生物强化技术在淀粉废水处理中的应用
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摘要：本文通过马铃薯淀粉废水的水质特点分析，结合国内外现有成熟生化处理工艺，针对生物强化技术在生化处理阶段的应用，进行了分析和研究。
关键词：生物强化技术 淀粉废水 处理 应用与研究
在马铃薯淀粉加工过程中，会产生大量的淀粉废水。根据有关调查和统计，按万吨干淀粉生产规模计算，马铃薯淀粉废水排放量平均为7万吨，其中蛋白废水4万吨，淀粉洗涤废水3万吨。淀粉废水中含有大量的悬浮物（杂质）、蛋白质和糖类，污染物浓度变化较大，COD浓度一般在7000-40000mg/l，峰值可达到75000mg/l，SS浓度则高达4000-15000mg/l。
一、国内外同类废水处理研究现状分析
通常，对于淀粉废水这种高浓度有机酸性废水，目前，国内外常见的成熟技术，基本上是采用预处理加生化处理的方法。据调研，包括美国、欧盟、日本等发达国家，淀粉加工废水80%以上是采用以生化法为主体的处理工艺。
生化处理法在国内外污染治理行业中，是降解淀粉废水的不可或缺的一种治理工艺，主要分为好氧生化法和厌氧生化法。好氧生化法包括活性污泥法、生物膜法、生物接触氧化法等，厌氧生物法多采用UASB、ABR等厌氧反应器。在我国大中型淀粉加工企业中，大多已建有不同规模的生化处理装置，且多为厌氧+好氧的复合生化处理工艺。
(1)厌氧生化法
厌氧生化法可有效地提高生化池负荷，减小池容，大幅度降低动力消耗，在同样处理能力的情况下，厌氧生化的运转费用只有好氧生化法的一半，同时可回收沼气，因此具有较大的经济效益。但由于其处理不彻底，因此基本不能单独使用。厌氧处理同时还可有效地去除废水中的氨氮。这是一种较好的生物脱氮(有时也采用生物膜系统)、脱磷系统。
(2) 好氧生化法
在水污染控制领域，好氧生物处理广泛应用于去除废水中的有机物质。好氧生物处理是在有游离氧(分子氧)存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物(以溶解状与胶体状的为主)，作为营养源进行好氧代谢。
有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；约有三分之二被转化，合成为新的原生质(细胞质)，即进行微生物自身生长繁殖。后者就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称其剩余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。在废水生物处理过程中，生物污泥经固―液分离后，需进行进一步处理和处置。
好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水基本上采用好氧生物处理法。
近年来，随着对好氧生物反应器的曝气器、填料、菌种培养、曝气池深度等方面的技术改进，涌现出了生物强化反应器、多段接触氧化、改进型SBR反应器等新型技术，使好氧生物处理工艺在废水处理，特别是诸如淀粉废水等高浓度废水处理工程中得到了广泛发展。
二、生化法处理应用中遇到的常见问题
（2） 厌氧生化处理
通过废水的预处理，可实现水中高分子有机物的有效去除，但生化阶段负荷仍然很高。实际应用中，一般都考虑厌氧生化处理，对废水中大分子有机物进行进一步的去除，以降低后续好氧生化的主体工艺负荷。
实际运行结果表明，在采用预处理后，进入生化阶段，废水中所含有机物质的分子量和分子键已明显降低，在适宜的反应条件下，厌氧生化确实可以达到较好的处理效果，一般，有机物的综合去除效率可达到80%以上，可为后续处理提供了有利条件。
但是，在我国北方地区，由于马铃薯作物生长区域特殊的气候条件，作物成熟后，进入淀粉加工周期时，大多已处于秋末初冬季节，气候比较寒冷，地表温度一般已降至0℃左右，个别地区和时段夜间最低温度可达到-10~-20℃，为厌氧处理带来了很大难度。
在厌氧状态下，厌氧微生物活跃性较低，需要提高温度以保证其活性。经实际运行监测，厌氧系统一般需要保证在10℃以上，才能保证厌氧微生物菌种活性，并取得较好的处理效果。
由于马铃薯淀粉废水水量较大，厌氧系统停留时间较长，且废水流速较低。一般来说，厌氧工序停留时间达到250小时以上，才能基本保证50%以上的有机物去除效果。停留时间650小时，COD去除率也仅有85%左右。这就为厌氧系统的加温带来了很大难度。实际运行过程中，研究还发现，为保证厌氧系统的正常运行，必须设置加温装置，而通过成本核算，厌氧系统加温的费用，可以达到整个污水处理系统整体运行费用的60%以上，给废水处理带来了巨大压力。
（2）好氧生化系统
好氧生化系统，一般采用生物接触氧化池等成熟生化工艺，以保证稳定的处理效果，控制处理单元建设成本和运行成本。
