趙丹¹，任南琪¹，董延茂²，馬放¹，王愛杰¹，陳漫漫¹

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；
2.蘇州城建環保學院環保系，江蘇蘇州215001)

　　摘　要：以高效產酸發酵反應器作為高濃度醫藥原料廢水的二段厭氧生物處理的產酸裝置，通過中試研究獲得了該反應器運行過程中的COD容積負荷、水力停留時間、進水COD濃度、攪拌速度等參數及與COD去除率的關系，為實際工程設計及運行提供了依據。
　　關鍵詞：醫藥原料廢水；高效產酸發酵反應器；兩段厭氧生物處理
　　中圖分類號：X787
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)11-0001-04

Pilot Study on the Treatment of Pharmaceutical Raw Materials Wastewater
by Using the Efficient Acidogenic Fermentation Reactor

ZHAO Dan1,REN Nan-qi1,DONG Yan-mao2,MA Fang1,WANG Ai-jie1,CHEN Man-man1

(1.School of Municipal & Environmental Engineering,　Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China; 2.Department of Environmental Pro　tection,Suzhou Urban Construction & Environmental Protection College,Suz　hou 215011,China)

　　Abstract：Pilot study was carried out on the use of efficient acidogenic fermentation reactor as the acidogenic stage of two-phase anaerobic biological treatment for high strength pharmaceutical raw materials wastewater.The analytical result was obt　ained about the effect of operational parameters,such as COD volume loading,HRT,influent COD concentration,and mixing speed on the removal of COD,　and thus providing a reliable basis for the practical engineering design and operation.
　　Keywords:pharmaceutical raw materials wastewater;efficient acidogenic fermentation reactor;two-phase anaerobic biological treatment

　　醫藥原料生產企業主要產品有黃體酮、氫化可的松、苯佐卡因、氰基乙酰胺、雄酮、己酸孕酮等十余種，其生產過程中排放的廢水種類多、成分復雜多變、濃度高且大多具有毒性，因而其處理難度較大。為此，確定了如圖1所示的處理工藝。
　　該工藝有別于傳統的厭氧—好氧處理工藝,主要體現在：①考慮到厭氧處理過程中起主要代謝作用的產酸菌和產甲烷菌具有相對不同的生物學特征［1］，因此分別構造了適合其生長的不同環境條件，并利用產酸菌生長快、對毒物敏感性差的特點將其作為厭氧過程的首段，以提高廢水的可生化性，進而保證產甲烷階段處理效果的穩定性。

　　②該工藝中高效產酸發酵反應器的主要作用是減少廢水的復雜成分及毒性對產甲烷菌的抑制作用，將結構復雜的大分子物質分解為可生化的小分子物質，提高生物處理的抗沖擊負荷能力及處理效果；交叉流好氧生物處理裝置則是利用其中特殊的具有空間交叉結構的填料來增加廢水與活性污泥之間的接觸面積，提高氧的利用率，以達到較高的對有機物的去除效率。
　　為了確保廢水處理工藝設計的科學性，處理設備投產后能穩定高效地運行，特對該廠廢水采用高效產酸發酵反應器進行了中試研究。

1　試驗裝置與方法

1.1　試驗裝置
　　中試采用鋼制高效產酸發酵反應器(有效容積為0.42 m3)，其工藝流程見圖2。

1.2　污泥的接種與培養
　　種泥取自附近污水處理廠的好氧回流活性污泥，接種量為反應器有效容積的50%，污泥濃度為10.8 g/L。在厭氧條件下，用該廠內貯水池中的廢水進行間歇培養，并加入廠區地下水調節其濃度，使進水負荷逐漸增加。
1.3　廢水水質
　　試驗用水取自該廠廢水排放貯池。為了保證微生物良好的營養配比，進水中加入少量N、P。
　　該廠進水量為600 m3/d，原水水質見表1。

表1　原水水質

項目 pH CODCr(mg/L) TP(mg/L) NH₄-N(mg/L) BOD₅(mg/L) SS(g/L) 數值范圍 4.7～8.3 1 052～6450 1.18～7.4 31.9～61.2 850～1550 0.7～0.9

2　高效產酸發酵反應器的效能

　　高效產酸發酵反應器是一種具有較高有機物轉化率和產酸率的新型厭氧反應器，在研制過程中考慮了以下幾個因素［2］：
　?、倏山档头磻鲀鹊孜餄舛?，從而提高反應器對目的產物的產率和選擇性；
　　②采用混合反應區與沉淀分離區合建的一體化結構，內設氣—液—固三相分離裝置；
　?、弁ㄟ^攪拌器攪拌，使反應區內混合液處于紊流狀態，減小了絮凝體顆粒的界面層厚度及溫度梯度，提高了傳質速率；
　　④采用具有一定提升和混合能力的扇形渦輪攪拌器促使污泥回流，在反應區內壁設豎向擋板以避免由于攪拌造成的混合液旋流。
2.1COD容積負荷對處理效能的影響
　　由于為現場試驗，運行過程中的進水CODCr值變化較大，故負荷難以控制。COD容積負荷與COD去除率的關系見圖3。

