大蒜切片废水处理的组合工艺实验研究

赵大传，刘璨，王伟

(1.山东大学 环境科学与工程学院，山东 济南 250100; 2.山东省环境保护科学研究设计院 环境评估第三研究所，山东 济南 250100)

大蒜切片后清洗浸泡过程产生大量废水，其COD浓度高.大蒜中的大蒜辣素和大蒜新素具有强烈的抑制细菌和真菌的能力[1-2]，使得该废水可生化性差，属于较难降解的有机废水[3]，其处理成本较高，大部分企业直接稀释排放，对水环境影响较大.目前国内外对大蒜的研究主要针对其在医学保健上的价值[4-5]，鲜有关于大蒜切片废水处理的研究报道.

目前，填料ABR是在ABR反应器内增设填料，以截流更多的生物量，提高ABR反应器的容积负荷[6]，在处理高浓度难降解有机废水方面比普通ABR具有更高的效率；活性污泥法的特点是运行方式灵活，处理效果较好[7]，作为厌氧工艺的后续处理工艺，出水水质良好且运行稳定[8]；利用水生植物净化水质具有较好的价值和广阔的应用前景[9].本试验研究填料ABR-活性污泥-水生植物的组合工艺对大蒜切片废水的处理效果，考察处理大蒜切片废水的运行特性，以及不同运行条件对其处理效果的影响，旨在探讨该组合工艺处理大蒜切片废水的可行性，为废水的实际处理提供工艺参数和技术指导.

1 材料与方法

1.1废水来源与水质大蒜切片废水取自山东聊城某大蒜加工厂，各水质指标如下：COD为7 400～8 600 mg/L，BOD5为2 500～3 200 mg/L，NH3-N为120～150 mg/L.pH为5.72～6.88，废水有较浓的蒜辣味.

图1 实验装置流程图

1.2实验装置反应器采用有机玻璃制作，ABR反应器为等体积6个格室，有效容积为16.5 L，在中间的4个格室悬挂弹性立体填料(直径60 mm，比表面积123.2 m2/m3，容积负荷COD 2.5 kg /(m3·d)，孔隙率约90%)，水浴温度控制在(35±0.5) ℃.曝气池总有效体积为10.0 L.具体流程见图1.

1.3实验方法实验首先进行填料ABR与活性污泥反应器的启动与污泥驯化.由于大蒜废水具有一定的杀菌性，填料ABR采用低负荷启动方式[10]，启动初期，控制进水COD 为500 mg/L，并添加营养盐，HRT控制在48 h.当COD 去除率达到80%左右时，保持HRT为48 h不变，改变进水浓度，每次递增500 mg/L左右.经过7周的培养，COD浓度增加到3 000 mg/L，产气效果明显，去除率稳定保持在90%左右，出水已无蒜味，ABR启动成功.活性污泥法实验污泥的培养方式为采用COD为300 mg/L的大蒜废水将大约MLSS 2 g /L种泥培养驯化15 d，以此污泥作为实验用泥.水生植物选择灯心草、芦苇及凤眼莲，植于容器内生长.

启动成功后进行填料ABR单元、活性污泥法单元和水生植物单元的独立运行实验，以确定反应的最佳水力停留时间和容积负荷，并分别考察其在最佳条件下各自处理废水的效果.后期进行了组合工艺试验，主要考察各反应器在最佳条件下对废水的处理效果.

1.4分析方法pH值测定采用pHS-25酸度计，COD、BOD和NH3-N测定分别采用重铬酸钾法(GB11914-89)、稀释接种法(GB7488-87)和钠氏试剂比色法(GB7479-87)[11].

2 结果与讨论

2.1 填料ABR单元独立运行试验

图2 不同HRT下填料ABR去除效果

2.1.1 HRT对填料ABR单元的影响 保持进水浓度不变(COD浓度为3 000 mg/L)，逐渐将HRT由48 h减少到8 h(即进水水量从8.2 L/d 提高到49.5 L/ d 左右)，考察了不同HRT对反应器运行性能的影响(图2).

