《武汉工程大学学报》  2008年03期 65-68   出版日期：2008-03-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
黄姜皂素废水处理工程实践及分析



黄姜是一种生产甾体激素类药物的基础植物原料，我国的鄂西北、陕南、豫西南地区的地理和气候条件很适合人工种植黄姜，而黄姜加工业是在该地区黄姜大面积种植的基础上发展起来的一个重要医药化工行业.然而该地区地处南水北调的中线水源区，其黄姜的加工生产皂素的过程中所产生大量高浓度有机废水（简称黄姜皂素废水）直接对南水北调的中线水源区的水质安全构成威胁，黄姜皂素废水的治理越来越受到人们的重视.1黄姜皂素废水特性及其处理工艺黄姜皂素废水是一种强酸性、高盐分(硫酸盐)、高浓度的有机废水，可生化性差，国内学者对其处理工艺作过一些研究\[1\]，但均未取得成功的工程应用.1.1废水特性黄姜皂素废水主要来源于泡料、发酵、过滤和洗酸4个生产环节.其中主要污染物是还原性糖、可溶性淀粉、蛋白质和少量的水溶性皂甙、单宁、糠醛类物质等.废水进水水质见表1：表1皂素综合废水水质
Table 1Chemical characteristics of sapogenin wastewater
项目浓度CODcr/mg·L-130 000～40 000SS/mg·L-1300～450SO2-4/mg·L-1约9 300pH0.4～1.5色度/倍约3 5001.2处理工艺流程武汉工程大学经过数年的研究和探索，开发出三阶段两相厌氧+好氧组合工艺处理黄姜皂素废水\[2\]，并在湖北十堰纯阳生化有限公司建立了湖北省黄姜皂素废水处理示范工程，经过三个多月的调试运行后通过了竣工验收.该工程设计日处理皂素废水250 m3，其处理工艺流程如图1所示.图1工艺流程图
Fig.1Scheme of the treatment process黄姜皂素废水酸度大，pH值在1.0左右，同时含有过量的硫酸根离子，进行生化处理前必须进行预处理.在中和反应池中，废水在搅拌的状态下投加石灰乳直至中性，然后沉淀去除硫酸钙.中和后的废水从中和反应池经提升泵抽送至ARR酸化池，在酸化池中厌氧预酸化.预酸化出水流经内电解池.自内电解出水溢流至配水井，再经提升泵抽送至IC反应器底部，在IC反应器内进行三阶段两相厌氧的末端代谢——产甲烷代谢.IC出水经好氧池、混凝脱色池处理后达标排放.黄姜皂素废水处理工艺的关键技术为厌氧消化工艺.毕亚凡\[1，2\]等人通过平行试验表明三阶段两相厌氧工艺明显优于单相厌氧和两相厌氧工艺.三阶段两相厌氧工艺就是在两相厌氧消化的基础上加入一个内电解阶段，即形成酸化+内电解+产甲烷厌氧处理工艺.2废水处理工程主要构筑物及设备2.1ABR酸化池酸化反应池被垂直的导流板分隔成4个串联的反应室，形成厌氧折流板反应池（ABR），其总容积为90 m3.废水在反应室内沿导流板作上下折流流动，逐个通过各个反应室推流前进，在水流方向上形成彼此串联的隔室.使其具有良好的微生物功能分区,同时整体的推流确保一定的底物浓度梯度，这就使得不同类型的厌氧发酵茵及其他厌氧微生物能够在沿着各个隔室中顺次实现分离\[3\]，并在各自最优条件下发挥功能、稳定运行.ABR反应器的基本构造如图2所示.图2ABR反应器结构示意图
Fig.2Structure illustration of ABR reactor2.2内电解池内电解池以铸铁屑为填料，利用反应器内形成的无数原电池，发生氧化还原反应.内电解池内发生氧化还原反应可进一步提高废水厌氧可生化性，降低氧化还原电位（ORP）、补充微量元素和提高pH，有利于后续产甲烷相的稳定运行\[4，5\].2.3IC反应器工程设置有两个IC反应器，单个直径5 m，高11 m，总容积430 m3，有效容积392 m3.水力停留时间为38 h，容积负荷17.4 kg(COD)/m3·d.厌氧污泥是接种山东一家造纸废水处理厂颗粒化污泥.IC反应器的基本构造如图3所示.
