治理工藝論文：制糖污水治理工藝與趨勢芻議

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本文作者：胡亞萍馬曉力董貝貝作者單位：鄭州大學水利與環(huán)境學院

制糖廢水處理技術

目前制糖廢水的處理技術主要包括物化法和生化法，由于制糖廢水的可生化性好，國內外對此廢水的處理常采用生化法。生化法主要有厭氧處理法、好氧處理法、厭氧—好氧處理法等。

1物化法

物化法主要用于對廢水進行預處理，該方法包括:混凝沉淀法、吸附法、離子交換法、萃取法、擴散滲析法、電滲析法等［7］。近年來，對物化法的研究涉及到一些新的領域，納米技術的應用研究為制糖廢水的預處理提供了新的思路。鐘福新等［8］的研究表明，La/Fe共摻雜TiO2納米管陣列對甲基橙和制糖廢水具有催化降解效果。光照時間和pH是影響La/Fe摻雜TiO2納米管陣列光催化降解制糖廢水的主要因素，在強堿性條件下，La/Fe摻雜TiO2納米管陣列對制糖廢水的光催化降解效率最高，光照20h時可達97%以上。

2厭氧生物法

廢水的厭氧處理在有機物含量較高時很適用。由于厭氧處理時，污泥產生量少，對營養(yǎng)元素要求低，同時產生的甲烷可作潛在的能源，可消除氣體排放的污染，投資成本一般較低，運行管理費用也大大低于好氧工藝［9］。在制糖工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應用。上流式厭氧污泥床反應器(UASB)是厭氧處理的一個有代表性的形式。在反應器中，廢水從底部均勻進入并向上運動，反應器下部為濃度較高的污泥床，上部為濃度較低的懸浮污泥床，一般情況下處理甜菜制糖廢水時，容積負荷可達到20.7kgCOD/(m3•d)，COD去除率為82%左右［10］。河南某廠［11］建成1700m3UASB厭氧系統(tǒng)處理制糖廢水，在近中溫(30℃～35℃)條件下啟動運行，當進水COD濃度平均為8000mg/L時，工程穩(wěn)定運行，日處理廢水近1000m3，COD去除率80%以上，UASB有效容積負荷為5.0kgCOD/(m3•d)以上。運行實踐證明，采用UASB工藝處理制糖廢水，具有有機負荷高，HRT短，無需填料、污泥回流裝置及攪拌裝置，效率高，運行成本低等優(yōu)點。同時UASB工藝也存在以下缺點:①三相分離器還沒有一個成熟的設計方法;②顆粒污泥的培養(yǎng)較困難，初次啟動和形成穩(wěn)定顆粒污泥用時較長;③大多數(shù)UASB反應器需對進水懸浮物濃度進行適當控制，以防止堵塞和短流;④耐沖擊負荷能力不強，出水水質還達不到傳統(tǒng)二級處理工藝的出水水質。為了解決UASB顆粒污泥培養(yǎng)的問題，可以在厭氧啟動過程中加入惰性物質，加速顆粒化的形成。韓洪軍等［12～13］的研究表明，在系統(tǒng)中加入顆粒活性炭，可以加快顆粒污泥的形成;Yu［14］等人向反應器中投加150～300mg/LCa2+，提高了生物量的積累，加速了反應器的啟動。新型的反應器是折流式厭氧反應器(ABR)，它綜合了UASB反應器的優(yōu)點，屬于分階段多相厭氧生物處理工藝技術。該反應器借助于廢水流動和沼氣上升的作用，反應器內污泥上下運動，污水在折流板的作用下，水流繞其流動而使其流經的總長度加長，再加上折流板的阻擋及污泥的沉降作用，污泥在水平方向上的流速極其緩慢，生物固體被有效地截留在反應器內［15］。與UASB反應器相比，ABR反應器具有獨特的分格式結構及推流式流態(tài)，具有運行穩(wěn)定，操作靈活，工藝簡單，投資少，固液分離效果、耐沖擊、對毒性物質適應性強，良好的生物固體截留能力等優(yōu)點。ABR自問世以來就一直備受研究者們的關注，人們從不同角度對其進行研究探討，如反應器結構的創(chuàng)新［16～17］、水力學特性的優(yōu)化［18～19］、反應器啟動及顆粒污泥的形成［20］、微生物群落分布及生理生態(tài)［21～22］研究等方面，從這些研究中可以總結出以下對優(yōu)化ABR工藝的措施:①減少降流區(qū)寬度，使主反應區(qū)的升流區(qū)內聚集更多的微生物，有利于厭氧污泥停留在上向流中，使每個小單位UASB優(yōu)勢更加突出:水流方向與產氣上升方向一致，不僅減少了堵塞的機會，還加強了氣體對污泥床的攪拌作用，使微生物與進水基質充分混合，有助于形成顆粒污泥;②增加了折流板角度，有利于進水向上引向流室中心，實現(xiàn)了布水的均勻性，同時還可增大水力攪拌作用;③接種污泥用幾種不同來源的厭氧污泥混合而成，采用好氧曝氣法啟動。ABR反應器雖然有很多優(yōu)點，但目前國際上關于ABR反應器的研究尚處于試驗階段，實際工程應用方面的研究實例還不多，國內報道的工程應用更少。因此，在ABR反應器實際工程進一步推廣之前，需要通過大量中試尋求合適的設計參數(shù)，結合機理分析，以便更深入地了解ABR的工藝特性，為生產應用提供可靠的依據(jù)。

