填料投加对玉米深加工废水处理效果的影响

颉亚玮，年跃刚* ，殷勤，闫海红，雪梅，辛璐

1.中国环境科学研究院水污染控制研究中心，北京 100012

2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083

玉米是全球主要粮食作物之一，玉米的深度加工利用受到广泛关注，其深加工产品已在食品、医疗、化工等方面得到应用。但玉米深加工处理所产生的高浓度废水若直接排入水体，可能对受纳水体造成污染，废水的排放和造成的环境污染问题已得到有关部门的关注［1］。

目前，玉米深加工废水主要采用生物法处理，其中厌氧接A/O法的工艺组合可以较好地去除废水中的污染物，但由于玉米深加工废水的水质变化剧烈，且冲击负荷较大，影响了系统的持续稳定运行。

投加填料可增加活性污泥池的氧传递效率，减小曝气量，减少能耗［2］，但有研究表明，填料填充率超过40%对提高CODCr，NH4+-N，TN的去除率影响不大［3］。向活性污泥池内投加填料的方法目前主要集中在对生活污水的处理和对城市污水厂的改造上［4-6］，鲜有研究将该方法应用于玉米深加工废水的处理中。

笔者的试验基于已有研究，通过向活性污泥池内投加比表面积大的塑料载体填料，以增大活性污泥池内的污泥浓度，提高废水的处理效率，并控制实际应用成本。在向单一活性污泥池投加填料的投加模式下，分析了4种填充率对玉米深加工废水处理效果的影响，以期为改善玉米深加工废水的处理效果提供数据支持。

1 装置及方法

1.1 装置

试验工艺按照工厂污水站A/O池设计，如图1所示。整个装置由PP板加工制成，缺氧池有效体积为0.094 m3;好氧池有效高度1.8 m，有效体积0.80 m3，由1格填料投加池和3格活性污泥池组成;沉淀池有效体积为0.13 m3。工艺总处理规模为0.72 m3/d，水力停留时间为27 h，200%硝化液回流，100%污泥回流。进水和硝化液回流由计量泵控制，污泥回流由蠕动泵控制。

图1 试验装置Fig.1 Schematic presentation of the process in the experiment

填料为HDPE(高密度聚乙烯)材料制成，具有比表面积大(500 m2/m3)，生物易挂膜，比重接近于水，耐腐蚀的特点。

1.2 废水水质

废水取自中粮生化能源(公主岭)公司某玉米深加工企业，以经厌氧内循环(IC)反应器处理后的出水为原水进行试验。企业废水主要包括淀粉车间工艺废水和制糖车间工艺废水，具有高CODCr，高NH4+-N，高TN，高SS和低pH，且变化剧烈等特点，经IC反应器处理后，出水水质比车间直接来水水质有较大改善，并有较好的可生化性和较稳定的pH，但其出水仍然存在CODCr，NH4+-N，TN变化剧烈等问题。试验期间IC反应器出水(原水)水质如表1所示。

表1 IC反应器出水(原水)水质Table 1 Water quality of the effluent of IC

1.3 监测指标和分析方法

试验期间对CODCr，NH4+-N和TN浓度进行监测，其中CODCr用CTL-12型COD快速测定仪测定;NH4+-N浓度用纳式试剂分光光度法［7］测定;TN浓度用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［8］测定。CODCr和NH4+-N浓度为每天测定1次，TN浓度为每3天测定1次。

2 结果和分析

为研究填料填充率对处理效果的影响，设置填充率为0(不投加填料)，10%，20%和30%进行试验。参照企业污水处理厂各运行参数，将水力停留时间设为27 h，污泥浓度维持在2000～3000 mg/L，以填充率为唯一变量，得出不同填充率对各种污染物的去除效果。

2.1 污染物的去除

2.1.1 CODCr的去除

试验从现有污水厂活性污泥池内取污泥投加到小试装置活性污泥池内进行微生物驯化，经过7 d的适应期后开始填充率试验。试验在0，10%，20%和30%填充率下分别进行了25，29，31和34 d。4种填充率对CODCr的去除效果如图2～图5所示。

