氨基酸廢水生物處理工藝

　　氨基酸在生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生高濃度和低濃度2種廢水。高濃度廢水主要是氨基酸母液和洗膜廢水，該廢水COD濃度高、含鹽量高，水量較小，鹽分主要為硫酸銨或氯化銨，氨氮濃度每升甚至達(dá)到幾千至幾萬(wàn)毫克。低濃度廢水主要包括刷罐水、二次冷凝水和車間清洗水，低濃度廢水含鹽量和污染物濃度較低，水量為母液的3～5倍。通過(guò)對(duì)氨基酸廢水組分分析，鹽分高和高氨氮成為廢水處理的難點(diǎn)。

　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該類廢水的處理主要致力于氨基酸的回收和綜合利用，主要包括膜分離法、生物法、氨基酸廢水的資源化利用。

　　(1)膜分離法

　　現(xiàn)有的膜分離技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，如微濾、反滲透、超濾、納濾、電滲析、滲透蒸發(fā)、液膜等。膜工藝的應(yīng)用遇到的障礙有投資運(yùn)行成本高，易堵塞，要求高水平的預(yù)處理和定期的化學(xué)清洗以及濃縮物的處理問(wèn)題。

　　(2)生物法

　　生物法是利用微生物的生命活動(dòng)降解代謝有機(jī)物為無(wú)機(jī)物來(lái)處理廢水的方法。生物法處理廢水具有無(wú)二次污染、處理能力大、運(yùn)行費(fèi)用低、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，然而氨基酸廢水中含有的高鹽分如氯離子等抑制微生物的正常生長(zhǎng)繁殖。通常需要對(duì)這些無(wú)機(jī)鹽類進(jìn)行濃縮回收，再進(jìn)行生物處理。

　　(3)氨基酸發(fā)酵廢液的資源化利用

　　發(fā)酵廢液指的是氨基酸生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)酵液經(jīng)沉降、膜過(guò)濾等方式提取氨基酸后排放的廢液。這些廢液中含有很多寶貴的資源，氨基酸菌體、蛋白質(zhì)等固體物質(zhì)懸浮物，無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)酸及還原糖等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)采用較多的資源化利用方法有：提取菌體蛋白后生產(chǎn)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥，生產(chǎn)飼料酵母蛋白后回收硫酸銨生產(chǎn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥及生產(chǎn)家禽飼料添加劑等。

　　某生化公司主要以發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸、賴氨酸、味精、酵母、淀粉糖等產(chǎn)品，生產(chǎn)車間主要有賴氨酸、丙氨酸、蘇氨酸等，為該生化廠區(qū)配套一座廢水處理量為5000m3/d的污水廠。通過(guò)多級(jí)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(multi-internal circulation，MIC)和高塔式內(nèi)循環(huán)活性污泥好氧反應(yīng)器(high tower internal circu-lating activated sludge aerobic reactor，HTO)組合工藝處理車間的氨基酸廢水，經(jīng)過(guò)50d左右的調(diào)試，最終出水達(dá)到污水排入城鎮(zhèn)下水道C級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　1、氨基酸廢水設(shè)計(jì)水質(zhì)與排放要求

　　廢水設(shè)計(jì)水質(zhì)及CJ343―2010的C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

　　2、工藝選擇及其特點(diǎn)

　　2.1 工藝選擇

　　由于氨基酸廢水COD、氨氮濃度高，單獨(dú)使用厭氧或者好氧生物處理很難達(dá)到發(fā)酵類制藥工業(yè)水污染物排放要求。結(jié)合氨基酸廢水水質(zhì)和相關(guān)研究，決定采用機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)(mechanical vapor recompression，MVR)預(yù)處理收集廢水中的無(wú)機(jī)鹽類，厭氧部分采用MIC厭氧反應(yīng)器去除廢水中大部分有機(jī)物，產(chǎn)生的沼氣供鍋爐燃燒使用，好氧部分采用HTO好氧反應(yīng)器去除剩余的有機(jī)物和大部分氨氮。

　　2.2 工藝特點(diǎn)

