运用序列式生物膜反应器处理味精污水工艺研究

李志华

（天津科技大学生物工程学院，天津300457）

运用序列式生物膜反应器处理味精污水工艺研究

李志华

（天津科技大学生物工程学院，天津300457）

味精污水中含有较高的氨氮离子，序列式生物膜反应器（SBBR）能够有效实现味精污水的同步硝化与反硝化反应，减少设备占有面积和节约处理时间。经过实验得出，当溶氧（DO）为3～4mg/L能够有效地满足生物膜中好氧菌的生长需要，又不会破坏生物膜内的厌氧环境，当pH值为8.0时，温度为30℃时，对味精生产中产生的污水的化学需氧量（COD）去除率高达95.34%，氨氮的去除率达到95.78%，生物需氧量（BOD5）去除率94.1%。

味精；序列式生物膜反应器；硝化；反硝化

中国是味精生产大国，虽然采取了一些新的清洁生产工艺，但是在整个生产过程中还是产生了浓缩结晶后的废弃冷凝水、生产过程中的洗涤水及一些排污冲洗水，因为这些废弃水具有较高的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、硫酸根离子和氨氮离子，所以必须要处理，不能直接排放。目前国内外对味精工业污水处理方法主要有物理化学方法和生物发酵方法，虽然有一定的效果，但是总体来讲还是不理想，主要原因是处理费用高，设备投资大。建立现代高效的污水处理是实现清洁生产的目标，味精污水中高氨氮含量需要经过硝化与反硝化处理，而序列式生物膜反应器[1-5]（sequencing biofilm batch reactor，SBBR）能够实现同步硝化与反硝化处理的较理想方法。

1 材料与方法

1.1 SBBR工作机理

1.1.1 生物脱氮原理

味精污水中含有较高的COD和氨氮化合物，不管采用什么方式处理都有硝化与反硝化过程，硝化过程是指硝化细菌将氨转化为硝酸盐的过程；而反硝化是指在严格的厌氧条件下完成硝酸盐向N2转化的过程。有机氮通过异氧菌氨化成游离态氨氮（NH4+-N），NH4+-N在亚硝酸菌好氧硝化成亚硝态氮（NO2-N），NO2-N在硝酸菌作用下产生硝态氮（NO3-N），然后在缺氧环境下反硝化，最后产生氮气（N2）进行排放，整个过程中发生了两步反应，见下式。

1.1.2 SBBR的工作原理

SBBR最早由WOBUS A等[6-7]在实验中提出，其基本原理是活性污泥法和生物膜法相结合，即通过在SBBR反应器中加入不同的填料，按照SBBR操作方式，根据水质和污水不同而采用不同的处理方式。在SBBR工艺中，微生物含量高，污水处理效果好，污泥的沉降性好，除污负荷高，具有很高的社会效益和环境效益，现在已经成为了国内外的研究热点[8-10]，SBBR的工作原理见图1。SBBR的运行包括充水（fill）、反应（react）和滗水（draw）3个阶段并组成一个运行周期，与传统的序列间歇式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process，SBRASP）相比，因省去沉淀而缩短了整个周期的循环时间[11]。

图1SBBR工作原理图Fig.1 SBBR working principle

1.2 污水来源及指标

通过清洁生产工艺，味精生产污水的主要来源于生产污水和生活污水两部分，如表1所示。由表1可以看出，由于减少了浓缩结晶母液的排放，在味精的生产过程中，通过取样A公司污水，得到处理前混合污水化学需氧量COD为1836mg/L，生物需氧量（biologicaloxygendemand，BOD）为1 194mg/L，悬浮物含量为12.1mg/L。

表1 治理前L-谷氨酸生产过程中的污水Table 1 Wastewater inL-glutamic acid production before managing mg/L

1.3 仪器与设备

6B-50型氨氮速测仪：江苏盛奥华环保科技有限公司；756MC紫外分光光度计：苏州江东精密仪器有限公司；YSI550A便携式DO仪：上海典普仪器设备有限公司；pHS-2C测定仪：合肥桥斯仪器设备有限公司；S73F4138型号温度计：宁波江北慈城红卫家用寒暑表厂；FA2004电子天平：上海精科天平实业有限公司。

