生物触媒在白酒酿造废水处理中的试验研究

胡 浩，林 洋，刘 松

（江苏洋河酒厂股份有限公司，江苏宿迁 223800）

白酒酿造过程中产生的废水主要由酿造车间的冷却水、蒸馏操作工具的冲洗水、蒸馏底锅水、地面冲洗水和发酵黄水等组成[1]，该类废水呈酸性，具有COD、悬浮物、TN 和TP 含量高的特点，但由于其COD 的组成大部分为易生物降解有机物，可生化性较好，所以TN和TP 的去除是影响该废水能否达标排放的关键点和难点[2]。对于白酒酿造废水的处理，大多采用以“厌氧+好氧”生物处理为工艺主体的处理方法[3-4]，其中厌氧段在去除COD 的同时还能回收利用沼气资源，而好氧段则进一步完成对废水中COD、TN 和TP 的去除。另外，由于白酒酿造废水中TP 含量很高，生物除磷无法满足TP 的去除要求，所以在工艺末端通常都需要增加化学除磷和脱色处理，以使最终出水水质能符合《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》（GB 27631—2011）中的相关要求。

从技术上而言，白酒酿造废水并不属于难处理的工业废水范畴，而且对于白酒酿造废水的处理，可选择的具体工艺类型及可借鉴的成功工程案例都比较多，只要系统工艺设计和运营管理得当，最终都能达到排放标准的要求。在实际工程中，虽然很多白酒酿造企业的废水处理设施都能实现达标排放，但或多或少都存在一些问题，比如工艺运行有待优化、系统产泥量大、污泥处理处置费高、药剂消耗量大、运行成本偏高等。近年来，随着环保要求日益提高以及企业为了满足自我成本控制的需求，越来越多的白酒生产企业都希望能够在不对现有废水处理设施进行大修大改和保证出水达标的前提下，通过采取一些技术措施，以达到节能、减排、降耗的目的。

生物触媒（也称为腐殖土填料）是一种绿色环保的水处理剂，能提升活性污泥法水处理系统的去污效能（指对COD、TN 和TP 的去除能力），减少水处理及污泥脱水过程中臭气产生和剩余污泥产率，由腐殖土和其他一些天然物质经过一定的人为加工而制得[5-6]。由于生物触媒所具有的特殊优势，所以非常适用于活性污泥法水处理系统的提标改造和提质增效。因此，为了验证生物触媒在白酒酿造废水处理中的应用效果，笔者在小试装置上进行了试验研究，试验重点考查了生物触媒是否会对取自现场系统的污泥活性造成负面影响以及小试系统投加生物触媒后在污泥减量和去污效能改善等方面的效果，试验结果可为生物触媒后续在现场的工程应用以及今后在白酒工业废水处理中的推广提供借鉴和参考。

1 实验场地、装置及方案

1.1 现场污水站概况

苏酒集团泗阳基地污水处理站主要处理厂区内的酿造废水和生活污水，系统设计处理水量6000 m3/d，实际处理水量在2800 m3/d 左右，采用“厌氧发酵+两级A2/O+化学除磷”的主体工艺（详见图1），出水水质执行《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》中表2所载明的间接排放标准。

图1 污水站工艺流程图

1.2 小试装置

小试试验按照现场一级生化系统的池容比设计定制了两套相同的试验装置，分别用作实验组和对照组，以便进行效果比对。试验时，两套小试装置均采用取自现场系统的活性污泥进行启动，并以现场的实际废水作为试验进水，主要工艺参数（如DO、HRT、MLSS、回流比等）也参照现场一级生化系统的实际情况进行控制，从而尽可能在小试装置上模拟现场系统的工艺运行。见表1。

表1 小试装置尺寸

1.3 试验过程

试验历时40 d（2020年12月18日至2021年1月26日），可分为投加生物触媒前的启动运行阶段、投加生物触媒后的前期实验阶段、投加生物触媒后的中期实验阶段和投加生物触媒后的后期实验阶段（即实验组的工艺调整期）等4 个阶段，各试验阶段的时间划分及情况说明见表2。

1.4 理化指标检测方法

理化指标检测方法分别为：COD、TN 采用哈希配套仪器和设备，TP 采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989），污泥浓度（MLSS）采用便携式污泥浓度检测仪和烘干称重法，DO 采用便携式溶氧检测仪。

2 结果与分析

2.1 小试装置运行状况

两套小试装置启动时的污泥浓度（见图2）在6000 mg/L 左右，后由于部分污泥随出水流失以及人为排泥，污泥浓度在截至投加生物触媒时（实验第12 天）下降到了5000 mg/L 左右；自投加生物触媒后，两套小试装置的污泥浓度均维持在4000～5000 mg/L，与现场一级生化系统的污泥浓度保持一致。小试试验在空调房内进行，试验过程中两套小试装置最低水温为19 ℃，最高为27 ℃，平均为23 ℃，低于现场系统水温5～10 ℃。由于生物脱氮除磷比较适宜的温度为25～30 ℃，所以小试系统内水温偏低的情况对小试系统的水处理效果也会有一定影响。至于实验过程DO（指溶解氧）的控制，两套小试系统厌氧池DO＜0.2 mg/L，缺氧池DO＜0.5 mg/L，好氧池DO在2～4 mg/L，符合A2/O工艺对DO的控制要求。

