厌氧生物处理对废水可生化性影响的研究

杨伟,李登涛,任年乐,南从德

(联化科技(德州)有限公司,山东 德州 253115)

厌氧生物处理在废水处理过程中也被称作“水解酸化”,可以将不溶于水的大分子有机化合物水解为溶于水的小分子化合物[1]。正是由于这个过程,厌氧生物处理可以将废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,将废水中不易被生化的化合物水解为容易被生化处理的简单分子化合物[2]。目前,用于厌氧生物处理过程的装置或反应器已经成为研究的热点[3-5],其中将厌氧生物处理与好氧氧化联合研究受到了广泛关注[1,5]。厌氧生物处理过程具有运行成本低、污泥产生量小、稳定化程度高且改善废水可生化性的特点[5]。然而,针对不同种类废水的适用性以及温度、时间、MLSS等因素对厌氧生物处理过程的影响方面,研究报道比较少见。本文以BOD5/CODCr表示废水的可生化性,研究了厌氧生物处理对公司内废水可生化性的影响,同时研究了温度、时间、MLSS等因素对厌氧生物处理过程的影响。

1 实验材料和方法

1.1 材料

厌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负荷好氧曝气池,不同项目废水来自公司生产车间,详细分析数据见表1。

表1 公司不同项目废水水质分析数据表

1.2 厌氧生物处理实验装置

根据实验需求自行设计并组装了厌氧生物处理实验装置,其中包括反应池、温度计、机械搅拌并装配有自动控温加热器。简易流程如图1所示。

废水由反应池底部持续进入实验装置,自动控温加热装置维持反应池在实验要求的温度范围内,机械搅拌保持厌氧污泥与废水充分接触,废水经过处理后经反应池右侧的沉降段,水位逐渐上升,达到满溢液位后由出水口溢出,厌氧污泥在沉降段因不能被搅动而保留在反应池内。

1-反应池;2-自动控温加热器;3-温度计;4-机械搅拌。图1 厌氧生物处理实验装置简图

1.3 好氧氧化处理实验装置

根据实验需求自行设计并组装了好氧氧化处理实验装置,其中包括曝气池、曝气泵、曝气头、温度计、溶氧量检测仪并装配有自动控温加热器。简易流程如图2所示。

废水由曝气池底部持续进入实验装置,自动控温加热装置维持反应池在实验要求的温度范围内,曝气泵与曝气头持续对废水进行曝气,废水经过处理后经反应池右侧的沉降段,水位逐渐上升,达到满溢液位后由出水口溢出,活性污泥在沉降段不能被搅动而保留在反应池内。

1-曝气池;2-曝气泵;3-曝气头;4-温度计;5-溶氧量检测仪;6-自动控温加热器。图2 好氧氧化处理实验装置简图

1.4 分析测试仪器

化学需氧量COD快速测定仪,5B-3C(V8)型,兰州连华环保科技;生物化学需氧量(BOD5)测定仪,LH-BOD601,兰州连华环保科技;化学需氧量COD快速测定仪,5B-3C(V8)型,兰州连华环保科技;电子天平,XSR205DU,梅特勒托利多(METTLER TOLEDO);酸度计,PHS-3C型,上海雷磁仪器。

1.5 厌氧生物处理实验方法

向厌氧生物处理实验装置中加入厌氧污泥及实验所需要处理的废水至30 L刻度线处。开启搅拌电机并调整转速为20～30 r/min,开启自动控温加热器并将实验装置设定为实验温度。开启进水泵并持续泵入实验废水,通过控制泵入废水的流量间接控制废水在实验装置内的停留时间。稳定泵入5 h后,开始在进水口与出水口处取样检测水质数据。

1.6 好氧氧化处理实验方法

向好氧氧化处理实验装置中计入好氧污泥及实验所需要处理的废水至30 L刻度线处。开启曝气泵保持实验装置内溶氧量为2～6 mg/L,开启自动控温加热器并将实验装置设定为实验温度。开启进水泵并持续泵入实验废水,通过控制泵入废水的流量间接控制废水在实验装置内的停留时间。稳定泵入5 h 后,开始在进水口与出水口处取样检测水质数据。