从图2可以看出，在填充率为0时，CODCr去除率平均值高于80%。从图3可以看出，在填充率为10%时，系统的出水效果很差，原因在于试验进行到第7天时出现了污泥膨胀，SV30一度达到92%，虽在膨胀初期出水效果较好，但随着时间的推移，SS逐渐升高，使出水水质变差。经过大约15 d的调整，SVI下降到150 mL/g左右，CODCr去除率逐渐上升，视为污泥膨胀结束，此后CODCr去除率与填充率为0时区别不大。从图4可以看出，当填充率为20%时，CODCr去除率与填充率为0时相差不多，但是2个填充率下系统所受的CODCr冲击负荷和剧烈程度之间有很大的差别。填充率为0时(图2)，虽然系统的进水CODCr容积负荷变化范围很大，但其日均波动较缓，CODCr的日均变化只有70 mg/L左右，正是这种变化特点给微生物提供了适应的时间，可以抵抗负荷冲击;当填充率为20%时(图4)，进水水质变化剧烈，CODCr的日均变化值为240 mg/L左右，变化最大时相邻2天的变化值超过600 mg/L，而且波动频繁，虽进水CODCr变化剧烈，系统仍然保持80%以上的CODCr去除率和稳定的出水。在填充率为30%时(图5)，进水CODCr的日变化仍然很大，进水平均值为832.7 mg/L，相邻2天变化的平均值为779.6 mg/L，即CODCr变化均值超过进水CODCr的94%，系统没有出现类似污泥膨胀的状况，CODCr的去除率基本在80%以上。结果表明填料投加对系统抗冲击能力有所改善，分析其原因在于附着生长于填料上的微生物形成生物膜，提高了填料填充池中的微生物量，从而降低了该池的污泥负荷，减轻了后续活性污泥池的负担，增强了系统的抗冲击负荷能力，系统稳定性增强。但由于只在第1个池内投加填料，附着生物量有限，对CODCr的绝对去除率改善不大。

2.1.2 NH4+-N的去除研究表明，填充率为20%时系统对NH4+-N有较好的去除效果［9］。在试验的4种填充率下，系统对NH4+-N的去除效果如图6～图10所示，从图6～图9可以看出，当填充率为0，10%，20%和30%时，系统进水的NH4+-N 均值分别为 19.7，12.9，26.0和49.3 mg/L，出水的 NH4+-N均值分别为8.0，6.0，1.2和3.7 mg/L;从图10可以看出，当填充率为0，10%，20%和 30%时，NH4+-N平均去除率分别为62%，73%，89%和91.6%。说明填料投加对系统NH4+-N去除的影响比较大，虽然NH4+-N负荷冲击较大，但填料投加后仍然对其有较稳定的去除效果。其原因为:1)填料投加后，在载体上形成生物膜，生物膜的形成为世代时间较长的硝化细菌提供了良好的条件，投加填料后可以使活性污泥池中生物量有所提高，相对于未投加填料的系统来说，硝化菌的数量较多，强化了硝化效果［10］，随着填料填充率的增加，附着在填料上的微生物也增多，系统NH4+-N的污泥负荷逐渐下降，从而提高了系统硝化能力。2)试验的特点在于只向第1个活性污泥池投加填料形成填料投加池，生物附着于载体上，这样的分布特点造成了填料投加池的污泥浓度大于其他活性污泥池，正是基于这样的污泥分布，填料投加池可以降解更多的CODCr，减小了后续活性污泥池的CODCr负荷，有研究表明，随着CODCr/NH4+-N的增加，会使氨化菌和亚硝酸盐氧化菌在整个生物膜中所占比例下降，造成NH4+-N 去除率的下降［11］。CODCr负荷的降低提高了后续活性污泥池内的CODCr/NH4+-N，有利于自养生长的硝化菌成为优势菌种，提高NH4+-N的去除效果。

