制藥生產過程中產生的有機廢水是公認的嚴重水環(huán)境污染源之一。我國制藥工業(yè)存在著企業(yè)數(shù)量多、生產規(guī)模小、布局分散、原料投入大但產出小、污染突出的問題。從2008年起，我國開始實施《制藥工業(yè)水污染物排放標準》(GB 21908—2008)。該標準中的指標均比美國標準嚴格，例如：發(fā)酵類企業(yè)的COD、BOD和總氰化物排放標準均與歐盟標準接近[2]，其中COD的排放限值降低到了120 mg/L，而之前的限值是300 mg/L，但多數(shù)企業(yè)排水均不能達到新的排放標準，即使能夠達標排放，極高的運行處理費用也令企業(yè)運行舉步維艱。因此尋找一種處理效果好、基建及運行費用合理的工藝已經成為制藥廢水處理迫在眉睫的任務。
筆者以制藥廢水中具有代表性的發(fā)酵類有機廢水為研究對象，通過循環(huán)式活性污泥(CASS)工藝和特異性好氧移動床生物膜法(SMBBR)工藝對內蒙古某制藥廠的發(fā)酵類制藥廢水進行處理，對比分析了兩種工藝的各自特點以及對北方寒冷地區(qū)發(fā)酵類廢水的處理效果。
1 兩種工藝簡介
CASS工藝流程：綜合廢水→調節(jié)池→一級水解酸化池→CASS池→二級水解酸化池→接觸氧化池→二沉池→排水。
SMBBR工藝是基于移動床生物膜法(MBBR)的一種改進技術，其兼具傳統(tǒng)流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點，選用特殊的SDC-03型生物載體作為填料，選用特定的具有很強的生命力和旺盛的繁殖能力，能適應各種不良的環(huán)境條件的高活性反硝化菌DNF409作為菌種，組合成SMBBR工藝。SMBBR通過曝氣和水流的提升作用使填料處于流化狀態(tài)[3]，提高廢水與懸浮填料的接觸次數(shù)，延長反應時間且動力消耗極低[4]。SMBBR工藝流程：綜合廢水→調節(jié)池→一級水解酸化池→單一SMBBR池→二級水解酸化池→接觸氧化池→二沉池→排水。SMBBR工藝裝置見圖1。
圖1 SMBBR工藝裝置
與CASS工藝相比，SMBBR工藝中單位容積反應器內微生物量為CASS工藝的5~20倍，處理能力強，對水質、水量、水溫變動的適應性強;生物膜含水率比CASS池低，不會出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，能保證出水懸浮物含量較低，運行管理方便;剩余污泥產量為CASS池的1/4，污泥處置費用低;食物鏈較長，生物膜內同時存在硝化與反硝化反應，所需空間少、占地省[5];COD負荷率高，空氣氧利用率高，抗沖擊負荷能力強，不需要設置回流，能耗較低。
2 實驗方法
2.1 原水水質
原水來自某生物制藥有限公司，該公司的綜合廢水處理采用“調節(jié)池+一級水解酸化池+CASS池+二級水解酸化池+接觸氧化池+二沉池”工藝，本試驗用水取自該公司污水處理廠的一級水解酸化池出水，一級水解酸化池的進水是經過調節(jié)池和物理處理后的出水。該公司主要生產輔酶Q10，廢水主要污染物為生物發(fā)酵剩余的營養(yǎng)物質、生物代謝產物等。原水的水質水量變化較大，其成分復雜，碳氮營養(yǎng)比例失調(氮源過剩)，硫酸鹽和懸浮物含量高，廢水帶有較重的顏色和氣味，易產生泡沫，含有具有抑菌作用的難降解物質。原水水質情況見表1。
2.2 分析項目與測定方法
水質分析方法：COD、NH3-N、TN、TP、SS、色度均按文獻中[6]規(guī)定的方法進行測定。溶解氧、溫度采用便攜式溶氧儀測定，pH采用PB-S型pH計測定。
本實驗經過近1個月的平行對比實驗，并每隔5 d取CASS池和SMBBR反應池出水進行測定，對CASS工藝和SMBBR工藝處理發(fā)酵類制藥廢水各污染物的去除效果進行分析。
3 結果分析與討論
3.1 COD的去除效果對比
CASS工藝和SMBBR工藝對COD的去除效果對比見圖2。
圖2 CASS和SMBBR對COD的去除效果