　　從圖3中可以看出，產酸發酵反應器在整個運行過程中始終保持較為穩定的去除率(15%～30%)，在一定程度上受進水負荷的影響較小。當容積負荷為8～12 kgCOD/(m³·d)時，其去除效果最佳，平均可達20%，分析這種現象產生的原因有以下幾點：
　?、偻ㄟ^控制產酸發酵反應器的運行條件，使其中的產酸發酵細菌大量繁殖，成為優勢菌群。由于產酸發酵細菌的世代時間短，繁殖迅速，對環境條件變化的適應能力強，抗沖擊負荷能力高［3］，所以盡管COD負荷變化較大，反應器的整體處理效率仍然很高，由此也可以看出該系統的運行穩定性。
　　②二相厭氧生物處理的產酸相，主要作用是將復雜大分子有機物通過細菌胞外酶的水解作用轉變為簡單的溶解性小分子有機物，并進一步發酵產生有機酸、醇、H₂、CO₂等，其中只有H₂、CO₂是被去除的COD部分，其余大部分物質仍以有機物形式存在并參與COD的組成，所以產酸發酵反應器對COD的去除是有限的，但對系統處理效率的提高具有促進作用。首先，廢水中的有機物，如黃體酮、苯佐卡因、雄酮等復雜大分子有機物經水解后，苯環解體、雙鍵打開，其可生物降解性得到了提高；其次，產酸相為產甲烷菌提供了適合其生存的底物［4、5］(有關研究亦證實了這一點［6］)，同時產酸相還有效地去除了某些毒物和抑制物或通過改變其結構(如開環、斷鍵、脫基等)以減少對產甲烷菌的影響，增強了產甲烷菌的活性；最后，通過產酸相的作用，可以有效地控制厭氧反應器的“酸化”現象，減少污泥流失。
2.2　HRT對COD去除率的影響
　　HRT是微生物體與介質之間的傳質作用所體現的物質轉移過程中最基本的影響因素。HRT短，則物質轉化不夠充分，使微生物對介質中的有機物及其他物質的吸收、轉化和產物的釋放作用受到限制，由此降低了反應器的處理效率。反之，如果停留時間過長，又會造成處理工藝效率低下，基建投資高等。因此在力求保證處理效率又降低投資的前提下，考察HRT對COD去除率的影響是必要的。HRT對COD去除率的影響見圖4。

　　由圖4可知，對此醫藥原料廢水，產酸相的最佳HRT為5～7 h，其CODCr去除率可達20%，同時對氨氮、總磷都有很好的去除效果。
　　在常規的單相厭氧生物處理中，產酸發酵細菌的增長速率高于產甲烷菌。因此，當系統的HRT短也即污泥齡較小時，利用水的流動可使甲烷菌在反應器中難以繁殖。如果甲烷菌的比增長速率為μ，則維持產酸發酵反應器運行的最佳動力學條件為θ＜1/μ，而試驗中產酸相的HRT為5～7 h，滿足以上條件。
2.3　進水COD濃度與COD去除率的關系
　　進水COD濃度對COD去除率的影響見圖5。