图6 填充率为0时NH4+-N的去除效果Fig.6 Variation of NH4+-N removal effect with the filling proportion of 0

由图6和图7可以看出，在填充率为0的试验初期和填充率为10%的一段时间内出水NH4+-N浓度高于进水，分析其原因认为，填充率为0的试验初期微生物处于适应阶段，世代时间较短的氨化细菌优先开始生长成为优势菌群，而世代时间较长的硝化细菌没有大量出现，因此造成NH4+-N的积累，随着试验的进行，硝化细菌开始出现并逐渐成为优势菌群，NH4+-N浓度升高现象消失;而填充率为10%的阶段NH4+-N浓度升高原因，主要是为了应对系统出现的污泥膨胀而大量排泥所造成的污泥龄缩短，硝化菌失去生长条件，随着污泥膨胀的缓解，排泥趋于正常，NH4+-N浓度升高现象消失。

2.1.3 TN的去除

研究表明，载体上附着的一定厚度的生物膜可以造成一定的厌氧环境［9，12］，所以填料的投加会使TN的去除率增大［13-15］。由于试验条件所限，TN的测定为3天进行1次，4种填充率对于TN的去除效果如图11～图15所示。从图11～图14可以看出，TN去除率很不稳定，而且填料的投加并没有使这种情况得到改善;从图15可以看出，4种填充率下，系统对TN的平均去除率差别不大，在50%左右，没有明显的改变。结果表明，对于TN的去除而言，前置缺氧池的作用占主导地位，在本试验投加模式和填充率条件下，载体上附着的生物膜所提供的厌氧环境有限，不能起到明显改善脱氮性能的作用。

2.2 污泥膨胀的处理及讨论

当填充率为10%时，试验进行到第7天，系统发生了污泥微膨胀，SVI升高到240 mL/g左右，但在污泥膨胀的初期，虽然污泥沉降性能很差，絮凝效果却很好，出水清澈，出水CODCr较低，去除率较高，如图16所示。有研究表明，发生了污泥膨胀，但当膨胀不严重，SVI在300 mL/g以下时，处理后的出水CODCr仍然较低，甚至出水SS比未发生膨胀时还低，其原因为:1)由于丝状菌菌丝的牵连交织形成致密网状污泥层，沉淀时对上清液起到进一步过滤作用，捕捉水中细小的悬浮颗粒，并吸附截留水中的游离细菌［16］;2)丝状菌自身具有较高的降解低浓度有机物的能力［17］。随后SVI几乎成直线增长，最高时达到了700 mL/g，与此同时，CODCr去除率也骤然下降。镜检发现有大量丝状菌存在，其他微生物很少。

溶解氧过高或过低，负荷异常，营养物质，pH等都有可能引起污泥膨胀［18］。分析认为，造成试验污泥膨胀的原因可能是溶解氧过高，试验中溶解氧平均达到了4 mg/L，通过增大进水量，提高负荷，减小曝气，排泥等措施控制了污泥膨胀，同时CODCr去除率也逐步上升，出水水质逐渐变好。

值得注意的是污泥膨胀时也是载体上生物膜生长最快时，一般填料挂膜需要14～16 d［19-21］，但试验中载体只用10 d左右就成功挂膜，这可能是由于挂膜成功后载体上的微生物主要是丝状菌［20-21］，而膨胀期间池内存在的大量丝状菌为迅速挂膜提供了有利条件。

图16 污泥膨胀期间SVI和CODCr去除率Fig.16 Relationship of SVI and CODCrremoval efficiency

3 结论

(1)投加填料可以提高活性污泥池的抗CODCr冲击负荷能力，且随着填料填充率的增大，抗冲击能力增强。在进水CODCr平均值为832.7 mg/L，相邻2天CODCr变化的平均值为779.6 mg/L，即CODCr变化均值超过进水CODCr的94%时，仍能维持系统稳定运行，保证出水质量。

(2)由于载体为生长慢、世代时间长的硝化菌提供了生长空间，特殊的填充方式又降低了后续活性污泥池的CODCr/NH4+-N，因此投加填料可以强化系统的硝化能力，更彻底地去除NH4+-N。