從圖2可以看出，進水的COD在970~1 460 mg/L，水質變化波動較大，隨著反應的不斷進行，CASS和SMBBR工藝對COD的去除率分別為65.88%~78.13%和63.12%~80.52%，平均去除率分別為72.54%和72.81%。兩種工藝對COD的去除率相差不大，但是SMBBR在進水COD較高時其對應的去除率高于CASS工藝，主要是因為在SMBBR工藝中，加大水量時，生物填料依然能夠保留大量的生物膜，使SMBBR系統(tǒng)的抗沖擊性增強。在前13 d里CASS池的出水效果優(yōu)于SMBBR工藝，分析原因是由于進水COD不斷降低，SMBBR系統(tǒng)中微生物降解有機物的速率較小，其降解能力不能充分發(fā)揮所致。在實驗后期，隨著進水COD的不斷增大，促進了SMBBR載體上的生物膜微生物的生長，提高了降解速率，故COD去除率得到了提高[7]。和CASS工藝相比，SMBBR具有較高的COD負荷率，較高的空氣氧利用率且微生物的食物鏈長等優(yōu)勢。
3.2 NH3-N的去除效果對比
CASS工藝和SMBBR工藝對NH3-N的去除效果對比見圖3。
圖3 CASS和SMBBR對NH3-N的去除效果
從圖3可以看出，進水的NH3-N在310~370 mg/L，CASS和SMBBR工藝對NH3-N的去除率分別為25.53%~29.77%和29.17%~33.3%，平均去除率分別為27.61%和29.96%。結果表明，SMBBR脫氮效果略好于CASS工藝。這兩種工藝對NH3-N均有一定的去除效果，但是由于進水NH3-N較高，碳源不足，故二者對NH3-N的去除率并不是很高。穩(wěn)定運行后，SMBBR出水的NH3-N始終保持在260 mg/L以下，最低達到220 mg/L。與CASS工藝相比，廢水與SMBBR填料上的生物膜接觸得更加頻繁，懸浮填料有利于硝化細菌的聚集，載體上含有豐富的高活性硝化菌和亞硝化菌，這些細菌極易吸附生長于SDC-03型載體表面，可避免因水力沖刷而流失，系統(tǒng)的生態(tài)結構在載體上保持著較穩(wěn)定的動態(tài)平衡，故SMBBR工藝對NH3-N的去除率高于CASS工藝。但是在第11天時，CASS工藝的去除率高于SMBBR工藝，分析原因是由于隨著反應的不斷進行，SMBBR中填料的親水性不斷增強，填料呈現(xiàn)中間懸浮狀態(tài)，動力消耗減少，曝氣量相對減小，溶氧相對降低，較低的溶氧優(yōu)先被活性更強的異養(yǎng)菌利用以降解有機物，而無法滿足硝化菌進行硝化反應所需，直接導致出水的NH3-N較高，在重新調整曝氣量后，出水的NH3-N有所降低。
3.3 TP的去除效果對比
CASS工藝和SMBBR工藝對TP的去除效果對比見圖4。
圖4 CASS和SMBBR對TP的去除效果
從圖4可以看出，進水的TP在37.65~45.76 mg/L，隨著反應的不斷進行，CASS和SMBBR工藝對TP的去除率分別為66.09%~73.60%和79.14%~85.75%，平均去除率分別為69.27%和82.71%。從圖中可以明顯看出，SMBBR工藝對發(fā)酵類制藥廢水TP的去除效果優(yōu)于CASS工藝。分析原因是由于CASS反應池內可形成厭氧、缺氧、好氧交替的環(huán)境，具有一定的脫氮除磷功能，但是CASS池回流比的大小影響了釋磷菌的數(shù)量和除磷的效果[8]，反應器在運行過程中厭氧環(huán)境出現(xiàn)的時間很短，厭氧階段并不明顯，只是在沉淀階段的后期或排水階段出現(xiàn)了厭氧段，而且由于可利用的溶解性有機基質不足，使得聚磷菌沒有完全釋磷[9]，而厭氧段的釋磷量與好氧段的吸磷量具有良好的正相關性[10]，從而使其在下一周期中的好氧階段吸磷效果差。而SMBBR填料上附著生長的微生物為世代時間長、生長緩慢的細菌創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境[11]。由于聚磷菌、硝化菌、反硝化菌及多種其他的微生物共同生長在一個系統(tǒng)內，SMBBR系統(tǒng)有良好的厭氧→缺氧→好氧這樣的一個過程，能將聚磷微生物經過厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環(huán)境，聚磷菌在厭氧區(qū)形成的吸磷動力可以充分利用，填料上的微生物可以完整地經過厭氧→好氧環(huán)境并完成磷的厭氧釋放和好氧吸收過程，使磷的去除率得以提高。正是由于這些特點，使SMBBR系統(tǒng)的除磷效果優(yōu)于CASS系統(tǒng)，且抗TP沖擊能力比CASS工藝更有優(yōu)勢。
