水解酸化SBR处理乳品废水中试试验研究 孙明东

第23卷第1期
2007年2月
哈尔滨商业大学学报(自然科学版)
Journal
of Harb i n U ni v ersity of C o mm erce (Natural Sciences Editi o n )
V o.l 23N o .1
F eb .2007
收稿日期:2006-06-26.
基金项目:国家高技术研究开发计划(863计划)(项目编号:2004AA601020).作者简介:孙明东(1981-),男,硕士,研究方向:水污染控制与资源化研究.
水解酸化-SBR 处理乳品废水中试试验研究
孙明东1
,孟昭辉2
,姚　宏1
,许兆义
1
(1.北京交通大学土建学院市政环境工程系,北京100044;
2.东北农业大学水利学院,哈尔滨150030)
摘　要:采用水解酸化-SBR 工艺处理乳品废水的试验研究.分析研究了水解酸化池内p H 值与VFA ,BOD 与COD cr 比值与COD c r 去除率及氨氮随时间变化的相互关系;SBR 池内COD c r 与氨氮去除率和SBR 池内溶解氧随时间变化的相互关系,以及水解酸化和SBR 池内降解速率常数变化情况.试验结果表明,当进水COD cr 质量浓度为1250～1830m g /L ,水解酸化池的最佳水力停留时间为6h ,SBR 在排出比为1∶2,最佳的反应时间为4h ,出水可以达到国家污水综合排放标准(G B 8978—1996)二级排放标准.SBR 池内溶解氧的递变规律,得出SBR 池供氧方式宜采用渐减曝气的方式.关键词:乳品废水;水解酸化;SBR ;VFA (挥发性脂肪酸)
中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1672-0946(2007)01-0040-05
P ilot -scale study on treat m ent of dairy wastewater w it h hydrolysis
ac i d ification -SBR technology
SUN M ing -dong 1
,M E NG Zhao -hui 2
,YAO H ong 1
,XU Zhao -y i
1
(1.D epart ment o fM unicipal ＆Env iron m ental Enginee ring o f Schoo l of C iv il Eng inee ri ng ＆A rchitecture ,Be ijing Jiao tong U ni ve rsit y ,Be iji ng 100044,China ;2.Schoo l o fW ate r
Conse rvancy ,N o rt heast A gricultura l Un i ve rsit y ,H a rbin 150030,China )
Abst ract :The pil o t -sca le st u d ies on treat m ent o f dair y w aste w ate r by using hydr o lysis ac i d i -fication -SBR techno l o gy w as intr oduced i n t h is paper .The trial has analyzed the co rre l a ti v it y ofVFA and va l u e of pH ,ra tio o f B OD and COD cr ,re m oval efficiencies o fCOD cr and va ria -tions o f a mmonia nitr ogen w it h ti m e in hydro l y sis acidifica tion reacto r ;t h e co rre l a ti v it y of re -m ova l e fficiencies of COD cr and a mmonia nitr ogen ,va ried dissolved oxygen w ith ti m e in SBR r eactor ;i n add ition variati o ns o f deg radati o n ve l o city constant in t o w reac t o r .The experi m en -tal resu lts de m onstrate that t h e op ti m alHRT o f SBR w as 6h ,and t h e opti m a l reaction ti m e of SBR w as 4h of hydro l y sis acidifica tion -SBR syste m a t t h e COD cr o f infl u en tw as 1250～1830m g /L and eduction ratio of SBR w as 1∶2,t h e effl u entw a t e rw as confor m t o the second grade of t h e nati o na l standard for w aste w ater dischar ge (GB 8978—1996).Basis on varie t y of disso l v ed oxygen in SBR ,t h e ae r obic m ode of SBR should adop t decrescent ae rati o n m ode .
