水解酸化預處理汽車涂裝廢水的效能分析

黃中懸，徐敏峰

(安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

汽車及其零部件的涂裝是汽車生產中污染最嚴重的問題之一。如果直接排放未經處理，就會造成嚴重的環境污染。該涂裝廢水含有的污染物如表面活性劑、重金屬離子、樹脂、油、磷酸鹽、顏料、有機溶劑等[1-3]。在汽車涂裝的每個過程中產生的廢水混合后具有下列特性：廢水的水量及水質波動大，水質污染類型多、成分復雜，排放不規則和BOD5/COD值較小，可生物降解性較低[4-5]。物理化學法處理汽車涂裝廢水存在出水有時不達標、運行成本高等問題。隨著排放標準的提高，物理化學生化方法將取代純物理化學方法，并成為未來處理汽車涂裝廢水的主要手段[4]。

水解酸化是生物處理過程有效的預處理方法，揮發性脂肪酸(VFA)生成和pH的下降是水解酸化完成的重要參數[6-8]。本文以汽車涂裝廢水為研究對象，詳細的探討水解酸化預處理汽車涂裝廢水的效果。采用水解酸化法，將汽車涂裝廢水中的大分子難降解的有機物降解為小分子有機物，在一定程度上降低污染物的量，改善該廢水的可生物降解性，為后續好氧處理工藝提供良好的條件[9-10]。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

實驗裝置如圖1所示，自行設計加工的水解酸化反應器由有機玻璃制成，總高度1 300 mm，進水和出水口距底部分別為80 mm和600 mm，總有效容積23 L。反應器從底部到頂部有兩部分構成，即污泥懸浮區、泥水分離區。污泥懸浮區內設置填料，其作用是在填料周圍產生渦旋，增加上升流速，加強廢水和污泥的接觸。泥水分離區是通過改變上升流速使泥水分離的。反應器還具有一個水力循環系統，是通過循環泵將頂部的廢水泵入到底部，其作用是使底部的污泥懸浮起來，以便廢水和污泥充分接觸。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗廢水水質

試驗用水取自安徽某汽車制造廠污水處理站綜合廢水池。綜合廢水池中的污水是磷化廢水、電泳廢水、噴漆廢水等混合而成的，試驗廢水水質如表1所示。

表1 試驗廢水水質

1.3 分析項目與方法

COD、NH+4-N、TN、TP 均采用國家標準方法[11]測定；揮發性脂肪酸(VFA)采用蒸餾滴定法測定；采用pH計記錄pH。

2 試驗結果與討論

2.1 水解酸化反應器的運行效果

反應器的運行分為兩個階段。第一階段為污泥的培養與馴化階段，此階段是以180 L/h的循環流量，廢水停留時間為24 h的條件下運行。首先，將7 L的接種污泥倒入反應器中，并泵入自配的有機廢水。自配的有機廢水是用無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀配制而成，并在其中添加Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mo2+等微量元素。然后逐漸地用汽車涂裝廢水代替自配的有機廢水，汽車涂裝廢水的比例依次增加到20%、40%、60%、80%。第二階段為穩定階段，此階段仍然以180 L/h的循環流量，廢水停留時間為24 h的條件下運行。進水全部為汽車涂裝廢水。水解酸化反應器對汽車涂裝廢水的處理效果見圖2、圖3。

圖2 進、出水COD和去除率隨時間的變化

圖3 進、出水VFA濃度的變化

從圖2可以看出，反應器初期進水以自配的有機廢水為主，COD去除率總體呈上升趨勢，直到第10天去除率達到59.2%。從第11天到第26天，汽車涂裝廢水逐漸取代自配的有機廢水，直到進水完全由汽車涂裝廢水組成。每次增加汽車涂裝廢水的比例，COD去除率都會隨之降低，在汽車涂裝廢水的比例增加到80%時，COD去除率下降至29%左右，此時認為水解酸化反應器內的污泥培養與馴化過程基本完成。從第27天到第55天，進水全部為汽車涂裝廢水，COD去除率基本穩定在20%左右。由于該廢水成分復雜、進水水質波動比較大以及含有大量難降解的大分子有機物，因此經過水解酸化處理后反應器對COD的去除效果不明顯。然而，水解酸化處理的效果體現在改變污染物質化學結構和性質，而不是對污染物量的去除[12-13]。伊學農[14]等使用Fenton-水解/接觸氧化處理涂裝廢水，其水解酸化池的COD去除率只在12%左右。

