序批式反应器处理乳品废水：参数优化、动力学及污泥处理外文翻译资料

序批式反应器处理乳品废水：参数优化、动力学及污泥处理

作者：Jai Prakash Kushwaha ^a,*, Vimal Chandra Srivastava ^b, Indra Deo Mall ^b

单位：^a Department of Chemical Engineering, Thapar University, Patiala, Punjab, India

^b Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee 247667, Uttarakhand, India

摘要：乳品工业废水具有高氮负荷和高化学需氧量(COD)的特点。本文研究了好氧序批式反应器(SBR)对于模拟乳品废水(SDW)的化学需氧量(COD)和凯氏氮(TKN)的处理效率。对不同操作参数的SBR进行优化，进行了四个阶段的研究，即通过改变水力停留时间(HRT)、SDW进入反应器的充填时间、充注后缺氧相引入和反应阶段。在不同的水力停留时间(HRT)上也进行了动力学研究。结果表明，当体积交换比为0.5时，最佳HRT(HRT_opt)为1d，足以治理SDW。针对SBR循环中废弃活性污泥(AS)的处置问题，对污泥进行了元素分析和热降解分析，以了解其热降解特性及其作为燃料利用的可能性。

关键词：乳品废水； 序批式反应器； 污泥分析； 污泥处置； COD去除

介绍

乳品废水具有较高的化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)和营养液浓度。因此，乳制品废水在排入水体前必须进行强制处理。乳品废水一般采用厌氧生物处理方法，如上流式厌氧污泥床(UASB)反应器和厌氧过滤器^[1]。然而，厌氧处理并不能完全去除所有的有机物和营养物质，需要补充后处理^[2,3]。此外，混凝、电化学处理、吸附等物理化学方法也不能完全降解/去除污染物，特别是溶解性有机化合物^[4-7]。好氧活性污泥法(ASP)容易发生污泥膨胀，对COD和BOD负荷的变化非常敏感。它还需要很大的面积来安装。采用序批式反应器(SBR)可以克服ASP的这些问题，SBR是一种可用于工业废水生物处理的最佳技术，具有很好的COD/BOD去除效果，并且具有很高的灵活性^[8]。SBR是一种填充式活性污泥系统。与ASP不同的是，在该系统中，一系列工艺阶段主要是：废水的充填、反应阶段、处理废水的沉降和沉降^[9]是在单个间歇反应器中按顺序进行的。因此，通过减少净化器和其他设备的安装面积，降低了总成本^[10]。在填充阶段，废水流入SBR与反应器中已经存在的生物质混合，这可以通过各种条件来改变，如静态填充(不将填充废水与生物质混合)、混合填充(将填充废水与生物质混合)、充气填充，以及混合和充气填充的组合。这些填充条件会影响废水中有机物和营养物的去除。在静态充填条件下，进水不与生物质和/或曝气混合进入反应器。在混合充填条件下，进水与反应器中存在的生物质混合，但曝气保持关闭。在充气和混合充填的条件下，曝气和搅拌器都打开，废水与SBR中存在的生物质混合^[11]。此外，反应阶段可以在厌氧、缺氧或好氧条件下进行。

已有多位作者报道过SBR对各类废水^[12-17]的处理，包括乳业废水^[18-28]。在公开文献^[29]中，对乳制品废水的处理进行了较好的综述^[29]。Mohseni-Bandpi和Bazari[19]采用小型好氧SBR处理牛奶厂工业废水，COD去除率达到90%以上。反应器中最佳溶解氧浓度为2 ~ 3mg /l。Sirianuntapiboon等人^[20]采用膜耦合序批式反应器(MSBR)处理，在有机负荷率(OLR)为1.34 kg BOD₅/m³d时，COD、BOD5、总凯氏氮 (TKN)和油脂的去除效率分别为89.3%、83.0%、59.4%和82.4%。Frigon等人^[26]研究了在同一消化池中，在低氧浓度下先厌氧后好氧处理，报道了在OLR为0.78g COD l/d时，4d周期内COD去除率可达98.2%。Joseph等^[27]报道了6个SBR处理相同条件下乳品废水的污泥特性。对污泥的形态特性、沉降性、压缩性、悬浮固体(SS)浓度等进行了表征，结果表明，不同SBR的污泥在大部分特性上都有所不同。Zinatizadeh等^[28]研究了小型SBR处理模拟乳品废水，在18 h曝气时间内，COD去除率达到96.5%。