1.7 废水的可生化性评价方法

取废水样品检测BOD5、CODCr,以BOD5/CODCr值来表示废水的可生化性[6]。郭文成等人[7]的研究分析表明,此法确定废水的可生化性比较粗糙,所以在本文中结合生物处理实验模型进行辅助说明。

2 实验结果与讨论

2.1 不同项目废水好氧氧化处理结果分析

依照BOD5/CODCr值来表示废水的可生化性,公司各个项目废水的可生化性数据如表2所示。

表2 公司不同项目废水可生化性数据表

由表2数据可知,项目A废水属于“较难”生化处理,项目B废水属于“较好”生化处理,项目C废水属于“可生”生化处理[6]。考虑到BOD5/CODCr值来表示废水的可生化性的可靠性,将各项目废水分别在实验室进行好氧氧化生物处理模拟实验。实验过程为14 d,对每天的出水进行分析,整理数据如表3所示。

表3 公司不同项目废水好氧氧化实验出水数据表

表3(续)

由表3可知,各项目出水COD值均低于BOD5的测定值,其原因可能是好氧氧化实验装置运行时间比较长,形成了比BOD培养瓶中更具氧化能力的强生物氧化环境[7]。就总体规律性而言,各个项目BOD5/CODCr值测得的可生化性与辅助模拟好氧氧化实验趋势相符合。项目A和项目C废水前5天出水CODCr数值较高,与BOD5测定值相符合。随着好氧氧化实验时间的延长,自第7天出水CODCr数值出现明显下降,主要原因是项目A和项目C废水中含有疑似有毒物质,随着时间的延长,好氧微生物适应了项目A和项目C废水中的有毒物质,能够很好地生化处理废水中的有机物。项目B废水在整个实验过程中出水CODCr值比较平稳,项目B废水实验过程中出水COD高于项目A与项目C废水。主要原因是项目B进水CODCr比项目A和项目C高,所以经过好氧氧化实验后残留的CODCr也就比项目A和项目C高。

以BOD5/CODCr值来表示废水的可生化性具有一定的参考性,涉及废水中含有生物毒性的化合物时,此种方法也可以继续使用。由于废水生化处理过程本身的复杂性,在考察废水的可生化性时宜将BOD5/CODCr值结合生化模拟实验数据一起使用[7]。

2.2 不同项目废水厌氧生物处理结果分析

将各项目废水分别进行厌氧生物处理实验,并测定实验后废水的水质数据。将各个项目废水实验前后数据汇总如表4所示。

表4 公司不同项目废水厌氧处理实验出水数据表

结合表2与表4可知,各项目废水经过厌氧生物处理,CODCr出现了明显的下降。主要原因是在厌氧生物处理过程中,厌氧水解过程可以去除部分CODCr,这与王志盈等人的研究结论一致[1]。项目A废水与项目C的废水BOD5出现了明显的上升,这是由于在厌氧生物处理过程中,很多不溶于水的大分子化合物被水解为易溶于水小分子化合物。项目B废水的BOD5出现了部分下降,这是由于在厌氧生物处理过程中,很多不溶于水的大分子化合物被水解为易溶于水小分子化合物的同时,部分CODCr也在厌氧生物处理过程中被去除,而且在这个过程中被水解转化的BOD5的数量小于被去除的CODCr的数量。各个项目废水的BOD5/CODCr值均出现了明显的上升,主要有两个原因:第一个原因是厌氧生物处理过程中很多大分子化合物被水解为小分子化合物;第二个原因是项目A与项目B废水中的生物毒性物质被水解[2]。综上所述,公司对于各个项目废水厌氧生物的处理,提高了废水的BOD5/CODCr值,表示改善了废水的可生化性。

2.3 不同实验温度对废水厌氧生物处理的影响

将各个项目废水按照1∶1∶1体积比例混合后进行厌氧生物处理实验,保持时间不变、污泥浓度相同,分别设置不同的处理温度,测定厌氧生物处理实验后废水的水质数据。将各个项目废水实验前后数据汇总如表5所示。

