水解酸化預(yù)處理汽車涂裝廢水的效能分析

黃中懸，徐敏峰

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

汽車及其零部件的涂裝是汽車生產(chǎn)中污染最嚴(yán)重的問題之一。如果直接排放未經(jīng)處理，就會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。該涂裝廢水含有的污染物如表面活性劑、重金屬離子、樹脂、油、磷酸鹽、顏料、有機(jī)溶劑等[1-3]。在汽車涂裝的每個(gè)過程中產(chǎn)生的廢水混合后具有下列特性：廢水的水量及水質(zhì)波動(dòng)大，水質(zhì)污染類型多、成分復(fù)雜，排放不規(guī)則和BOD5/COD值較小，可生物降解性較低[4-5]。物理化學(xué)法處理汽車涂裝廢水存在出水有時(shí)不達(dá)標(biāo)、運(yùn)行成本高等問題。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，物理化學(xué)生化方法將取代純物理化學(xué)方法，并成為未來處理汽車涂裝廢水的主要手段[4]。

水解酸化是生物處理過程有效的預(yù)處理方法，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)生成和pH的下降是水解酸化完成的重要參數(shù)[6-8]。本文以汽車涂裝廢水為研究對(duì)象，詳細(xì)的探討水解酸化預(yù)處理汽車涂裝廢水的效果。采用水解酸化法，將汽車涂裝廢水中的大分子難降解的有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物，在一定程度上降低污染物的量，改善該廢水的可生物降解性，為后續(xù)好氧處理工藝提供良好的條件[9-10]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，自行設(shè)計(jì)加工的水解酸化反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，總高度1 300 mm，進(jìn)水和出水口距底部分別為80 mm和600 mm，總有效容積23 L。反應(yīng)器從底部到頂部有兩部分構(gòu)成，即污泥懸浮區(qū)、泥水分離區(qū)。污泥懸浮區(qū)內(nèi)設(shè)置填料，其作用是在填料周圍產(chǎn)生渦旋，增加上升流速，加強(qiáng)廢水和污泥的接觸。泥水分離區(qū)是通過改變上升流速使泥水分離的。反應(yīng)器還具有一個(gè)水力循環(huán)系統(tǒng)，是通過循環(huán)泵將頂部的廢水泵入到底部，其作用是使底部的污泥懸浮起來，以便廢水和污泥充分接觸。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)廢水水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自安徽某汽車制造廠污水處理站綜合廢水池。綜合廢水池中的污水是磷化廢水、電泳廢水、噴漆廢水等混合而成的，試驗(yàn)廢水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)廢水水質(zhì)

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD、NH+4-N、TN、TP 均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測(cè)定；揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用蒸餾滴定法測(cè)定；采用pH計(jì)記錄pH。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水解酸化反應(yīng)器的運(yùn)行效果

反應(yīng)器的運(yùn)行分為兩個(gè)階段。第一階段為污泥的培養(yǎng)與馴化階段，此階段是以180 L/h的循環(huán)流量，廢水停留時(shí)間為24 h的條件下運(yùn)行。首先，將7 L的接種污泥倒入反應(yīng)器中，并泵入自配的有機(jī)廢水。自配的有機(jī)廢水是用無水乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀配制而成，并在其中添加Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Mo2+等微量元素。然后逐漸地用汽車涂裝廢水代替自配的有機(jī)廢水，汽車涂裝廢水的比例依次增加到20%、40%、60%、80%。第二階段為穩(wěn)定階段，此階段仍然以180 L/h的循環(huán)流量，廢水停留時(shí)間為24 h的條件下運(yùn)行。進(jìn)水全部為汽車涂裝廢水。水解酸化反應(yīng)器對(duì)汽車涂裝廢水的處理效果見圖2、圖3。

圖2 進(jìn)、出水COD和去除率隨時(shí)間的變化

圖3 進(jìn)、出水VFA濃度的變化

從圖2可以看出，反應(yīng)器初期進(jìn)水以自配的有機(jī)廢水為主，COD去除率總體呈上升趨勢(shì)，直到第10天去除率達(dá)到59.2%。從第11天到第26天，汽車涂裝廢水逐漸取代自配的有機(jī)廢水，直到進(jìn)水完全由汽車涂裝廢水組成。每次增加汽車涂裝廢水的比例，COD去除率都會(huì)隨之降低，在汽車涂裝廢水的比例增加到80%時(shí)，COD去除率下降至29%左右，此時(shí)認(rèn)為水解酸化反應(yīng)器內(nèi)的污泥培養(yǎng)與馴化過程基本完成。從第27天到第55天，進(jìn)水全部為汽車涂裝廢水，COD去除率基本穩(wěn)定在20%左右。由于該廢水成分復(fù)雜、進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)比較大以及含有大量難降解的大分子有機(jī)物，因此經(jīng)過水解酸化處理后反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果不明顯。然而，水解酸化處理的效果體現(xiàn)在改變污染物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而不是對(duì)污染物量的去除[12-13]。伊學(xué)農(nóng)[14]等使用Fenton-水解/接觸氧化處理涂裝廢水，其水解酸化池的COD去除率只在12%左右。