图3IC反应器结构示意图
Fig.3Structure illustration of IC reactor第3期张寿斗，等:黄姜皂素废水处理工程实践及分析
武汉工程大学学报第30卷
2.4好氧池好氧池为生物接触氧化池，有效容积160 m3，水力停留时间为15.3 h.池内采用鼓风微孔曝气充氧.好氧污泥是接种十堰市城市污水处理厂剩余污泥，经驯化、挂膜后运行.3运行结果及分析3.1IC厌氧反应器启动IC厌氧反应器是整个处理工艺的核心，其启动调试是整个系统正常运行的关键.为缩短反应器启动时间，接种污泥取自正常运行IC反应器内剩余厌氧污泥，单塔接种量为60 m3.污泥的TSS为90 g/L、VSS为60 g/L，颗粒污泥呈灰色球形，粒径大多为0.5～3.0 mm.IC的启动时间近一个月，启动阶段IC厌氧反应器的容积负荷和COD去除率的变化情况见图4.图4IC厌氧反应器容积负荷和COD
去除率的变化情况
Fig.4The load rate and COD removal rate
of the IC reactor3.2IC厌氧反应器启动过程中运行参数的控制a. 温度.厌氧消化过程对温度变化非常敏感，在大多数反应器中,都基本符合温度每增加10℃反应速率增加1倍的规律\[6\]；中温甲烷菌种类多、易于培养驯化、活性高、适应温度区为30～37℃，因此IC反应器采用中温消化；内电解出水由蒸汽加热，通过温控电磁阀控制废水温度，温度严格控制在36~40℃范围.b. pH.pH值的变化直接影响产甲烷菌的生存与活性.产甲烷菌的最适pH值随甲烷菌种类的不同略有差异，适宜范围大致是6.6~7.5，一般来说，反应器的pH值应维持在6.5~7.8范围，最佳范围在pH值6.8~7.2左右.由于启动期IC反应器内尚未形成良好的碱度缓冲系统，如果内电解出水直接进入IC反应器，可能会造成厌氧泥的酸败.因此在启动初期，废水进入IC之前，仍需投加石灰乳来控制进水的pH值在6.5～7.0范围.当IC正常运行后，厌氧反应器内碱度增加，具有一定的pH缓冲能力，此时进反应器的废水pH控制在5.5以上即可维持IC反应器的稳定运行.c. COD/SO2-4.由于黄姜皂素废水中仍存有硫酸根时，硫酸盐还原菌将与产甲烷菌相互竞争、相互影响.硫酸盐还原菌的代谢产物硫化物对产甲烷菌有抑制和毒害作用，运行过程中必须严格控制COD/SO2-4以保证厌氧处理的稳定运行\[7\].黄姜皂素废水经中和、预酸化及内电解阶段，废水中的COD/SO2-4的比例在7～10之间，其厌氧产甲烷过程中的硫酸盐还原菌对产甲烷菌的抑制不明显.d. IC厌氧反应器容积负荷.IC厌氧反应器的容积负荷直接反映了基质与微生物之间的平衡关系.反应器启动初期，容积负荷控制在6.8 kg COD·m-3·d-1左右，过高可能造成挥发酸的累积而导致厌氧泥的酸化，过低则微生物得不到足够的养料进行新陈代谢；逐渐提高反应器的容积负荷，当容积负荷增加至18 kg COD·m-3·d-1时，系统仍保持稳定运行；然而当反应器容积负荷超过20 kgCOD·m-3·d-1，反应器的处理效果难以稳定，因反应器产气过猛而导致出水带泥严重的现象.3.3处理系统各工序运行效果及分析正常运行条件下，废水处理系统各工序进出水水质如表2所示.表2各工序进出水水质
Table 2Characteristics of wastewater in and out
at each stagemg/L
项目平均CODcr平均色度pH预中和进水35 6003 5000.86出水34 0003 8007.1水解酸化进水34 0003 8007.1出水23 4503 2004.8内电解进水26 4503 2004.8出水22 7403 0005.5IC反应器进水22 7403 0005.5出水2 0168506.9生物接触
氧化进水2 0168506.9出水4427007.8混凝、脱色进水4427007.8出水298607.9正常运行条件下，废水处理系统的各项指标均达到了预期效果，该处理工艺系统COD去除效率达99 %.出水水质各项指标均达到国家行业排放标准\[8\].4结语a.三阶段两相厌氧+好氧+混凝沉淀组合工艺处理处理黄姜皂素废水处理效果显著，该工艺切实可行.b.在IC厌氧反应器启动过程中，控制进水温度在36~40℃范围，pH值6.0~7.0，COD/SO2-4比例7~10，进水的有机负荷控制甚为重要，系统稳定运行时有机负荷保持在18 kg COD·m－3·d-1以下.c.皂素废水可生化性差，是一种强酸性、高盐分、高浓度的有机废水，进水平均COD达35 600 mg/L，经处理后出水平均COD为298 mg/L，出水水质指标均达到国家行业排放标准.