固-液厭氧折流板反應器處理番茄醬加工廢水

黃慧靜 章 偉

(1.浙江偉明環保股份有限公司，浙江 溫州 325000;2.溫州王朝大酒店有限公司，浙江 溫州 325000)

在食品工業生產過程中，不可避免都會產生廢水[1]。食品工業廢水具有以下特征：COD含量較高(16 000>mg/L)，含有懸浮固體、溶解性有機物、微生物和無機鹽，且BOD/COD≥0.5[2]。由于廢水中有機物含量較高，因此宜采用生化工藝進行處理。在生化處理過程中，厭氧反應COD去除效率高，但出水水質仍不能達到排放要求的閾值質量，因此增強了好氧過程以滿足現有的出水水質要求。

厭氧技術在廢水處理中的應用取決于高速率厭氧生物反應器的開發和利用。在高速率反應器中，厭氧折流板反應器(ABR)在廢水工業處理方面有較廣闊的應用前景[3]。其在處理高酚煤氣化廢水，農村生活污水，畜禽養殖廢水，紙漿造紙廢水，印染廢水，垃圾填埋場滲濾液等工農業廢水中都有實踐[4-8]。基于需氧和厭氧過程之間的操作考慮，例如有機負荷，污泥的產生速率，養分需求，能量需求和產生的能量，厭氧處理的主要問題是消化池或反應器中現有廢水與污泥之間的接觸。接觸越好，所消耗的時間就越少，所需的時間也越少，那么所要建造的蒸煮器的尺寸就越小[9]。攪拌流反應器的建造需要最深5 m的深度，周期性厭氧折流板反應器(PABR)反應器由于是圓形，因此需要特殊構造。本文設計了厭氧折流板反應器，旨在克服廢水與污泥之間缺乏接觸的問題以及減小其構造深度。考察了厭氧消化時不同隔倉的pH與COD變化，以期為厭氧折流板反應器在番茄加工廢水環保治理中提供新的應用案例。

1 材料和方法

1.1 ABR設計

厭氧折流板反應器(ABR)的優點是：設計簡單，無需機械攪拌，減少了堵塞的發生，并且操作成本低，維護成本低[10]；對于使用的生物質：不需要顆粒污泥生物質；不需要低速生長的特殊沉積物，固體污泥保留時間長；不需要固定的介質；不需要特定的氣體或固體分離；液體停留時間低，允許間歇運行，對水力沖擊負荷穩定；可長時間運行而無需處理污泥，對有機沖擊負荷具有很高的穩定性[11]。

實驗室規模的透明ABR生物反應器是用有機玻璃板制造的，設計成上下3對，長60 cm，寬25 cm，高40 cm，擋板之間的距離為10 cm，擋板與底部反應器的距離為1.5 cm，總體積60 L。ABR由三對相等的隔倉組成，每個隔倉都有一對上下流動擋板(懸掛和站立擋板)和樣品端口,如圖1所示。由于白天和晚上溫度的變化，內部反應器的溫差<3 ℃。因此，反應器不需要冷卻或加熱系統來維持溫度。使用蠕動泵向ABR供給廢水。

圖1 厭氧桿菌(ABR)反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic bacteria (ABR) reactor

1.2 厭氧污泥馴化

厭氧污泥來自某豆制品行業污水處理廠。厭氧污泥由厭氧反應器中間的水采樣器采集。將污泥以一定高度裝入反應器中，該高度為反應器高度的50%。該污泥先調節運行30 d，番茄醬加工廢水的流量為20 L/d。在該馴化過程中，密度較小的污泥將從反應器中洗出并作為懸浮固體釋放。

1.3 實驗與分析

將適應期后的污泥準備好進行實驗，污泥高度設置為反應器高度的60%。蠕動泵的廢水流量為20 L/d。番茄醬加工廢水COD的含量約為2.3×103和7.3×103mg/L。通過將氫氧化鈉或硝酸稀釋至體系中來調節pH。該廢水需要放置1 d，每天必須達到等體積和等量的化學需氧量才能喂料至ABR反應器中，測量每個隔倉的pH和COD的變化。根據國家現行有效標準分析方法測定pH和COD。

