程 婷，龔淑芬，徐建飛

(1. 池州學(xué)院 資源環(huán)境學(xué)院，安徽 池州 247000；2. 安徽澤霖環(huán)?？萍加邢薰荆不?合肥 230000)

據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t啤酒需要8～40 t新鮮水，相應(yīng)地產(chǎn)生7～35 t廢水。這種生產(chǎn)廢水的組成成分有蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、酒花殘渣等[1]，這些物質(zhì)多是有機(jī)無毒物質(zhì)，但高濃度的有機(jī)廢水排入天然水體后會大量消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致水生生物大量死亡，使得原本純凈的水體發(fā)出惡臭，水質(zhì)惡化。若廢水不經(jīng)處理直接對外排放，將會造成水體嚴(yán)重污染。鑒于啤酒廢水可生化性較高等特點，目前，國內(nèi)外啤酒廠大多采用生化法處理啤酒廢水，處理效率高、工藝較成熟、處理成本較低。隨著廢水處理技術(shù)的發(fā)展，人們在處理啤酒廢水的實踐中對各種生化處理法，如活性污泥法、生物膜法、接觸氧化法等加以組合、優(yōu)化改良，逐漸達(dá)到最佳的處理效果。其中，厭氧處理和好氧處理的組合工藝應(yīng)用最為廣泛。

1 某啤酒廠污水的特點與排放指標(biāo)

某啤酒廠廢水主要來源于糖化車間、發(fā)酵車間和灌裝車間，其中灌裝車間的廢水濃度較低，與灌裝車間不同，糖化車間和發(fā)酵車間廢水濃度較高且COD含量高，占總廢水的30 %左右。啤酒廢水的有機(jī)組成主要是糖、可溶性淀粉、揮發(fā)性脂肪酸等物質(zhì)，這些物質(zhì)易于生物降解，BOD/COD比值一般為0.6～0.7。啤酒加工原料及酵母的含量直接決定了廢水中氮和磷的含量，CIP(clean in place)清洗單元上所使用的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量和類型則是決定了pH值[2]。該啤酒廢水進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。

表1 某啤酒廠廢水水質(zhì)和排放指標(biāo)

由表1可以看出，該啤酒廢水的特點之一就是COD和SS進(jìn)水濃度比較高，經(jīng)過各工序的處理，排出的廢水水質(zhì)有很大的差異，其中COD的去除率較高，可生化性較強(qiáng)；其次，由于一月份沒有生產(chǎn)，沒有啤酒廢水產(chǎn)生，二月份才開始生產(chǎn)，經(jīng)過三個月的調(diào)試期達(dá)到滿負(fù)荷運行，因此廢水水質(zhì)水量在不同時間段也有著一定的差別，且波動明顯。鑒于生化處理工藝技術(shù)較為成熟，具有處理效率高，基建費用低等優(yōu)勢，應(yīng)優(yōu)先考慮此工藝處理啤酒廢水。

2 某啤酒廠廢水處理工藝組合

目前國內(nèi)外較多采用生化處理法、物化與生化相結(jié)合處理法來解決啤酒廠廢水的處理問題。具體有UASB+好氧接觸氧化法、新型獨立接觸氧化法、生物接觸氧化法、內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器+氧化溝法、UASB+SBR法、水解酸化+SBR等[3]。結(jié)合該啤酒廠啤酒生產(chǎn)規(guī)模、啤酒生產(chǎn)廢水的水量、水質(zhì)特征以及《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB19821-2005)，且綜合考慮資金、地理位置等因素，確定采用酸化-UASB-好氧接觸氧化組合工藝進(jìn)行處理，工藝流程見圖1。

圖1 酸化-UASB-好氧接觸氧化組合工藝流程圖

2.1 酸化-UASB-好氧接觸氧化工藝

該工藝中主要的處理設(shè)備是上流式污泥床和好氧接觸氧化池，主要的處理過程為：各啤酒生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污水經(jīng)過集水管網(wǎng)聚集到污水處理站的格柵間；經(jīng)過提升泵房提升并經(jīng)過水力篩的攔截，去除廢水中的懸浮物質(zhì)；去除雜質(zhì)后的污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池后進(jìn)行攪拌，以此來進(jìn)行水質(zhì)水量的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)池中的污水經(jīng)過均質(zhì)、均量后由調(diào)節(jié)泵提升至水解酸化池。酸化池中的污水進(jìn)入UASB厭氧反應(yīng)器進(jìn)行厭氧分解；厭氧分解出水靠重力自流入好氧反應(yīng)器，二沉池[1]。沉淀池污泥和懸浮物質(zhì)一起由污泥泵提升至污泥濃縮池后再進(jìn)行脫水處理，脫水后的污泥進(jìn)行外運。而二沉池的上清液則進(jìn)入消毒池進(jìn)行消毒，達(dá)標(biāo)則排放。

