马铃薯淀粉废水MBR处理工艺
摘要：采用超滤+ 厌氧+膜生物反应器（MBR）工艺处理马铃薯淀粉废水。结果表明，MBR 对COD 的去除率不小于99%，出水COD＜60 mg·L-1，BOD＜10 mg·L-1，ρ(TDS)＜1 000 mg·L-1，去除效果好，系统长期运行稳定。产水水质达到回用水水质要求。
关键词：马铃薯淀粉废水,超滤,厌氧,MBR
马铃薯淀粉废水是以马铃薯为原料生产淀粉的生产过程中产生的废液，是高污染的废水，COD 含量可达10 000 mg·L-1 以上，不加处理直接排放将造成环境水体缺氧，使水生生物窒息死亡，给环境带来巨大的危害[1]。我国马铃薯产业近年来发展迅速，在宁夏、甘肃、内蒙古等省（区）形成了产业化基地。目前，全国生产淀粉大小的企业数千家，马铃薯淀粉总量达40 多万t，年加工马铃薯近300 万t，年排放废水800 多万t，其中蛋白液（工艺废水）约200 万t[2]。研究采用超滤[3]+厌氧+膜生物反应器（MBR）工艺对马铃薯淀粉废水进行处理，在回收了废水中蛋白的同时处理后的废水达到了城市绿化水质标准[4]和农田灌溉水质标准[5]。
1 试验部分
1.1 废水水质及废水来源
马铃薯淀粉生产过程中，要排放大量的废水，平均每生产1 t 淀粉需要加工6.5 t 左右的马铃薯，排放 20 t 左右的废水，其中蛋白液5 t 左右；排放5 t 左右的湿废渣，含水量80%以上，可干燥出1 t 干渣。一个生产5 000 t 淀粉的中型厂，年加工马铃薯约33 万t，年排放废水约10 万t，其中蛋白液约2.5 万t。这些废水来自于3 个生产工段的3 种废水，即冲洗废水、蛋白液、淀粉洗涤提取废水[6]。
试验水样取自甘肃省定西某淀粉加工厂淀粉生产工艺中浓缩分离旋流器溢流水，属蛋白液和淀粉提取废水的混合废水，这类废水处理难度最大。废水水质：COD 为13～18 g·L-1，浊度为100～400 NTU，溶解性总固体质量浓度为5～6 g·L-1，SS 质量浓度为5～10 g·L-1，废水水质变化波动较大。
1.2 工艺流程
工艺流程如图1 所示。利用自动澄清分离工艺去除废水中的较大的悬浮物，减轻袋式过滤器的负荷。上清液通过袋式过滤器，进一步去除小颗粒悬浮物，减轻对超滤膜系统的污堵和膜污染。利用超滤膜处理马铃薯淀粉废水[3]。超滤处理后的废水再利用厌氧生物反应器进行处理，最后采用MBR 处理后废水可实现回用。
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1.3 试验装置
超滤设备如图2 所示。采用平板超滤膜设备，膜材料为PE，超滤膜相对切割分子量为20 kD。
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厌氧反应器如图3 所示。采用膜科学技术研究院自主研发设计的内循环厌氧反应器（IC），装置为有机玻璃制成的圆柱形反应器，总容积70 L，有效容积66.4 L，内径300 mm，高1 000 mm，沿柱高设置3 个取样口。反应器常温下运行，废水由底部经布水系统进入反应器，出水由顶部溢流堰流出。产气经气液分离、水封后由湿式气体流量计计量。
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MBR 如图4 所示。膜材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔径0.2 μm，膜内孔孔径0.6 mm，外孔孔径1.0 mm，操作压力在0.01～0.05 MPa 之间。 MBR 有效容积为0.26 m3，内部被隔板分成2 个容积相等的部分，一侧装有膜，下方用穿孔管鼓风曝气，MBR 配10 个曝气头，好氧反应区配6 个曝气头，并采用定时装置控制蠕动泵间歇抽吸出水，每抽吸取13 min，停止抽吸进行曝气2 min。循环往复进行动行。运行时水箱内水温采用自动调整温度由温度补偿系统进行温度控制。
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1.4 分析项目[7]及检测方法
