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厭氧塘處理含有淀粉的污水：泰國的研究實(shí)例
B.K.Rajbhandari，A.P.Annachhatre
亞洲環(huán)境工程和管理技術(shù)研究所，4#信箱，Klong Luang，Pathumthani 12120，泰國
2004.1.20修改稿 2004.1.26 審定稿 2004.3.12可在線閱覽
摘要
因?yàn)閰捬跆量蛇_(dá)到沉降固體顆粒和去除有機(jī)物的雙重目的，所以它能夠特別有效地處理含有高濃度可生物降解固體顆粒的污水。人們在熱帶氣候條件下評定一個(gè)用于處理含有高濃度有機(jī)碳、可生物降解淀粉顆粒和氰化物的污水處理系統(tǒng)的處理效果。每天大約有5000立方米來自淀粉廠的污水被一系列厭氧塘處理，其中包括7.39公頃的厭氧塘和29.11公頃的臨時(shí)處理塘，可以達(dá)到90%以上的COD、TSS去除率和51%的CN去除率。厭氧塘沉降物和散裝液中活性微生物群的產(chǎn)甲烷率為：每克VSS可產(chǎn)生20.7ml和11.3ml的甲烷。污泥的氰化物降解能力為：每克VSS可將10mg/l和20mg/l的氰化物分別降解為0.43mg/l和0.84mg/l。淀粉污水沉降實(shí)驗(yàn)表明，120分鐘的沉降時(shí)間足以去除90---95%的TSS。
關(guān)鍵詞：厭氧塘；氰化物降解能力；有機(jī)碳；沉降特性；專門的產(chǎn)甲烷細(xì)菌活動(dòng)；淀粉廠污水
1.介紹
厭氧塘被廣泛用于處理食品廠、紙漿廠、制糖廠、和蒸餾廠所產(chǎn)生的的有機(jī)污水。厭氧塘能夠特別有效地處理含有高濃度可生物降解懸浮固體的污水。在這樣的情況下，厭氧塘的流層起到沉淀池的作用，同時(shí)，厭氧塘的生物降解主要發(fā)生在厭氧塘的沉降物中。沉降物中的厭氧反應(yīng)包括：可生物降解顆粒物質(zhì)的溶解、酸化反應(yīng)、乙?；磻?yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)。散裝液中所發(fā)生的反應(yīng)與厭氧塘中所發(fā)生的反應(yīng)相比可以忽略。因此，厭氧塘達(dá)到了沉降顆粒物質(zhì)和進(jìn)行有機(jī)物厭氧轉(zhuǎn)化的雙重目的。然而，厭氧塘的運(yùn)行也存在很多內(nèi)在的問題，如大量的土地需求，硫化氫、二氧化碳、甲烷等令人厭惡的溫室氣體的排放。盡管存在這些問題，厭氧塘在土地充足的地方還是特別受到歡迎的。
淀粉廠所排放的污水就是一種廣泛被厭氧塘處理的污水。世界很多盛產(chǎn)木薯的地方都生產(chǎn)淀粉。木薯根含有20---25%的淀粉。淀粉的提取過程必不可少地包括木薯根的預(yù)處理，淀粉的提取、分離和干燥。這一過程產(chǎn)生的污水量為：生產(chǎn)每噸淀粉可產(chǎn)生20---60立方米。pH值為3.8---5.2。污水本身含有很高的有機(jī)物，其化學(xué)需氧量可達(dá)到25000mg/l。污水本身含有高濃度的TSS，其濃度為3000---15000mg/l，在自然條件下可高度生物降解。含有木薯淀粉的污水也含有高濃度的氰化物，其濃度可達(dá)到10---15mg/l。氰化物濃度為0.3mg/l時(shí)就會(huì)對水生生物產(chǎn)生劇毒作用。
根據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在的水污染問題很嚴(yán)重。污水的酸性特征可以傷害水生有機(jī)體，并減少納污河流的自凈化能力。污水存在的懸浮性固體顆粒能夠沉降在河床上，傷害水中的魚類。因?yàn)檫@些固體顆粒主要是有機(jī)物質(zhì)，它們可以很容易地被降解掉，從而減少水中的溶解氧。類似的，污水中的高濃度的COD會(huì)使納污水體中的溶解氧很快減少并促進(jìn)令人厭惡有機(jī)體的生長。據(jù)報(bào)道，在亞洲很多國家，特別是印度和泰國，由生產(chǎn)木薯淀粉所引起的水污染已經(jīng)是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。木薯含有合成氰化物，并將其作為自然防御物。在淀粉的制作過程中，木薯根部以里那苦苷酸形式存在的合成氰化物被水解成里那苦苷酶，然后分解為氰化氫流入污水中。淀粉污水中的氰化物在厭氧處理過程中可以有效地被去除。厭氧污泥上流系統(tǒng)能夠有效地處理淀粉污水，特別是去除其中的氰化物。有資料記載，產(chǎn)甲烷菌對氰化物的適應(yīng)濃度為5---30mg/l。因此，用厭氧塘處理木薯淀粉污水可以達(dá)到三個(gè)目標(biāo)：顆粒物質(zhì)的沉降、有機(jī)物質(zhì)的厭氧轉(zhuǎn)化和氰化物的去毒。