2.1.1 水解酸化池

該工藝采用水解酸化作為厭氧-好氧組合工藝處理的預(yù)處理過程。水解酸化菌將水中的懸浮性物質(zhì)水解轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)，從而來提高廢水的可生化性，同時降低了污水的pH值，對之后的厭氧生物處理有很大的幫助。因此水解酸化池的設(shè)置不僅對系統(tǒng)的可生化性能有所改善，而且對于有機(jī)物和懸浮物的去除效果有明顯提高，使整個系統(tǒng)的能耗相比不加酸化池要大幅度地降低。

2.1.2 UASB反應(yīng)器

UASB由污泥反應(yīng)區(qū)、固液氣三相分離器和氣室三部分組成，是本工藝的主體處理單元，污染物大多在此階段降解去除。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，絮狀污泥和顆粒污泥可以在UASB反應(yīng)器區(qū)內(nèi)以很高的濃度存在著。開始階段要控制UASB反應(yīng)器內(nèi)的溫度和進(jìn)水量，同時也應(yīng)及時清理反應(yīng)器上的懸浮雜物，并且避免反應(yīng)器內(nèi)的接種污泥流失。在線實時監(jiān)控進(jìn)水總量、進(jìn)出水pH、溫度等指標(biāo)，對COD、SS、NH3-N、TP也每天定時取樣檢測，當(dāng)反應(yīng)器出水COD去除率能穩(wěn)定達(dá)到80 %左右時，再逐漸加大進(jìn)水量，大約經(jīng)過90天的調(diào)試啟動期，UASB反應(yīng)器啟動調(diào)試成功并且能夠正常穩(wěn)定運行[4]。

2.1.3 好氧反應(yīng)器

好氧池就是通過控制好氧池溶解氧含量，以此來適宜好氧微生物生長繁殖，從而對污染物質(zhì)進(jìn)行處理。在UASB啟動一周后，啟動好氧接觸氧化池。在最初幾天，由于池內(nèi)COD濃度較高細(xì)菌處于對數(shù)增長期，氧的利用速度快，溶解氧充分被細(xì)菌利用[5]。一周之后，由于UASB反應(yīng)器中出水COD降低了不少，好氧接觸氧化池進(jìn)水COD也相應(yīng)地降低。好氧接觸氧化池的作用是讓活性污泥進(jìn)行有氧呼吸，進(jìn)一步把UASB反應(yīng)器內(nèi)未分解的有機(jī)物分解成無機(jī)物。

2.2 組合工藝的特點

水解酸化在該組合工藝中至關(guān)重要，它具有兩個方面的作用，其一是對啤酒污水中的有機(jī)污染物質(zhì)進(jìn)行改性，提高污水的可生化性；其二是起到提高去除易降解污染物質(zhì)的效果，酸化的好壞影響著厭氧反應(yīng)器的處理效果。有機(jī)物的去除主要集中在UASB反應(yīng)器中。厭氧處理環(huán)節(jié)對污水處理效果的貢獻(xiàn)不容忽視。上流式厭氧污泥床的運行能耗比較低、運行起來也比較穩(wěn)定、出水水質(zhì)也比較理想，有效地降低了好氧生化單元的處理負(fù)荷和運行能耗。好氧處理對于污水中的COD和SS均有較高去除效率，這是因為此階段的污水有機(jī)物濃度仍然較高，有機(jī)物來源除了經(jīng)厭氧處理后難降解的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化以外，原污水中仍含有較多易生物降解但未被生物降解的有機(jī)物[1]。整個工藝對于COD和懸浮物的去除率極高，分別為98.7 %和97.5 %。