K ey w ords :dair y w aste w ater ;hydr o lysis acidifica tion ;SBR ;VFA (vo latile fa tty ac i d )
乳品工业包括乳场、乳品接收站和乳品加工厂.乳场废水主要来自于洗涤水和冲洗水;乳品接
收站废水主要是运送乳品所用设备的洗涤水;乳品加工厂废水包括各种设备的洗涤水,地面冲洗水、
洗涤与搅拌黄油的废水以及生产各种乳制品的废水[1]
.废水中主要成分是乳糖,脂肪和蛋白质,有机物浓度较高,但很容易被微生物分解,废水中COD cr 质量浓度平均为800～2500mg /L ,B OD 5为600～1500m g /L ,B OD 5/COD cr 比值大于0.5,属可生化性较好的废水.
国内处理乳品废水的主要技术路线为物理化学法(如气浮)[2]
,全好氧生化处理工艺和厌氧-好氧联合生化处理工艺,采用物理化学法和全好氧法,能耗较高,而采用厌氧则需要较长的停留时间[3]
.国外学者也对厌氧生化处理或好氧生化处理及其联合处理工艺进行了深入的研究.Bu r ak De m irel 等对乳品工业废水处理的各种厌氧工艺及
其优缺点和适用性均进行了详细的介绍[4]
;G V idal [5]
等人进行了乳品工业废水中脂肪和蛋白质的浓度对厌氧生物降解污染物能力的影响的研究;F C arta -Escobar 等应用好氧工艺处理乳品废水,研究其在硝化作用下污水中有机物的降解和氨氮的消耗的动力学影响,以及对处于连续流状态下的生物降解过程和有机物去除动力学[6～9]
;Francisco Om il 等人采用厌氧生物滤池处理乳品废水并已进行了工程应用
[10,11]
;H an Q ing Yu 等人采用了酸化
污水的方法用以处理中、高浓度的乳品废水的研究[12]
.但对于采用水解酸化-好氧技术在乳品废
水处理中的工艺参数优化控制的深入研究却不多见.通过对乳品废水水质情况分析,本试验尝试采用水解-好氧联合生化处理工艺处理乳品废水,以探索乳品废水处理的优化控制.
1　试验材料和方法
1.1　试验工艺流程及设备
试验流程见图1
.
图1　试验流程图
水解酸化池及SBR 池均为有机玻璃制作,水解酸化池尺寸为L ×B ×H =0.35m ×0.7m ×
0.9m ,有效容积为0.18m 3
,进水采用底部穿孔管均匀布水,SBR 池尺寸为L ×B ×H =0.5m ×0.5m ×1m ,有效容积0.24m 3
,SBR 池采用上清液排出管排水.
1.2　试验用废水及种泥来源
试验地点为内蒙古某乳品废水处理厂沉砂间内,直接引接沉砂池初步处理后的出水,水质情况及水质分析方法见表1,水解池与SBR 接种污泥均来自该污水处理厂浓缩池污泥
[12]
.
表1　废水水质情况及分析方法
项目
进水水质指标平均值COD c r /(m g L -1)1250～18301500BOD /(m g L
-1
)
720～890805氨氮/(m g L -1)4.53～7.56 5.47总磷/(m g L -1
)
4.85～8.58 6.58VFA (挥发性脂肪酸)83.4～15
5.6119.2SS /(m g L
-1)
690～870780pH 值
7.32～11.09
8.05
2　试验结果与分析
在整个系统工艺启动完成且整个工艺联动运行一段时间后,开始稳定运行阶段.试验运行期间控制水解池内温度稳定在29～31℃,污泥质量浓度控制在6000m g /L ;SBR 池温度稳定在18～21℃,污泥质量浓度控制在4000m g /L ,排出比为1∶2,反应末期溶解氧控制在2m g /L 左右.