　　由圖5可見，當進水CODCr濃度提高時，CODCr去除率也隨之增大，因為反應器內生物量相對較大，微生物對底物的利用處于供不應求的狀態，較高的有機物濃度有利于微生物自身合成代謝的順利進行，同時分解有機物將產生大量的有機酸，從而維持良好的產酸發酵條件。當進水CODCr濃度過高(＞3 500 mg/L)時，去除效率明顯下降，水解發酵作用難以發揮，導致出水水質較差。其原因是，在一個相對穩定的運行系統中，當微生物量和HRT一定時，微生物的作用與底物無關，只與生物量有關。微生物代謝作用是靠酶來完成的，生物量一定(也就是說酶的濃度是一定的)，酶促反應速度在一定范圍內是隨著底物濃度的增加而增加的，并且達到最大反應速度；當底物濃度超過一定范圍后，酶促反應速度不但不增加，反而會受到抑制，其原因有以下幾種可能：①酶反應是在水溶液中進行的，水有利于分子的擴散和運行，如果底物濃度過高，會使水的有效濃度降低，致使反應速度降低；②過量底物與酶的激活劑(如金屬離子)結合，降低了激活劑的有效濃度，使反應速度下降；③過量的底物分子聚集在酶分子上形成無活性的中間產物，使酶分子生成產物不能及時釋放。所以當進水COD濃度很高時，若想提高處理效率，就必須增大生物量。
2.4　攪拌速率對COD去除率的影響
　　高效產酸發酵反應器屬于連續流攪拌槽式完全混合反應器，其攪拌器為4葉扇形渦輪式，采用提升攪拌方式。最初攪拌器的轉速為85 r/min，因轉速過快造成的大剪切力打碎了污泥絮體，使出水懸浮物含量增加，CODCr去除率下降，并造成污泥的流失和生物量的減少，而且攪拌過強時增加了混合液的夾氣作用，使產生的氣體難以向氣相迅速釋放，導致氣體產率下降。其后將攪拌速度改為60 r/min，則運行效果得到改善。
2.5其他因素對反應器效能的影響
　　溫度是最重要的控制因素之一。中溫發酵細菌群在20～40 ℃范圍內能較好地生存；在35 ℃左右，其代謝水平最高，是發酵細菌的最適溫度。由于中試的時間為6月—9月，其氣溫平均都在32 ℃左右，因此在進水箱內設的加熱裝置基本不需經常開動(反應器內溫度可自行維持)。
　　pH值也與微生物的生存有密切關系，主要與COD容積負荷和進水堿度(以CaCO₃計)有關。它可以影響產酸發酵速率及末端發酵產物的種類與數量，對于以醫藥原料廢水為底物的產酸發酵反應器，其最佳運行pH值為6～8。一般可根據實際情況，在均質池中投加一定量的石灰來保證產酸出水的pH值和堿度以防止產甲烷反應器“酸化”。
　　反應器正常運行時的氧化還原電位為-300～-200 mV，此可通過結構的密閉性得以保證。另外，為了滿足厭氧發酵微生物的營養需求，在進料時要保證C、N、P在一定的比例范圍內。對于產酸發酵，其CODCr∶N∶P應為(500～1 500)∶5∶1。

3　實際工程的運行

　　高效產酸發酵反應器的現場中試共運行了4個月，初步確定了針對該廢水的微生物發酵控制措施及反應器的最佳運行條件，為實際工程設計提供了依據。確定的設計參數為：HRT為7.5 h、容積負荷為8.7 kgCOD/(m3·d)。
　　工程調試過程中，高效產酸發酵反應器的運行情況如表2所示。

　　表2　高效產酸發酵反應器的運行情況

流量(m³/h) 進水CODCr(mg/L) 出水CODCr(mg/L) 容積負荷［kgCOD/(m³·d)］ COD去除率(%) 8 2508 2209 2.68 11.9 12 2632 2218 4.21 15.95 20 3152 2612 8.76 17.1

　　該工程通過專利技術(高效產酸發酵反應器)的應用及現場的中試，較好地保證了工期及降低了投資，實際總投資為260萬元，其中高效產酸發酵反應器的投資為31.8萬元，僅占總費用的13%。由于其優化的反應條件，縮短了整個厭氧過程的啟動及反應時間，節省了占地和投資費用，避免了沖擊負荷和毒性等對厭氧處理造成的破壞及“酸化”現象，使處理系統易于管理，降低了運行成本。

4　結論

　　結合高濃度有機廢水產酸發酵理論和醫藥原料廢水處理的中試研究結果，總結了以高效產酸發酵反應器作為二相厭氧生物處理產酸相影響其處理效能的因素，為實際工程運行提供了依據。
　　當然，醫藥原料廢水具有難降解成分高、處理難度大的特點，還要依據今后的工程運行來不斷總結經驗，更全面地探討高效產酸發酵反應器在厭氧處理中的作用。
　　致謝：本文在撰寫過程中得到蘇州城建環保學院環保系沈耀良教授的指導與幫助，在此表示感謝！

參考文獻：

　　［1］張希衡.廢水厭氧生物處理工程［M］.北京：中國環境科學出版社，1995.
　　［2］任南琪.有機廢水發酵法生物制氫技術［M］.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1994.
　?。?］賀延齡.廢水厭氧生物處理技術［M］.北京：中國輕工業出版社，1998.
　　［4］任南琪，馬放，周大石.水污染控制微生物學［M］.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1993.
　?。?］國家環保局.高濃度有機廢水厭氧處理技術［M］.北京：中國環境科學出版社，1991.
　?。?］沈耀良，王寶貞.ABR處理垃圾滲濾液混合廢水［J］.中國給水排水，1999,15(5):10-12.

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　　作者簡介：趙丹(1972-)，女，滿族，遼寧沈陽人，工學碩士，講師，主要從事廢水處理方面的研究。
　　電　話：(0512)8244524(H)8241464(O)
　　收稿日期：2001-06-15