加工番茄污水污泥生物好氧發(fā)酵對有機(jī)污染物的降解及其影響因素

孫世陽1,2

(1. 吉林安圖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管理委員會， 吉林安圖133600； 2. 吉林安圖伊利石研究所， 吉林安圖133600)

摘要：通過研究加工番茄污水污泥的有機(jī)污染物降解變化和好氧發(fā)酵條件(含水量、pH、C/N、含氧量和CO2)來確定番茄污水中有機(jī)污染物降解情況，從而優(yōu)化加工番茄廢水處理。結(jié)果表明：最佳生物好氧發(fā)酵條件為含水量60%～80%，C/N 范圍為5～10，氧氣濃度10%，pH=6.5，污泥發(fā)酵15 h后，有機(jī)物降解速率達(dá)到平衡。

關(guān)鍵詞：加工番茄污水；好氧發(fā)酵；有機(jī)物；污水處理

doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2015.04.002

收稿日期：2014-07-17

作者簡介：孫世陽(1986—)，男，吉林延邊人，博士，研究員，研究方向：環(huán)境工程，E-mail:sunshiyang13@126.com

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Degradation of organic contaminants with biological aerobic fermentationin activated sludge dewatering and its influencing factors

SUN Shiyang1，2

(1. Economic Development Zone Administrative Committee of Jilin Antu,Antu 133600,China;

2. Illite Institute of Jilin Antu,Antu 133600,China)

Abstract：We studied the degradation of the organic pollutants in sludge of the waste water from tomato paste processing under aerobic fermentation conditions. The aerobic fermentation parameters were pH, ratio between carbon and nitrogen, oxygen, CO2, and moisture. The best aerobic fermentation conditions were moisture content between 60% and 80%, ratio between carbon and nitrogen from 5∶1 to 10∶1, oxygen concentration 10% and pH at 6.5. After aerobic fermentation for 15 h, organic contaminants in the sludge decreased obviously.

Keywords：tomato paste wastewater; aerobic fermentation; organic contaminants; sludge

加工番茄是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要的產(chǎn)業(yè)之一。2012年新疆加工番茄產(chǎn)量已經(jīng)突破100萬t[1-5]。加工番茄醬產(chǎn)生的污水中有機(jī)污染物濃度較高，主要包括有機(jī)酸和糖類。處理污水的同時(shí)產(chǎn)生大量的污泥，污泥體積約占總處理污水量的0.3%～0.5%[6-8]。

污泥的主要成分是由微生物構(gòu)成的菌膠團(tuán)和其吸附的物質(zhì)形成的復(fù)合體，除了含有許多的水分外，還有多種難降解的有機(jī)物、重金屬等。需要及時(shí)處理才能確保污水處理廠的正常運(yùn)作和處理效率，避免污水處理的二次污染。

對于加工番茄產(chǎn)生的污水處理方面的研究，國內(nèi)目前研究并不多。本文中，筆者針對加工番茄污泥的入水COD值高和變化大的特點(diǎn)，研究污泥生物發(fā)酵對有機(jī)污染的降解和發(fā)酵條件的影響條件，以期為加工番茄污水綜合治理提供良好的指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

所用污泥取自新疆石河子市天業(yè)加工番茄污水處理廠。調(diào)整劑是鋸末和回填料，鋸末取自新疆石河子市天山木材廠，回填料取自烏魯木齊市天山污泥處理廠的污泥發(fā)酵產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)中脫水污泥的性質(zhì)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)用脫水污泥的性質(zhì)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)測定方法參照文獻(xiàn)[10]。含水量采用無水甲醇提取法，揮發(fā)性固體采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法，總氮(TN)采用氣相分子吸收光譜法，總磷(TP)采用釩鉬磷酸比色法，K采用原子吸收法，化學(xué)需氧量(COD)的測定采用重鉻酸鉀法，生化需氧量(BOD)采用BOD測定儀，以上測試方法，參考國家水和水質(zhì)監(jiān)測測定標(biāo)準(zhǔn)方法。溶解氧(DO)和pH使用美國哈希公司的Sension156型便攜式多參數(shù)測量儀測定。

2結(jié)果與討論

2.1加工番茄污水污泥有機(jī)物降解研究

加工番茄污水污泥主要由含碳有機(jī)物構(gòu)成，所以筆者對于有機(jī)污染物的降解研究，以降解總有機(jī)碳(TOC)、COD、BOD為主，并且得到了15 h內(nèi)的TOC降解變化，結(jié)果見圖1～圖3。

圖1　 污泥發(fā)酵總有機(jī)碳TOC降解變化 Fig.1　 Changes of total organic carbon (TOC) degradation in sludge fermentation

