厭氧工藝處理金霉素廢水的比較研究
摘要：對升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧復合床（UBF）、內循環(huán)厭氧反應器（IC）三種厭氧工藝處理金霉素廢水進行了比較研究。研究了反應器的結構特點，從反應器內污泥濃度和傳質過程、工程投資等方面分析了這三種厭氧工藝對金霉素廢水的處理效果。試驗研究表明：IC反應器在容積負荷（Nv）5.5 kg/（m3·d）（以CODCr計）時, CODCr平均去除率為84.36％。UBF反應器在容積負荷3.5 kg/（m3·d）時，CODCr平均去除率為75.04%，UASB反應器在容積負荷3.0 kg/（m3·d）時，CODCr平均去除率為71.43%。研究結果表明：IC反應器與UASB和UBF反應器相比，在容積負荷、CODCr去除率、工程投資等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是處理金霉素廢水最可取的厭氧工藝。
關鍵字：金霉素廢水；厭氧工藝；UASB；UBF；IC
金霉素屬于廣譜抗生素，其生產廢水主要成份為發(fā)酵殘余的培養(yǎng)基、絲菌體和發(fā)酵過程中產生的各種復雜的代謝產物，如碳水化合物、蛋白質、有機酸，還有提取過程中加入的有機溶媒、酸堿和少量抗生素等。廢水中含有生物發(fā)酵代謝所產生的生物難降解物質，同時還含有少量對微生物有毒害作用的抗生素，是一種難降解的有毒高濃度有機廢水。該類廢水采用一般的生化處理極難達到預期的處理效果。需采用高效厭氧+好氧為主體的二級生化處理工藝，結合預處理和物化深度處理技術，才能對該類廢水進行有效的處理并達到排放標準。
厭氧工藝是利用厭氧微生物在無氧情況下，通過自身代謝過程將廢水中的有機物轉化為無機物(CH4、CO2和H2O)和少量細胞產物的過程，在處理生物難降解有機廢水方面具有優(yōu)越性，生物難降解有機廢水通過厭氧處理還可提高廢水的可生化性。
某公司主要以玉米淀粉、黃豆粉餅、花生粉餅等農副產品為原料，生產飼料級金霉素，年生產能力為15000噸。該公司對原有廢水處理系統(tǒng)進行改造，本文對改造過程中的三種厭氧工藝進行了比較研究，從反應器內污泥濃度和傳質過程、工程投資等方面分析了它們對金霉素廢水的處理效果并得出有關結論。
1 廢水來源及水質
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廢水主要來自金霉素分離提取過程中的高濃度廢母液和發(fā)酵車間的低濃度沖洗廢水，含有大量未被微生物利用的殘?zhí)呛臀幢惶崛〉慕鹈顾兀?rho;（CODCr）和ρ（BOD5）都很高。水量和水質分析見表1。
2 工藝流程
目前該公司共有兩套廢水處理系統(tǒng)，分別和一期、二期工程相配套。一期工程中，厭氧系統(tǒng)由UASB反應器與UBF反應器并聯運行組成，二期工程中厭氧系統(tǒng)為IC反應器，工藝流程圖如下：
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3 厭氧運行效果對比
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圖3、圖4、圖5及表2為IC反應器、UBF反應器與UASB反應器三個月的運行情況。
IC反應器在容積負荷5.0~6.0 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為6000~7000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~1500 mg/L，CODCr去除率為78.42％~88.54％，CODCr平均去處率為84.36％，出水ρ（VFA（揮發(fā)性脂肪酸））為500~1000 mg/L。
UBF反應器在容積負荷3.0~4.0 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為5000~6000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~1800 mg/L，CODCr去除率為70％~78.37%，平均CODCr去除率為75.04％，出水ρ（VFA）為500~1200 mg/L。
UASB反應器在容積負荷2.5~3.5 kg/（m3·d）時，進水ρ（CODCr）為5000~6000 mg/L時，出水ρ（CODCr）為1000~2000 mg/L，CODCr去除率為60％~83.3%，CODCr平均去除率為71.43％，出水ρ（VFA）為500~1500 mg/L。
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4 效果分析
由表2和圖3、圖4、圖5可知，在容積負荷和CODCr去除率上，IC反應器明顯好于UBF反應器和UASB反應器，而UBF反應器略好于UASB反應器。具體原因分析如下：
4.1 反應器內污泥濃度和傳質過程
