厭氧生物處理對廢水可生化性影響的研究

楊偉,李登濤,任年樂,南從德

(聯化科技(德州)有限公司,山東 德州 253115)

厭氧生物處理在廢水處理過程中也被稱作“水解酸化”,可以將不溶于水的大分子有機化合物水解為溶于水的小分子化合物[1]。正是由于這個過程,厭氧生物處理可以將廢水中的具有生物毒性的化合物水解成不具有生物毒性的小分子化合物,將廢水中不易被生化的化合物水解為容易被生化處理的簡單分子化合物[2]。目前,用于厭氧生物處理過程的裝置或反應器已經成為研究的熱點[3-5],其中將厭氧生物處理與好氧氧化聯合研究受到了廣泛關注[1,5]。厭氧生物處理過程具有運行成本低、污泥產生量小、穩定化程度高且改善廢水可生化性的特點[5]。然而,針對不同種類廢水的適用性以及溫度、時間、MLSS等因素對厭氧生物處理過程的影響方面,研究報道比較少見。本文以BOD5/CODCr表示廢水的可生化性,研究了厭氧生物處理對公司內廢水可生化性的影響,同時研究了溫度、時間、MLSS等因素對厭氧生物處理過程的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

厭氧活性污泥取自公司水解酸化池,好氧活性污泥取自公司高負荷好氧曝氣池,不同項目廢水來自公司生產車間,詳細分析數據見表1。

表1 公司不同項目廢水水質分析數據表

1.2 厭氧生物處理實驗裝置

根據實驗需求自行設計并組裝了厭氧生物處理實驗裝置,其中包括反應池、溫度計、機械攪拌并裝配有自動控溫加熱器。簡易流程如圖1所示。

廢水由反應池底部持續進入實驗裝置,自動控溫加熱裝置維持反應池在實驗要求的溫度范圍內,機械攪拌保持厭氧污泥與廢水充分接觸,廢水經過處理后經反應池右側的沉降段,水位逐漸上升,達到滿溢液位后由出水口溢出,厭氧污泥在沉降段因不能被攪動而保留在反應池內。

1-反應池;2-自動控溫加熱器;3-溫度計;4-機械攪拌。圖1 厭氧生物處理實驗裝置簡圖

1.3 好氧氧化處理實驗裝置

根據實驗需求自行設計并組裝了好氧氧化處理實驗裝置,其中包括曝氣池、曝氣泵、曝氣頭、溫度計、溶氧量檢測儀并裝配有自動控溫加熱器。簡易流程如圖2所示。

廢水由曝氣池底部持續進入實驗裝置,自動控溫加熱裝置維持反應池在實驗要求的溫度范圍內,曝氣泵與曝氣頭持續對廢水進行曝氣,廢水經過處理后經反應池右側的沉降段,水位逐漸上升,達到滿溢液位后由出水口溢出,活性污泥在沉降段不能被攪動而保留在反應池內。

1-曝氣池;2-曝氣泵;3-曝氣頭;4-溫度計;5-溶氧量檢測儀;6-自動控溫加熱器。圖2 好氧氧化處理實驗裝置簡圖

1.4 分析測試儀器

化學需氧量COD快速測定儀,5B-3C(V8)型,蘭州連華環?？萍?生物化學需氧量(BOD5)測定儀,LH-BOD601,蘭州連華環?？萍?化學需氧量COD快速測定儀,5B-3C(V8)型,蘭州連華環?？萍?電子天平,XSR205DU,梅特勒托利多(METTLER TOLEDO);酸度計,PHS-3C型,上海雷磁儀器。

1.5 厭氧生物處理實驗方法

向厭氧生物處理實驗裝置中加入厭氧污泥及實驗所需要處理的廢水至30 L刻度線處。開啟攪拌電機并調整轉速為20～30 r/min,開啟自動控溫加熱器并將實驗裝置設定為實驗溫度。開啟進水泵并持續泵入實驗廢水,通過控制泵入廢水的流量間接控制廢水在實驗裝置內的停留時間。穩定泵入5 h后,開始在進水口與出水口處取樣檢測水質數據。

1.6 好氧氧化處理實驗方法

向好氧氧化處理實驗裝置中計入好氧污泥及實驗所需要處理的廢水至30 L刻度線處。開啟曝氣泵保持實驗裝置內溶氧量為2～6 mg/L,開啟自動控溫加熱器并將實驗裝置設定為實驗溫度。開啟進水泵并持續泵入實驗廢水,通過控制泵入廢水的流量間接控制廢水在實驗裝置內的停留時間。穩定泵入5 h 后,開始在進水口與出水口處取樣檢測水質數據。