1.4 分析方法

COD的测定方法参考GB11914—89《水质化学需氧量的测定》中的重铬酸盐法；BOD5的测定按照中华人民共和国国家环境保护标准HJ 505—2009《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法》中提供的方法；游离态氨氮（NH4+-N）的测定采用纳氏试剂分光光度法；总氮（total nitrogen，TN）测定用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；硝态氮（NO3-N）的测定采用紫外分光光度法；溶氧（dissolved oxygen，DO）、pH值和温度测定用仪器法；悬浮物测定采用重量法。

2 结果与讨论

2.1 溶氧对污水处理的影响

曝气量的多少直接决定着溶氧（DO）的大小[12]。在SBBR体系中DO不应过小，必须满足COD和氨氮降解的需要，同时DO也不应该过大，过大会增大曝气量，进而增加气体剪切力，减少微生物的附着，其次增加了能量的消耗。同时降解COD主要以好氧异养菌为主，而硝化细菌也需要氧气环境。综上所述，DO对于脱氮影响巨大，本实验通过控制曝气量来控制DO的含量，分别将DO控制在1mg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L条件下，不同DO条件对脱氮处理的影响实验，结果如图2所示。

图2DO对脱氮效果的影响Fig.2 Effect of dissolved oxygen on denitrification

由图2可知，COD受到DO的影响并不明显，即使在不同的DO条件下，COD的水平仍在90%以上，当DO小于3mg/L时，COD随着DO的增加而增加；超过3mg/L以上，COD水平略微上升。

其次DO对氨氮的去除率影响明显，当DO小于4mg/L时，氨氮去除率随着DO的增加而增加，但是当DO超过4mg/L时，氨氮去除率几乎没有变化，这可能是由于DO过大，抑制了反硝化过程，进而影响了氮元素的去除，降低了氨氮的去除率。

同时对反应器出水中亚硝酸盐和硝酸盐进行研究发现DO在较低水平，亚硝酸盐的含量大于硝酸盐的含量，当DO大于4mg/L时，亚硝酸盐的含量明显低于硝酸盐的含量，但在1mg/L时由于DO首先被用于降解有机物，不能满足亚硝酸菌或者硝酸菌的需求，故亚硝酸盐和硝酸盐不足，反硝化过程由于原料受到了抑制，也降低了氨氮和总氮（TN）的去除率。但是当DO超过4mg/L时，由于破坏了生物膜内厌氧环境，使得反硝化过程受到抑制，降低了TN的去除率。

因此选择DO为3～4mg/L能够满足生物膜中好氧菌的需要，又同时不破坏生物膜内的厌氧环境。

2.2 pH对污水处理的影响

pH值对细菌的生长影响很大，只有在最合适的pH范围下细菌才能迅速成长，代谢活力也高。硝化细菌的最佳pH值为8.0～8.4，而反硝化细菌的最适合pH值在6.5～8.0之间。当超过其pH值时，细菌的生长就会受到抑制，进而降低对污水的处理能力。本实验通过控制进水的pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，得到了pH值对脱氮处理的影响，结果如图3所示。

图3pH对脱氮效果的影响Fig.3 Effect of pH on denitrification

在实验中，由于pH对细菌的影响缓慢，因此本实验结果是在每次改变pH值后8个周期（一个周期12h），出水稳定后的pH值。

由图3可知，随着pH的降低，COD去除率并没有明显的变化，保持在80%以上，即使pH值为5.0时，COD的去除率最低，但仍有82.3%，变化并不显著。而当pH值上升至8.0时，COD去除率为最高，至9.0时仍保持在89.3%。结果表明，污水中的pH值对生活在活性污泥中的微生物也有影响，主要原因是环境中pH值的变化影响了细菌分泌酶的活性，影响了对酶的催化效果。