COD 采用重铬酸钾氧化法测定；悬浮固体（SS） 采用标准重量法测定；浊度采用HI93703-11 便携式浊度测定仪测定；pH 采用HI8424pH 计测定。
2 结果与讨论
2.1 超滤膜系统
2.1.1 对COD 的去除效果
马铃薯淀粉废水中含有大量的有机物，废水中的COD 都在10 g·L-1 以上。采用超滤技术回收马铃薯生产废水中的蛋白后，可大大降低废水中的有机物的含量。控制操作压力为0.2 MPa，进水流速为 160 L·h-1 条件下，超滤对废水COD 的去除效果如图5 所示。从图5 中可以看出，马铃薯淀粉生产工艺废水经过超滤过滤后，对有机物的去除率在55%以上，为后续废水的处理起到了良好的预处理效果。
2.1.2 对SS 的去除效果
超滤对废水SS 的去除效果如图6 所示。由图 6 可知，超滤对于SS 的去除率已经达到了99%以上，总体上来讲超滤对SS 的去除率效果很好，但是超滤的出水SS 并不是0，而是60～80 mg·L-1 之间。分析认为，出现这种现象的主要原因可能是在超滤的过程中，一些小分子的胶体物质透过了超滤膜，由于各种原因，穿透超滤膜的这些小分子物质又重新聚合成为大分子物质，但是，这种SS 含量进入厌氧反应器不会影响厌氧反应器的功能。
2.2 厌氧反应器
2.2.1 厌氧反应器的启动及驯化
厌氧反应器的启动接种污泥接种量20 L，接种后反应器内污泥质量浓度19 g·L-1。接种前先将污泥颗粒进行筛细处理，再用COD 为500 mg·L-1 的废水持续8～10 h 进行漂洗和活化。
污泥进入厌氧反应器后，注入一定浓度的淀粉废水，静置24 h 后开始间歇进料。该阶段的主要目的是使污泥逐渐适应新基质，并提供适宜的营养成分，逐步提高污泥活性，因此不追求反应器的负荷、处理效率和出水质量。当COD 去除率达到75%以上，出水水质稳定，表明反应器启动结束。
2.2.2 HRT 对COD 去除效果的影响
由于直接使用马铃薯淀粉废水对颗粒污泥进行驯化，进入厌氧反应器反应器时，厌氧反应器中的微生物基本已经适应新的运行条件，厌氧反应器运行 5 d 后基本呈稳定状态。在试验中废水是经沉淀、袋式过滤、超滤处理后进入厌氧反应器系统。废水的 COD 为6～9 g·L-1，HRT 随着出水量的减少而增加，试验考察了HRT 对COD 去除效果的影响，结果如图7 所示。
从图7 中可以看出，厌氧反应器对有机物的去除效果随着时间的变化而变化，在前期反应器对有机物的去除率随着时间的延长而呈上升趋势，当停留时间超过4 h 后，有机物的去除率上升幅度减缓，因此将HRT 定为5 h。
2.2.3 厌氧反应器对COD 的去除效果
确定水力停留时间为5 h，厌氧反应器对COD 的去除效果如图8 所示。从图8 中可以看出，进水的 COD 波动很大，对厌氧反应器有一定的冲击，但是厌氧反应器在运行的过程中，有很高的抗冲击能力。反应器对污水中的COD 去除率一直保持在70%～ 90%，出水COD 波动不大，反应器运行稳定，去除效果明显，满足了试验设计的要求。
2.3 MBR
2.3.1 MBR 的启动及驯化
MBR 是将膜分离技术的高效过滤和高浓度活性污泥生物降解进行了非常有利的结合，减少了二沉池和污泥回流系统的建设，在运行成本、能耗以及处理效果等方面均具有优势[8]。
由于MBR 是活性污泥和膜技术相结合的技术，有着活性污泥和膜技术两者的共同优点和特点，因此，在试验初期，需要进行活性污泥的培养与驯化，首先进行好氧活性污泥的培养，培养的方法采用闷曝的方法，逐步提高进水负荷，为期1 个月。试验所用废水为厌氧反应器出水。
2.3.2 HRT 对COD 去除效果的影响
由于直接使用厌氧反应器出水对活性污泥进行驯化，进入MBR 反应器时，反应池中的微生物基本已经适应新的运行条件，设备运行5 d 后基本呈稳定状态。废水的COD 为1 g·L-1 左右，HRT 随着出水量的减少而增加，试验考察了HRT 对COD 去除效果的影响，出水量为20 ～1.12 L·h-1，系统的HRT 对废水中COD 的去除效果如图9所示。