1.7 廢水的可生化性評價方法

取廢水樣品檢測BOD5、CODCr,以BOD5/CODCr值來表示廢水的可生化性[6]。郭文成等人[7]的研究分析表明,此法確定廢水的可生化性比較粗糙,所以在本文中結合生物處理實驗模型進行輔助說明。

2 實驗結果與討論

2.1 不同項目廢水好氧氧化處理結果分析

依照BOD5/CODCr值來表示廢水的可生化性,公司各個項目廢水的可生化性數據如表2所示。

表2 公司不同項目廢水可生化性數據表

由表2數據可知,項目A廢水屬于“較難”生化處理,項目B廢水屬于“較好”生化處理,項目C廢水屬于“可生”生化處理[6]?？紤]到BOD5/CODCr值來表示廢水的可生化性的可靠性,將各項目廢水分別在實驗室進行好氧氧化生物處理模擬實驗。實驗過程為14 d,對每天的出水進行分析,整理數據如表3所示。

表3 公司不同項目廢水好氧氧化實驗出水數據表

表3(續)

由表3可知,各項目出水COD值均低于BOD5的測定值,其原因可能是好氧氧化實驗裝置運行時間比較長,形成了比BOD培養瓶中更具氧化能力的強生物氧化環境[7]。就總體規律性而言,各個項目BOD5/CODCr值測得的可生化性與輔助模擬好氧氧化實驗趨勢相符合。項目A和項目C廢水前5天出水CODCr數值較高,與BOD5測定值相符合。隨著好氧氧化實驗時間的延長,自第7天出水CODCr數值出現明顯下降,主要原因是項目A和項目C廢水中含有疑似有毒物質,隨著時間的延長,好氧微生物適應了項目A和項目C廢水中的有毒物質,能夠很好地生化處理廢水中的有機物。項目B廢水在整個實驗過程中出水CODCr值比較平穩,項目B廢水實驗過程中出水COD高于項目A與項目C廢水。主要原因是項目B進水CODCr比項目A和項目C高,所以經過好氧氧化實驗后殘留的CODCr也就比項目A和項目C高。

以BOD5/CODCr值來表示廢水的可生化性具有一定的參考性,涉及廢水中含有生物毒性的化合物時,此種方法也可以繼續使用。由于廢水生化處理過程本身的復雜性,在考察廢水的可生化性時宜將BOD5/CODCr值結合生化模擬實驗數據一起使用[7]。

2.2 不同項目廢水厭氧生物處理結果分析

將各項目廢水分別進行厭氧生物處理實驗,并測定實驗后廢水的水質數據。將各個項目廢水實驗前后數據匯總如表4所示。

表4 公司不同項目廢水厭氧處理實驗出水數據表

結合表2與表4可知,各項目廢水經過厭氧生物處理,CODCr出現了明顯的下降。主要原因是在厭氧生物處理過程中,厭氧水解過程可以去除部分CODCr,這與王志盈等人的研究結論一致[1]。項目A廢水與項目C的廢水BOD5出現了明顯的上升,這是由于在厭氧生物處理過程中,很多不溶于水的大分子化合物被水解為易溶于水小分子化合物。項目B廢水的BOD5出現了部分下降,這是由于在厭氧生物處理過程中,很多不溶于水的大分子化合物被水解為易溶于水小分子化合物的同時,部分CODCr也在厭氧生物處理過程中被去除,而且在這個過程中被水解轉化的BOD5的數量小于被去除的CODCr的數量。各個項目廢水的BOD5/CODCr值均出現了明顯的上升,主要有兩個原因:第一個原因是厭氧生物處理過程中很多大分子化合物被水解為小分子化合物;第二個原因是項目A與項目B廢水中的生物毒性物質被水解[2]。綜上所述,公司對于各個項目廢水厭氧生物的處理,提高了廢水的BOD5/CODCr值,表示改善了廢水的可生化性。

2.3 不同實驗溫度對廢水厭氧生物處理的影響

將各個項目廢水按照1∶1∶1體積比例混合后進行厭氧生物處理實驗,保持時間不變、污泥濃度相同,分別設置不同的處理溫度,測定厭氧生物處理實驗后廢水的水質數據。將各個項目廢水實驗前后數據匯總如表5所示。