揮發性脂肪酸是厭氧消化過程中重要的中間體，是各種有機基質水解酸化后的最終產物，因此揮發性脂肪酸是水解酸化的重要指標[15]，可反映水解酸化的效果。圖3是說明進水全部為汽車涂裝廢水時，VFA濃度(以乙酸計)的變化及其酸化率。從中可以看出，進水VFA濃度在19.5～39.0 mg/L之間波動，出水VFA濃度在45.6～120.9 mg/L之間波動，說明經過水解酸化后，提高了產酸量，最終酸化率基本穩定在10%左右。

2.2 反應時間對汽車涂裝廢水水解酸化的影響

水力停留時間是水解酸化工藝的控制參數之一，它能夠影響水解酸化反應的程度，一般情況下，隨著反應時間的增加，底物與微生物反應越徹底，水解酸化工藝的處理效果越好[16]。在循環流量為180 L/h的情況下，本文考察了反應時間分別為8 h，12 h，16 h，20 h 和 24 h 時，汽車涂裝廢水的COD去除效果以及酸化率的變化，結果如圖4所示。從圖4可以看出，COD去除率與反應時間成正相關，反應前16 h，COD去除率增加的較快，達到了20.3%。但是當反應時間超過16 h后COD去除率增幅較小，基本上不再增加，最終COD去除率基本在20%左右浮動。酸化率隨著反應時間的增加而明顯增加，反應時間在20～24 h之間時酸化率達到最大。圖4顯示8～12 h時酸化率為負值，這是因為反應時間不足，導致水解酸化過程不充分，影響廢水中大分子難降解有機物的酸化效果。綜合考慮反應時間對COD去除率和酸化率的影響，反應時間在20～24h時，汽車涂裝廢水的水解酸化效果較好。此時，COD去除率和酸化率分別約為20%和10%。

2.3 容積負荷對汽車涂裝廢水水解酸化的影響

試驗研究了 COD容積負荷為 0.2、0.4、0.5、0.8、1.2、1.3、1.5 kg/(m3·d)時，對汽車涂裝廢水水解酸化的影響，結果如圖5所示。試驗是在反應時間為24 h，循環流量為180 L/h的情況下運行的。其中COD容積負荷是通過調整廢水流入量或增加進水COD濃度控制的。從圖5可以看出，隨著容積負荷的增加，酸化率從6.1%增加到12.4%，pH從7.31下降到后6.86。當容積負荷增加到1.2 kg/(m3·d)后，酸化率不再增加，甚至有所下降，pH有所升高。在此階段，出水pH與酸化率的變化總體上是一致的。

圖4 不同反應時間對COD去除率及酸化率的影響

圖5 不同COD容積負荷對酸化率的影響

2.4 循環流量對汽車涂裝廢水水解酸化的影響

循環系統的主要作用是防止污泥沉淀在反應器底部，加強污泥與廢水之間的混合程度。污泥的分布影響著反應器的性能，為了更直觀地反映循環流量的影響，控制反應時間在24 h的條件下，試驗研究了循環流量分別為 50、80、120、180、240 L/h時，水解酸化反應器的處理效果，結果如圖6。試驗結果表明，總體上COD去除率隨著循環流量的增加而增加。在較小的流量(50、80 L/h)作用下，污泥與廢水并沒有完全地混合，污泥依然停留在反應器的中下部，不利于廢水中有機物的降解，導致COD去除率較低。當流量增加到240 L/h時，可以看到COD去除率不在增加，這是因為污泥與廢水已經完全混合。

圖6 循環流量對COD去除率的影響

3 結論

(1)通過監測COD去除率、酸化率，評價具有循環系統的水解酸化工藝預處理汽車涂裝廢水的效果。該工藝對COD去除率和酸化率分別約為20%和10%，結果表明汽車涂裝廢水經過該工藝預處理后，可生物降解性得到改善，酸化效果得到改善，為后期好氧處理減輕了有機負荷。此工藝對汽車涂裝廢水預處理是一種較好的手段，以期為實際工程提供一種參考。

(2)綜合考慮反應時間對COD去除率和酸化率的影響，試驗結果表明反應時間在20～24 h之間時，COD去除率和酸化率都能達到比較高的值。

(3)容積負荷和循環流量對水解酸化的效果具有重要影響，將COD容積負荷和循環流量分別控制在 1.2～1.3 kg/(m3·d)與 180 L/h 時，汽車涂裝廢水的水解酸化效果最好。