气浮-改良活性污泥法处理豆制品加工生产废水

Posted 2023-01-13 活性污泥法

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1 工程概况

我国是豆制品的消费大国，每年用于豆制品生产的大豆就需600万t左右。豆制品生产过程排放大量的废水，按原料计算排污系数约为20m3废水/t大豆，每年废水排放量达1．2亿m3。豆制品废水是一类典型的易生物降解的高浓度有机废水，主要来源包括：浸泡大豆的废水（泡豆水）、压榨豆腐产生的黄浆水以及生产车间的设备和地面冲洗废水等。泡豆水和黄浆水浓度较高，COD可高达15 000～25 000mg/L，水量占总废水量的25％～35％；清洗水和其他废水浓度低，COD约为400mg/L。豆制品废水中主要含有大分子蛋白、小分子寡糖、有机酸、色素类物质和盐类等污染物，BOD5/COD一般为0．6～0．7，极易生物降解。

豆制品废水的处理方法可以分为两类。一类是厌氧—好氧联合处理工艺，包括UASB－SBR、UASB－A/O、UASB－MBR、UASB－接触氧化、MIC－A2/O等形式，这类工艺处理效果较好、应用范围广且可以回收沼气。但厌氧处理水力停留时间长、基建投资高、对运行管理要求高、启动及驯化时间长；高浓度悬浮物进入厌氧系统易产生浮渣层，降低设施容积利用率；废水易酸化，且水质水量波动性大，使厌氧系统需要投加大量的碱来保证适合的反应条件，同时厌氧单元运行的可靠性和稳定性也受到限制。另一类是多级好氧处理工艺，包括多级接触氧化法、两级SBR工艺、AB法等，这类工艺运行管理简便、处理效果能得到保证，在中小型豆制品厂有应用；但多级系统的实施中也增加了基建费用、污泥产量有所增加、能耗略高。

北京市某豆制品公司以生产豆腐、豆浆为主，日排放废水量为1 000～2 400m3，主要污染物浓度和设计进水水质指标及排放标准见表1，出水要求达到北京市《水污染物排放标准》（DB11/307—2005）中的二级标准。根据水质特点以及简化运行管理的要求，本项目采用带生物选择器的改良活性污泥法为主体处理工艺，同时通过水力筛联合气浮的强化预处理手段保证工艺运行的稳定性。

2 工艺流程及主要设计参数

豆制品生产废水排放不均匀，水质水量波动性很大；废水所含悬浮物、细颗粒物浓度高，易酸败变臭，pH 较低，对预处理单元、管道设备易产生不利影响。为此本工程采用以下措施来强化预处理：粗格栅和水力筛对废水中较大的固形物以及豆渣等颗粒物有效去除；调节池预曝气防止废水过度酸化和沉渣上浮；混凝气浮去除大部分的悬浮物和细颗粒物。针对混合废水平均COD 不高（2 000～3 000mg/L），大部分污染物可通过强化预处理去除的特点，本工程采用改良的活性污泥法作为主体工艺，通过生物选择器的设置以及营养盐的合理调配，实现废水连续稳定达标处理，既避免了厌氧处理较复杂的运行管理要求、启动驯化时间长、较大的碱消耗量以及运行不稳定易受冲击等问题，又克服了豆制品废水好氧处理过程易产生的丝状菌污泥膨胀的缺点。本工程在生化处理系统后还设置了后气浮单元作为备用设施，在预处理或生化系统运行不正常时开启，保证最终出水达标排放。工艺流程见图1。

（1）絮凝反应池。钢混结构，1座，有效容积33m3，HRT＝20min。采用聚氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺混凝剂，在调节池提升泵出水管中投加并在折流式配水槽中均匀混合。反应池搅拌机变频控制。聚氯化铝（PAC）加药量为150mg/L；阴离子聚丙烯酰胺（PAM）按悬浮物量的0．2％投加。

（2）气浮池1。钢混结构，2座，采用部分出水回流的溶气气浮方式，接触室上升流速为9mm/s，分离室表面水力负荷为2m3/（m2·h），总处理能力为120m3/h。

（3）曝气池。2组，4廊道，钢混结构，总有效容积2 160m3。曝气池前设置生物选择池1座，有效容积43m3。混合液浓度MLSS＝4g/L，污泥负荷为0．21kgBOD5/（kgMLSS·d）。