3 運行實況與效果分析

該啤酒廠一月份無生產(chǎn)情況，一月中旬至二月中旬這段時間開始厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物的馴化與培養(yǎng)，三月份至五月份是調(diào)試期，之后系統(tǒng)便穩(wěn)定運行。污水經(jīng)過格柵篩濾、調(diào)節(jié)pH后流向酸化池中，在酸化池中產(chǎn)酸菌代謝產(chǎn)生VFA并增大混合液的pH值，混合液進(jìn)入UASB反應(yīng)器和好氧處理系統(tǒng)，COD、SS得到很好的去除，NH3-N、TP的濃度得到了降低，反應(yīng)進(jìn)行的也比較順利。經(jīng)過三個月的調(diào)試期，該污水站運行過程中各項指標(biāo)基本達(dá)標(biāo)，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)排放污水。

3.1 酸化池處理分析

水解酸化池的啟動并沒有接種微生物，而是依靠啤酒廢水中的微生物自身積累以及反應(yīng)池中新細(xì)菌物質(zhì)增長的。由于反應(yīng)池內(nèi)含有高濃度的兼性微生物，在池內(nèi)缺氧條件下，被截留下來的有機(jī)物質(zhì)在大量水解產(chǎn)酸菌的作用下，將不溶性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)，將大分子、難于生物降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的物質(zhì)VFA等[6]。

微生物在發(fā)育階段吸收吞食有機(jī)污染物作為營養(yǎng)物質(zhì)促使自身生長，同時大分子有機(jī)物被降解為有機(jī)酸并釋放大量二氧化碳、硫酸鹽被還原為硫化氫、少量的甲烷化等過程，都使得COD在酸化池的含量得以降低。

圖2 進(jìn)水COD、酸化池COD、VFA濃度變化趨勢圖

從圖2可以清楚地看出，在多數(shù)情況下，酸化池中COD濃度是低于進(jìn)水COD濃度的，這說明酸化池中一些大分子物質(zhì)被分解轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，一小部分有機(jī)污染物被有效降解；但同時，也可以明顯地看出部分時間段酸化池中COD濃度和進(jìn)水COD濃度差不多，甚至高于進(jìn)水COD濃度。VFA濃度表示的污水系統(tǒng)內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)酸的含量，是反映生物反應(yīng)器效果的重要指標(biāo)。從圖中可以看出，酸化池中VFA的含量較高，一般保持在400～1400 mg/L上下浮動。水解酸化池的主要目的是將污水中一些長鏈難以降解的有機(jī)物水解酸化生成一些短鏈的易于生化降解的有機(jī)物。在COD的測定方法中提到過，重鉻酸鉀的氧化性比較強(qiáng)，但是對于芳烴，雜環(huán)芳烴類，長鏈有機(jī)物是不能氧化的，而經(jīng)過水解酸化后可被氧化的有機(jī)物增多[7]，所以COD含量增高，說明污水中難降解的成分較多。

3.2 UASB厭氧處理分析

厭氧生物處理是指厭氧或兼性厭氧微生物在無分子氧條件下，將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)，使廢水得到凈化的過程。UASB反應(yīng)器的啟動過程可分為3個階段：污泥馴化馴化期、提高負(fù)荷期和滿負(fù)荷運行期[8]。

3.2.1 UASB反應(yīng)器內(nèi)COD變化

調(diào)試與穩(wěn)定運行過程中厭氧反應(yīng)器COD與COD去除率關(guān)系圖見下圖3。如圖所示，調(diào)試期內(nèi)厭氧反應(yīng)器內(nèi)COD的含量在300～700 mg/L范圍內(nèi)，此時厭氧反應(yīng)器對COD的去除率在69 %～87 %之間，保證了系統(tǒng)后續(xù)的穩(wěn)定運行。經(jīng)過3個多月的調(diào)試運行后，處理負(fù)荷達(dá)到了其設(shè)計的能力，整個系統(tǒng)運行起來是較為穩(wěn)定的，各單元的平均處理效果也是很可觀的。正常運轉(zhuǎn)階段UASB反應(yīng)器進(jìn)出水COD的去除率均穩(wěn)定在80 %以上，有時高達(dá)到90 %。后期出水COD穩(wěn)定在300 mg/L左右，這表明UASB反應(yīng)器處理啤酒是穩(wěn)定高效的。

