水解酸化—SBR_工艺处理果汁废水

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1、SBR 工艺处理果汁废水1.1 果汁废水概述 1.1.1 果汁产业现状 浓缩果汁是将成熟的水果经过拣选、清洗、破碎、压榨、浓缩而成的原料性产品，是果汁类饮料的基础配料。近年来, 随着人们健康意识的增强, 世界饮料市场中碳酸饮料的增长开始减缓, 在欧美一些国家, 碳酸饮料由于其过高的含糖量, 已被界定为不适合青少年和肥胖人群消费的饮料。果汁类饮料由于其具有天然、健康的特性,正逐步受到人们的青睐，饮料市场己经开始出现果汁饮料、碳酸饮料和矿泉水三分天下的局面，国际上对高附加值、营养的浓缩果汁的需求正呈逐步上升趋势1。1.1.2果汁废水的污染问题 浓缩果汁生产企业在为我国国民经济做出巨大贡献的同时，也

2、带来了严重环境污染问题，特别是废水污染问题尤为突出，浓缩果汁生产工艺主要包括：水果清洗、榨汁、灭菌、脱胶、超滤、浓缩、灭菌、无菌罐装等。工艺流程如图 1-1：果汁废水主要来自冲洗水果、超滤和冲洗设备等工序，果汁加工企业每加工 1 吨原材料，就产生 3.810.5m3 废水。果汁生产企业大多靠近原料产地而建，果汁废水的排放和对周边环境的污染己成为突出问题，引起了各有关部门的重视，由于果汁生产废水的高有机负荷及酸碱浓度变化使水体内生态系统结构受损，使鱼虾的摄食、生长受到严重影响，甚至使鱼虾中毒、发生疾病或死亡的事件频频发生，对周边的作物产量和品质都造成严重的影响2。1.1.3 果汁废水水质水量特点

3、 果汁废水中含有较高浓度的糖类、果胶、果渣及水溶物和纤维素、果酸、单宁、矿物盐等。不同的生产工艺阶段，所产生的废水具有不同的特点，即使在同一阶段，废水水质也因产品不同而差异较大，总体上说，果汁废水的特点如下2： (1)有机物浓度高，综合果汁废水 COD 值一般在 4000mg/L 左右；SS 值在 1000mg/L 左右，BOD5 在 2000mg/L 左右。 (2)水质水量情况波动大，由于加工产品和产量经常变化，水质水量变化大，主要表现为排放废水的浓度变化大，p H 值变化大。 (3)可生化性高，可生化率 BOD5/COD 在 0.40.55 之间，但营养成分单一，C/N 较高，缺少氮、磷等

4、元素。 (4)实际生产中，果汁废水排放受季节性影响比较大，受水果收购季节的影响，果汁加工企业生产旺季一般在每年的 712 月份，其他时间处于停产或深加工状态，这段时间果汁废水量很小，几乎不排放废水。 (5)水温，由于生产工艺的原因，排出果汁废水的温度一般在 2030左右，受季节影响不大。2.SBR 工艺试验研究4.1 好氧活性污泥的培养与驯化 污泥培养采用同步法，即培养驯化同时进行68。将取自杨凌污水厂生物接触氧化池内的絮状活性污泥作为接种污泥，接种量占 SBR 池有效容积的 25，采用生活污水与果汁废水混合液进行驯化，接种后持续曝气 3 天，之后每天进水一次，曝气 10h 后沉淀，取上清夜测

5、定 COD 值，逐渐增加驯化混合液中果汁废水的比例，以不同浓度的进水负荷对污泥进行培养驯化，在培养驯化期间，SBR 反应器内溶解氧充足，水温始终维持在 1724，调节混合液 p H 值保持在 6.58.0 之间。经多 20 多天的培养驯化，污泥生长情况良好，沉降性能稳定，SV30 在 2035之间，SVI 在 70100 之间，出水COD 小于 150mg/L，通过镜检发现污泥成分以菌胶团占优势，并且出现小口钟虫、轮虫、枝虫等，认为此时污泥驯化成功。活性污泥驯化期间的结果如图 4-1 所示：由图 4-1 可以看出：活性污泥驯化期间，进水 COD 浓度随驯化时间不断增加，反应器 COD 去除率呈