图2 小试装置污泥浓度变化

2.2 出水COD的比较及分析

现场污水站处理的废水中COD 大部分属于可生物降解类有机物，所以COD 去除比较容易。试验数据显示（见图3），两套小试装置和现场一级生化出水的COD 平均都在200 mg/L 以下，低于最终出水COD的排放限值（400 mg/L）。对于COD去除率的比较，由于现场一级生化进水参混的集水井废水（为了补充反硝化所需碳源）的水量波动较大，导致进水COD 波动也大，所以没有将现场一级生化系统的COD 去除率与小试系统COD 去除率进行比较。

图3 1#装置、3#装置和现场一级生化出水COD及去除效果

就小试COD 去除率而言，两套小试系统在投加生物触媒前的COD 去除率基本相同，平均值分别为87.4 %和86.8 %。实验第12 天，随机选了1#装置作为实验组，并向曝气池中投加了一定量的生物触媒；3#装置作为对照组，除不投加生物触媒外，其他情况和实验组保持一致。之后，在实验第二阶段、第三阶段和第四阶段，实验组和对照组的COD去除率在变化趋势上同样未见显著差异，即便是在实验后期提高小试进水中调节池废水（为现场系统厌氧反应器进水）的兑加比例（由25∶1 提升至25∶2）后也是如此，该结果一方面可以佐证污水站处理的废水中COD 确实是比较容易生物降解的，适当提高生化系统进水COD 并不会导致出水COD 上升；另一方面也表明，虽然生物触媒投加到生化系统中具有一定的碳源补充作用（生物触媒具有缓慢消融并释放出COD 的特点[7]），但是不会对系统COD负荷造成冲击影响。

2.3 出水TN的比较及分析

图4 为1#装置（实验组）、3#装置（对照组）和现场一级生化出水TN 及去除率的情况。数据显示，在实验第一阶段，1#装置、3#装置和现场一级生化出水TN平均值分别为101 mg/L、95 mg/L和80 mg/L，虽然小试出水TN 都比现场一级生化出水高，但两套小试出水TN 却相差不大，表明两套装置的运行状况在投加生物触媒前是比较接近的。实验第二阶段后期，在停止了向小试进水中兑加调节池废水后，1#装置和3#装置的出水TN 均大幅上升，并没有因为投加生物触媒产生明显差异，其原因一方面是因为生物触媒在投加后要发挥出效果通常需要15～20 d，另一方面是因为进水COD 太低，而进水中碳源含量又是影响生物脱氮除磷效果的关键性因素，所以当进水中COD/TKN 本身就低的情况下，单纯依靠投加生物触媒达不到立即改善生化系统对TN和TP的去除效果。

图4 1#装置、3#装置和现场一级生化出水TN及去除效果

在第三实验阶段，由于恢复了向小试进水中兑加调节池废水（为了提高进水COD），1#装置和3#装置出水TN 随即下降，而且均比同时期现场一级生化出水TN 低（数据见表3）。与此同时，1#装置由于投加了生物触媒，TN 去除率在该实验阶段也开始逐渐高于3#装置，出水TN 含量平均要比3#装置低15%，比同时期现场一级生化出水低34%。

表3 1#装置、3#装置及现场一级生化系统进出水TN分阶段统计数据于 (mg/L)

实验第四阶段为针对1#装置的工艺调整期，具体调整措施为：（1）污泥回流比由100%降至80%，并对其进行了分流，其中40%回流到厌氧池、40%回流到缺氧池；（2）硝化液回流比由200 %降至150%；（3）将第一格好氧池改为间歇曝气，间歇时间设置为曝气1 h、停30 min。经过工艺调整后，1#装置的水处理效果进一步提高，出水TN 含量平均要比3#装置低19 %，比同时期的现场一级生化出水低26%。

2.4 出水TP的比较及分析

生物脱氮过程和生物除磷过程在工艺控制上存在一些不同，甚至是彼此相矛盾的。比如生物脱氮需要缺氧+好氧的组合，生物除磷需要厌氧+好氧的组合，生物脱氮需要的泥龄长，生物除磷需要的泥龄短，硝态氮的大量存在会影响除磷菌的厌氧释磷过程，除磷菌和反硝化菌在碳源利用上存在竞争关系，且反硝化菌的竞争优势比除磷菌强。所以，在A2/O 工艺中要同时实现TN 和TP 的良好去除，就需要掌控好生物脱氮和生物除磷之间的平衡，否则，就会出现出水TN 低时TP 高或者出水TP低时TN高的现象。