（4）二沉池。钢混结构的辐流式沉淀池2座，中心进水周边出水方式运行，尺寸为11 m×H 4m，单池有效容积400m3，总有效容积800m3，表面负荷为0．5m3/（m2·h）。

（5）气浮池2。采用组合式气浮机2台，碳钢防腐，单台处理能力为50m3/h。投加聚氯化铝和阴离子聚丙烯酰胺两种混凝剂。后气浮单元作为整个废水处理工艺最终的保障单元，在预处理混凝气浮单元或生化系统运行不正常时，适时开启，保证出水达标排放。

3 调试及运行

3．1 气浮系统的调试运行

废水在厂内管道和集水井中已经产生了明显的酸败发臭现象，为满足混凝反应的需要，在调节池中投加适量的片碱，提高废水pH 到6．5～7．5。同时通过调节池中空气搅拌进行预曝气，防止废水的进一步酸化，减少碱的投加量。实际运行中碱的投加量为30～35mg/L。混凝反应池中投加PAC 150～250mg/L和PAM 5～8mg/L，变频控制絮凝搅拌机转速为20～30r/min。气浮系统进出水COD变化见图2。调试期间进水COD平均为3 444mg/L，气浮出水COD 平均为1 562mg/L，COD 去除率为50．03％。调试初期由于生产车间升级改造，造成废水水质波动很大，气浮系统出水水质亦随之波动。为此，根据气浮池出水的混浊程度和颜色以及进水COD适当调整混凝反应药剂投加量，使气浮出水水质较为稳定，调试后期气浮出水COD 基本维持在1 200mg/L左右，也表明此部分COD主要为溶解态的有机物，难以被气浮系统去除。

3．2 改良活性污泥系统的调试运行

曝气池中接种北京高碑店污水处理厂机械脱水后的泥饼（含水率80％）约30t，使曝气池中的污泥浓度达到2～3g/L。将气浮出水加满曝气池，首先采用闷曝的方式恢复污泥的活性。2d后，按设计水量的1/4连续进水，即600m3/d，二沉池的污泥回流比为100％。活性污泥的颜色逐渐由灰褐色变为浅棕色，镜检可见少量楯纤虫和钟虫，污泥活性逐渐恢复，出水COD在100～150mg/L。随后每隔8d提高一次进水量，每次提高设计进水量的1/4。第21d，曝气池达到设计进水负荷，此后逐渐降低污泥回流比，增加剩余污泥的定时排放。同时启用生物选择器，将二沉池回流污泥与曝气池进水均引入生物选择器，采用穿孔管布水器进行水下混合，生物选择器采用缺氧方式运行，缺氧条件下活性污泥中的丝状菌活性得到抑制。由于本项目废水中磷的含量不高，同时由于气浮单元投加聚氯化铝等混凝剂对废水中的磷有一定的去除作用，使得曝气池中的碳磷比不足以满足微生物生长需要，调试期间向曝气池中投加适量的磷酸盐，运行一段时间后发现活性污泥的絮凝性仍不理想，二池沉出水中针状悬浮污泥较多，曝气池混合液的污泥指数在150左右，经过分析发现，废水中的氮元素含量较低，曝气池进水的碳氮比约为25∶1，究其原因是生产车间加强了对大豆蛋白的回收，使废水中的总氮浓度下降所致。为保证活性污泥系统运行正常，将投加的磷酸盐改为磷酸氢二铵，向废水中补充氮磷元素。正常运行后，活性污泥的沉降性能明显改善，从未出现丝状菌污泥膨胀现象，出水COD 平均为53．9mg/L（见图3）。

本工程实际运行中设置了在线监测系统，对进出水水量水质进行实际监测，部分运行数据见图4。最终出水水质可达到北京市《水污染物排放标准》（DB11/307—2005）中的二级标准。

4 技术经济分析

本项目占地面积4 950m2，长110m，宽45m。

工程总投资为400万元，劳动定员8人，装机容量160kW，运行日均耗电3 126kW·h。单位水量处理费用为1．8元/m3，其中电耗成本1．06元/m3，药剂成本0．38元/m3，人工成本0．36元/m3。