圖3 厭氧反應(yīng)器COD濃度及COD去除率關(guān)系圖

如圖4所示，這是2017年8月份該啤酒污水處理站UASB反應(yīng)器進(jìn)出水COD的濃度以及COD去除率。顯而易見，UASB反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度變化起伏較大，一般在1000～2700 mg/L上下浮動。但UASB反應(yīng)器出水COD濃度就比較均衡，基本維持在300～500 mg/L，變化浮動較均衡。這也說明，大部分COD在UASB反應(yīng)器中都被降解，在這些工藝中，UASB反應(yīng)器僅僅是作為一個預(yù)處理單元。

圖4 8月份UASB進(jìn)出水COD濃度及COD去除率

3.2.2 UASB反應(yīng)器內(nèi)SS 變化

調(diào)試與穩(wěn)定運行過程中厭氧反應(yīng)器SS與COD去除率關(guān)系圖見圖5。如下圖所示，調(diào)試期內(nèi)有效地控制厭氧反應(yīng)器內(nèi)SS的含量在80～150 mg/L范圍內(nèi)，厭氧反應(yīng)器對COD的去除率在69 %～87 %。

進(jìn)入穩(wěn)定運行期后，厭氧反應(yīng)器內(nèi)SS的濃度開始大幅度地減少，說明系統(tǒng)正常運行后，廢水中的懸浮物質(zhì)被大量降解和去除，以期達(dá)到較高的去除效率。在SS濃度減小的同時，反應(yīng)器內(nèi)COD去除率在逐漸增高。故廢水中SS的減少對于反應(yīng)器內(nèi)COD去除率具有積極地促進(jìn)作用。

圖5 UASB反應(yīng)器內(nèi)SS變化趨勢圖

3.2.3 UASB反應(yīng)器內(nèi)的溫度變化

溫度能影響UASB反應(yīng)器內(nèi)微生物的反應(yīng)，在適宜的溫度下酶的活性可以升高，促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生。因此，生物反應(yīng)過程每一種酶都有顯示其最大活力的溫度，最適溫度，在這個溫度下或其范圍內(nèi)，酶活性最強(qiáng)。

由圖6可知，溫度由18℃升至33℃時，氨氮和總磷的去除速率在逐漸提高，隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，溫度繼續(xù)升高，反應(yīng)速率在慢慢減緩。當(dāng)溫度上升至37℃時，氨氮和總磷的去除效率達(dá)到最大，反應(yīng)器內(nèi)COD的去除效率也保持著持續(xù)增大。由此說明，厭氧反應(yīng)微生物在37℃時活性最大，氨被氧化的速率也是最大的。

圖6 UASB反應(yīng)器內(nèi)溫度變化趨勢圖

3.3 好氧處理分析

在系統(tǒng)調(diào)試初期，需要先向好氧池中加入少量的中低濃度的有機(jī)廢水來進(jìn)行預(yù)曝氣處理[9]，同時往池內(nèi)投加一定量的營養(yǎng)物質(zhì)。隨后開始，慢慢加大進(jìn)水水量，使得反應(yīng)池內(nèi)的好氧污泥可以逐步適應(yīng)待處理的啤酒廢水。在好氧處理過程中，COD的含量并沒有大幅度的變化，僅僅是在UASB反應(yīng)器處理過的基礎(chǔ)上再次對啤酒廢水中的有機(jī)污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化分解。在這一過程中，好氧反應(yīng)器內(nèi)部已經(jīng)形成了良好的生物相體系，此時的出水水質(zhì)狀況良好，COD的質(zhì)量濃度相比較而言均穩(wěn)定在300 mg/L左右。

圖7 好氧接觸氧化池內(nèi)COD濃度及COD去除率

由圖7可知，三月份至五月份三個月是調(diào)試期，其中COD的含量較穩(wěn)定運行期較高，且COD的去除效率也不高。穩(wěn)定運行階段，污水經(jīng)UASB反應(yīng)器進(jìn)入好氧接觸氧化池，此時污水中的有機(jī)污染物的含量已經(jīng)不多，但仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，使其達(dá)到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 運行效果

3.4.1 運行中NH3-N變化

內(nèi)該啤酒廠啤酒廢水中含有大量的N、P無機(jī)鹽，這些物質(zhì)本身并沒有多大的毒性，但可能含有大量可被生物降解的有機(jī)物質(zhì)，如果不加以治理直接對外排放，將會導(dǎo)致地表水體的富營養(yǎng)化以及水環(huán)境的破壞。調(diào)試與穩(wěn)定運行過程中進(jìn)出水NH3-N濃度變化見圖8。