據(jù)此，現(xiàn)在的工作就是評定厭氧塘處理木薯淀粉廠污水的能力，特別是關(guān)于去除 COD、TSS和氰化物的的能力。既然厭氧塘是作為淀粉顆粒沉降池來使用的，那么其沉降特性也應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)來評定。此外厭氧塘沉降物和散裝液中的厭氧微生物的產(chǎn)甲烷活動(dòng)（SMA）應(yīng)當(dāng)由專門的產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)來測定。氰化物的降解率也需要評定。
2、方法
坐落在泰國中央省份的木薯淀粉廠和葡萄廠每天可生產(chǎn)250噸的淀粉，人們對那里的厭氧塘處理系統(tǒng)作了調(diào)查。這些工廠使用地下水作為工藝用水水源，每天產(chǎn)生大約5000立方米污水。調(diào)查期間的環(huán)境溫度為30---35攝氏度。
2.1 處理塘
圖1為淀粉廠穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)的示意圖。這一處理系統(tǒng)由21個(gè)厭氧塘和臨時(shí)處理塘組成，它們連接在一起，共占地36.5公頃。它們當(dāng)中，6號塘是占地7.39公頃的厭氧塘，15號塘是占地29.11公頃的臨時(shí)處理塘?，F(xiàn)在重點(diǎn)研究的是厭氧塘處理系統(tǒng)。在研究期間，僅有4個(gè)厭氧塘在運(yùn)行。厭氧塘的常用尺寸大約是長250m 、寬100m、深4---5 m 。
厭氧塘的運(yùn)行參數(shù)列在表1中。該厭氧塘處理淀粉廠和葡萄糖廠產(chǎn)生的污水。淀粉廠污水首先流入2號塘，然后流入4號塘；而葡萄廠的污水首先流入3號塘，然后流入5號塘。淀粉廠污水和葡萄糖廠污水最后匯在5號塘。匯合后的污水流入一系列臨時(shí)性處理塘，處理后，最終排入地表水體。
2.2 污泥活性實(shí)驗(yàn)
SMA實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖2。為了測定SMA，把來自4號塘一定量的污泥清洗3次以去除存在的COD，裝入115ml的溶漿瓶。同時(shí)在4號塘中取100ml散裝液裝入溶漿瓶中以測定散裝液沉降污泥的SMA。將一定量的淀粉廠污水作為底物加入溶漿瓶中，使其中的COD達(dá)到2000----2500mg/l的水平。加入營養(yǎng)物質(zhì)以保證碳：氮：磷為300：5：1。
將pH值調(diào)整為7---7.8，將2g/ml的碳酸氫鈉溶液作為緩沖溶液隨底物一起加入溶漿瓶中，
以確保實(shí)驗(yàn)中的pH值為中型。接下來，用氮?dú)鈱⑵恐械难鯕馇宄舨采弦埔合到y(tǒng)，之后，用橡膠隔膜和鋁質(zhì)瓶帽將溶漿密封起來。移液瓶裝有3%的氫氧化鈉溶液。在48小時(shí)的不同時(shí)間間隔內(nèi)測量甲烷的產(chǎn)生情況，每次測定氣體之后，進(jìn)行人工旋流將溶漿瓶中的漿體混合。該實(shí)驗(yàn)在30攝氏度恒溫室內(nèi)進(jìn)行。同樣，厭氧塘沉降物中的氰化物分解活動(dòng)也在溶漿瓶中進(jìn)行。將4號塘沉降層中一定量的污泥保存在溶漿瓶中，并灌滿70ml含有類似SMA實(shí)驗(yàn)所使用營養(yǎng)物質(zhì)的污水。將儲(chǔ)存好的氰化物溶液加入每個(gè)溶漿瓶中，使其中的氰化物濃度分別達(dá)到10mg/l和20mg/l。然后用氮?dú)鈱θ軡{瓶進(jìn)行沖洗并立刻用橡膠隔膜和鋁質(zhì)瓶塞將其密封。將瓶子保存在30攝氏度的恒溫室中。在48小時(shí)內(nèi)，每8個(gè)小時(shí)用漢密爾頓管取出樣品并分析其氰化物含量。
