高浓度工业废水处理两相厌氧法
近年来，工业废水的排放量大幅上升，同时其浓度也是越来越高，高浓度的工业废水处理成为难题。这些高浓度工业废水主要来自造纸、制药、金属表面处理、纺织印染、石化等重污染行业，含有大量难降解或无法降解物质以及有害有毒物质。基于该背景对高浓度工业废水的处理问题进行研究。目前应用较多的方法可以分为物理方法、化学方法以及生物方法。在最近几十年，由于生物处理法发展得更加成熟，并且具备环保特性，使其得到了广泛的应用，在各国的防治水污染工作中都起到了很大作用。其中两相厌氧法是一种新出现的生物处理法，能够达到很好的工业废水处理效果，因此基于两相厌氧法进行高浓度工业废水处理的研究。
1、试验设计与试验材料
1.1 试验材料
试验中，选择某化工产品生产公司的高浓度工业废水作为试验材料。在该公司的废水综合排放口取得一定试验高浓度工业废水，其中包括冲洗废水、回收残液、母液类等多种废水。取得的试验高浓度工业废水中含有各种副反应产物、反应物产品及原料，具有毒性大、色度深、可生化性差、COD值高等特征。
1.2 试验设备及仪器
在试验中，使用的设备及仪器包括显微镜、电磁搅拌器等，具体如下。
型号为FVJ3456TS，生产厂家为加德泵业生产有限公司的计量补液泵；型号为AFQ－4414Q，生产厂家为海树精密仪器生产有限公司的显微镜；型号为CＲD2345，生产厂家为海树精密仪器生产有限公司的电磁搅拌器；型号为DWEQ32－4566，生产厂家为加特电炉生产厂的管式电阻炉；型号为EＲGVV－34，生产厂家为天缘精密仪器生产厂的恒温电热鼓风干燥箱；型号为ＲFWＲF－23，生产厂家为精科仪器制造厂的分析天平。
1.3 试验设计
1.3.1 试验装置设计
设计的试验装置由三部分构成，包括产甲烷反应器、中间调节池、产酸反应器。其中产甲烷反应器与产酸反应器分别设计成UASB反应器与CSTＲ反应器。试验装置整体设计具体见图1。
其中CSTＲ反应器的设计具体如下：
(1)配置加热装置；
(2)设置了四个取样口，直径为5mm；
(3)底部锥形进水结构的高是125mm，锥度是45度；
(4)设置的出流方式包括回流口与出水口两种；
(5)沉降区容积设计为19.8L，高设为300mm，内径设为290mm；
(6)反应区容积设计为39.7L，高设为1260mm，内径设为190mm；
(7)反应器有效容积设计为56.2L，总容积设计为59.5L；
(8)总高设为1560mm；
(9)材料使用PVC聚氯乙烯。
中间调节池设计为一个柱状沉淀池，为其设计一个锥形底部，其锥高设为260mm，总高设为610mm，内径设为240mm。将进水管伸到池底部，在顶部对加药口进行设置，并在锥底对污泥排放口进行铺设。
UASB反应器的设计具体如下：
(1)为反应器配置加热装置和搅拌装置；
(2)在底部侧面设置污泥回流口，顶部设置排气口，在距底部150mm处对采样口进行设置，距底部50mm处对进水口进行设置；
(3)材料选择有机玻璃；
(4)有效容积设计为15.2L；
(5)总容积设计为19.5L；
(6)总高设为450mm；
(7)反应器内径设为240mm。
在设计的试验装置中，对于产酸反应器来说，在配水槽中进行进水取样，在出水口处进行出水采样；对于产甲烷反应器来说，在回流槽中进行进水取样，在出水槽进行出水采样；取样污泥样品则在所需反应器的对应采样口处进行。
1.3.2 分析项目
试验中的分析项目包括污泥形态、污泥微生物量、VFA、COD、进出水pH值等。分析项目的具体分析方法见表1。
其中VSS即挥发性悬浮固体的分析方法具体如下：对定量滤纸进行干燥处理直至恒重。洗涤瓷坩锅，在马弗炉中对瓷坩锅中的样品进行一小时的灼烧，温度控制在600℃。当炉内降温到100℃时，将瓷坩锅取出并在干燥器内冷却，冷却后称重。在瓷坩锅中取出适量均匀水样，体积为毫升，利用滤纸进行过滤。干燥后燃烧并放在瓷坩锅中灼烧。灼烧后当降温到100℃时，将瓷坩锅取出并在干燥器内冷却，冷却后称重。
通过下式计算VSS的含量及灰分含量：
上式中a表示滤纸重量；c代表滤纸和悬浮物重量；W表示灰分重量；b代表坩埚重量；d表示灰分和坩埚重量。
SS即混合液总悬浮物的分析方法具体如下：在烘箱中对中速定量滤纸进行烘干，温度设定为102℃～105℃，烘干时间设定为两小时。完成烘干后冷却并称重直到恒重。取适量均匀水样，利用滤纸进行过滤。在烘箱中对滤纸及上面的沉淀物进行两个小时的烘干处理，温度设定为103℃～105℃。冷却后进行称重。