圖8 進(jìn)出水NH3-N變化趨勢圖

由圖8可以很明顯地看出，盡管進(jìn)水氨氮的濃度有很大的差異，持續(xù)在25～40 mg/L左右，但隨著整個工藝經(jīng)過調(diào)試期至穩(wěn)定運行，出水氨氮的濃度在大幅度的降低，基本穩(wěn)定在5～16 mg/L，符合啤酒工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，同時氨氮的去除率也在持續(xù)的升高。

3.4.2 運行中TP變化

在廢水中，磷一般以各種磷酸鹽的形式存在，存在于溶液和懸浮物中。但是水中磷含量過高，就會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化。因此，磷含量也是水質(zhì)評價的重要指標(biāo)。

由圖9可知，進(jìn)水TP濃度最大值為14 mg/L，出現(xiàn)在3月；進(jìn)水TP濃度最小值為8mg/L，出現(xiàn)在6月。在系統(tǒng)調(diào)試至穩(wěn)定運行6個月中進(jìn)水TP的濃度忽升忽降。出水TP濃度穩(wěn)定在0.5～3mg/L，符合啤酒工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。從變化趨勢看，TP的去除率整體上呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢。

圖9 TP變化趨勢圖

3.4.3 運行中pH變化

pH值對氨氮硝化有影響，主要是因為pH值過低將會導(dǎo)致硝化反應(yīng)的停止，從而影響氨氮的降解，進(jìn)而影響反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)其他處理單元。由圖10可知，三月份進(jìn)水pH值最大，高達(dá)12，系統(tǒng)處理后出水pH值為9，此時氨氮和COD的去除率都不高。穩(wěn)定運行階段，出水pH值穩(wěn)定在6～8之間，這是符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)的；同時氨氮和COD的去除率相較于調(diào)試階段呈現(xiàn)出穩(wěn)定持續(xù)升高的趨勢。

圖10 進(jìn)出水PH及NH3-N、COD去除率變化趨勢圖

3.4.4 各單元處理效果

該污水處理工程經(jīng)過三個月的調(diào)試至穩(wěn)定運行，各主要單元進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 各處理單元處理效果

整個啤酒廠污水站污水處理系統(tǒng)經(jīng)過三個月的調(diào)試，進(jìn)入穩(wěn)定運行期。在穩(wěn)定運行過程中，啤酒廢水經(jīng)酸化池的水解酸化到UASB反應(yīng)器的厭氧處理再到好氧接觸氧化池的好氧處理，廢水中COD的質(zhì)量濃度由原來的高濃度降解轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的低濃度達(dá)標(biāo)排放，去除率較高且穩(wěn)定[6]。

4 結(jié)語

(1)采用水解酸化池+內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器+好氧接觸氧化池組合工藝處理啤酒廢水可以取的很好的處理效果，通過運用該工藝處理該啤酒廠啤酒廢水，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試至穩(wěn)定運行期間COD、SS、氨氮平均去除率分別高達(dá)90.8 %、98.3 %、83.3 %，系統(tǒng)出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)UASB反應(yīng)器是整個組合處理工藝的核心重要組成部分，具有較高的COD容積負(fù)荷。啟動運行調(diào)試的關(guān)鍵在于培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)部顆粒污泥良好的沉降性能，而培養(yǎng)厭氧顆粒污泥群的前提條件是為其提供良好的營養(yǎng)環(huán)境，維持適宜的進(jìn)水酸堿度及適時地調(diào)整進(jìn)水水力負(fù)荷。

(3)該處理工藝處理廢水具有效果運行平穩(wěn)，水質(zhì)好，消耗低，負(fù)荷能力強(qiáng)等特點。

(4)在三個月的調(diào)試期內(nèi)，該工藝尚未達(dá)到設(shè)計的負(fù)荷能力，還需要調(diào)劑污泥活性和提高污泥量，以絮狀污泥運行UASB反應(yīng)器。

(5)此工藝對堿的消耗較大，需要根據(jù)實際情況增加堿性物質(zhì)，以防止酸化。在今后的穩(wěn)定運行過程中，隨著反應(yīng)池內(nèi)活性污泥的生長和增長量，可以適當(dāng)?shù)膰L試減少堿的投加量。