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本文作者：胡亞萍馬曉力董貝貝作者單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院

制糖廢水處理技術(shù)

目前制糖廢水的處理技術(shù)主要包括物化法和生化法，由于制糖廢水的可生化性好，國(guó)內(nèi)外對(duì)此廢水的處理常采用生化法。生化法主要有厭氧處理法、好氧處理法、厭氧—好氧處理法等。

1物化法

物化法主要用于對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理，該方法包括:混凝沉淀法、吸附法、離子交換法、萃取法、擴(kuò)散滲析法、電滲析法等［7］。近年來(lái)，對(duì)物化法的研究涉及到一些新的領(lǐng)域，納米技術(shù)的應(yīng)用研究為制糖廢水的預(yù)處理提供了新的思路。鐘福新等［8］的研究表明，La/Fe共摻雜TiO2納米管陣列對(duì)甲基橙和制糖廢水具有催化降解效果。光照時(shí)間和pH是影響La/Fe摻雜TiO2納米管陣列光催化降解制糖廢水的主要因素，在強(qiáng)堿性條件下，La/Fe摻雜TiO2納米管陣列對(duì)制糖廢水的光催化降解效率最高，光照20h時(shí)可達(dá)97%以上。

2厭氧生物法

廢水的厭氧處理在有機(jī)物含量較高時(shí)很適用。由于厭氧處理時(shí)，污泥產(chǎn)生量少，對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素要求低，同時(shí)產(chǎn)生的甲烷可作潛在的能源，可消除氣體排放的污染，投資成本一般較低，運(yùn)行管理費(fèi)用也大大低于好氧工藝［9］。在制糖工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)是厭氧處理的一個(gè)有代表性的形式。在反應(yīng)器中，廢水從底部均勻進(jìn)入并向上運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)器下部為濃度較高的污泥床，上部為濃度較低的懸浮污泥床，一般情況下處理甜菜制糖廢水時(shí)，容積負(fù)荷可達(dá)到20.7kgCOD/(m3•d)，COD去除率為82%左右［10］。河南某廠［11］建成1700m3UASB厭氧系統(tǒng)處理制糖廢水，在近中溫(30℃～35℃)條件下啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)水COD濃度平均為8000mg/L時(shí)，工程穩(wěn)定運(yùn)行，日處理廢水近1000m3，COD去除率80%以上，UASB有效容積負(fù)荷為5.0kgCOD/(m3•d)以上。運(yùn)行實(shí)踐證明，采用UASB工藝處理制糖廢水，具有有機(jī)負(fù)荷高，HRT短，無(wú)需填料、污泥回流裝置及攪拌裝置，效率高，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)UASB工藝也存在以下缺點(diǎn):①三相分離器還沒(méi)有一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)方法;②顆粒污泥的培養(yǎng)較困難，初次啟動(dòng)和形成穩(wěn)定顆粒污泥用時(shí)較長(zhǎng);③大多數(shù)UASB反應(yīng)器需對(duì)進(jìn)水懸浮物濃度進(jìn)行適當(dāng)控制，以防止堵塞和短流;④耐沖擊負(fù)荷能力不強(qiáng)，出水水質(zhì)還達(dá)不到傳統(tǒng)二級(jí)處理工藝的出水水質(zhì)。