为了实现最佳的处理效果,探询工艺参数与水中污染物降解之间的规律性,本试验从水解酸化池停留时间和SBR 池反应时间来进行分析研究.2.1　水解酸化池参数优化与机理研究
目前,针对水解酸化的研究主要是将其作为厌氧消化的第一阶段,为产甲烷菌提供基质.一般而言,有利于水解酸化菌生长的短H RT 和低p H 值条件会抑制产甲烷菌的活性表[11～18]
.而兼性微生物可以在较短的H RT ,较宽的pH 范围和较低的温度条件下,有效地转化和降解某些毒性物质和难生物降解物质,能够实现芳香烃及杂环化合物的开环
裂解等[19,20]
,进而成为其他生物处理工艺的有效预处理阶段.
在有机物的厌氧分解中,VFA (挥发性脂肪酸)是各种基质水解酸化后的中间或终产物,当H RT 较长时,产物以乙酸等短链脂肪酸为主,而当H RT 较短时,生成的长链脂肪酸来不及继续分解为短链脂肪酸而存在于出水中,如丁酸和醇类等[21]
,因此VFA 是厌氧发酵研究中有机物降解工艺条件优劣的重要参数.水解酸化池内p H 值和VFA 质量浓度变化曲线如图2所示.
从图2中可以看出,随着停留时间的增加,pH 值逐渐降低,并且降低速度是逐渐加快的,在停留时间为7h 时,pH 值已降到7.0左右.而进水VFA
41 第1期 孙明东,等:水解酸化-SBR 处理乳品废水中试试验研究
质量浓度较低,随着时间的延长,废水中VF A 质量浓度逐渐升高,当停留时间达到6h 时,VFA 质量浓度达到最大值451m g /L ,随后VFA 质量浓度便开始下降,标志着废水中水解酸化过程的完成
.
图2　水解酸化池内pH 值和VFA 质量浓度变化曲线
有机多聚物不能被微生物直接利用,必须转化为能够透过细胞膜的溶解性物质(通常为单分子或二聚物).所以,可溶性化过程是复杂多聚有机
物厌氧降解的第一步[22]
.乳品废水中含有大量的胶体物质悬浮在水中,进入水解酸化池后,在微生物的作用下,可将不溶性的有机物水解为溶解性的有机物,并去除一部分COD cr ,提高了废水的可生化性,水解酸化池内COD cr 质量浓度和废水的可生化性关系见图3所示
.
图3　水解酸化池内COD cr 质量浓度
和废水的可生化性关系
由图3中可以看到,在最初的1h 内,COD cr 降解的速率很快,很快降低到1227mg /L ,在1h 以后,COD cr 降解速率变缓慢,并在6h 时降低到814m g /L ,在6h 以后,COD cr 质量浓度基本不发生变化.而BOD /C OD cr 为不断升高的,由最初的0.51升高到0.72左右,即大大提高了废水的可生化性.
目前表达水解速率最普遍应用的模型为一级反应动力学关系式子.Pav losta t h is 和G iraldo -G o -m ez 认为水解速率与可降解的有机多聚物浓度一般呈一级反应动力学关系,用下式表达.
d S
d t
=-k h S .式中:S 为可降解的有机多聚物浓度(M L -3
);
k h 为水解速率常数(T -1
).
对于稳态的完全反应器(CSTR ),积分可得下式
S =S 0
1+K h θ
.
式中:S 0为可降解的有机多聚物的初始浓度(M L -3
);θ为水力停留时间(HRT )(T ).
根据上式,在不同的水力停留时间下,水解速率常数变化曲线如图4所示,从图4中可以看出,在开始的2h 内,水解速率变化最大,及降解速度变化最快,并在1h 时速率常数达到最大值0.246,在随后时间里,水解速率常数逐渐降低且速度逐渐平缓,即底物浓度对水解降解速率具有决定性作用
.
图4　水解速率常数变化曲线
目前,尚缺乏关于氨基酸厌氧发酵动力学的研究数据.对复杂的蛋白质水解产生的氨基酸进行厌氧发酵的试验结果表明,氨基酸经发酵后,大部分被转化为脂肪酸和氨等中间产物,仅保留着很低的
溶解性含氮有机物[22]
.