2.3 懸浮固體沉降實(shí)驗(yàn)
在靜態(tài)條件下，用直徑為10cm和高度為2.0m的沉降柱來測定淀粉廠污水總懸浮固體（TSS）的沉降特性。沉降柱可適應(yīng)不同濃度的TSS。可用自來水稀釋高濃度污水來配置所需TSS濃度的污水。污水經(jīng)完全攪拌后流入沉降柱內(nèi)，在2---60分鐘內(nèi)的不同時(shí)間間隔內(nèi)收集沉降柱頂部的樣品液并分析其TSS濃度。
2.4 分析程序
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法來分析COD、BOD、VSS、DS等參數(shù)。根據(jù)VSS來測定污泥活性實(shí)驗(yàn)中使用的污泥量。所有的樣品都要用0.45um的玻璃纖維過濾器進(jìn)行過濾以測定其中的溶解性COD和BOD。用分光光度計(jì)來測定其中的氰化物。
2.5 數(shù)據(jù)分析
厭氧塘的處理效果用九個(gè)算術(shù)平均值加上或減去標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。SMA可用兩個(gè)平行實(shí)驗(yàn)來測定?？捎镁€性回歸曲線來描述兩次平行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及甲烷產(chǎn)量與所用時(shí)間之間的關(guān)系。根據(jù)回歸曲線的斜率和所用的污泥量來計(jì)算SMA。同樣，可以在氰化物累積分解量和所用時(shí)間之間建立線性關(guān)系。沉降實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)可以用來在半去除時(shí)間和流入的總懸浮性固體濃度之間建立線性關(guān)系?？梢杂梦④浌镜腅xcel2000來進(jìn)行所有的數(shù)據(jù)分析。
3 結(jié)果和討論
3.1 現(xiàn)有污水處理過程的分析
原污水的特性：厭氧塘系統(tǒng)大約每天可以處理4500立方米的淀粉污水和500立方米的葡萄糖污水。厭氧塘的工藝流程和取樣點(diǎn)見圖3。原污水、流入處理系統(tǒng)的污水和排出處理系統(tǒng)的污水的特性參數(shù)見表2。表2中的a列和d列分別對應(yīng)淀粉廠污水和葡萄糖廠污水。淀粉廠污水酸性很高，而葡萄糖廠污水酸性較低，接近中性。從表2中可以看出，淀粉廠污水的BOD含量為12776+499mg/l，而葡萄糖廠的BOD含量為1046+153 mg/l。淀粉廠污水TSS含量為9130+3067mg/l，主要是極易生物降解的淀粉顆粒。淀粉廠污水氰化物濃度為17.5+1.5 mg/l，而葡萄糖廠污水中檢測不出氰化物。
厭氧塘的處理效果：厭氧塘面積的詳細(xì)情況和污水滯留時(shí)間已列在表中?？倻魰r(shí)間為：淀粉廠污水是33+5天；葡萄糖廠污水是1813+3天。每天總量為4999+785立方米的污水平均污染負(fù)荷是每天63258+10198kg的COD，其中淀粉廠污水的COD為62732+10152kg，葡萄糖廠污水的COD為658+138kg。厭氧塘總的平均容積負(fù)荷是每天每立方米有497+82 kgBOD（即每天每立方米有514+82kgCOD）。
在六個(gè)厭氧塘中，1號塘和6號塘在研究期間并沒有運(yùn)行。1號塘被淀粉廠污水的淀粉顆粒填滿，以便于淀粉廠污水流入2號塘。2號塘的COD、BOD和TSS的平均去除率很低，大約分別為10.5+6.8%。8.6+6.2%和18.0+10.9%。2號塘也部分被淀粉顆粒填滿，其中的污水經(jīng)一個(gè)修建好的渠道流入4號塘。這表明1號塘、2號塘主要是作為懸浮顆粒的沉降池來運(yùn)行的，因此，它們必須定期排泥。由于淀粉顆粒的沉積，污水在厭氧塘的滯留時(shí)間也減少了。