3好氧生物法

好氧生物法主要有活性污泥法和生物膜法。

1）活性污泥法。活性污泥法就是以活性污泥為主體的生物處理法，其實質是以存在于污水中的有機物為培養(yǎng)基，在有氧的條件下，對各種微生物群體進行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等過程去除有機物的一種方法［23］。李鑫華等［24］研究采用活性污泥法處理甘蔗制糖廢水，工程規(guī)模日處理量Q=14000m3/d，經過多年的運行，出水符合標準，且該工藝具有操作簡單、維護技術要求低、處理效果好、投資及運行費用低等優(yōu)點。但是，活性污泥法也存在抗沖擊負荷能力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易發(fā)生污泥膨脹等問題。序批式活性污泥法簡稱SBR法，主要構筑物是SBR反應池，在該池中依次完成進水、反應、沉淀、潷水、排泥等過程［25］。該工藝相對于連續(xù)式活性污泥法有處理構筑物少、污泥好氧穩(wěn)定、抗沖擊負荷強、氧利用率高、污泥膨脹的概率低、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點。該工藝在實際工程中通常與其他工藝聯(lián)合使用，邯鄲市某生物技術中心［26］采用UASB—SBR工藝處理淀粉制糖廢水，SBR池的水力停留時間為12h，容積負荷為1.2kgCOD/(m3•d)，運行結果表明，對COD的去除率可達85%以上，對BOD5的去除率達90%以上，對SS的去除率達85%以上，處理出水優(yōu)于國家二級排放標準，且該工藝處理效果好、技術成熟可靠、運行穩(wěn)定。但是SBR因其序批操作的運行方式也帶來了相應的弊端:①對自動控制設備的依賴性強，但是這些設備的故障率較高;②反應器的利用率偏低;③單元進水是間歇的，在污水廠來水和排水要求連續(xù)時需要把系統(tǒng)劃分為較多的的單元才能保證整體的連續(xù)性，或者是設置較大的進水水量調節(jié)池;④間歇運行曝氣器容易堵塞。針對SBR的缺點和不同的使用目的出現(xiàn)了很多變形工藝，其中用于制糖廢水處理的工藝有循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)，即CASS工藝。該工藝在運行方式上采用循環(huán)進水，反應器分為選擇器、缺氧區(qū)和主反應區(qū)三個區(qū)。該工藝完善了活性污泥選擇器的設計，并且設計和運行方式靈活，既體現(xiàn)了SBR的流程簡單、建筑物少等優(yōu)點，又克服了SBR的一些缺點。有研究表明，CASS工藝用來處理制糖末端廢水具有明顯的優(yōu)勢。林傳松等［27］的研究表明，用CASS工藝處理制糖末端廢水，對系統(tǒng)的CODCr和SS的去除率分別為91.96%和73.77%，同時對營養(yǎng)物有明顯去除效果，省略了剩余污泥處理裝置，降低了建設費用和運行成本。通過控制工藝運行條件可以優(yōu)化CASS工藝的處理效果，鄧超冰等［28］的實驗表明，在曝氣時間為2h，曝氣量0.375m3/h，污泥濃度4000mg/L左右，沉淀時間60min，排水比1/3的條件下，工藝條件最佳。各因素對COD去除效果影響的主次關系是:曝氣量＞排水比＞沉淀時間，故在實際工藝運行管理過程中可優(yōu)先考慮調節(jié)曝氣量。CASS運行過程的控制一般由可編程序控制器來進行，主要根據(jù)進水量、DO、進水水質(COD、pH等)、出水水質等進行實時控制，自動調整各部件的運行狀況以達到最佳的效果及最經濟的運轉［29］。目前，該技術在國內應用的關鍵主要是進一步完善工藝設計方法及研究其設計的有關參數(shù)，同時提高自動控制裝置的可靠性及運行和操作管理人員的素質，使其更加符合國內制糖廢水處理的實際情況。

