物容器總體積為3.52 m3(2.0 m×1.6 m×1.1 m)，植物間距為10 cm.將植物容器放在陽(yáng)光充足的陽(yáng)臺(tái)上，室內(nèi)氣溫在20～35 ℃，保持進(jìn)水COD濃度在100 mg/L左右，將HRT由5 d減小到1 d，考察不同HRT對(duì)水生植物處理效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8.

由圖8可知，隨著HRT的增加，水生植物對(duì)COD的去除效率增大.當(dāng)HRT為3.5 d時(shí)，COD的去除率達(dá)42.6%，當(dāng)HRT由3.5 d增加至5 d過(guò)程中，COD的去除率增長(zhǎng)較緩慢，因此認(rèn)為3.5 d為其最佳水力停留時(shí)間，且在其最佳HRT下，COD的去除率可穩(wěn)定在42.6%.

2.4組合工藝運(yùn)行試驗(yàn)組合工藝實(shí)驗(yàn)保持ABR單元的HRT為20 h，進(jìn)水水質(zhì)控制在6 500 mg/L左右，溫度為35 ℃；活性污泥法單元的HRT為12 h；水生植物單元的HRT為3.5 d，氣溫、陽(yáng)光等自然條件正常.處理效果見(jiàn)圖9.

圖9 組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知，填料ABR單元對(duì)COD的平均去除率為92.5%，其處理效果與填料ABR單元的獨(dú)立運(yùn)行處理效果基本一樣；但活性污泥法單元的處理效果比獨(dú)立運(yùn)行時(shí)有一定的提高，去除率平均為86.0%，比獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的去除率高5.0%.原因是填料ABR截留了更多的生物量，提高了反應(yīng)器的容積負(fù)荷，廢水經(jīng)填料ABR處理后，一些復(fù)雜有機(jī)物在厭氧菌的作用下進(jìn)行了水解酸化，轉(zhuǎn)化為較易生物降解的簡(jiǎn)單有機(jī)物，改善了其可生化性，為活性污泥法的好氧處理創(chuàng)造了更為有利的條件[14]，活性污泥法的處理效果得到了提高.

水生植物單元的處理效率平均為42.5%，與水生植物獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時(shí)處理效率基本一致.

從整個(gè)系統(tǒng)處理效果看，進(jìn)水的COD濃度為6 500 mg/L左右，出水的COD濃度為38～41 mg/L，系統(tǒng)總的去除率保持在99.37%～99.42%之間，去除效果穩(wěn)定，且出水水質(zhì)滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明該組合工藝處理大蒜切片廢水是可行的.

該組合工藝結(jié)合了3種處理工藝各自的優(yōu)點(diǎn)，充分利用填料ABR對(duì)高濃度難降解廢水具有較好的處理效果，以活性污泥法作為厭氧的后處理單元去除效果好，運(yùn)行安全可靠，出水水質(zhì)穩(wěn)定.水生植物作為該工藝的后續(xù)處理保障措施，不僅可保證處理后大蒜廢水水質(zhì)滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，而且還可實(shí)現(xiàn)廢水的再生利用資源化，降低企業(yè)用水成本，具有較高的環(huán)境效益和現(xiàn)實(shí)意義.

3 結(jié)論

填料ABR單元在處理大蒜切片廢水時(shí)的最佳運(yùn)行參數(shù)為：HRT 20 h，有機(jī)負(fù)荷COD 7.8 kg /(m3·d)以下.在此工況下，填料ABR獨(dú)立處理該廢水時(shí)，COD的去除率穩(wěn)定在92.4%以上，且將廢水的BOD/COD由0.31～0.35提高到0.52～0.57，增加了廢水的可生化性，有利于后續(xù)處理.

活性污泥法單元在處理大蒜切片廢水時(shí)的最佳運(yùn)行參數(shù)為：HRT 12 h，適宜的廢水有機(jī)負(fù)荷為COD 0.8～1.2 kg /(m3·d).在此工況下，活性污泥法獨(dú)立處理該廢水時(shí)，出水COD在91～99 mg/L，平均去除率為81.0%.

水生植物單元在處理廢水時(shí)，最佳HRT為3.5 d，在此工況下，其去除率為42.6%.

填料ABR-活性污泥法-水生植物組合工藝處理大蒜切片廢水時(shí)，活性污泥法的處理效果得到一定程度的提高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，COD總?cè)コ时３衷?9.37%～99.42%，出水的COD濃度為38～41 mg/L，能夠滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)穩(wěn)定可直接回用，具有較好的應(yīng)用前景.

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