　　2.2.1 MIC多級(jí)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器

　　MIC反應(yīng)器是在上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)自主創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的第三代反應(yīng)器。MIC反應(yīng)器在IC反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，取消了IC反應(yīng)器的外循環(huán)裝置，降低了項(xiàng)目投資。

　　MIC反應(yīng)器在實(shí)際工程項(xiàng)目中不斷改進(jìn)，自主設(shè)計(jì)、安裝，經(jīng)過(guò)50d的調(diào)試，反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥已基本適應(yīng)該廢水，COD去除率達(dá)到90%。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.2.2 HTO高塔式好氧反應(yīng)器

　　HTO好氧反應(yīng)器是一種氣提式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器。廢水由底部進(jìn)入反應(yīng)器缺氧區(qū)均勻進(jìn)水，反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流筒底部開(kāi)孔，曝氣頭安裝于導(dǎo)流筒中并完全淹沒(méi)，曝氣時(shí)導(dǎo)流筒內(nèi)氣泡上升形成密度差將導(dǎo)流筒底部的廢水提升至好氧區(qū)，底部廢水不斷向好氧區(qū)提升，頂部泥水混合液由導(dǎo)流筒外部向缺氧區(qū)移動(dòng)，在HTO反應(yīng)器內(nèi)形成一個(gè)個(gè)內(nèi)循環(huán)。高塔式好氧反應(yīng)器的創(chuàng)新點(diǎn)在于一個(gè)塔內(nèi)存在缺氧區(qū)和好氧區(qū)，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，大大減少了構(gòu)筑物占地面積。高塔式好氧反應(yīng)器工作單元如圖2所示。

　　3、工藝流程及主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

　　3.1 工藝流程

　　廢水處理工藝流程如圖3所示。氨基酸高濃度生產(chǎn)車間廢水經(jīng)過(guò)MVR預(yù)處理，低濃度廢水直接進(jìn)入污水廠調(diào)節(jié)罐，進(jìn)行水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)，并在調(diào)節(jié)罐對(duì)廢水進(jìn)行升溫，通過(guò)厭氧進(jìn)水泵廢水進(jìn)入MIC厭氧反應(yīng)器。在厭氧塔內(nèi)去除廢水中的大部分有機(jī)物，厭氧出水COD穩(wěn)定在500～700mg/L，MIC的COD容積負(fù)荷為6～7kg/(m3?d)。厭氧出水進(jìn)入配水塔，為2個(gè)HTO好氧塔均勻配水。HTO好氧反應(yīng)器進(jìn)一步去除廢水中的COD和大部分氨氮，好氧塔出水COD為130mg/L左右，去除率80%以上，氨氮10～20mg/L，去除率95%左右。HTO好氧塔出水進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，二沉池污泥進(jìn)行回流，保證好氧塔污泥量，剩余污泥進(jìn)入污泥消化池，經(jīng)過(guò)厭氧消化后回流至調(diào)節(jié)罐，整個(gè)污水系統(tǒng)基本不產(chǎn)生污泥，板框壓濾機(jī)作為污泥處理備用方案，氨氮吹脫塔也作為氨氮去除異常時(shí)備用方案。

　　厭氧過(guò)程產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣脫硫塔進(jìn)行脫硫，經(jīng)脫硫后的沼氣通入穩(wěn)壓氣柜，保證供應(yīng)沼氣壓力穩(wěn)定，沼氣進(jìn)入鍋爐燃燒，為車間和調(diào)節(jié)罐加熱升溫提供蒸汽。

　　3.2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

　　(1)調(diào)節(jié)罐：1座，尺寸?h20×20，有效容積5800m3，塔體內(nèi)部環(huán)氧樹脂防腐，外部油漆防腐。調(diào)節(jié)罐配有蒸汽加熱系統(tǒng)，控制調(diào)節(jié)罐溫度(37±1)℃。