為了解決UASB顆粒污泥培養(yǎng)的問(wèn)題，可以在厭氧啟動(dòng)過(guò)程中加入惰性物質(zhì)，加速顆?；男纬?。韓洪軍等［12～13］的研究表明，在系統(tǒng)中加入顆?；钚蕴?，可以加快顆粒污泥的形成;Yu［14］等人向反應(yīng)器中投加150～300mg/LCa2+，提高了生物量的積累，加速了反應(yīng)器的啟動(dòng)。新型的反應(yīng)器是折流式厭氧反應(yīng)器(ABR)，它綜合了UASB反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，屬于分階段多相厭氧生物處理工藝技術(shù)。該反應(yīng)器借助于廢水流動(dòng)和沼氣上升的作用，反應(yīng)器內(nèi)污泥上下運(yùn)動(dòng)，污水在折流板的作用下，水流繞其流動(dòng)而使其流經(jīng)的總長(zhǎng)度加長(zhǎng)，再加上折流板的阻擋及污泥的沉降作用，污泥在水平方向上的流速極其緩慢，生物固體被有效地截留在反應(yīng)器內(nèi)［15］。與UASB反應(yīng)器相比，ABR反應(yīng)器具有獨(dú)特的分格式結(jié)構(gòu)及推流式流態(tài)，具有運(yùn)行穩(wěn)定，操作靈活，工藝簡(jiǎn)單，投資少，固液分離效果、耐沖擊、對(duì)毒性物質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，良好的生物固體截留能力等優(yōu)點(diǎn)。ABR自問(wèn)世以來(lái)就一直備受研究者們的關(guān)注，人們從不同角度對(duì)其進(jìn)行研究探討，如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新［16～17］、水力學(xué)特性的優(yōu)化［18～19］、反應(yīng)器啟動(dòng)及顆粒污泥的形成［20］、微生物群落分布及生理生態(tài)［21～22］研究等方面，從這些研究中可以總結(jié)出以下對(duì)優(yōu)化ABR工藝的措施:①減少降流區(qū)寬度，使主反應(yīng)區(qū)的升流區(qū)內(nèi)聚集更多的微生物，有利于厭氧污泥停留在上向流中，使每個(gè)小單位UASB優(yōu)勢(shì)更加突出:水流方向與產(chǎn)氣上升方向一致，不僅減少了堵塞的機(jī)會(huì)，還加強(qiáng)了氣體對(duì)污泥床的攪拌作用，使微生物與進(jìn)水基質(zhì)充分混合，有助于形成顆粒污泥;②增加了折流板角度，有利于進(jìn)水向上引向流室中心，實(shí)現(xiàn)了布水的均勻性，同時(shí)還可增大水力攪拌作用;③接種污泥用幾種不同來(lái)源的厭氧污泥混合而成，采用好氧曝氣法啟動(dòng)。ABR反應(yīng)器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但目前國(guó)際上關(guān)于ABR反應(yīng)器的研究尚處于試驗(yàn)階段，實(shí)際工程應(yīng)用方面的研究實(shí)例還不多，國(guó)內(nèi)報(bào)道的工程應(yīng)用更少。因此，在ABR反應(yīng)器實(shí)際工程進(jìn)一步推廣之前，需要通過(guò)大量中試尋求合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合機(jī)理分析，以便更深入地了解ABR的工藝特性，為生產(chǎn)應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