揮發(fā)性脂肪酸是厭氧消化過程中重要的中間體，是各種有機(jī)基質(zhì)水解酸化后的最終產(chǎn)物，因此揮發(fā)性脂肪酸是水解酸化的重要指標(biāo)[15]，可反映水解酸化的效果。圖3是說明進(jìn)水全部為汽車涂裝廢水時(shí)，VFA濃度(以乙酸計(jì))的變化及其酸化率。從中可以看出，進(jìn)水VFA濃度在19.5～39.0 mg/L之間波動(dòng)，出水VFA濃度在45.6～120.9 mg/L之間波動(dòng)，說明經(jīng)過水解酸化后，提高了產(chǎn)酸量，最終酸化率基本穩(wěn)定在10%左右。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)汽車涂裝廢水水解酸化的影響

水力停留時(shí)間是水解酸化工藝的控制參數(shù)之一，它能夠影響水解酸化反應(yīng)的程度，一般情況下，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，底物與微生物反應(yīng)越徹底，水解酸化工藝的處理效果越好[16]。在循環(huán)流量為180 L/h的情況下，本文考察了反應(yīng)時(shí)間分別為8 h，12 h，16 h，20 h 和 24 h 時(shí)，汽車涂裝廢水的COD去除效果以及酸化率的變化，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，COD去除率與反應(yīng)時(shí)間成正相關(guān)，反應(yīng)前16 h，COD去除率增加的較快，達(dá)到了20.3%。但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過16 h后COD去除率增幅較小，基本上不再增加，最終COD去除率基本在20%左右浮動(dòng)。酸化率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而明顯增加，反應(yīng)時(shí)間在20～24 h之間時(shí)酸化率達(dá)到最大。圖4顯示8～12 h時(shí)酸化率為負(fù)值，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間不足，導(dǎo)致水解酸化過程不充分，影響廢水中大分子難降解有機(jī)物的酸化效果。綜合考慮反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率和酸化率的影響，反應(yīng)時(shí)間在20～24h時(shí)，汽車涂裝廢水的水解酸化效果較好。此時(shí)，COD去除率和酸化率分別約為20%和10%。

2.3 容積負(fù)荷對(duì)汽車涂裝廢水水解酸化的影響

試驗(yàn)研究了 COD容積負(fù)荷為 0.2、0.4、0.5、0.8、1.2、1.3、1.5 kg/(m3·d)時(shí)，對(duì)汽車涂裝廢水水解酸化的影響，結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)是在反應(yīng)時(shí)間為24 h，循環(huán)流量為180 L/h的情況下運(yùn)行的。其中COD容積負(fù)荷是通過調(diào)整廢水流入量或增加進(jìn)水COD濃度控制的。從圖5可以看出，隨著容積負(fù)荷的增加，酸化率從6.1%增加到12.4%，pH從7.31下降到后6.86。當(dāng)容積負(fù)荷增加到1.2 kg/(m3·d)后，酸化率不再增加，甚至有所下降，pH有所升高。在此階段，出水pH與酸化率的變化總體上是一致的。

圖4 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率及酸化率的影響

圖5 不同COD容積負(fù)荷對(duì)酸化率的影響

2.4 循環(huán)流量對(duì)汽車涂裝廢水水解酸化的影響

循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是防止污泥沉淀在反應(yīng)器底部，加強(qiáng)污泥與廢水之間的混合程度。污泥的分布影響著反應(yīng)器的性能，為了更直觀地反映循環(huán)流量的影響，控制反應(yīng)時(shí)間在24 h的條件下，試驗(yàn)研究了循環(huán)流量分別為 50、80、120、180、240 L/h時(shí)，水解酸化反應(yīng)器的處理效果，結(jié)果如圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，總體上COD去除率隨著循環(huán)流量的增加而增加。在較小的流量(50、80 L/h)作用下，污泥與廢水并沒有完全地混合，污泥依然停留在反應(yīng)器的中下部，不利于廢水中有機(jī)物的降解，導(dǎo)致COD去除率較低。當(dāng)流量增加到240 L/h時(shí)，可以看到COD去除率不在增加，這是因?yàn)槲勰嗯c廢水已經(jīng)完全混合。

圖6 循環(huán)流量對(duì)COD去除率的影響

3 結(jié)論

(1)通過監(jiān)測(cè)COD去除率、酸化率，評(píng)價(jià)具有循環(huán)系統(tǒng)的水解酸化工藝預(yù)處理汽車涂裝廢水的效果。該工藝對(duì)COD去除率和酸化率分別約為20%和10%，結(jié)果表明汽車涂裝廢水經(jīng)過該工藝預(yù)處理后，可生物降解性得到改善，酸化效果得到改善，為后期好氧處理減輕了有機(jī)負(fù)荷。此工藝對(duì)汽車涂裝廢水預(yù)處理是一種較好的手段，以期為實(shí)際工程提供一種參考。

(2)綜合考慮反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率和酸化率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明反應(yīng)時(shí)間在20～24 h之間時(shí)，COD去除率和酸化率都能達(dá)到比較高的值。

(3)容積負(fù)荷和循環(huán)流量對(duì)水解酸化的效果具有重要影響，將COD容積負(fù)荷和循環(huán)流量分別控制在 1.2～1.3 kg/(m3·d)與 180 L/h 時(shí)，汽車涂裝廢水的水解酸化效果最好。