通过下式进行SS含量的计算：
在VFA即挥发性脂肪酸的分析中，使用的试剂为乙二醇、酸性氯化铁试剂、硫酸羟胺溶液(10%)、氢氧化钠(4.5mol/L)、1∶1硫酸。测定分为两个步骤，首先配制乙酸标准液并绘制标准曲线，接着对样品进行测定。
COD的分析中，使用的试剂为标准COD溶液、粉末硫酸汞、标准重铬酸钾溶液、硫酸银溶液(5g)、浓硫酸(500ml)。在实验中对替代试剂进行自制，通过HACH－COD测定仪进行密封加热，使用直读光度计程序对COD进行测定。
1.4 污泥接种
将好氧剩余污泥当做接种污泥，由于其中含有絮凝剂，实施一周左右的曝气培养。为使污泥达到初步适应状态，加入少量废水。
在污泥接种中，Ｒ1(产甲烷反应器)污泥接种量是9L，污泥床可达到250mm的高度，污泥在反应器中占据60%的体积。在接种后，平均反应器污泥浓度约为21g・SS/L。Ｒ2(产酸反应器)污泥接种量是28L，污泥床可达到700mm的高度，在反应器中占据70%的体积。在接种后，平均反应器污泥浓度约为23g・SS/L。
1.5 厌氧反应器启动
首先实施产甲烷反应器和产酸反应器的气密性试验，以顺利进行厌氧污泥接种。检测气密性的方法具体如下：将二者分别连接蠕动泵，将自来水当做进水并连续进水。当反应器中充满自来水后，将蠕动泵调节为空转状态并运行。此时在反应器内会连续产生气泡，当集气装置可以收集到气体，代表反应器具备良好的气密性。当确定其气密性良好后，在反应器上部的污泥接种口中接入过滤后的种泥。在接种污泥后静沉，反应器内会出现明显的污泥分层。
2、试验结果分析
2.1 去除结果分析
首先在常温运行状态下对两相厌氧法的COD去除情况与氨氮浓度变化情况进行观察。在进水COD与氨氮浓度不断增长的情况下，装置的出水COD与氨氮浓度变化情况具体见图2。
根据图2中的数据，在25℃和20℃时，随着进水浓度不断增长，装置出水中COD与氨氮浓度整体变化不大，保持着很好的出水水质；在15℃以及10℃时，装置出水中COD与氨氮浓度升高，出水水质有所下降。该结果说明，在25℃－20℃之间，由于微生物有着较高的活性，因此处理COD与降低氨氮浓度的能力较强；而当温度下降至15℃－10℃的区间，微生物整体活性下降，处理COD与氨氮的能力也随之下降，使出水中的COD与氨氮浓度整体有所增加。但在10℃时，装置出水中COD与氨氮浓度仍然低于250mg/L，仍然保持着较高的COD与氨氮浓度去除能力，说明两相厌氧法适用于低温下的高浓度工业废水COD与氨氮去除处理。
2.2 VFA变化情况分析
装置启动后，Ｒ1出水与Ｒ2出水的VFA变化情况具体见表2。
由表2的VFA变化情况可知，在启动初期，Ｒ1出水与Ｒ2出水的VFA含量差异较小且较低，这是由于刚启动反应器后污泥活性较低，再加上水力停留时间比较长，因此二者分相不明显。
在启动中期，水力停留时间减少，使进水COD负荷不断提升，Ｒ1由于COD负荷的提升出现VFA含量上升的现象，但上升幅度较小。Ｒ2由于水解酸化现象使VFA含量大幅提升。
在启动后期，Ｒ1的微生物活性持续提高，因此VFA含量没有上升。而Ｒ2的COD负荷持续增长，使其VFA含量大幅上升。
2.3 污泥生物量变化情况分析
试验装置需要产生足够的厌氧污泥才能证明其成功启动，基于此对反应器中污泥形态及生物量是否足够进行测试。其中生物量变化情况测试结果具体见图3。
根据图3的污泥生物量变化数据，可以发现反应器在启动后各项指标都在不断增大，这说明反应器中的污泥活性在逐渐增大。
污泥的形态观察结果为污泥颜色越来越深直到变成黑亮色，并且底部出现了一些1mm以上粒径的颗粒污泥，说明试验装置运行状态良好。
2.4 SS/VSS含量变化情况分析
最后对SS/VSS含量变化情况进行测定，结果具体见表3。
表3数据表明，试验装置实现了SS与VSS含量的降低，在运行中期其效果开始变得显著。
3、结语
在基于两相厌氧法进行高浓度工业废水处理研究的过程中，成功通过两相厌氧法设计了一种处理效果良好的高浓度工业废水处理装置。在试验中，装置的效果得到了验证，但也发生了污泥上浮、短流等问题，将会在今后的研究中对这些问题进行改善。（来源：江苏省生态环境厅江苏省环境保护宣传教育中心，江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏省生态环境厅江苏省生态环境评估中心，南京中电环保科技有限公司）