2 結果與討論

2.1 ABR系統pH值的變化

初始COD為2.3×103mg/L的番茄加工廢水，經過12 d的處理消化降解過程，pH值變化如圖2所示。從圖2可以看出，隔倉1、2和3的pH值均趨于降低。第2天，隔倉1的pH值從7.6下降到6.3。在11～12天，三個隔倉的pH值接近6.2～6.3。通常，由于堿度的形成，一旦達到穩定的pH條件，pH值將升高。由于隔倉1的負荷較大，第二天pH會急劇下降，番茄廢水降解較易，在與活性污泥的初始接觸中會發生水解，并產生酸[12]。產酸的高級過程發生在隔倉3中，厭氧過程三個早期階段的微生物具有較寬pH范圍，為4.0～8.5。pH 7.6～6.3的變化仍處于分解成揮發性脂肪酸的過程內。從第11天開始，隔倉3的pH值與其他兩個隔倉相近，這表明產酸過程已經完成，如圖2的COD曲線所示，在第11天后，曲線呈指數形式。

圖2 進水COD為2.4×103 mg/L時隔倉pH值變化Fig.2 Change of pH value of influent COD 2.4×103 mg/L compartment

對于初始COD為7.3×103mg/L的廢水(圖3)，廢水在初始pH為酸性的條件下注入反應器，廢水的特性為易于降解，高COD含量導致其中蛋白質物質的堿度變化很快發生，堿度的形成速度更快，進而導致pH升高。從圖3也可以看出，隨著pH值的增加，水解階段比產酸階段更占優勢[12]。營養成分的補充將提供足夠的降解，在11 d和12 d的pH升高至約7.4。

圖3 進水COD為7.3×103 mg/L時隔倉pH值變化Fig.3 Change of pH value of influent COD 7.3×103 mg/L compartment

2.2 ABR系統COD的變化

ABR系統中的進水COD分別為2.4×103mg/L，7.3×103mg/L的廢水12 d的消化降解過程如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，隔倉1、2、3第12 d的COD去除效率分別為91.84%、96.83%、98.03%。到第4天時，COD去除率增幅最大，每個隔倉的COD去除率分別為80.36%、89.16%、92.80%，而隨后的厭氧發酵過程中，其COD去除率僅略有增加。COD低濃度進水的曲線表示為清晰的指數曲線，在第4天和第5天之間有曲線拐點。

圖4 進水COD 2.4×103 mg/L隔倉COD去除率Fig.4 Removal rate of influent COD 2.4 × 103 mg/L compartment

圖5 進水COD 7.3×103 mg/L隔倉COD去除率Fig.5 Removal rate of influent COD 7.3×103 mg/L compartment

對于進水COD為7.3×103mg/L的廢水(圖5)，12 d時每個隔倉去除COD的性能分別為98.15%，98.51%和98.83%。一般來說，ABR中的總COD去除效率與廢水中有機物含量正相關，有機物含量越高，COD去除率越高[13]。COD去除量與消化時間的關系曲線為指數曲線。在低有機負荷下，指數曲線的形狀在曲線的開始處清晰可見，但是當有機含量較高時，曲線向右移動。因此，對于更高COD負荷，曲線拐點向右移動至第9天出現。對比圖4，有機負荷增加2倍，COD降解耗時增加了1倍。最高的COD去除發生在隔倉1中，而隔倉2,3僅去除了剩余COD的小部分。隨著前一個隔倉中COD的減少，后續隔倉中微生物底物利用率降低，導致去除效率降低。細菌動力學可以解釋上述現象，即較低的底物濃度會導致較低的生長速率[14]。對于ABR系統，隔倉1通過產酸細菌細胞生成和氣體釋放(CO2和H2)去除COD，大量的COD則轉化為液體中間產物(如乙醇，丁酸，丙酸)留在系統中。隔倉2中的底物通過乙酸原轉化為乙酸和H2，而隔倉3中的產甲烷菌主要通過將中間產物(乙酸)轉化為甲烷來去除COD。

3 結論

ABR處理番茄醬加工廢水的厭氧過程表明，低水平的COD含量導致消化4～5 d時曲線呈指數穩定，而對于較高的COD含量負荷，曲線向右漂移。ABR的隔倉1是減少廢水中有機物含量的主反應器，而隔倉2和3的去除效率并不顯著。有機負荷增加2倍，穩定時間增加了1倍，可以將其歸為類似于UASB反應器的單級ABR。厭氧折流板反應器有較強發展前景，本文為番茄加工廢水環保治理提供新的應用案例。