要提高厭氧反應器的容積負荷，必須提高厭氧消化的速率。除營養(yǎng)、溫度、pH值條件外，反應器的污泥濃度，以及污泥與有機物之間的有效接觸（即傳質過程）是影響厭氧消化速率的兩個重要因素。厭氧反應器要有較高的容積負荷，就必須同時具備兩個條件：較高的污泥濃度和良好的傳質過程。
UASB反應器依靠顆粒污泥的形成和三相分離器的作用，使污泥滯留在反應器中，從而提高了反應器的污泥濃度，也提高了反應器的容積負荷。但UASB的傳質過程并不理想，進一步提高容積負荷因此受到了限制。
污泥與有機物的良好接觸主要是靠進水和產氣的攪動。因此，強化傳質過程最有效的方法是提高表面水力
負荷和表面產氣負荷。然而高負荷產生的劇烈攪動會使UASB反應器中的污泥處于完全的膨脹狀態(tài)，使原本是SRT（固體停留時間）>HRT（水力停留時間）的反應器向SRT=HRT的方向轉變，導致污泥過量流失。為避免出現過高的水力負荷和產氣負荷，UASB反應器常將進水的上升流速控制在1~2 m/h以內，將反應器的高度控制在6 m以下。所以，UASB反應器的缺陷就在于未能解決好傳質問題。這也是UASB反應器運行效果低于IC反應器和UBF反應器的一個重要原因。
UASB反應器的生物量主要分布在反應器的污泥床區(qū)，懸浮層區(qū)的污泥濃度相對較低，而UBF反應器除保持了污泥床區(qū)的污泥量外，在上部的填料層區(qū)附著大量具有良好活性的生物膜，在填料的空隙也截留了部分懸浮微生物，使反應器微生物總量比UASB反應器有較大的增加，而且填料層對CODCr有著20％左右的去除率。更重要的是由于填料的存在，夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之發(fā)生碰撞，加速了污泥與氣泡的分離，從而降低了污泥的流失。二者的聯合作用使得UBF反應器的體積可以最大限度的利用，反應器積累微生物的能力大為增強，反應器的容積負荷更高。
與UASB反應器相比，UBF反應器生物量在高度方向的分布發(fā)生了變化，這種污泥沿反應器高度方向的分布，有利于去除因污泥床區(qū)發(fā)生短路的廢水中的有機物，提高了出水水質和處理效率。
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IC反應器既能截留污泥，又能強化傳質過程，實現了“高負荷與污泥流失相分離”。如圖6所示，IC反應器由上、下兩個反應室組成。下反應室為“高負荷區(qū)”，水力負荷和產氣負荷很大，污泥的膨脹率最大可以達到100％。上反應室有充足的空間容納下反應室過分膨脹的污泥，避免了污泥的過量流失。上反應室為“低負荷區(qū)”，水力負荷和產氣負荷比下反應室小很多，有利于污泥的滯留，具有SRT>HRT的特征。IC反應器通過上、下兩個動力學過程不同的反應室的設置，實現了“高負荷與污泥流失相分離”，既保持了污泥的高濃度，又強化了傳質過程，故容積負荷高。在本工程中UASB反應的容積負荷為3 kg/（m3·d），而IC反應器可達到5 kg/（m3·d）以上。
IC反應器的內循環(huán)作用在于增大水力負荷，強化傳質過程。在較大產氣負荷和較大水力負荷的共同作用下，下反應室的污泥達到了充分的流化狀態(tài)，從而有著良好的傳質過程，大大提高了厭氧消化速率和容積負荷。IC反應器對污泥的截留能力及內循環(huán)的強化傳質作用是其運行效果好于UASB反應器和UBF反應器的根本原因。
4.2 投資分析
IC反應器由于存在著內循環(huán)，傳質效果好，生物量大，污泥齡長，其進水容積負荷比普通的UASB反應器和UBF反應器高，因此其所建體積就比較小，所以可降低反應器的基建投資。又由于IC反應器有很大的高徑比，占地面積省，非常適用于占地面積緊張的企業(yè)采用。以處理5500 kgCODCr/d為例，兩期工程投資分析見表3，由表可見，IC反應器與UBF反應器與UASB反應器相比，可大量節(jié)約投資。
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5 結論
a. 厭氧工藝處理金霉素廢水，IC反應器在容積負荷5.0~6.0 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為75％~85.7％。UBF反應器在容積負荷為3.0~4.0 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為75.04%，UASB反應器在容積負荷為2.5~3.5 kg/（m3·d）時，CODCr去除率為 71.43%，IC反應器處理難生物降解的抗生素廢水更具有優(yōu)越性。
b. IC反應器容積負荷高，對同一廢水，IC反應器比UASB反應器和UBF反應器容積小，因此投資費用低；IC反應器高徑比大，占地面積小，基建費用省，操作管理方便。
作為第三代高效厭氧反應器，IC反應器因其獨特的結構設計，顯著提高了厭氧反應器的性能，是一種高技術的新型高效厭氧反應器，值得推廣應用，具有很大的發(fā)展前景。
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