由图9 可知，8 h 内MBR 系统对有机物的去除率随着停留时间的延长而上升，8～12 h 期间处理效率略有增长，但并不明显，12 h 以后呈下降趋势。究其原因：8 h 以内，食料充足，停留时间增长，活性污泥有更充分时间来降解污水中的有机物；8～12 h 期间，虽然泥水接触时间充分，但食料提供并不充足，所以处理效率只能略微增长；停留时间继续增长，单位时间活性污泥获得的食料就更少，成为活性污泥生长的限制因素，导致去除效果变差。综合考虑出水水质与经济因素，确定8 h 为最佳水力停留时间。
2.3.3 MBR 对COD 的去除效果
MBR 对COD 的去除效果如图10 所示。从图 10 中可以看出，MBR 在水力停留时间为8 h 时， MBR 系统对污水中的COD 去除率在95%左右。这充分说明马铃薯淀粉废水经过超滤、厌氧反应处理后的残余有机物经过生物反应加上膜过滤后可以有效地去除，去除效果明显。系统出水的COD 都在 50 mg·L-1 以下，已经达到了回用水水质标准。
2.4 整体工艺的处理效果
工艺对COD 处理效果如图11 所示。从图11 中可以看出，马铃薯淀粉废水经过系统处理后，有机物得到有效地处理，处理效果非常好，出水COD 在 50 mg·L-1 以下，BOD5、溶解性总固体等指标均达到了城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T18920－2002）标准中的城市绿化水质标准，具体数值如表1 所示。
由表1 可知，马铃薯淀粉废水经过本工艺技术进行处理，处理后废水的几项重要指标均达到了国家城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T 18920－2002）标准中的城市绿化水质标准，可以用于城市绿化使用，同时对照农田灌溉水质标准（GB 5084－2005），也已达到农田灌溉水质标准的要求，可以用于农田灌溉用水。
3 结论
马铃薯淀粉废水处理难度大，在国内尚未有成熟的工艺，采用超滤+厌氧+MBR 工艺处理该废水，处理后的废水水质可以达到GB/T 18920－2002 中的城市绿化水质标准以及GB 5084－2005 要求，可作为城市绿化用水和农田灌溉用水使用。
结果表明，该工艺技术运行稳定，有机物的去除率可以达到99%，处理效果好，有较大的实际意义。
参考文献：
[1] 谢昕, 王荣民, 宋鹏飞, 等. 淀粉工业废水处理现状[J].上海环境科学,2004,23(05):215-218,226.
[2] 杨劲峰, 赵继红. 马铃薯淀粉废水处理技术研究[J].粮食流通技术,2009(03):30-32.
[3] 吕建国, 安兴才. 膜技术回收马铃薯淀粉废水中蛋白质的中试研究[J].中国食物与营养,2008(04):37-40.
[4] 中华人民共和国建设部. GB/T 18920-2002 城市污水再生利用城市杂用水水质标准[S].国家质量监督检验检疫总局,2002.
[5] 农业部环境保护科研监测所. GB5084-2005 农田灌溉水质标准[S].中华人民共和国农业部,2005.
[6] 闫维东, 陶德录. 马铃薯淀粉生产废水综合利用技术研究[J].江苏环境科技,2007,20(2):12-14.
[7] 国家环境保护总局. GB18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准[S].2002.
[8] Yamamoto K, Hiasa M, Mahmood T, et al. Direct solid -liquid separation using hollow fiber membrane in an activedsludge aeration tank[J].Wat Sci Tech.,1989,21:43-54.
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