从图3可以看出，当pH值降低时，氨氮质量浓度在不断增加，去除率逐渐降低，同时消化速率也在下降。当pH值达到7.5～8.0时，氨氮去除率最高；而当pH值下降为5.0时，氨氮去除率下降至低于30%，这时出水中的硝酸盐和亚硝酸盐的浓度都很低，说明了较低的pH值严重抑制了硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖，当pH值上升至8.0，细菌适宜生长的区域内，氨氮去除率很快上升，当pH值达到9.0时，氨氮去除率又呈下降趋势，这证明pH值大于9.0会抑制硝化细菌和反硝化细菌的生长。

当pH值为8.0时，TN的去除率最高，达到77.21%。当pH值低于8.0或者高于8.0时，TN都有下降的趋势，这说明硝化细菌和反硝化细菌受到pH值影响比较明显，并且可以看出pH值恢复后能迅速的恢复正常，这说明在此变化范围内，pH值的变化只是对微生物产生抑制作用，而不会对其产生毒害。

2.3 温度对污水处理的影响

在同时进行硝化与反硝化的污水处理工艺来说，温度对其的影响至关重要[13]，本研究一共设计了5个温度水平，分别是15℃、20℃、25℃、30℃及35℃，研究了温度对COD、氨氮、总氮的去除率。在实验进行时，保证pH值为8.0，同样每次在改变温度8个周期后，待稳定后进行取样检测，实验结果如图4所示。

图4 温度对脱氮效果的影响Fig.4 Effect of temperature on denitrification

从图4可以看出，随着温度的升高，COD的去除率也逐渐升高，由此证明，在此温度变化范围内温度升高有利于COD去除；并且TN的去除率也随着温度的升高而升高，这说明温度越高越有利于硝化反应的进行，在低温时TN的去除效率下降了一半左右，说明低温可能抑制了硝化细菌的活性导致不适合硝化反应的进行。而当温度维持在15℃时，细菌生长代谢受到了抑制，进而降低了脱氮效率。当温度高于30℃时，COD和TN的去除率上升不明显，说明这时已经达到了微生物代谢的极限，综上所述，选择30℃作为此反应器的最佳反应温度。

2.4 污水处理前后的指标对比

按照上述条件优化SBBR工艺后[14-15]，并将味精产生的污水进行处理，运行8个实验周期，结果见表2。由表2可以看出，经过处理后的污水，COD、BOD5、悬浮物、总磷及氨氮含量下降很多，达到了国标GB19431—2004《味精工业污染物排放标准》，取得了良好的效果。

表2 治理后L-谷氨酸生产过程中的污水Table 2 Wastewater inL-glutamic acid production after managing mg/L

3 总结

通过序列式生物膜反应器（SBBR）能够有效地实现对味精污水的同步硝化与反硝化作用，经过实验得出，当DO为3～4mg/L能够满足生物膜中好氧菌的需要，而且也不破坏生物膜内的厌氧环境，当pH值为8.0，温度30℃时，对污水的COD去除率高达95.34%，氨氮的去除率达到95.78%，BOD5去除率94.1%，取得良好的效果，并且经过处理的污水，达到了相关国家标准。

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Technology of monosodium glutamate wastewater treatment by sequencing biofilm batch reactor

LI Zhihua
(College of Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Monosodium glutamate(MSG)wastewater contains high ammonia nitrogen ions.Sequencing batch biofilm reactor can effectively realize the simultaneous nitrification and denitrification in monosodium glutamate wastewater treatment,resulting in the occupied area reduced and processing time saved.The result showed that it can meet the need of aerobic bacteria in the biofilm and cannot destroy biofilm in anaerobic environment when the dissolved oxygen(DO)was 3-4mg/L.When the pH value was 8 and the temperature was 30℃,the chemical oxygen demand removal of the wastewater produced in MSG production was up to 95.34%,ammonia nitrogen was 95.78%,and BOD5was 94.1%.

monosodium glutamate;sequencing biofilm batch reactor;nitrification;denitrification

X703

A

0254-5071（2014）03-0017-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.005

2014-01-14

国家高技术研究发展计划‘863计划’（No.2013AA102106）

李志华（1974-），男，工程师，博士，研究方向为代谢控制发酵。