3好氧生物法

好氧生物法主要有活性污泥法和生物膜法。

1）活性污泥法?；钚晕勰喾ň褪且曰钚晕勰酁橹黧w的生物處理法，其實(shí)質(zhì)是以存在于污水中的有機(jī)物為培養(yǎng)基，在有氧的條件下，對(duì)各種微生物群體進(jìn)行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過(guò)凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等過(guò)程去除有機(jī)物的一種方法［23］。李鑫華等［24］研究采用活性污泥法處理甘蔗制糖廢水，工程規(guī)模日處理量Q=14000m3/d，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，出水符合標(biāo)準(zhǔn)，且該工藝具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)技術(shù)要求低、處理效果好、投資及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但是，活性污泥法也存在抗沖擊負(fù)荷能力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易發(fā)生污泥膨脹等問(wèn)題。序批式活性污泥法簡(jiǎn)稱SBR法，主要構(gòu)筑物是SBR反應(yīng)池，在該池中依次完成進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、潷水、排泥等過(guò)程［25］。該工藝相對(duì)于連續(xù)式活性污泥法有處理構(gòu)筑物少、污泥好氧穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、氧利用率高、污泥膨脹的概率低、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。該工藝在實(shí)際工程中通常與其他工藝聯(lián)合使用，邯鄲市某生物技術(shù)中心［26］采用UASB—SBR工藝處理淀粉制糖廢水，SBR池的水力停留時(shí)間為12h，容積負(fù)荷為1.2kgCOD/(m3•d)，運(yùn)行結(jié)果表明，對(duì)COD的去除率可達(dá)85%以上，對(duì)BOD5的去除率達(dá)90%以上，對(duì)SS的去除率達(dá)85%以上，處理出水優(yōu)于國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，且該工藝處理效果好、技術(shù)成熟可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。但是SBR因其序批操作的運(yùn)行方式也帶來(lái)了相應(yīng)的弊端:①對(duì)自動(dòng)控制設(shè)備的依賴性強(qiáng)，但是這些設(shè)備的故障率較高;②反應(yīng)器的利用率偏低;③單元進(jìn)水是間歇的，在污水廠來(lái)水和排水要求連續(xù)時(shí)需要把系統(tǒng)劃分為較多的的單元才能保證整體的連續(xù)性，或者是設(shè)置較大的進(jìn)水水量調(diào)節(jié)池;④間歇運(yùn)行曝氣器容易堵塞。針對(duì)SBR的缺點(diǎn)和不同的使用目的出現(xiàn)了很多變形工藝，其中用于制糖廢水處理的工藝有循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)，即CASS工藝。該工藝在運(yùn)行方式上采用循環(huán)進(jìn)水，反應(yīng)器分為選擇器、缺氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)三個(gè)區(qū)。該工藝完善了活性污泥選擇器的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式靈活，既體現(xiàn)了SBR的流程簡(jiǎn)單、建筑物少等優(yōu)點(diǎn)，又克服了SBR的一些缺點(diǎn)。有研究表明，CASS工藝用來(lái)處理制糖末端廢水具有明顯的優(yōu)勢(shì)。林傳松等［27］的研究表明，用CASS工藝處理制糖末端廢水，對(duì)系統(tǒng)的CODCr和SS的去除率分別為91.96%和73.77%，同時(shí)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物有明顯去除效果，省略了剩余污泥處理裝置，降低了建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行成本。通過(guò)控制工藝運(yùn)行條件可以優(yōu)化CASS工藝的處理效果，鄧超冰等［28］的實(shí)驗(yàn)表明，在曝氣時(shí)間為2h，曝氣量0.375m3/h，污泥濃度4000mg/L左右，沉淀時(shí)間60min，排水比1/3的條件下，工藝條件最佳。各因素對(duì)COD去除效果影響的主次關(guān)系是:曝氣量＞排水比＞沉淀時(shí)間，故在實(shí)際工藝運(yùn)行管理過(guò)程中可優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)曝氣量。CASS運(yùn)行過(guò)程的控制一般由可編程序控制器來(lái)進(jìn)行，主要根據(jù)進(jìn)水量、DO、進(jìn)水水質(zhì)(COD、pH等)、出水水質(zhì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)調(diào)整各部件的運(yùn)行狀況以達(dá)到最佳的效果及最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)［29］。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵主要是進(jìn)一步完善工藝設(shè)計(jì)方法及研究其設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)，同時(shí)提高自動(dòng)控制裝置的可靠性及運(yùn)行和操作管理人員的素質(zhì)，使其更加符合國(guó)內(nèi)制糖廢水處理的實(shí)際情況。

