UASB–氧化塘工艺处理马铃薯淀粉加工废水的实验研究
摘要：采用模拟试验方法研究了UASB—曝气氧化塘组合工艺处理高浓度马铃薯淀粉有机废水的技术可行性。实验结果表明，UASB—曝气氧化塘组合工艺对废水中有机物的去除效果良好，COD去除率可达到95%左右，BOD5去除率为98%，其他指标也均达到国家污水综合排放二级标准(GB8978—1996)。
关键词：马铃薯淀粉废水,UASB反应器,曝气氧化塘,COD去除率
1 引言
我国是世界马铃薯主产国之一，常年种植面积约409万hm2，产量约5500万t，居世界首位。以前马铃薯的加工利用相当落后，鲜食量高达90%以上，仅有一小部分用于加工马铃薯干、马铃薯片、粉丝和粉皮等[1]。近年来，随着淀粉市场需求的增加，我国的马铃薯深加工业发展很快，马铃薯淀粉、马铃薯全粉、马铃薯食品等生产企业的数量不断增加。虽然马铃薯深加工技术能增加成品的附加值，取得更大的经济效益，但是马铃薯加工废水中的有机物浓度高，直接排放会造成严重污染，目前薯类加工废水处理技术研究正日益受到国内外的关注[2]。
本研究针对马铃薯淀粉生产的季节性和变动性特点，采用上流式厌氧污泥床–曝气氧化塘工艺对马铃薯淀粉废水进行了处理工艺的模拟试验，以期为实际工程设计提供参考。
2 材料与方法
2.1 试验装置
试验所用UASB反应器为一有机玻璃圆柱，内径150mm，高2000mm，总容积约为35.0L。反应器下部为污泥驯化形成的颗粒污泥膨胀床，中上部为三相分离器，沿反应器外侧不同高度设有取样口，底部进水、排泥，顶端加盖，设有集气装置。
模拟曝气氧化塘为一水池，池深600mm，内径500mm。充氧器为一小型曝气机，可提供恒定的氧气量。
2.2 接种污泥
试验接种污泥取至某橡胶厂兼性氧化塘溢流渠中的污泥，该污泥表面呈絮凝状，颜色为黑色，在UASB反应器中填充污泥量为6.0L。
2.3 工艺流程
基于马铃薯淀粉废水易于生化的特性，通过对多种处理工艺的比较分析，本试验采用UASB—曝气氧化塘为核心的处理工艺，该工艺具有处理效率高，投资运行费用低、管理简单等特点。在运行过程中，马铃薯淀粉废水从UASB反应器底部进入污泥床，经厌氧处理后，再通入曝气氧化塘处理，氧化塘处理后出水达标直接排放或经过消毒后循环利用。
3 结果与讨论
3.1 UASB反应器污泥颗粒化与实验运行效果
UASB反应器能否稳定、高效地运行，关键是看能否培养出具有优良沉降性能和产甲烷菌活性高的颗粒污泥。在UASB柱状反应器内可维持很高的颗粒污泥生物量，因此保证了UASB反应器可在高负荷下稳定运行[2]。
试验UASB反应器利用橡胶厂兼性塘溢流堰中的污泥接种，反应器在中温（30～36℃）条件下分阶段培养驯化，通过连续运行35d后，颗粒污泥形成，系统达到稳定的处理效果。污泥颗粒化过程一般可分为三个阶段：⑴污泥呈现絮凝状，此阶段为微生物适应周围环境的过程；⑵开始出现颗粒化污泥，但是直径较小(0.1～0.3mm)；⑶颗粒污泥不断增大，絮状污泥逐渐减少，此时，颗粒污泥直径在2.0～5.0 mm之间。颗粒污泥密度比絮体污泥大，具有良好的沉降性能，具有很高的生物活性，并因废水生化处理阶段的不同而呈现黑色和灰色。试验UASB反应器处理模拟废水的效果见表1。
表1 UASB反应器稳定运行结果
项目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) NH3—N T-P 浊度
进水 7.00 4016 2677 8.20 3.49 94.67
出水 7.30 864 398 17.3 0.7 38.75
去除率(%) — 78.5 85.1 — 79.9 55.92
3.2 UASB反应器运行的影响因素
3.2.1 水力停留时间(HRT)
在不同水力停留时间(HRT)下UASB反应器对废水中各项指标的处理试验结果见图1。
从图1的曲线可知，随着HRT值的升高，马铃薯淀粉废水中COD的去除率也升高。但是，当水力停留时间超过2d时，废水中COD去除率的增加非常缓慢，仅仅只增加了三个百分点。T-P的去除率变化不大，说明UASB反应器中的生化过程是以生物分解为主。因此在处理高、中浓度有机废水时，可采用厌氧—好氧串联工艺，即用UASB反应器去除废水中大部分含碳有机物作为预处理，而用好氧处理设备去出残余的含碳有机物和氮、磷等物质。
3.2.2 酸碱平衡