6、上升趋势，出水 COD 浓度逐渐减小,在第 12 天以后，COD 去除率稳定在 95左右，由于试验采用了原本活性就比较好的絮状活性污泥进行驯化，使得驯化初期系统 COD 去除率就在 50以上，这是污泥培养驯化过程能够顺利完成，并且最终能够承受较高负荷的重要原因。污泥驯化成功后，接种 SBR 反应器，进入正常运行阶段后，反应器的运行状态可根据以下情况判断69： （1）颜色：运行情况良好时，混合液呈棕褐色，且色泽鲜明，曝气量过小（即 DO 浓度过低）或运行恶化时，混合液呈深褐色，甚至黑色；曝气量过大(即 DO 浓度过高)时，混合液呈浅土黄色或浅灰色。 （2）气味：反应器运行良好时，因所加废水中含毗

7、健，距反应器约 0.5m 左右时，混合液略有刺鼻气味，运行恶化时，混合液有恶臭气味。 （3）SV30：运行情况良好时，混合液 SV30 一般为 2540，且上清液清澈；运行恶化时，若发生污泥膨胀，则混合液 SV30 大于 70，且上清液混浊；若污泥老化或微生物存活量小时，虽上清液清澈，但混合液 SV30 低于 15。3.SBR 反应器运行试验在上述试验的基础上，确定 SBR 反应器作为果汁废水后处理工艺的外部控制条件：MLSS 浓度 35004000mg/L，曝气量 0.1m3/h；周期控制参数为：进水 15min，曝气 7h，沉淀 1h，出水 15min。在该操作条件下将 SBR 反应器连续

8、运行 12 个周期，以考察其运行特性。3.1 SBR 反应器稳定运行期间的污染物去除效果 SBR 反应器连续运行期间的污染物去除效果如图 4-6 所示：在 SBR 反应器 12 个周期的连续运行过程中，对进水 COD、BOD5 和 SS 的去除率分别稳定在 94.397.1，96.498.1和 67.173.2之间，说明 SBR 工艺作为果汁废水后处理工艺具有较高的处理效率。3.2 SBR 反应器运行的稳定性 为了检验 SBR 反应器运行的稳定性，连续运行期间，改变进水 COD 浓度，进行抗负荷冲击试验。试验结果如图 4-7 所示：4. SBR 反应器的动力学模型1 SBR 反应器数学模型的分

9、析 活性污泥降解有机底物，是一种以生物酶为催化剂，在反应器（曝气池）内进行的生物化学反应。活性污泥反应动力学的研究是一项非常复杂的工作，尤其是对反应机理的探讨，还尚处于起步阶段，有待深入。对于 SBR 反应器的动力学模式，目前国内尚处于研究和探索阶段, 没有统一的公式、公认的模型。但可认为某些学者采用的 Monod 方程式来反映 SBR 法中有机物降解规律是比较合理的7983。 SBR 反应器是一个封闭系统, 在废水和生物污泥接触混合及反应进程中, 废水中基质的去除主要由反应时间来决定。因此 SBR 反应动力学的特点类似于理想推流式反应器, 而在反应过程中的任一时刻, 其基质浓度均匀,处于完全

10、混合状态, 因此也兼有完全混合的特点84。SBR 工艺的动力学模式根据 Monod 方程式, 用反应器内底物平关系式表示为：式中：V反应器中混合液体积（L）S反应器中以 COD 计算的基质浓度（mg/L） ； K反应速率常数； X反应器中的污泥质量浓度（mg/L） ； t反应时间（h） ； Q进水流量（m3/h） ； Ks半速率常数，其值等于反应速度 V=1/2Vmax 时的底物质量浓度（mg/L）在充水阶段，由于时间较短，SBR 池内污泥增长可以忽略不及，生物总量为定值 XV=X0V0，另外设进水开始时，反应器底物质量浓度与进水中底物质量浓度相比可忽略不计。又因为 SBR 法进水时采用限制曝