3.4 色度的去除效果對比
CASS工藝和SMBBR工藝對色度的去除效果對比見圖5。
圖5 CASS和SMBBR工藝對色度的去除效果
發(fā)酵類制藥廢水色度較高，進水色度在150~200倍。CASS池出水色度在130~180倍，而SMBBR池出水色度在120~155倍，CASS工藝和SMBBR工藝對發(fā)酵類制藥廢水色度的平均去除率分別在12.45%和22.32%。對比之下，SMBBR工藝對色度的去除率高于CASS工藝。分析原因是因為在SMBBR系統(tǒng)中廢水與懸浮填料充分接觸混合，含有發(fā)色基團的大分子污染物首先被截留并被填料上附著的生物膜吸附，進而在水解酸化菌的作用下得到降解脫色，這是物理吸附與生物降解的聯(lián)合作用過程，由于SMBBR上的生物量較大，因此對色度的去除效果較穩(wěn)定[12]。但是在第11天時，由于進水色度驟然降低，CASS池的去除率隨進水色度的降低而相對有所提高，而SMBBR中由于SDC-03型填料親水性的不斷增強，相同的曝氣量下對生物膜的沖刷作用相對增大，填料上的生物量有所波動，SMBBR的去除率有所下降。后期通過調節(jié)曝氣量，使SMBBR的去除率趨于穩(wěn)定。
3.5 SS的去除效果對比
CASS工藝和SMBBR工藝對SS的去除效果對比見圖6。
圖6 CASS和SMBBR工藝對SS的去除效果
發(fā)酵類制藥廢水的特點之一是懸浮物含量高且隨水質水量變化大。由于廢水中SS主要為發(fā)酵的殘余培養(yǎng)基和發(fā)酵產生的微生物菌體[2]，故進水中SS含量隨水質水量的變化波動較大，在270~630 mg/L之間變化。而SMBBR工藝對SS的平均去除率為76.63%，高于CASS工藝的70.26%。分析原因，一方面發(fā)酵類制藥廢水水質水量變化大，水力負荷較大，而在CASS系統(tǒng)中曝氣量比較大，氣流和水流對污泥顆粒物有很大的沖刷作用。CASS反應池中污泥質量濃度為3 500~4 500 mg/L，比SMBBR系統(tǒng)高3~4倍，所以出水的SS較高。另一方面是由于SMBBR系統(tǒng)填料的截留作用、膜的吸附作用以及膜表面沉積層的篩濾、吸附作用可將有機物截留于反應器中并繼續(xù)降解[13]，使得SMBBR系統(tǒng)中的生物降解作用增強，SS的去除率高于CASS工藝。
4 結論
(1)通過SMBBR與CASS工藝的對比實驗發(fā)現(xiàn)，SMBBR工藝對去除發(fā)酵廢水中TP、色度、SS的優(yōu)勢更為明顯，SMBBR工藝對TP、色度、SS的平均去除率比CASS工藝分別高出約14%、10%、7%左右。SMBBR對NH3-N的平均去除率為29.96%，對COD的去除率為72.81%，相比于CASS工藝的27.61%和72.54%無明顯優(yōu)勢，但抗沖擊能力較強，出水相對穩(wěn)定。
(2)SMBBR反應器相比于CASS反應器的優(yōu)勢在于：微生物量大，對水質水量適應性強;生物膜含水率比活性污泥低，剩余污泥少，無污泥膨脹現(xiàn)象，污泥處置費用低;無需設置回流，懸浮填料動力消耗少，曝氣量小，能耗較低。綜合考慮，SMBBR工藝的處理效果不但略高于CASS工藝，而且控制更加靈活、運行管理更為簡單。
(3)在北方地區(qū)，相同運行參數(shù)下處理發(fā)酵類制藥廢水，SMBBR工藝效果優(yōu)于CASS工藝 。SMBBR工藝中懸浮填料對細菌的聚集作用比較明顯。
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