表5 实验温度对废水厌氧生物处理的影响数据表

由表5可知,在10～40 ℃之间经过厌氧生物处理后废水的BOD5/CODCr值均出现了明显的提高,且提高幅度接近。这表明在此温度区间厌氧生物处理可以改善废水的可生化性,且废水的可生化性改善幅度不受温度变化影响。在10～40 ℃之间经过厌氧生物处理后废水的CODCr值均出现了明显的下降。在此温度区间内,随着温度的升高CODCr值的下降幅度逐渐增加。在50 ℃条件下经过厌氧生物处理后废水的BOD5/CODCr值无明显变化,废水CODCr值也无明显变化。这表明在50 ℃高温条件下废水处理系统崩溃,污泥死亡并发生解体。综上所述,针对废水厌氧生物处理废水可生化性改善效果在10～40 ℃之间无明显变化,当温度达到50 ℃时,污泥死亡,系统崩溃;在废水的厌氧生物处理过程中,温度越高,COD的去除效果越好,当温度达到50 ℃污泥死亡,系统崩溃。综上所述,厌氧生物处理过程温度优选控制在10～40 ℃。

2.4 不同实验时间对废水厌氧生物处理的影响

将各个项目废水按照1∶1∶1体积比例混合后进行厌氧生物处理实验,保持温度不变、污泥浓度相同,分别设置不同的处理时间,测定厌氧生物处理实验后废水的水质数据。将各个项目废水实验前后数据汇总如表6所示。

表6 实验时间对废水厌氧生物处理的影响数据表

由表6可知,随着厌氧生物处理实验时间的延长,废水CODCr出现下降趋势。主要原因是在厌氧生物处理过程中,厌氧水解过程可以去除部分CODCr。BOD5以及BOD5/CODCr值均出现了先上升后下降的趋势。BOD5以及BOD5/CODCr值受两方面的影响:一是废水中可以被生化污泥去除有机物含量,二是废水中总的有机物含量。在5～20 h区间,这两个数值主要受废水中可以被生化污泥去除有机物含量的影响,随着水解酸化作用的进行,废水中可以被生化污泥去除有机物含量快速增长,所以这两个数值也快速增长。在20～25 h区间,废水中的水解酸化作用减弱,主要受到废水中污泥除去CODCr的影响,所以这两个数值出现了下降趋势。综上所述,厌氧生物处理过程时间优选控制在15～20 h。

2.5 不同污泥浓度对废水厌氧生物处理的影响

将各个项目废水按照1∶1∶1体积比例混合后进行厌氧生物处理实验,保持温度不变,实验时间相同,分别设置不同的污泥浓度,测定厌氧生物处理实验后废水的水质数据。将各个项目废水实验前后数据汇总如表7所示。

表7 污泥浓度对废水厌氧生物处理的影响数据表

由表7可知,随着污泥浓度升高BOD5以及BOD5/CODCr值均出现上升趋势。在10～40 g·L-1的区间内,这两个数值上升明显,在40～50 g·L-1的区间内,这两个数值无明显上升。赵剑强等人的研究表明,活性污泥在厌氧过程中可以将部分有毒物质降解[2]。所以,随着污泥浓度提高,废水的可生化性得到明显改善。当污泥质量浓度超过40 g·L-1,废水的可生化改善不明显,且实验装置内的水层沉降也变得更加困难。综上所述,厌氧生物处理过程污泥质量浓度优选控制在30～40 g·L-1。

3 结论

1)在结合生化模拟实验的基础上,以BOD5/CODCr值来表示废水的可生化性具有一定的参考性。虽然BOD5值不能真实表示废水在生化处理装置可以被生物作用除去的CODCr值,但是通过比较不同废水的BOD5/CODCr值可以掌握各个废水可生化性的变化趋势。

2)厌氧生物处理过程既可以除去废水中的CODCr,也可以有效改善废水的可生化性。废水经过自行设计的厌氧生物处理装置,其BOD5/CODCr值可以提升32%。

3)厌氧生物处理受到温度、时间、污泥浓度的影响。经过实验验证,厌氧生物处理优选条件为温度:10～40 ℃、时间:15～20 h、MLSS:30～40 mg/L。

4)实际生产运行过程中,废水中的有毒物质部分可以被污泥降,部分不能被污泥降解。如果废水中存在不可被污泥降解的有毒物质,宜考虑萃取、活性炭吸附等方法对废水进行预处理后再进入厌氧生物处理过程。