由圖1可知，隨著污泥發(fā)酵時(shí)間的變化，污泥有機(jī)物降解逐漸下降，但是15 h后，有機(jī)物降解速率逐漸穩(wěn)定，達(dá)到平衡。對于一次發(fā)酵，一般在10～12 h[11]，而本實(shí)驗(yàn)達(dá)到15 h，這也說明污泥發(fā)酵時(shí)間比一般污泥發(fā)酵時(shí)間長，可能是污泥成分中TN和TP等元素過少，導(dǎo)致微生物好氧發(fā)酵時(shí)間較長。

圖2　 污泥發(fā)酵COD降解變化 Fig.2　 Changes of COD degradation in sludge fermentation

由圖2可知，隨著污泥發(fā)酵時(shí)間的變化，盡管入水COD變化很大，但是出水COD保持很低，這也說明污泥發(fā)酵對于出水COD影響較大。

圖3　 污泥發(fā)酵BOD降解變化 Fig.3　 Changes of BOD degradation in sludge fermentation

由圖3可知，隨著污泥發(fā)酵時(shí)間的變化，盡管入水BOD在不斷升高，但是出水BOD保持很低。這也說明好氧污泥發(fā)酵對于出水BOD影響較大，一方面好氧污泥發(fā)酵提高了微生物的降解能力，另一方面也說明了好氧發(fā)酵對于高負(fù)荷的入水BOD有很好的承載能力。

2.2加工污水污泥生物好氧發(fā)酵的影響因素

2.2.1含水率的影響

水分是微生物生存重要的條件之一，需要一定的含水率。通常含水率高，對應(yīng)的微生物活性增大，便于進(jìn)行有機(jī)物的分解。由于污泥含水率60%～80%，與其他污水污泥含水率(80%～90%)比，相對較低，導(dǎo)致微生物活動能力降低[12]。因此，從微生物學(xué)來講，加工番茄污水污泥好氧發(fā)酵需要調(diào)整適宜的含水率。

2.2.2碳氮比(C/N)的影響

碳氮比(C/N)是微生物維持與增殖的重要因素，一般微生物體內(nèi)C/N為5～10，一般平均為5～6。C含量越大，微生物的增殖受到N元素不足而受到限制，從而減緩有機(jī)污染物的降解[13-14]。所以本研究以C/N 5～10為依據(jù)，其他條件沒有改變。圖4為C/N對于污泥發(fā)酵TOC降解的影響結(jié)果。由圖4可知，當(dāng)C/N為7時(shí)，是最佳有效降解污泥條件。但是C/N的變化對于降解有機(jī)污染物的速率差別不是很明顯，所以C/N變化對于加工番茄污水污泥變化不夠顯著。只要控制合理范圍，污泥有機(jī)物降解效率影響不大。

圖4　 C/N對污泥發(fā)酵TOC降解的影響 Fig.4　 Effects of C/N ratio on sludge fermentation TOC degradation

2.2.3pH的影響

圖5　 pH對污泥發(fā)酵TOC降解的影響 Fig.5　 Effects of pH on sludge fermentation TOC degradation

加工番茄污水污泥，pH呈酸性，對污泥發(fā)酵不會影響[15]。通過調(diào)整污泥的pH，得到了不同pH條件下的TOC變化情況，結(jié)果見圖5。由圖5可知，在5個(gè)pH實(shí)驗(yàn)條件下，雖然TOC總量都下降，但是速率的變化不同。尤其，與其他條件相比，pH=6和pH=6.5條件下的TOC濃度有著明顯的差異，當(dāng)pH=6時(shí)，TOC總量下降速度明顯慢于其他條件。而對于pH=6.5時(shí)，有機(jī)物污染物發(fā)酵速度一直高于其他條件，高出其他條件下的10%左右，說明pH=6.5是加工番茄污水污泥發(fā)酵的最優(yōu)條件。一般微生物發(fā)酵條件是pH=7，而本實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)pH=6.5，其主要原因是加工番茄污水呈酸性，導(dǎo)致微生物適應(yīng)弱酸性條件。

2.2.4O2的影響

O2是好氧發(fā)酵的重要因素之一。一般而言，O2含量控制在5%～15%[16]。在其他條件不變基礎(chǔ)上，考察不同的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%～15%)對加工番茄污水污泥發(fā)酵的影響，結(jié)果見圖6。從圖6可知，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的 O2條件下，有機(jī)污染物降解速率明顯快于其他條件，說明O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，對污泥發(fā)酵有利。

圖6　 氧氣對污泥發(fā)酵TOC降解的影響 Fig.6　 Effects of oxygen concentration on sludge fermentation TOC degradation