2）生物膜法。生物膜處理法的工藝有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化設(shè)備和生物流化床。其中用于制糖廢水處理的有內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床工藝。該工藝是一種將微生物固定化技術(shù)與傳統(tǒng)流態(tài)化技術(shù)相結(jié)合的生化處理設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)效率高、負(fù)荷高、去除效率高、能耗低、抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)、占地少等優(yōu)點(diǎn)。田雪蓮等［30］利用內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床對(duì)CODCr和NH3－N質(zhì)量濃度分別為350～580mg/L和7～12mg/L的甘蔗制糖廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，在進(jìn)氣量為40L/h，水力停留時(shí)間為3～4h的條件下，CODCr和NH3－N的平均去除率分別為90.7%和86.5%，出水CODCr和NH3－N穩(wěn)定在60mg/L和2mg/L以下，表明采用內(nèi)循環(huán)好氧生物流化床處理制糖廢水具有良好的效果，為制糖廢水的高效處理提供了一種新方法。但是傳統(tǒng)生物流化床工藝仍存在不足，主要有以下幾點(diǎn):①流化床的流態(tài)化特性十分復(fù)雜，給設(shè)計(jì)造成了困難;②以沉淀原理為基礎(chǔ)的三相分離器中，泥水分離靠重力作用，以致分離效率依賴活性污泥沉降性能，而由于沉淀時(shí)間短，固液分離效果不理想，出水中SS含量可能很高，影響出水水質(zhì);③載體易流失。針對(duì)以上傳統(tǒng)生物流化床的缺陷，將其與膜分離單元有機(jī)結(jié)合，可解決傳統(tǒng)生物流化床出水懸浮物濃度偏高、載體易流失的問(wèn)題。

3）生物膜/活性污泥聯(lián)合工藝。該聯(lián)合工藝是把活性污泥法與生物膜法相結(jié)合的一種污水生物處理技術(shù)。它一方面具有生物膜法負(fù)荷高的特點(diǎn)，因而減少了構(gòu)筑物體積，降低了投資;另一方面也具有活性污泥法固液接觸充分的特點(diǎn)，有機(jī)污染物去除效率高，出水水質(zhì)穩(wěn)定良好［31］。鄭育毅等人［32］的研究表明，采用聯(lián)合工藝處理淀粉制糖廢水時(shí)可使出水水質(zhì)達(dá)到GB/8978－1996的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)比單純的活性污泥或生物膜工藝啟動(dòng)要快、運(yùn)行也更穩(wěn)定，且基本不會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹等問(wèn)題。

4）好氧工藝存在的問(wèn)題。好氧處理技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)，如降解工藝的投資較低，操作條件簡(jiǎn)單，所以是有機(jī)污染廢水處理的首選，但是對(duì)于像制糖廢水這樣的含高濃度有機(jī)物的情況，好氧處理仍然存在著許多原理和工藝上的限制條件，因而在實(shí)際應(yīng)用上不如厭氧處理普遍，如運(yùn)行期間的污泥系統(tǒng)的規(guī)劃與治理，如何較好地防治污泥的膨脹等都成為學(xué)者的熱門研究問(wèn)題［33］。

制糖廢水處理工藝總結(jié)

(1)厭氧處理法中應(yīng)用較多的是UASB工藝，但該工藝存在不足，如顆粒污泥的培養(yǎng)困難等。針對(duì)該工藝的缺陷可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，如在系統(tǒng)中加入顆?；钚蕴?，加速顆?；男纬?。(2)厭氧處理法中較為先進(jìn)的工藝是ABR工藝，該工藝不僅綜合了UASB的優(yōu)點(diǎn)，而且在一定程度上彌補(bǔ)了UASB的缺陷，但ABR反應(yīng)器尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，需要尋求合適的設(shè)計(jì)參數(shù)以在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣。(3)活性污泥處理法中用于制糖廢水處理的方法主要有連續(xù)式流活性污泥法和SBR法，但這兩種工藝仍存在弊端。針對(duì)這些弊端，CASS工藝的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在工藝運(yùn)行管理過(guò)程中，要對(duì)運(yùn)行的參數(shù)(如曝氣量、排水比、沉淀時(shí)間等)進(jìn)行合理地控制，同時(shí)要提高自動(dòng)控制裝置的可靠性及運(yùn)行和操作管理人員的素質(zhì)。(4)生物膜法中用于制糖廢水處理的工藝主要是生物流化床工藝，對(duì)該工藝進(jìn)行合理的改進(jìn)，如將其與膜分離單元有機(jī)結(jié)合，可以彌補(bǔ)該工藝在實(shí)際運(yùn)行中的部分缺陷。(5)各處理工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用將多種工藝相結(jié)合的組合工藝，充分利用每種工藝的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)調(diào)控制工藝條件，以到達(dá)較經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的處理效果。孟慶輝等［36］的研究表明，對(duì)甜菜制糖廢水采用水解—好氧—化學(xué)氧化—混凝沉淀的處理工藝，突出了兩類生化處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，工程運(yùn)行費(fèi)用低，操作方便，且出水水質(zhì)優(yōu)于一般單純生物法。