(3)在试验研究的填充率下，填料投加并不能有效增加反硝化菌脱氮所需的缺氧环境，因此，在10%，20%，30%填充率下，TN的去除并没有得到明显改善。

(4)污泥微膨胀时，出水水质异常良好;能否通过调整工艺参数将污泥膨胀控制在某个可以净化水质的范围内，值得后续的思考;试验观察到污泥膨胀时，载体挂膜加快，其中的关联性需要进一步试验验证。

［1］武江津，王凯军，丁庭华.三废处理工程技术手册:废水卷［M］.北京:化学工业出版社，2000:19-36.

［2］曹占平，张景丽.移动床生物膜反应器充氧能力的试验研究［J］.工业安全与环保，2003，29(11):15-17.

［3］邱光磊，宋永会，袁鹏，等.新型移动床生物膜反应器深度处理模拟养猪废水试验研究［J］.北京师范大学学报:自然科学版，2009，45(5/6):631-634.

［4］WANG R C，WEN X H，QIAN Y.Influenceofcarrier concentration on the performance and microbial characteristics of a suspended carrier biofilm reactor［J］.Process Biochemistry，2005，40(9):2992-3001.

［5］王翥田，叶亮，张新彦，等.MBBR工艺用于无锡芦村污水处理厂的升级改造［J］.中国给水排水，2010，26(2):71-73.

［6］张鹏，袁辉洲，柯水洲.MBBR法处理城市污水去除污染物的特性研究［J］.水处理技术，2009，35(10):91-96.

［7］环境保护部.HJ 535—2009水质氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法［S］.北京:中国环境科学出版社，2010.

［8］环境保护部.GB 11894—89水质总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［S］.北京:中国环境科学出版社，2010.

［9］何国富，周增炎，高廷耀.悬浮填料活性污泥法的脱氮效果及影响因素［J］.中国给水排水，2003，19(6):6-8.

［10］孙华，张菊萍，李湘霖.投加悬浮填料改善活性污泥法处理性能的试验研究［J］.重庆环境科学，2001，23(6):37-40.

［11］王荣昌，文湘华，钱易.悬浮载体生物膜内硝化菌群空间分布规律［J］.环境科学，2006，27(11):2358-2362.

［12］何国富，周增炎，高廷耀.投加悬浮填料强化传统活性污泥法的脱氮功能试验研究［J］.环境工程，2003，21(4):15-17.

［13］ WELANDER U，HENRYSSON T，WELANDER T.Biological nitrogen removal from municipal landfill leachate in a pilot scale suspended carrier biofilm process［J］.Water Res，1988，32(5):1564-1570.

［14］WELANDER U，MATTIASSON B.Denitrification atlow temperatures using a suspended carrier biofilm process［J］.Water Res，2003，37:2394-2398.

［15］DALENTOFT E，THUHN P.The use of the Kaldnes suspended carrier process in treatment of wastewaters from the forest industry［J］.Water Sci Technol，2003，35(2/3):123-130.

［16］刘滢，彭永臻，刘敏，等.营养物质对污泥沉降性能的影响及污泥膨胀的控制［J］.环境科学，2004，25(6):54-58.

［17］沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术:理论与应用［M］.北京:中国环境科学出版社，1999:234-237.

［18］丁来保，施英乔，李萍，等.活性污泥法工艺污泥膨胀的主要原因及控制研究［J］.江苏造纸，2006(3):44-48.

［19］朱成辉，李秀芬，陈坚，等.好氧移动床生物膜反应器挂膜启动过程［J］.食品与生物技术学报，2005，24(4):92-96.

［20］刘建广，黄传伟，郝兆亮，等.两级移动床反应器的挂膜启动研究［J］.山东建筑大学学报，2009，24(2):124-126.

［21］方建文，刘建广，郝兆亮，等.悬浮填料好氧移动床反应器挂膜启动方式研究［J］.环境科学导刊，2010，29(1):11-14. ○