　　(2)MIC厭氧反應(yīng)器：1座，尺寸φ20×20，有效容積6000m3，塔體內(nèi)部環(huán)氧樹脂防腐，外部油漆防腐。水力停留時(shí)間24h，COD容積負(fù)荷6.6kg/(m3?d)，在中溫條件下運(yùn)行MIC厭氧反應(yīng)器，COD去除率90%。MIC厭氧反應(yīng)器內(nèi)部高1m處安裝32個(gè)高效布水盤，水流經(jīng)過(guò)布水盤后呈分散旋流狀態(tài)，泥水充分接觸混合。在塔體內(nèi)部高度10～12m以及16～18m處安裝兩級(jí)三相分離器。氣液混合物通過(guò)上升管至塔頂?shù)?個(gè)分離包進(jìn)行分離，分離后泥水經(jīng)回流管至厭氧塔底部，沼氣經(jīng)過(guò)脫硫塔脫硫。主要配套設(shè)備：厭氧進(jìn)水泵，3臺(tái)(兩用一備)，qv=200m2/h，揚(yáng)程20m，功率P=30kW。

　　(3)HTO好氧反應(yīng)器：2座，尺寸φ20×20，有效容積5800m3，碳鋼內(nèi)部表面環(huán)氧樹脂防腐，外部油漆防腐。水力停留時(shí)間48h，COD容積負(fù)荷0.34kg/(m3?d)，COD去除率80%。配套設(shè)備：型號(hào)D90-1.5離心式鼓風(fēng)機(jī)3臺(tái)(兩用一備)，風(fēng)量90m3/min，風(fēng)壓49kPa，功率132kW。

　　4、調(diào)試運(yùn)行和分析

　　4.1 MIC厭氧反應(yīng)器的調(diào)試運(yùn)行

　　接種污泥是顆粒污泥和厭氧消化泥。顆粒污泥粒徑1.2mm左右，含水率80%，來(lái)自某淀粉污水廠UASB反應(yīng)器，總質(zhì)量約1000t;消化污泥，含水率75%，總質(zhì)量約500t。污泥加完之后，開(kāi)始用蒸汽對(duì)調(diào)節(jié)罐進(jìn)行升溫，每天升溫2～3℃，從18℃升到38℃，用時(shí)10d。氨基酸廢水有機(jī)氮濃度高，有機(jī)氮氨化后厭氧出水氨氮濃度達(dá)到400mg/L左右，對(duì)COD的去除率幾乎沒(méi)有影響，pH則出現(xiàn)小的波動(dòng)，在厭氧反應(yīng)器的緩沖作用下，pH又逐漸恢復(fù)至7～8。

　　污泥適應(yīng)期，利用厭氧出水回流至調(diào)節(jié)罐，控制厭氧塔進(jìn)水COD不高于5000mg/L，厭氧塔COD容積負(fù)荷小于2kg/(m3?d)。啟動(dòng)5d左右，沼氣水封罐聽(tīng)到氣泡聲音，說(shuō)明厭氧塔已經(jīng)產(chǎn)生沼氣。當(dāng)厭氧塔COD去除率穩(wěn)定在80%以上時(shí)，污泥馴化完成。

　　負(fù)荷提升期，逐步提高厭氧塔容積負(fù)荷，每次提升負(fù)荷不超過(guò)20%，直至COD容積負(fù)荷穩(wěn)定在6～7kg/(m3?d)。當(dāng)COD容積負(fù)荷提升到8～9kg/(m3?d)時(shí)，由于氨基酸廢水有機(jī)氮濃度高，水解酸化和有機(jī)氮的氨化過(guò)程進(jìn)行得較快，導(dǎo)致反應(yīng)器NH3-N過(guò)高，pH升至8，VFA升到15mmol/L，反應(yīng)器緩沖能力需要1周左右才能將pH調(diào)整至正常，所以將反應(yīng)器COD容積負(fù)荷穩(wěn)定在6～7kg/(m3?d)，保證厭氧塔的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的調(diào)試，厭氧塔出水COD穩(wěn)定在600mg/L左右，COD去除率達(dá)到90%，揮發(fā)性脂肪酸VFA低于5mmol/L。穩(wěn)定運(yùn)行后厭氧塔進(jìn)出水COD與去除率變化曲線如圖4所示。