根据乳品废水原水水质分析资料显示,原水中氨氮的值不高,但废水中的蛋白质含有较多的氮素,试验中通过水解酸化池能够很好的将蛋白质分解,从而释放出氨氮,水解酸化池内氨氮浓度变化曲线见图5所示
.
图5　水解酸化池内氨氮质量浓度变化曲线
42 哈尔滨商业大学学报(自然科学版) 第23卷
如图5所示,进水氨氮质量浓度很低,随着时间的延长,废水中氨氮质量浓度逐渐升高,即水中蛋白质得到降解释放出氨氮,当停留时间达到6h 时,氨氮质量浓度达到最大值不再升高并开始下降,说明废水中蛋白质基本降解完成,开始进入生物去除氨氮阶段,但厌氧对氨氮的去除率很低,故氨氮质量浓度降低的很慢.
综合以上因素,考虑到实际工程的经济因素和水解效果,本试验确定水解酸化池停留时间6h 为最佳停留时间.2.2　SBR 参数优化与机理研究
采用SBR 工艺处理工业废水,当反应进行到一定程度时,即使延长曝气时间,有一小部分有机物也不能进一步被降解,这部分有机物称为该条件下难降解COD
[23]
.
由于乳品废水本身的特性,在采用传统好氧工艺处理乳品废水时,很容易发生污泥膨胀现象,造
成污泥流失,水质恶化,严重者会导致工艺无法正常运行.因此解决污泥膨胀问题对生物处理废水是极为重要的.SBR 工艺可有效的控制SV I 值,从而
有效的抑制污泥膨胀[24]
.而SBR 池的反应时间的长短直接影响着水中有机物和氨氮的降解程度,决定了出水COD cr 质量浓度和氨氮质量浓度的大小.SBR 池内COD cr 、氨氮去除率曲线如图6所示.随着SBR 内反应时间的延长,COD cr 和氨氮的去除率均逐渐提高,但当停留时间达到4h 以后,COD cr 去除率开始下降,而氨氮的去除率则是没有太大的升高,COD cr 去除率下降是由于曝气过量,污泥被解体而引起废水中COD 值升高的缘故
.
图6　SBR 内C O D cr 、氨氮去除率曲线图
SBR 池在反应过程中有机物的降解速率,受到供氧速率、污泥质量浓度以及有机物质量浓度多方
面的影响,氧气的供应是影响有机物降解速率的一个重要因素.因此本试验探讨了SBR 池内C OD cr 质量浓度变化与溶解氧变化关系如图7所示.
由于SBR 池在反应过程中,池内的有机物浓
度是变化的,因此池内的需氧量也是变化的,而供
图7　SBR 池内C O D cr 质量浓度变化
与溶解氧变化曲线图
氧量是不变的,这就出现了如图7所示的溶解氧变化规律,在反应初期(前1h ),DO 大幅度升高,这是由于反应刚开始时,供氧速率远远大于耗氧速率.第二阶段是COD 的快速降解过程,DO 逐渐趋于平稳.第三阶段是在COD 达到难降解浓度时,DO 突然迅速大幅度升高,DO 的这一变化特点可作为曝气结束的控制信号.这种变化是由于COD 不再被利用,微生物的耗氧速率迅速降低,此时系统中的供氧速率远大于耗氧速率,使DO 迅速大幅度升高.之后继续曝气,微生物进入内源呼吸期,DO 稳定在较高的范围内.
对于间歇反应器,根据上述一级反应动力学关系方程积分可得
S =S 0e
-k h t
式中:k h 为有机物降解速率常数,(T -1
);t 为活性
污泥反应时间(T ).
图8　降解速率常数变化曲线
根据上式,在不同的反应时间下,降解速率常数变化曲线如图8所示,从图8可以看出,在开始的两个小时内,降解速率变化较大,并在1h 时出现最大值0.75,即此时有机物降解速率最快,在以后4h 逐渐趋于平稳,则有机物质量浓度的大小影响有机物降解速率.