表5 實驗溫度對廢水厭氧生物處理的影響數據表

由表5可知,在10～40 ℃之間經過厭氧生物處理后廢水的BOD5/CODCr值均出現了明顯的提高,且提高幅度接近。這表明在此溫度區間厭氧生物處理可以改善廢水的可生化性,且廢水的可生化性改善幅度不受溫度變化影響。在10～40 ℃之間經過厭氧生物處理后廢水的CODCr值均出現了明顯的下降。在此溫度區間內,隨著溫度的升高CODCr值的下降幅度逐漸增加。在50 ℃條件下經過厭氧生物處理后廢水的BOD5/CODCr值無明顯變化,廢水CODCr值也無明顯變化。這表明在50 ℃高溫條件下廢水處理系統崩潰,污泥死亡并發生解體。綜上所述,針對廢水厭氧生物處理廢水可生化性改善效果在10～40 ℃之間無明顯變化,當溫度達到50 ℃時,污泥死亡,系統崩潰;在廢水的厭氧生物處理過程中,溫度越高,COD的去除效果越好,當溫度達到50 ℃污泥死亡,系統崩潰。綜上所述,厭氧生物處理過程溫度優選控制在10～40 ℃。

2.4 不同實驗時間對廢水厭氧生物處理的影響

將各個項目廢水按照1∶1∶1體積比例混合后進行厭氧生物處理實驗,保持溫度不變、污泥濃度相同,分別設置不同的處理時間,測定厭氧生物處理實驗后廢水的水質數據。將各個項目廢水實驗前后數據匯總如表6所示。

表6 實驗時間對廢水厭氧生物處理的影響數據表

由表6可知,隨著厭氧生物處理實驗時間的延長,廢水CODCr出現下降趨勢。主要原因是在厭氧生物處理過程中,厭氧水解過程可以去除部分CODCr。BOD5以及BOD5/CODCr值均出現了先上升后下降的趨勢。BOD5以及BOD5/CODCr值受兩方面的影響:一是廢水中可以被生化污泥去除有機物含量,二是廢水中總的有機物含量。在5～20 h區間,這兩個數值主要受廢水中可以被生化污泥去除有機物含量的影響,隨著水解酸化作用的進行,廢水中可以被生化污泥去除有機物含量快速增長,所以這兩個數值也快速增長。在20～25 h區間,廢水中的水解酸化作用減弱,主要受到廢水中污泥除去CODCr的影響,所以這兩個數值出現了下降趨勢。綜上所述,厭氧生物處理過程時間優選控制在15～20 h。

2.5 不同污泥濃度對廢水厭氧生物處理的影響

將各個項目廢水按照1∶1∶1體積比例混合后進行厭氧生物處理實驗,保持溫度不變,實驗時間相同,分別設置不同的污泥濃度,測定厭氧生物處理實驗后廢水的水質數據。將各個項目廢水實驗前后數據匯總如表7所示。

表7 污泥濃度對廢水厭氧生物處理的影響數據表

由表7可知,隨著污泥濃度升高BOD5以及BOD5/CODCr值均出現上升趨勢。在10～40 g·L-1的區間內,這兩個數值上升明顯,在40～50 g·L-1的區間內,這兩個數值無明顯上升。趙劍強等人的研究表明,活性污泥在厭氧過程中可以將部分有毒物質降解[2]。所以,隨著污泥濃度提高,廢水的可生化性得到明顯改善。當污泥質量濃度超過40 g·L-1,廢水的可生化改善不明顯,且實驗裝置內的水層沉降也變得更加困難。綜上所述,厭氧生物處理過程污泥質量濃度優選控制在30～40 g·L-1。

3 結論

1)在結合生化模擬實驗的基礎上,以BOD5/CODCr值來表示廢水的可生化性具有一定的參考性。雖然BOD5值不能真實表示廢水在生化處理裝置可以被生物作用除去的CODCr值,但是通過比較不同廢水的BOD5/CODCr值可以掌握各個廢水可生化性的變化趨勢。

2)厭氧生物處理過程既可以除去廢水中的CODCr,也可以有效改善廢水的可生化性。廢水經過自行設計的厭氧生物處理裝置,其BOD5/CODCr值可以提升32%。

3)厭氧生物處理受到溫度、時間、污泥濃度的影響。經過實驗驗證,厭氧生物處理優選條件為溫度:10～40 ℃、時間:15～20 h、MLSS:30～40 mg/L。

4)實際生產運行過程中,廢水中的有毒物質部分可以被污泥降,部分不能被污泥降解。如果廢水中存在不可被污泥降解的有毒物質,宜考慮萃取、活性炭吸附等方法對廢水進行預處理后再進入厭氧生物處理過程。