2號塘的pH值是酸性的，在4.1---4.3之間。這樣的條件對產(chǎn)甲烷菌的生長是很不利的，故在這樣的條件下是不會(huì)產(chǎn)生甲烷的。2號塘BOD的去除率小于10%進(jìn)一步驗(yàn)證了這一事實(shí)。然而4號塘和5號塘是處于厭氧條件的，其pH值在6---8之間。事實(shí)上，這兩個(gè)厭氧塘存在活躍的生物活動(dòng)，因?yàn)檫@兩個(gè)塘中有大量氣泡形成而且在塘水表面存在懸浮污泥。根據(jù)資料記載，適于產(chǎn)甲烷菌的最佳pH值在6.0---8.0之間，但對整個(gè)生物群體來說最佳pH值接近7.0。
基于表3的數(shù)據(jù)，4號塘和5號塘的處理效果是令人滿意的，而4號塘的處理效果是最好的，COD、BOD和TSS去除率分別達(dá)到了88.6+0.6%，90.5+0.6%，87.6+2.8%。2號塘有很高的平均容積負(fù)荷，達(dá)到了每天每立方米有1031+165kgBOD，而3號塘的平均容積負(fù)荷非常低，僅為每天每立方米有6+2 kgBOD。4號塘和5號塘的平均容積負(fù)荷分別為每天每立方米有716+128和300+47 kgBOD，均在大多數(shù)資料所規(guī)定的范圍內(nèi)。淀粉污水中含有17.5+1.5mg/l的氰化物。因?yàn)檫@些厭氧塘已經(jīng)運(yùn)行了20多年，所以這些厭氧塘中的污泥已經(jīng)很好適應(yīng)了污水中存在的氰化物。2號塘、4號塘和5號塘的氰化物去除率分別為2.8+2.5%、38.4+2.6%和9.2+5.0%。
COD、BOD和TSS總的去除率分別為96.2+0.6%、98.2+0.4%和94.7+1.3%。而DS和CN的去除率分別為71.4+1.0%、51.2+1.1%。然而，經(jīng)過厭氧塘處理后的污水仍然達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，因此對厭氧塘處理后的污水進(jìn)行進(jìn)一步的處理是必要的。COD的去除要達(dá)到上向流污泥流化床（UASB）的處理效果。Pena研究了在相同環(huán)境條件下厭氧塘和UASB處理相同生活污水的效果，得出了這兩個(gè)系統(tǒng)具有類似處理效果的結(jié)論。
3.2 污泥活性
厭氧塘沉降層活性污泥的SMA實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在開始的13個(gè)小時(shí)內(nèi)，甲烷的產(chǎn)量很低，13個(gè)小時(shí)之后，產(chǎn)量開始增加。這表明了淀粉廠污水中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌所需的有機(jī)酸大約需要13個(gè)小時(shí)。而厭氧塘散裝液中存在剩余有機(jī)酸，所以可以立即觀察到散裝液中的污泥存在產(chǎn)甲烷活動(dòng)。表4列出了SMA實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其它數(shù)值已有資料記載。從表4可以看出，厭氧塘沉降物和散裝液的甲烷產(chǎn)率分別是每天每克VSS可產(chǎn)生20.7和11.3ml甲烷，這要低于資料記載的數(shù)據(jù)。這可以解釋與UASB相比，厭氧塘為什么需要相對較長的污水滯留時(shí)間。厭氧塘的處理效率比較低，它們需要1.2天的污水滯留時(shí)間，25攝氏度左右的環(huán)境溫度，以確?？梢赃_(dá)到70---80%的BOD去除率，而這一處理效果的取得要根據(jù)污水濃度。UASB可以達(dá)到相同的處理效果，但其污水滯留時(shí)間較短大約為6---8小時(shí)。
對4號塘沉降層中的厭氧污泥進(jìn)行氰化物降解實(shí)驗(yàn)所需要的氰化物濃度分別為10mg/l和20mg/l。濃度為10mg/l的氰化物，其直線斜率表明了其氰化物平均降解率為每天4.02 mg/LCN, 即每天每克VSS可降解0.43mgCN。同樣，濃度為20mg/l的氰化物，其氰化物平均降解率為每天7.83 mg/LCN，即每天每克VSS可降解0.84mgCN。
3.3 厭氧塘懸浮性固體的沉降