制糖廢水處理發(fā)展方向建議

隨著糖類產(chǎn)品需求量的急劇增加，制糖產(chǎn)生的廢水也在逐年增加，傳統(tǒng)處理工藝已經(jīng)不能滿足當(dāng)今變化發(fā)展中的制糖工業(yè)產(chǎn)生的廢水處理要求。因此，尋求高效節(jié)能的處理工藝是制糖廢水處理的發(fā)展趨勢(shì)，為此，提出以下新的思路:(1)首先在源頭上實(shí)現(xiàn)減排，即改進(jìn)制糖工藝。由于傳統(tǒng)制糖工藝落后，污染物產(chǎn)量和排放量大，要對(duì)制糖廢水污染進(jìn)行控制，首先必須實(shí)施清潔生產(chǎn)，比如采用真空無(wú)濾布吸濾機(jī)，杜絕洗濾布廢水產(chǎn)生排放而帶來(lái)的水污染。真空無(wú)濾布吸濾機(jī)主要用于糖業(yè)蔗汁的過(guò)濾，它具有過(guò)濾效率高，無(wú)污水排放，節(jié)約水資源，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。(2)提高廢水循環(huán)利用率，以緩解水資源的消耗。如煮糖、蒸發(fā)設(shè)備的冷凝水和冷卻水，壓榨動(dòng)力汽輪機(jī)、真空吸濾機(jī)水噴泵和動(dòng)力車間發(fā)電設(shè)備排出的冷卻水等低濃度廢水，可以循環(huán)使用，提高水的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。(3)利用廢水中的有效資源進(jìn)行變廢為寶處理，使其利益最大化。陳紅等［37］的研究表明，在污泥接種量為17.74g/L，溫度為34～36℃，水力停留時(shí)間為6h，通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)負(fù)荷，在12d左右就可以快速實(shí)現(xiàn)生物制氫。同時(shí)，氫氣是熱值很高的清潔能源，此技術(shù)又能在一定程度上緩解能源短缺的局勢(shì)。因此，利用制糖廢水制氫，不僅凈化了廢水，而且變廢為寶，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益。(4)制糖廢水作為一種肥料在農(nóng)業(yè)灌溉上具有廣闊的前景，土地灌溉技術(shù)可以節(jié)省大量的工程操作及運(yùn)行成本，而且簡(jiǎn)單易實(shí)施，但前提是要明確了解制糖廢水中的水質(zhì)情況，嚴(yán)格控制流入土地的水量，結(jié)合作物需求采用合理科學(xué)的灌溉制度及技術(shù)，做好相關(guān)措施，科學(xué)合理操作，減少對(duì)環(huán)境的污染。(5)加強(qiáng)制糖生產(chǎn)過(guò)程的管理至關(guān)重要。要杜絕跑、冒、滴、漏等浪費(fèi)的現(xiàn)象，同時(shí)改進(jìn)相關(guān)的政策來(lái)鼓勵(lì)員工節(jié)水等。