5 工程运行经验

（1）调节池宜采用空气搅拌预曝气。豆制品废水极易酸化，在管道、储水池等处易产生沉降后的污泥成块上浮，同时增加后续处理单元调节pH 的碱消耗量。因此在调节池中宜采用空气搅拌的方式，对废水进行预曝气，可采用的搅拌形式包括穿孔管搅拌、散流式曝气系统搅拌以及水下搅拌机。预曝气后的废水在混凝气浮单元的去除效果良好，气浮出水的稳定性提高。

（2）强化气浮预处理单元的处理效果。豆制品废水预处理的常见工艺有隔油沉淀、混凝沉淀、混凝气浮等。沉淀单元的水力停留时间一般为1～2h，但沉降的污泥在沉淀池内的停留时间较长，特别是在排泥频率低的情况很容易产生酸化上浮现象，降低了沉淀过程的有效性。因此豆制品废水这类易生物降解、悬浮物浓度很高的废水宜采用混凝气浮工艺进行预处理。废水在气浮池内停留时间短，溶气释放过程有一定的充氧效果，有利于后续生化处理。在工艺运行中，有必要根据气浮出水的混浊度和颜色等表观特征，结合进水浓度进行混凝剂投加量的适当调节，可保证废水中大部分的悬浮物、胶体物在气浮单元中去除，降低进入生化系统的有机负荷。

（3）对传统活性污泥法进行改良，采用生物选择器来抑制丝状菌污泥膨胀。豆制品废水进行好氧处理，易产生污泥膨胀问题，主要原因有两方面：一是生产废水水质波动性大，水量不均衡，容易使进入曝气池中的有机负荷过高，局部产生缺氧，使易于获得溶解氧的丝状菌增殖；二是曝气池进水中氮磷营养元素不平衡，使活性污泥微生物生长受限，而比表面积大的丝状菌更易获得营养增殖迅速。一般认为豆制品废水中总氮浓度较高，总磷并不缺乏，但本项目由于生产强化了蛋白回收使进水氮磷浓度不高，而且在混凝反应中聚氯化铝有一定的除磷作用，使得进入曝气池中废水的BOD5∶N∶P＝100∶4．5∶0．6。因此解决活性污泥膨胀的问题首先需要从进水水质方面进行，在提高预处理去除效果的同时，在曝气池中投加磷酸氢二铵，补充微生物生长所需的营养元素。另外在工艺设计运行方面，通过好氧池前设置生物选择器，使回流污泥在缺氧好氧交替的状态下运行，有助于抑制丝状菌的生长。

（4）污泥处理系统需要合理设计、可靠运行。气浮浮渣中含很多小气泡，不易沉降，降低了重力污泥浓缩池的效果，适宜采用机械浓缩的方式。与剩余污泥混合后进行长时间重力浓缩，很容易产生沉降后的污泥产气上浮。因此本工程中将原设计的污泥浓缩池改为储泥池，缩短污泥停留时间至2～4h，利用带式浓缩脱水机完成浓缩脱水的过程。工艺运行中取得了较好的效果。另外由于污泥中含有大量的气浮浮渣，污泥比阻较大，脱水性能较差，因此需要选择聚合度较高的阳离子聚丙烯酰胺作为脱水絮凝剂；脱水机上下滤带的张力应选用较低数值，防止产生严重跑泥现象；脱水机的滤带清洗要彻底，应保证冲洗水压在0．6MPa左右。脱水后的污泥含水率略高（80％～85％），有机物含量高，需要有妥善的处置方式，可考虑用做农肥或土壤改良剂。

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6 结论

（1）采用气浮—改良活性污泥工艺处理豆制品废水，效果稳定，维护管理较为简便，运行的安全性提高，生化出水COD平均为53．9mg/L，各项指标可以达到设计要求。

（2）预处理单元的选择及运行效果对于豆制品废水的达标处理有非常重要的作用，正常运行时气浮系统的COD去除率在50％以上，有助于降低生化处理系统的负荷。调节池采用空气搅拌进行预曝气，可以降低中和所需碱量，提高气浮处理效果。

（3）生物选择器的设置，使回流污泥在缺氧、好氧条件下交替，可有效抑制丝状菌的生长。工艺运行中应保证生化系统进水营养元素的合理调配，适时的补充氮磷元素，促进菌胶团微生物生长，是解决污泥膨胀问题的关键之一。