2）生物膜法。生物膜處理法的工藝有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化設備和生物流化床。其中用于制糖廢水處理的有內循環(huán)好氧生物流化床工藝。該工藝是一種將微生物固定化技術與傳統(tǒng)流態(tài)化技術相結合的生化處理設備，具有結構簡單、傳質效率高、負荷高、去除效率高、能耗低、抗沖擊負荷能力較強、占地少等優(yōu)點。田雪蓮等［30］利用內循環(huán)好氧生物流化床對CODCr和NH3－N質量濃度分別為350～580mg/L和7～12mg/L的甘蔗制糖廢水進行處理，結果表明，在進氣量為40L/h，水力停留時間為3～4h的條件下，CODCr和NH3－N的平均去除率分別為90.7%和86.5%，出水CODCr和NH3－N穩(wěn)定在60mg/L和2mg/L以下，表明采用內循環(huán)好氧生物流化床處理制糖廢水具有良好的效果，為制糖廢水的高效處理提供了一種新方法。但是傳統(tǒng)生物流化床工藝仍存在不足，主要有以下幾點:①流化床的流態(tài)化特性十分復雜，給設計造成了困難;②以沉淀原理為基礎的三相分離器中，泥水分離靠重力作用，以致分離效率依賴活性污泥沉降性能，而由于沉淀時間短，固液分離效果不理想，出水中SS含量可能很高，影響出水水質;③載體易流失。針對以上傳統(tǒng)生物流化床的缺陷，將其與膜分離單元有機結合，可解決傳統(tǒng)生物流化床出水懸浮物濃度偏高、載體易流失的問題。

3）生物膜/活性污泥聯(lián)合工藝。該聯(lián)合工藝是把活性污泥法與生物膜法相結合的一種污水生物處理技術。它一方面具有生物膜法負荷高的特點，因而減少了構筑物體積，降低了投資;另一方面也具有活性污泥法固液接觸充分的特點，有機污染物去除效率高，出水水質穩(wěn)定良好［31］。鄭育毅等人［32］的研究表明，采用聯(lián)合工藝處理淀粉制糖廢水時可使出水水質達到GB/8978－1996的一級標準，同時比單純的活性污泥或生物膜工藝啟動要快、運行也更穩(wěn)定，且基本不會出現(xiàn)污泥膨脹等問題。

4）好氧工藝存在的問題。好氧處理技術有較多優(yōu)勢，如降解工藝的投資較低，操作條件簡單，所以是有機污染廢水處理的首選，但是對于像制糖廢水這樣的含高濃度有機物的情況，好氧處理仍然存在著許多原理和工藝上的限制條件，因而在實際應用上不如厭氧處理普遍，如運行期間的污泥系統(tǒng)的規(guī)劃與治理，如何較好地防治污泥的膨脹等都成為學者的熱門研究問題［33］。