pH值是影响厌氧消化微生物生命活动过程的最重要因素之一。许多研究表明，厌氧消化需要一个相对稳定的pH值，一般来说，对于以产甲烷为主要目的的厌氧过程要求pH值在6.5～7.5之间。如果生长环境的pH值过高或者过低，产甲烷菌的生长和繁殖就会受到抑制，进而对整个厌氧消化过程产生严重的不利影响[3]。本试验研究的马铃薯淀粉原废水的pH值呈酸性，在进入反应器之前废水首先要进行水解酸化预处理，系统在处理过程中，pH值发生一系列的变化，其变化的规律见图2。
从图2可知，第一天到第七天，反应器中废水的pH值不断升高并趋于中性。这是由于废水中含有的蛋白质或氨基酸的分解过程中形成了较多的铵离子的缘故。因此可以利用厌氧消化过程使反应器具有一定的酸碱缓冲能力，而不必另外投加酸和碱物质来调节反应器内的pH值条件，从而简化废水处理工艺。
3.2.3 温度
对于厌氧微生物来说，温度突变会对生物活性产生显著的影响，降温幅度越大，低温持续时间越长，产气量的下降就越严重。在温度恒定条件下，不同的运行温度，UASB反应器的处理效率也不一样，通过多年的研究资料表明，厌氧消化中存在两个最适温度范围，即中温32～35℃和高温50～55℃。本试验废水的温度范围为30～35℃，恰好处于中温消化的最适温度范围，因此不需要进行温度调节。
3.3 曝气氧化塘的实验运行效果
UASB反应器的出水进入模拟曝气氧化塘中，经过曝气氧化塘处理后废水中的主要污染物的去除结果见表2。
表2 曝气氧化塘稳定运行结果
项目 pH COD(mg/L) BOD5(mg/L) T-P 浊度 DO
进水 7.65 1098 429 0.32 29.36 0.47
出水 8.64 133 27 0.20 13.41 4.23
去除率(%) 87.9 93.7 37.5 54.3 —
二级标准 6～9 150 30 1.0 — —
从表2及试验结果可知，在曝气氧化塘中停留7d后，氧化塘出水各项指标均达到了国家污水综合排放二级标准（GB8978-1996）。
3.4 曝气氧化塘运行的影响因素
3.4.1 溶解氧(DO)
在曝气氧化塘处理系统中，控制系统的溶解氧是一个非常关键的部分，溶解氧不足不仅降低了系统的处理效率，而且还容易使废水水质恶化，发生有机物腐化现象，使废水达不到标准要求。本试验供氧设备为一小型充氧机，氧气供应量恒定，以下图3是曝气氧化塘在供氧恒定条件下废水溶解氧变化曲线。
从图3可知，氧化塘中废水的溶解氧随着时间的推移，DO值不断的升高。这是由于刚进入氧化塘的废水有机物含量高，好氧微生物在分解有机物时，需要消耗大量的氧气，因此，系统在运行前期废水中的溶解氧量很低。在运行4d以后，废水中有机物大部分已经被好氧微生物降解，此时废水中的溶解氧含量升高。
3.4.2 pH值
氧化塘内有机污染物降解过程，是溶解性有机物转换为无机物和固态有机物—细菌与藻类细胞的过程[4]。在细菌的降解作用和藻类的光合作用的过程中，需要利用H+作为电子受体，如，光合作用转化成1mol藻类需要18mol的H+作为电子受体。因此塘水在运行过程中，pH值呈不断变化。本试验在操作过程中，均是在下午16﹕00测定pH值。试验中塘水的pH值变化情况如图4。
从图4可看出，塘水在运行过程中，pH值在不断的上升。这是由于在藻类光合作用时，消耗了大量的H+和CO2，因此废水才不断上升。
4 结论
4.1 UASB–曝气氧化塘组合工艺对高浓度马铃薯淀粉废水具有很好的处理效果，当废水进水COD浓度为4016mg/L时，出水COD浓度可达133mg/L，去除率为96.7%，主要污染指标也均达到国家污水综合排放二级标准（GB8978-1996）。
4.2 选择UASB反应器作为厌氧生物处理装置，其具有占地面积小、处理能力大、处理效率高、操作简单，并可产生沼气等优点。
根据马铃薯淀粉生产厂的具体情况，选择曝气氧化塘作为好氧处理单元，其具有处理成本低，运行管理方便等优点，是一种适合目前马铃薯淀粉生产具体情况的处理工艺。
参考文献
[1] 陈芳，赵景文，胡小松.我国马铃薯加工业的现状、问题及发展对策[J].中国农业科技导报.2002，4(2)：66—67.
[2] 荣宏伟，催崇威，邹茂荣.厌氧—好氧处理马铃薯加工废水实验研究[J].2001，17(1)：40—41.
[3] 马溪平 等编.厌氧微生物学与污水处理[M].北京：化学工业出版社，2005.7.46—47.
[4] 高延耀，顾国维 主编.水污染控制工程[M].第二版(下册).北京：高等教育出版社，1999.81—82.
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