废水进入SBR的充填时间(t_F)和维持缺氧状态的时间对有机物和营养物的去除率有很大影响。曝气混填法能快速去除有机物，缩短反应时间(t_R)。在公开文献中，关于优化SBR处理乳制品废水的研究报道甚少。奶业废水对SBR反应器的充填料时间(t_F)研究尚未见报道。此外，SBR循环过程中剩余污泥的处理方面也被忽视了。

本研究对SBR处理模拟乳品废水(SDW)的水力停留时间(HRT)、t_F、充填后缺氧相引入(T_A-F)和反应后相(T_A-R)等运行参数进行了优化，以达到去除COD和脱氮的目的。为此，本研究分四个阶段进行，分别是HRT (15-30 h)、t_F、t_A-F和t_A-R。在HRT分别为15、17.14和24 h时，还进行了COD去除的动力学研究。在最佳条件下，对SBR浆料的污泥沉降能力进行了评价。对SBR循环中最佳条件下的废弃活性污泥进行了元素分析，以了解其元素分布。在热降解分析的基础上，提出了一种废弃污泥的处理策略。

材料与方法

模拟乳业废水(SDW)

在实验室中以每升蒸馏水溶解4 g阿穆雅牌奶粉制备SDW。几位作者采用相同的方法制作SDW^{[4 - 7,30 - 32]}。本研究中使用的SDW与其他几位研究者报道的工业乳制品废水具有相似的特性^[33,34]。SDW是按照要求新鲜生成的。制备的SDW的主要特征为：COD = 3900 mg/L，总凯氏定氮(TKN) = 113.18 mg/L，浊度= 1744 NTU，电导率= 220 ms/cm，氯离子= 31 mg/L, pH = 6.5。这些特征在整个研究中保持一致。

种子活性污泥

本研究中使用的种子活性污泥收集自印度哈里德瓦尔污水处理厂。先用筛分法分离AS中粗、大的颗粒，然后用SDW在SBR中进行驯化^{[25,35,20,36]}。为此，在SBR中注入AS，系统运行15天内达到稳定状态。图1为本研究中使用的SBR的原理图。

分析测量

在研究中使用的所有化学试剂都是分析试剂级的。分别用标准伏尔哈德滴定法和标准凯氏定氮法测定氯化物含量和TKN。采用双光束紫外-可见分光光度计(HACH, DR 5000，美国)和消化装置(DRB-200, HACH，美国)测定COD。浊度是用德国Aqualytic公司提供的浊度计测量的。利用能量色散x射线(EDX)分析仪(QUANTA, Model 200 FEG, USA)对废弃活性污泥进行元素分布分析。利用Perkin elmer (Pyris Diamond)热重分析仪(TGA)对废弃活性污泥进行热重分析。

实验装置

该实验装置由一个最大容积为10 L、工作容积(VT)为5 L的混合良好的圆柱形玻璃反应器组成，反应器底部装有烧结砂扩散器的气泵实现了曝气。在实验过程中，利用空气转子流量计测量了空气流速。SDW的加入和处理后的SDW通过蠕动泵进行脱水。搅拌器被用来保持反应器内容物的均匀性。

实验方案以及操作系统

SBR循环时间t_C为12 h，沉淀时间t_S为1 h，沉降时间t_D为0.5 h，怠速时间t_I为0.5 h。反应时间(t_R)和瞬间填充时间(t_F = 0)为10 h ，但t_R随填充和缺氧相长度的变化而变化。t_S、t_D、t_I在整个研究

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