以生物接触氧化池为例，实际运行过程中，研究发现，由于厌氧处理环节的效果并不明显，且相当不稳定。在生物接触氧化池等好氧生化系统中，大量有机污染物的存在，容易造成生物填料的阻塞，影响好氧生物菌种与废水中有机物充分结合，进而延长处理时间，影响处理效果。
而且，在实际应用过程中，研究还发现，好氧生物菌种的培养和保持，也是影响系统运行的一个特殊因素。
由于马铃薯淀粉为短季节生产，全年污水处理系统有8个月以上处于闲置状态，依靠系统本身培养和养护好氧生物菌种，在好氧阶段，是十分困难的。而一旦开始生产，又需要系统马上投入运行并发挥稳定作用，从实际应用来看，单靠系统内菌种的自身生长和循环，效果非常之差。
三、生物强化处理技术的研究
1．摒弃厌氧环节，突出生物强化技术
由于好氧阶段运行周期相对较短，且自身降解环节可产生一定热量，通过中试试验，研究发现，即使在当地较寒冷的运行时段内，好氧工艺稳定运行时，仍可保证较高的温度（一般可达到7-15℃），通常情况下，废水无需特殊加温。
基于以上原因，研究大胆决定，摒弃厌氧工序，直接利用好氧系统对废水进行处理，并在该环节采用生物强化菌种技术，加强处理效果。
生物强化处理工艺就是向废水处理系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，提高废水的处理效率，以去除某一种或某一类有害物质的方法。它是通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增加生物量，以强化菌群对某一特定环境或特殊污染物的反应。应用此技术的基本前提是本土降解菌已在其生存环境中表现出一定的代谢能力，引入外源强化菌后菌群的数量、种类及对目标污染物的降解能力均有所增强，从而有效发挥生物强化的作用。投加的菌种需要满足3个基本条件：菌体活性高；在废水处理系统中能竞争生存，并可维持相当数量；可快速降解目标污染物。
本研究中的生物强化菌种来源于同类废水处理系统。经过前期筛选，培养出特定的适于处理含糖、蛋白的高浓度高分子有机废水的微生物优势菌种，对生物处理系统进行强化处理，使其尽快适应这种特殊水质，提高废水的处理效率。
2．生物强化处理工艺优点
（a）生物强化处理工艺比一般的废水生物治理方法对BOD5 、COD或目标污染物的去除效果更佳。
（b）生物强化处理工艺不仅能有效消除污泥膨胀，改善污泥沉降性能，而且能显著减少污泥总量。
（c）生物强化处理工艺具有较强的抗冲击负荷能力。
（d）在生物强化处理工艺中投加一定量的优势菌种，增大系统中有效菌种的比例，可明显缩短废水处理系统的启动时间。
通过实际应用，研究发现，即使在既有的普通处理系统中，采用生物强化菌种技术，也可以大大缩短系统反应时间，提高处理效率。
实际研究中，通过单独的生物强化反应器，可明显提高好氧生化系统的抗冲击能力，经中试试验，在COD浓度达到20000mg/l的有机负荷下，好氧系统仍能保持较高的处理效果，并稳定运行。
三、生物强化技术的应用
根据上述工艺方案的特点，对各处理工艺步骤进行设计和研究，结合北方地区马铃薯淀粉生产企业生产周期、作物产地气候特点及生产工艺特点，确定构成处理工艺各单元的运行控制条件。
生化处理工艺单元及运行控制条件，已结合本地区现有企业内污水处理系统进行实际试运行试验。通过实际调研和分析，北方地区马铃薯淀粉生产周期较短――平均为100-120天。由于淀粉生产线生产周期较短，而厌氧生化处理工艺启动时间较长，在生产的很长一个周期内，无法起到明显作用。同时，由于厌氧反应系统对温度要求相对较高，而马铃薯淀粉生产周期，在北方地区，多已处于较寒冷的秋末或冬初，地表最低气温一般均达到了零下20度左右，不利于厌氧反应系统的运行（正常运行必须考虑加温）。故此，在生化处理阶段，经过反复论证，实际应用中，结合生物强化处理单元，生化系统可实现放弃厌氧工序，直接进行好氧生化处理。通过生物强化系统的引进，保证处理效果。
好氧生化处理阶段试验反应温度为10℃，通过投加复合菌种后经选育技术培养的高效工程菌种，可取得了良好的去除效果，经实际运行监测，COD平均去除率达90-93%，BOD平均去除率达到85-90%，取得了良好的处理效果。
参考文献：
1．李善平，《淀粉生产废水处理的运行与管理》，中国环境科学出版社，2000.1；
2．王凯军，《实用水处理技术丛书--发酵工业废水处理》，化学工业出版社，2003.10；
3．唐受印，《食品工业废水处理》，化学工业出版社，2001.5；
作者简介：
刘钢，男，承德市环境科学研究院，高级工程师，主要从事环境影响评价、环保科研工作；
丁伟，男，承德市环境保护局，主要从事环境保护工作；
柏叶，女，承德市环境保护局，主要从事环境保护工作；
杨华，女，承德市环境科学研究院，主要从事环境影响评价、环保科研工作；
曹磊，男，承德市环境科学研究院，主要从事环境影响评价、环保科研工作。
刘璇，女，承德市环境保护局，主要从事环境保护工作。
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