根据以上试验结果,采用SBR 工艺处理水解池出水的最佳反应时间为4h 左右.从溶解氧的变化规律以及运行费用来看,SBR 池供氧方式可采用
43 第1期 孙明东,等:水解酸化-SBR 处理乳品废水中试试验研究
渐减曝气更合理,更经济.
2.3　系统最优条件下处理效果分析
通过试验,当进水C OD cr质量浓度为1250～1830m g/L时,控制水解酸化池污泥质量浓度为6000m g/L,SBR池污泥质量浓度为4000m g/L,排出比为1∶2,水解酸化时间6h和SBR反应时间4h左右,进出水水质情况见表2.
表2　进出水水质对照表
项目进水水质
水解酸化
池出水水质
SBR出
水水质
COD cr/(mg L-1)1250～1830690～850100～145 BOD/(m g L-1)720～890540～62032～55
NH
4
—N/(mg L-1)4.53～7.5624.3～35.68.5～12.3 VFA/(m g L-1)83.4～155.6423～492—
SS/(m g L-1)690～870380～49086～164 pH值7.32～11.09 6.1～6.97.2～7.7
从试验结果可以看出,水解酸化池对COD cr、SS的去除率均在40%～50%左右,B OD与COD cr 的比值升高,由原先的0.52提高到0.71,即大大提高了废水的可生化性,p H值也降至7以下,而氨氮及VFA的质量浓度却增加了.通过好氧处理, SBR池出水COD cr降到100～145m g/L,B OD降到32～55m g/L,SS降到86～164m g/L,对COD cr、BOD、SS的去除率达到85%左右,氨氮降到9.8m g/L,去除率达到70%左右.经过整个工艺处理后,水中COD cr、BOD、SS总的去除率达到90%以上,出水可以达到国家污水综合排放标准(GB 8978—1996)二级排放标准.
3　结　论
1)乳品废水采用水解酸化-SBR工艺具有较高的处理效率,
2)水解酸化池的停留时间是对废水的生物降解,提高废水的可生化性具有决定性的作用,并可通过氨基酸发酵提供氨氮给后续好氧工艺.SBR池反应时间是影响C OD cr、氨氮去除率的关键,且随反应时间变化,溶解氧呈规律性变化,SBR池供氧方式宜采用渐减曝气的方式.
3)试验结果表明,当进水C OD cr为1250～1830m g/L,常温条件下,水解酸化最佳停留时间为6h,SBR在排除比为1∶2条件下,最佳反应时间为4h,C OD cr、BOD、SS总去除率可达90%以上,出水可以达到国家污水综合排放标准(GB8978—1996)二级排放标准.
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(下转128页)
表3　问题3两种算法性能比较
平均运行时间
优化解
最佳优化解平均值标准偏差
P MXT GA42.98941246858424756114190.002 P GA30.79025245761224660303547.898 从计算结果我们可以看到,对规模较大的布置问题,PGA仍然较P MXGA更快速,能够搜索到更好的优化解,而且性能更稳定.
4　结　语
运用遗传算法构造设备布局问题的启发式算法,是解决该问题的一个较好方案,而单亲遗传算法凭借其独特的遗传操作算子,在寻优效果和早熟收敛问题上,比传统遗传算法更具有优势,而且实现更加简单.本文基于单亲遗传算法构造了多行设备布局的优化方法,并与传统遗传算法进行了比较,实验证明本算法较之传统遗传算法具有构造更简便、寻优速度更快、效果更好的特点.当然,本算法只考虑了设备布局最一般的情况,没有涉及设备大小,厂区面积等约束.另外,生产中设备间物流量不可能不发生变化,物流量不同的多期设备布局问题(动态设备布局问题)也是有价值的研究方向.参考文献:
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