由图2可知，当HRT由8 h增加到20 h时，COD去除率增幅较快，HRT 为20 h时，COD去除效率达92.4%，这说明水力停留时间是影响填料ABR 单元处理大蒜切片废水的重要因素.因HRT 越长，甲烷化程度越高[12]，所以HRT由20 h继续增加时，COD的去除效率仍有提高，但增幅明显变缓.考虑到处理成本等因素，对于该废水填料ABR的HRT 选择20 h 为宜.

图3 不同有机负荷下填料ABR去除效果

2.1.2 有机负荷对填料ABR单元的影响 保持HRT在20 h左右，逐步提高进水浓度，考察有机负荷对反应器运行性能的影响(图3).

由图3可知，填料ABR 反应器在有机负荷从COD 4.2 kg /(m3·d)提高到10.8 kg/(m3·d)时，即进水浓度从3 500 mg/L 提高到9 000 mg/L，COD 去除率随有机负荷的增加而下降，变化范围为96.9%～44.0%.当有机负荷保持在COD 4.2～7.8 kg /(m3·d)之间时，填料ABR 的COD 去除率能保持在92.1%以上，说明填料ABR反应器具有较强的抗负荷冲击能力.当有机负荷大于COD 9.0 kg /(m3·d)时，COD去除率迅速下降，主要表现为污泥流失严重，原因主要是随着大蒜辣素和大蒜新素浓度增加，其杀菌、抑制微生物生长的作用较明显，致使填料ABR单元中微生物不能正常生长.因此填料ABR单元适合于处理有机负荷小于COD 7.8 kg /(m3·d)的大蒜切片废水.

2.1.3 填料ABR单元独立运行试验 填料ABR在最佳HRT和有机负荷条件下，即HRT为20 h，有机负荷为COD 7.8 kg /(m3·d)，水浴温度35 ℃时，运行结果见图4.

图4 最佳条件下填料ABR稳定运行实验结果

由图4可知，填料ABR单元在最佳HRT和有机负荷条件下运行时，COD和BOD的去除率分别稳定在92.5%和87.0%左右，反应器连续运行期间出水水质较稳定，未出现较大波动.COD和BOD的去除效率均较高，并且B/C由进水时的0.31～0.35提高到出水时的0.52～0.57，提高了废水的可生化性，有利于后续好氧处理.

2.2活性污泥法单元独立运行试验

2.2.1 HRT对活性污泥法单元的影响 保持进水浓度COD为300 mg/L不变，曝气量为3 m3/min，将HRT由20 h减小到6 h，考察不同HRT对反应器性能的影响(图5).

图5 不同HRT下活性污泥法的去除效果

图6 不同有机负荷下活性污泥法的去除效果

图7 活性污泥法独立运行实验结果

图8 不同HRT下水生植物的去除效果

从图5可以看出，随着HRT的增加，活性污泥法单元对COD的去除效率增大.当HRT为12 h，COD的去除率达70.1%，当HRT由12 h增加至20 h过程中，COD的去除率增长缓慢.考虑到HRT越大，必定会增加基建投资，此时没有必要再通过增加HRT方式来获得更高的COD去除率.因此认为12 h为活性污泥法的最佳水力停留时间.

2.2.2 有机负荷对活性污泥法的影响 保持HRT为12 h不变，改变进水浓度(从300 mg/L增至1 000 mg/L)，考察有机负荷对反应器性能的影响(图6).从图6可知，有机负荷为COD 1.0 kg /m3·d时(即COD浓度为500 mg/L)，COD的去除效率最高，达80.7%.有机负荷过低，微生物生长速度下降，导致COD的处理效率降低；当有机负荷为COD 1.6 kg /(m3·d)时，COD出水浓度较高，去除效率低于57%；当有机负荷继续增加时，COD去除效率下降迅速.因此，活性污泥法适宜的有机负荷为COD 0.8～1.2 kg /(m3·d)，本实验选择最佳有机负荷为COD 1.0 kg /(m3·d).