11、气，基质质量浓度 S 远大于 KS，则（4-1）式可转化为：式中：X0混合液最大体积时污泥质量浓度（mg/L） ； V0混合液最大体积（L） ；当 t=0 时，VS=0；进水期结束时，t=tf VS =V0S 0式中：tf充水时间（h） ； S0进水末期底物质量浓度（mg/L） ； 从 t=0 到 t=tf 对（4-2）积分可得：式中：充水比 （4-5）式表明设计的充水体积比越大, 污染物最终积累质量浓度越大；对一定的充水比和一定浓度的水质, 混合液污泥质量浓度越大, 充水期时间越长, 则底物质量浓度越小。 在 SBR 反应器曝气阶段，有机物处理比较完全时，基质质量浓度较低而污泥质量浓度较高，

12、由于 S 较小，可以认为 KS 远大于 S，另外反应器 Q=0， （4-1）式可化为：用反应期出水底物质量浓度表示时：在完全混合曝气池内混合液是均匀的，因而有机物在曝气池内的代谢速率是均匀的，则：式中：S0进水末期底物质量浓度（mg/L） ； Se出水底物质量浓度（mg/L） ； KmK/Ks 为减速增殖速度常数； t反应时间（h） 。 当考虑污水中存在生物不可降解有机物时， （4-9）应改为：由（4-1）式可知：只要求得动力学参数 Km，知道进水末期、出水底物质量浓度和水中不可生物降解有机物质量浓度, 就可以推算反应时间, 从而对指导实际生产中运行时间有一定参考价值。4.5.2 SBR 反应

13、器动力学参数的确定 考察 SBR 反应器的动力学参数Km 值，对于考察反应器的运行特性和指导生产实践具有一定的意义。不同的废水其反应期内动力学参数值不一样, 另外同一废水在不同控制条件下的参数值也不相同, 必须通过试验求得85，为此，采用本章 4.3.2 中污泥负荷对 SBR 稳定性影响的数据（下表 4-1）进行分析。根据试验结果、动力学方程及数理统计的知识结合方程（4-10）, 在知道 S0、Se、XV、t 的情况下就可以求出 SBR 进水的减速增值速度常数 Km 值，及生物不可降解有机物浓度 Sn 的值。将表 4-1 中的数据进行计算，结果如表 4-2：此方程为一直线方程，其直线斜率为 K

14、m，Y 轴上的截距绝对值为 KmSn，利用最小二乘法根据表 4-2 中的计算数据作一元线性回归分析，如图 4-7：如图 4-10 所示：求得线性回归方程为：y =0.0007x +0.0116 ，其中 R2值为 0.9786，表 明 试 验 数 据 线 性 拟 合 请 况 良 好 。 由 线性回归方程可知:Km 0.0007 ,Sn=0.01116/0.0007=15.94，表明 SBR 进水可生化性较好。上述（4-15）式即为试验中 SBR 反应器处理经水解酸化后果汁废水的基质降解动力学方程。结论果汁废水是一种污染程度很高的有机废水，具高 COD、高 SS 的特点，如不处理就直接排放，极易对周边环境造成严重污染。试验得到 SBR 反应器的最佳控制条件为：MLSS 浓度 35004000mg/L，曝气量 0.1m3/h，曝气时间 7h，沉淀 1h。在该参数控制条件下，SBR 反应器对进水 COD、BOD5 及 SS 去除率分别达到 94.397.1、96.498.1和 67.173.2，在连续运行过程中，反应器内污泥生长情况良好，各项指标正常，说明了 SBR 反应器作为后处理工艺具有较高的处理效率和较好的运行稳定性。