厭氧塘有機(jī)物的去除是通過沉降和厭氧分解來達(dá)到的。厭氧污水穩(wěn)定塘被認(rèn)為是最重要的處理步驟，因?yàn)樗鼈兛梢苑蛛x原污水中可沉降物質(zhì)?？紤]到沉降懸浮性顆粒的重要性，要進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)來研究淀粉廠污水懸浮性顆粒的沉降特性。不同懸浮性顆粒濃度下的沉降時(shí)間和顆粒去除率之間的關(guān)系見圖6。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，濃度在1600mg/l以上的TSS，由于沉降作用，在120分鐘內(nèi)可達(dá)到90---95%的去除率。而濃度在630mg/l和490mg/l的TSS在120分鐘內(nèi)的去除率分別只有70%和60%。和厭氧塘的污水滯留時(shí)間相比，120分鐘的沉降時(shí)間是非常短的，這表明懸浮性固體的沉降主要發(fā)生在厭氧塘的進(jìn)口區(qū)。
然而，厭氧塘實(shí)際懸浮性固體顆粒去除率小于沉降實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)值，這一方面由于2號塘淀粉顆粒沉降所形成的短暫環(huán)流，另一方面由于厭氧塘實(shí)際容積的減少。就3號塘、4號塘和5號塘來說，由于微生物代謝所形成的氣泡和厭氧塘出口附近的出流對沉降物的沖刷，沉降顆粒會(huì)重新懸浮起來。厭氧塘出流所攜帶的重新懸浮的顆粒是厭氧塘固體顆粒去除率降低的原因。
Tay提議使用方程1給出的沉降模型，而這一沉降模型建立在沉降池懸浮物的沉降特性和水力特性之上。該模型分別將污水滯留時(shí)間和年沉降時(shí)間作為水力特性和沉降特性。將流入污水50%的懸浮固體所用沉降時(shí)間作為半去除時(shí)間。
半反應(yīng)時(shí)間與沉降實(shí)驗(yàn)中的懸浮性固體濃度之間的關(guān)系見圖7。TSS值為1600mg/l時(shí)的半反應(yīng)時(shí)間有些特殊，忽略這一數(shù)據(jù)，則曲線為直線，遵循方程2所給出的典型關(guān)系：
TSS值為500mg/l和12500mg/l時(shí)的半反應(yīng)時(shí)間分別為9分鐘和40分鐘。以上結(jié)果如圖6所示。沉降實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)TSS值超過630mg/l的半反應(yīng)時(shí)間在9分鐘和40分鐘之間。這也暗示了該模型可以用于確定淀粉廠污水的沉降特性。
4、結(jié)論
這項(xiàng)研究主要集中于評價(jià)厭氧塘對木薯淀粉廠所排放的含有有機(jī)碳和氰化物污水的處理效率。對厭氧塘沉降物和散裝液中的污泥SMA進(jìn)行測定以確定污泥的相對轉(zhuǎn)化率。也需要測定厭氧塘沉降層中氰化物的降解率。此外，還要對淀粉廠污水中TSS的沉降特性進(jìn)行調(diào)查。
現(xiàn)存的厭氧塘處理系統(tǒng)有效得去除了有機(jī)碳和懸浮性固體，然而，需要對處理后的排放液進(jìn)行進(jìn)一步處理，使其在流入地表水體之前滿足排放水標(biāo)準(zhǔn)。處理效果為：COD和TSS
總的去除率可以達(dá)到90%以上，例如，13941+359mg/l的COD可以減少到700mg/l以下，9130+3067mg/l的TSS可以減少到600mg/l以下?？梢匀コ?1%的CN，其濃度可由淀粉廠污水的17.5+1.5mg/l減少到厭氧塘處理系統(tǒng)排放液的8.5+0.7mg/l。
厭氧塘沉降物和散裝液中的活性生物群SMA分別為每天每克VSS可產(chǎn)生20.7和11.3ml甲烷。同樣，污泥氰化物濃度分別由最初的10 mg/l和20 mg/l減少到0.43 mg/l和0.84 mg/l.。淀粉廠污水的沉降柱實(shí)驗(yàn)表明120分鐘的沉降時(shí)間足以去除90---95%的TSS。
感謝
“丹麥國際發(fā)展基金”所資助的“環(huán)境和資源管理模型工具”工程和“瑞典國際發(fā)展機(jī)構(gòu)”所資助的“亞洲地區(qū)環(huán)境技術(shù)研究項(xiàng)目”中的污水處理和管理工程對本次研究提供了很大幫助，在此表示感謝。同時(shí)，作者對盧森堡Jean-Luc VASEL教授和比利時(shí)的Arlon教授在整個(gè)研究過程中所提出的批評性建議表示感謝。