2.2.3 活性污泥法单元独立运行试验 保持HRT为12 h，有机负荷为COD 1.0 kg /(m3·d)左右的最佳条件下稳定运行，结果见图7.

由图7可知，反应器连续稳定运行期间，出水COD均在91～99 mg/L之间，去除率稳定在81%左右，出水水质没有出现较大的波动.但出水水质仍不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》[13]一级A标准.

2.3水生植物单元独立运行试验植物容器总体积为3.52 m3(2.0 m×1.6 m×1.1 m)，植物间距为10 cm.将植物容器放在阳光充足的阳台上，室内气温在20～35 ℃，保持进水COD浓度在100 mg/L左右，将HRT由5 d减小到1 d，考察不同HRT对水生植物处理效果的影响，结果见图8.

由图8可知，随着HRT的增加，水生植物对COD的去除效率增大.当HRT为3.5 d时，COD的去除率达42.6%，当HRT由3.5 d增加至5 d过程中，COD的去除率增长较缓慢，因此认为3.5 d为其最佳水力停留时间，且在其最佳HRT下，COD的去除率可稳定在42.6%.

2.4组合工艺运行试验组合工艺实验保持ABR单元的HRT为20 h，进水水质控制在6 500 mg/L左右，温度为35 ℃；活性污泥法单元的HRT为12 h；水生植物单元的HRT为3.5 d，气温、阳光等自然条件正常.处理效果见图9.

图9 组合工艺稳定运行后的实验结果

由图9可知，填料ABR单元对COD的平均去除率为92.5%，其处理效果与填料ABR单元的独立运行处理效果基本一样；但活性污泥法单元的处理效果比独立运行时有一定的提高，去除率平均为86.0%，比独立运行时的去除率高5.0%.原因是填料ABR截留了更多的生物量，提高了反应器的容积负荷，废水经填料ABR处理后，一些复杂有机物在厌氧菌的作用下进行了水解酸化，转化为较易生物降解的简单有机物，改善了其可生化性，为活性污泥法的好氧处理创造了更为有利的条件[14]，活性污泥法的处理效果得到了提高.

水生植物单元的处理效率平均为42.5%，与水生植物独立实验时处理效率基本一致.

从整个系统处理效果看，进水的COD浓度为6 500 mg/L左右，出水的COD浓度为38～41 mg/L，系统总的去除率保持在99.37%～99.42%之间，去除效果稳定，且出水水质满足国家一级A排放标准，这说明该组合工艺处理大蒜切片废水是可行的.

该组合工艺结合了3种处理工艺各自的优点，充分利用填料ABR对高浓度难降解废水具有较好的处理效果，以活性污泥法作为厌氧的后处理单元去除效果好，运行安全可靠，出水水质稳定.水生植物作为该工艺的后续处理保障措施，不仅可保证处理后大蒜废水水质满足国家一级A排放标准，而且还可实现废水的再生利用资源化，降低企业用水成本，具有较高的环境效益和现实意义.

3 结论

填料ABR单元在处理大蒜切片废水时的最佳运行参数为：HRT 20 h，有机负荷COD 7.8 kg /(m3·d)以下.在此工况下，填料ABR独立处理该废水时，COD的去除率稳定在92.4%以上，且将废水的BOD/COD由0.31～0.35提高到0.52～0.57，增加了废水的可生化性，有利于后续处理.

活性污泥法单元在处理大蒜切片废水时的最佳运行参数为：HRT 12 h，适宜的废水有机负荷为COD 0.8～1.2 kg /(m3·d).在此工况下，活性污泥法独立处理该废水时，出水COD在91～99 mg/L，平均去除率为81.0%.

水生植物单元在处理废水时，最佳HRT为3.5 d，在此工况下，其去除率为42.6%.

填料ABR-活性污泥法-水生植物组合工艺处理大蒜切片废水时，活性污泥法的处理效果得到一定程度的提高，系统运行稳定，COD总去除率保持在99.37%～99.42%，出水的COD浓度为38～41 mg/L，能够满足国家一级A排放标准，出水水质稳定可直接回用，具有较好的应用前景.

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