由图5 可知，在实验第一阶段，两套小试系统出水TP及TP去除率与现场一级生化出水是比较吻合的；之后，现场系统出水TP 继续保持在40 mg/L左右，而两套小试系统出水TP 均大幅上升。从实验第一阶段末期到第三阶段结束（即实验第10—30 天），1#装置、3#装置和现场一级生化系统出水TP 平均去除率分别为33.3 %、37.9 %和59.3 %，而出水TN 平均去除率分别为62.9 %、61.3 %和47.5%，即在该时期内小试系统脱氮效果优于现场系统、除磷效果逊色于现场系统，两者都表现出了脱氮除磷不平衡的情况，具体为小试系统在脱氮除磷上表现出以生物脱氮为主，而现场一级生化系统表现出以生物除磷为主。小试进入实验第三阶段（恢复了向小试进水中兑加调节池废水）后，随着进水中COD 提高，1#装置和3#装置出水TP 均表现出了下降趋势，该结果表明，适当的提高进水COD 能同时有助于TN、TP去除。

图5 1#装置、3#装置和现场一级生化出水TP及去除效果

经过工艺调整后，1#装置TP 去除效果也开始逐步提高，截至本试验结束时，TP 去除率提升至60 %左右，出水TP 平均含量和现场一级生化系统基本持平（分别为39 mg/L、31 mg/L）。但和3#装置相比，1#装置在第四阶段期间的出水TP 平均含量要比3#装置低35%。

2.5 污泥减量核算

通常，活性污泥法水处理系统的产泥率可以从两个角度进行核算，即吨水产泥率和处理每公斤COD 的产泥率，处理每公斤COD 的产泥率主要适用于进出水COD 波动较小的情况，而吨水产泥率适用的情形更普遍，在实际工程中的应用也更多。根据本试验的情况，本研究采用吨水产泥率作为污泥减量核算的指标和依据。吨水产泥率和处理每公斤COD的产泥率的计算公式如下：

式中：φ水——系统处理每吨水的产泥率，kgMLSS/m3水；

φCOD——系统处理每公斤COD 的产泥率，kgMLSS/kg COD；

X1——核算期内，第1 天（i=1）时生化池的平均污泥浓度，mg/L；

X2——核算期内，第n 天（i=n）时生化池的平均污泥浓度，mg/L；

表4 1#装置、3#装置及现场一级生化系统进出水TP分阶段统计数据 (mg/L)

X3i——核算期内，系统在第i 天时当天排泥的平均污泥浓度，mg/L；

V1——生化池实际运行的总池容，m3；

V2i——第i天时，系统当天排泥的污泥量，m3；

Qi——第i天时，系统当天处理的水量，m3；

S0i——第i 天时，生化池当天进水的平均COD 浓度，mg/L；

Sei——第i 天时，生化池当天出水的平均COD 浓度，mg/L。

投加生物触媒前（实验第1—12 天），两套实验装置按相同的工艺参数条件启动和运行。根据吨水产泥率的计算公式，可计算得到1#装置和3#装置的产泥率分别为0.17 kg/m3、0.16 kg/m3，再结合它们同时期COD、TN 和TP 的去除效果，不难发现两套小试系统运行状况的重复性是很好的。

在选定1#装置作为实验组、3#装置作为对照组后（实验第13—40 天），按同样的产泥率核算方法，可计算得到1#装置和3#装置的产泥率分别为0.20 kg/m3、0.34 kg/m3，即1#装置在投加生物触媒后的产泥率相比3#装置的产泥率降低了41%。试验期间，1#装置和3#装置的累积排泥量（见图6）分别为233.9 g、306.9 g，1#装置使用生物触媒后，累积排泥量减少了24%。

图6 1#装置、3#装置在试验期间的累积排泥量（以绝干泥量计）

3 结论

3.1 生物触媒是一款绿色环保的水处理剂，不会对生化系统的正常运行造成负面影响。本次试验的结果也验证了向模拟现场系统运行的小试系统中投加生物触媒，未见其对污泥活性产生任何毒害或抑制作用。

3.2 生物触媒可为活性污泥系统提供一定的碳源补充，但其COD 的释放是在逐步消溶的过程中缓慢进行的，不会对系统进水COD负荷造成冲击。

3.3 生物触媒的突出优势在于污泥减量和提升去污效能，但生化系统进水COD 负荷低或者工艺运行存在问题时，单纯依靠投加生物触媒做不到立即改善生化系统对TN 和TP 的去除效果，这时需要结合实际情况对工艺形式和运行参数进行适当调整，才能发挥出生物触媒最大的功效。

3.4 在实验后期，增加工艺调整后，1#装置（实验组）的水处理效果开始显著优于3#装置（对照组）。期间，1#装置出水TN 平均含量要比3#装置的低19 %，比同时期的现场一级生化出水的低26 %；出水TP 平均含量比3#装置的低35 %，和同时期现场一级生化出水TP平均含量基本持平。

3.5 向小试试验系统投加生物触媒后，实现了污泥减量。经统计核算，投加生物触媒后实验组产泥率为0.20 kg/m3，对照组产泥率0.34 kg/m3，实验组产泥率相比对照组降低了41%。对于现场系统而言，实现污泥减量不仅可减少系统的污泥产量和污泥处置费，还能减少污泥脱水过程中的电耗、药剂消耗以及人工工作量，所以最终能同时取得良好的经济效益和环保效益。