制糖廢水處理工藝總結

(1)厭氧處理法中應用較多的是UASB工藝，但該工藝存在不足，如顆粒污泥的培養(yǎng)困難等。針對該工藝的缺陷可以根據(jù)實際運行情況對工藝進行改進，如在系統(tǒng)中加入顆粒活性炭，加速顆粒化的形成。(2)厭氧處理法中較為先進的工藝是ABR工藝，該工藝不僅綜合了UASB的優(yōu)點，而且在一定程度上彌補了UASB的缺陷，但ABR反應器尚處于實驗研究階段，需要尋求合適的設計參數(shù)以在實際工程中進一步推廣。(3)活性污泥處理法中用于制糖廢水處理的方法主要有連續(xù)式流活性污泥法和SBR法，但這兩種工藝仍存在弊端。針對這些弊端，CASS工藝的應用具有明顯的優(yōu)勢，但在工藝運行管理過程中，要對運行的參數(shù)(如曝氣量、排水比、沉淀時間等)進行合理地控制，同時要提高自動控制裝置的可靠性及運行和操作管理人員的素質。(4)生物膜法中用于制糖廢水處理的工藝主要是生物流化床工藝，對該工藝進行合理的改進，如將其與膜分離單元有機結合，可以彌補該工藝在實際運行中的部分缺陷。(5)各處理工藝各有優(yōu)缺點，因此，在實際應用中，應采用將多種工藝相結合的組合工藝，充分利用每種工藝的優(yōu)點，取長補短，協(xié)調控制工藝條件，以到達較經濟、環(huán)保的處理效果。孟慶輝等［36］的研究表明，對甜菜制糖廢水采用水解—好氧—化學氧化—混凝沉淀的處理工藝，突出了兩類生化處理技術的優(yōu)勢，工程運行費用低，操作方便，且出水水質優(yōu)于一般單純生物法。

制糖廢水處理發(fā)展方向建議

隨著糖類產品需求量的急劇增加，制糖產生的廢水也在逐年增加，傳統(tǒng)處理工藝已經不能滿足當今變化發(fā)展中的制糖工業(yè)產生的廢水處理要求。因此，尋求高效節(jié)能的處理工藝是制糖廢水處理的發(fā)展趨勢，為此，提出以下新的思路:(1)首先在源頭上實現(xiàn)減排，即改進制糖工藝。由于傳統(tǒng)制糖工藝落后，污染物產量和排放量大，要對制糖廢水污染進行控制，首先必須實施清潔生產，比如采用真空無濾布吸濾機，杜絕洗濾布廢水產生排放而帶來的水污染。真空無濾布吸濾機主要用于糖業(yè)蔗汁的過濾，它具有過濾效率高，無污水排放，節(jié)約水資源，能耗低等優(yōu)點。(2)提高廢水循環(huán)利用率，以緩解水資源的消耗。如煮糖、蒸發(fā)設備的冷凝水和冷卻水，壓榨動力汽輪機、真空吸濾機水噴泵和動力車間發(fā)電設備排出的冷卻水等低濃度廢水，可以循環(huán)使用，提高水的利用率，實現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。(3)利用廢水中的有效資源進行變廢為寶處理，使其利益最大化。陳紅等［37］的研究表明，在污泥接種量為17.74g/L，溫度為34～36℃，水力停留時間為6h，通過調節(jié)有機負荷，在12d左右就可以快速實現(xiàn)生物制氫。同時，氫氣是熱值很高的清潔能源，此技術又能在一定程度上緩解能源短缺的局勢。因此，利用制糖廢水制氫，不僅凈化了廢水，而且變廢為寶，具有經濟和環(huán)保的雙重效益。(4)制糖廢水作為一種肥料在農業(yè)灌溉上具有廣闊的前景，土地灌溉技術可以節(jié)省大量的工程操作及運行成本，而且簡單易實施，但前提是要明確了解制糖廢水中的水質情況，嚴格控制流入土地的水量，結合作物需求采用合理科學的灌溉制度及技術，做好相關措施，科學合理操作，減少對環(huán)境的污染。(5)加強制糖生產過程的管理至關重要。要杜絕跑、冒、滴、漏等浪費的現(xiàn)象，同時改進相關的政策來鼓勵員工節(jié)水等。