2.2.5CO2的影響

對好氧性微生物而言，O2的供給是不可缺少的，污泥發(fā)酵中的含氧量不應(yīng)少于5%[17]。圖7為CO2量的影響對于污泥發(fā)酵TOC降解的影響結(jié)果。由圖7可知：O2的含量和CO2的含量成正比，并且出現(xiàn)“雙峰”規(guī)律，O2含量從15%減少到10%，隨后O2需求量逐漸上升，然后快速下降，接著又出現(xiàn)上升現(xiàn)象，變化比較大。同樣，CO2也是經(jīng)歷了上升、下降、再上升、再下降幾個(gè)過程。O2和CO2含量變化分別出現(xiàn)3個(gè)拐點(diǎn)，O2含量變化先后出現(xiàn)下降、升高和下降，CO2含量變化先后出現(xiàn)升高、下降和升高。最后，O2含量呈現(xiàn)上升趨勢越來越接近15%，CO2含量呈現(xiàn)下降趨勢越來越接近0。說明前5 h好氧發(fā)酵反應(yīng)比較劇烈，隨著可降解有機(jī)物的快速反應(yīng)逐漸變慢，底物的濃度成了發(fā)酵過程的限制條件。由于污泥自重的壓縮，使污泥之間的間隙顯著減少，失去空間，導(dǎo)致好氧性微生物因缺氧而出現(xiàn)死亡，厭氧性微生物逐漸活躍起來。因此，可以通過CO2的變化和增加透氣性改變好氧發(fā)酵環(huán)境，從而增加好氧微生物的氧氣含量。

圖7　 CO 2對污泥發(fā)酵TOC降解的影響 Fig.7　 Effects of CO 2 on sludge fermentation TOC degradation

3結(jié)論

通過研究加工番茄污水污泥的有機(jī)污染物降解和污泥有機(jī)污染物降解的好氧發(fā)酵條件含水量、pH、C/N、含氧量和CO2的影響，研究不同污泥好氧發(fā)酵條件對有機(jī)污染物降解和轉(zhuǎn)化的影響，對污泥好氧發(fā)酵提供理論指導(dǎo)。污泥好氧發(fā)酵時(shí)，含水量在60%～80%，適宜的 C/N 范圍為5～10，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為宜， pH=6.5，依據(jù)CO2量得到通氧量，這些控制條件有利于有加工番茄污水污泥機(jī)污染物的降解。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫世陽,李春,曹鵬,等.好氧高效菌群在處理番茄加工廢水中生物活性的評價(jià).化工學(xué)報(bào),2012,63(7):2210-2216.

[2]Sun Shiyang,Sheng Zhigang,Yang Ruili,et al.A new adapted constructed flora using in tomato paste wastewater treatment.Korean J Chem Eng,2013,18(2):112-118.

[3]魯建江,李維軍,陳景文,等.活性炭吸附:微波催化氧化處理番茄醬加工有機(jī)廢水.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(3):139-142.

[4]李維軍,曹鵬,李春,等.好氧-厭氧耦合法處理番茄醬加工有機(jī)廢水.化工學(xué)報(bào),2006,57(12):2971-2975.

[5]韓芹芹,楊躍輝,姜逢清.新疆番茄醬企業(yè)生產(chǎn)廢水處理利用方式探析.干旱環(huán)境監(jiān)測,2006,20(2):97-102.

[6]郭林,薛敏蓉,吳星五,等.城市污水處理廠脫水污泥一次好氧發(fā)酵過程動力學(xué)的研究.水處理技術(shù),2006,32(3):23-25.

[7]余杰,鄭國砥,高定,等.城市污泥生物好氧發(fā)酵對有機(jī)污染物的降解及其影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(7):2271-2277.

[8]潘美英.城市生活污水污泥好氧發(fā)酵工藝條件研究.成都:四川大學(xué),2006.

[9]蔡璐,高定,陳同斌,等.污泥好氧發(fā)酵過程中強(qiáng)制通風(fēng)對溫度與脫水的調(diào)控.中國給水排水,2012,28(17):134-137.

[10]國家環(huán)保總局 《水和廢水監(jiān)測分析方法》 編委會． 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]． 4 版． 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2002:211．

[11]Zhang Q M,Chen W P,Hu G C,et al.State and development for treatment and disposal of sewage sludge in city.Environ Protect,2000,19(1) :58-61.

[12]Chang B V,Liu C L,Yuan S Y,et al.Biodegradation of nonylphenol in mangrove sediment.Int Biodeter Biodegrad,2008,61:325-330.

[13]蔡全英,莫測輝,吳啟堂,等.城市污泥堆肥處理過程中有機(jī)污染物的變化.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2001,20(3):186-189.

[14]李國學(xué),張福鎖.固體廢物堆肥化與有機(jī)復(fù)混肥生產(chǎn).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[15]Jimenez E I,Garcia V P.Composting of domestic refuse and sewage sludge:I.evalution of temperature,pH,C/N ratio and cation-exchange capacity.Resour Conserv Recycl,1991,6:45-60.

[16]?？×?崔宗均,王麗莉,等.堆肥化過程中有機(jī)污染物生物降解的研究進(jìn)展.中國農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報(bào),2006,14(1):152-155.

[17]Lashermes G,Houot S,Barriuso E.Sorption and mineralization of organic pollutants during different stages of composting.Chemosphere,2010,79:455-462.

(責(zé)任編輯荀志金)