　　由圖4可以看出，COD去除率保持在85%～95%，中間出現(xiàn)水質(zhì)波動(dòng)較大，出水COD依然能夠穩(wěn)定在1000mg/L以內(nèi)。

　　4.2 HTO好氧反應(yīng)器的調(diào)試運(yùn)行

　　向每個(gè)好氧塔內(nèi)各投加含水率為98%的活性污泥300t，引進(jìn)厭氧出水，待淹沒(méi)曝氣頭后，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)悶曝進(jìn)行配菌。待好氧塔溶解氧達(dá)到2～4mg/L，繼續(xù)引進(jìn)厭氧塔出水，每天進(jìn)水1000m3左右，同時(shí)開(kāi)啟污泥回流泵，進(jìn)行留泥。按照此方式，直至好氧塔SV30穩(wěn)定在30%～35%。HTO運(yùn)行了1個(gè)多月，硝化菌優(yōu)勢(shì)菌群逐漸繁殖后，開(kāi)始出現(xiàn)pH持續(xù)降低的現(xiàn)象，即硝化反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生了H+。

　　通過(guò)補(bǔ)充調(diào)節(jié)罐廢水至好氧塔提供反硝化所需碳源，pH逐漸上升至正常值7左右，在1個(gè)塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)AO法反應(yīng)過(guò)程。HTO調(diào)試運(yùn)行期間COD濃度和去除率變化曲線見(jiàn)圖5。

　　由圖5可知，HTO出水COD基本在150mg/L左右，去除率達(dá)到80%。HTO對(duì)氨氮的去除率變化曲線如圖6所示。

　　由圖6可知，繁殖硝化菌大概用了30多天，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，氨氮濃度進(jìn)一步降低，去除率達(dá)到95%。進(jìn)行有效的反硝化所需碳氮比(C/N)≥3.5，從超越管為好氧塔補(bǔ)充AO反應(yīng)過(guò)程所需碳源。

　　4.3 系統(tǒng)運(yùn)行情況

　　經(jīng)過(guò)近2個(gè)月的調(diào)試，出水已基本穩(wěn)定，出水COD、BOD5、NH3-N、SS分別降至120、40、25、45mg/L以下。具體污水處理情況見(jiàn)表2。

　　對(duì)照表1可知，二沉池出水水質(zhì)達(dá)到CJ343―2010的C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　5、運(yùn)行費(fèi)用

　　此污水處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用1.96元/m3，其中電費(fèi)1.26元/m3，藥劑費(fèi)0.52元/m3，人工費(fèi)0.18元/m3。系統(tǒng)運(yùn)行1年暫未產(chǎn)生過(guò)多的剩余污泥，所以板框壓濾機(jī)尚未使用。MIC厭氧反應(yīng)器產(chǎn)沼氣量為15000～18000m3/d，經(jīng)過(guò)脫硫后用于鍋爐燃燒產(chǎn)蒸汽，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　6、結(jié)論

　　(1)采用MIC厭氧反應(yīng)器和HTO好氧反應(yīng)工藝處理氨基酸廢水是可行的，在去除有機(jī)物的同時(shí)，滿足氨氮去除的要求，出水水質(zhì)達(dá)到CJ343―2010的C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)采用機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)預(yù)處理氨基酸生產(chǎn)車間高濃度廢水，大大減少了氨基酸廢水中的生物抑制物質(zhì)和鹽分，保證了厭氧和好氧生物處理的順利進(jìn)行。

　　(3)剩余污泥經(jīng)過(guò)厭氧消化后回流至調(diào)節(jié)罐，保證了MIC厭氧反應(yīng)器的污泥量，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行1年多，實(shí)現(xiàn)了剩余污泥零排放，板框壓濾機(jī)作為污泥處理備用方案。(來(lái)源：蘇州科技大學(xué)環(huán)保應(yīng)用技術(shù)研究所，蘇州科特環(huán)保股份有限公司)