IC 反应器处理生物制药废水的研究

王金玉

（帕克环保技术（上海）有限公司， 上海 201319）

生物制药指利用微生物、 寄生虫、 生物组织等，采用现代生物技术方法（主要是基因工程技术）生产治疗、 诊断等用途的多肽和蛋白质类药物、 疫苗等药品的过程［1］。 其生产废水中含有高浓度的有机污染物， 并且可能还含有一定浓度的毒性及难降解物质。 对于高浓有机废水的处理， 近年来的研究与应用发展主要集中在厌氧生物处理技术， 但传统厌氧生物工艺在处理生物制药废水中存在一些问题， 例如： UASB 反应器存在容积负荷较低， 污泥易流失， 抗冲击负荷能力弱等缺点； 两相厌氧工艺流程复杂， 工艺运行参数难以精确控制， 基建投资高。

内循环（IC）厌氧反应器是新一代高效厌氧反应器， 其主要特点为容积负荷率高， 其进水有机负荷为普通UASB 反应器的3 倍左右； 抗冲击负荷能力强； 出水稳定性好， 可处理一定浓度含毒性物质废水等［2］。 自1996 年第1 台生产性IC 反应器被引入国内后［3］， 经过多年发展， 现已在造纸、 啤酒、 淀粉、 柠檬酸、 味精等高浓度废水处理工程中得到成功应用。 2020 年， 生态环境部发布《国家先进污染防治技术目录（水污染防治领域）》， “高浓度有机废水内循环厌氧处理技术”作为推广技术入选其中。为进一步探索IC 反应器在高浓度工业有机废水处理工程领域的应用潜力， 采用IC 反应器对生物制药废水进行处理， 运行期间考察了反应器内COD去除率、 VFA 浓度及沼气产量的变化趋势， 以期为该类废水处理工程的设计及生产运行提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

IC 反应器结构示意如图1 所示， 直径为10 m，高度为25.5 m， 有效容积为1 970 m3， 反应器内沿高度方向设置6 个取样口， 分别为1.5、 3、 5、 8、11、 15 m 处。 反应器由5 部分组成： 布水区、 低部位反应区、 高部位反应区、 内循环系统及出水溢流区。 其中， 作为反应器核心部件的内循环系统，由一级分离器上升管、 下降管及气液分离器组成。反应器在35 ℃的中温条件下运行， 废水泵送至反应器底部， 依次经过低部位反应区、 高部位反应区， 最终从顶部出水溢流堰流出。 反应过程中产生的沼气通过气液分离器分离并由热式流量计计量。

图1 IC 反应器结构示意Fig. 1 Structure of IC reactor

1.2 废水水质

试验用水为某生物制药公司的生产废水， 由工艺废水蒸馏水、 设备冲洗废水混合而成。 混合废水COD 及氨氮浓度高， m（BOD5）／m（COD）比在0.5 左右。 具体水质如表1 所示。

表1 废水水质Tab. 1 Wastewater quality

1.3 接种污泥

反应器启动用的种泥购买自某淀粉糖生产厂，为厌氧系统内活性污泥， 其含水率在80% 左右。反应器内共接种400 m3污泥， 污泥质量浓度约为78.6 g［VSS］／L。 接种完毕后， 开始向反应器内加入低浓度的厂区生活污水， 运行7 d 后， 测得反应器内VSS 质量为30 685 kg。

1.4 试验方法

通过调节IC 反应器的进水量来控制IC 反应器的处理负荷， 在保证IC 反应器出水COD 去除率高于80% 的前提下， 每7 d 为1 个周期， 并以20%的幅度提升IC 反应器的负荷， 试验总历时为50 d。进水启动初期反应器需采用较低的污泥负荷， 负荷范围在0.02 ～0.20 kg［COD］／（kg［VSS］·d）［4］， 由于生物制药废水中可能存在一定浓度的毒性物质， 故以0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）的初始污泥负荷启动反应器， 如1.3 节所述， 反应器内VSS 总质量为30 685 kg， 因此起始进水容积负荷为1.60 kg［COD］／（m3·d）， 即进料负荷为3 068.5 kg［COD］／d。

1.5 分析方法

COD 采用重铬酸钾消解法， VFA 采用酸碱滴定法， 悬浮物浓度及污泥浓度采用重量法， 污泥粒径分布采用筛分法［5］， IC 反应器进水量采用电磁流量计计量， 沼气产量采用热式流量计计量。

2 结果与讨论

2.1 反应器启动及其对COD 的去除效果

从IC 反应器进水启动至负荷提升结束， 总共历时50 d。 起始进水容积负荷为1.60 kg［COD］／（m3·d）， 采用连续进水方式， 将原废水的pH 值调节至5 ～6。 由于接种了足量的污泥， 反应器内污泥负荷较小， 为0.10 kg［COD］／（kg［VSS］·d）。 故反应器启动初期即表现出良好的COD 去除效果。随后提高进料负荷。

启动及负荷提升过程中， 反应器进出水COD浓度、 COD 去除率及容积负荷的变化趋势如图2和图3 所示。 由图2 可知， 进水COD 的质量浓度为7 000 ～12 000 mg／L， 出水COD 质量浓度为500 ～750 mg／L， COD 去 除 率 在90% 以 上， 最 高 达 到94.6%。 反应器运行平稳， 出水COD 浓度没有出现较大的波动。

图2 进出水COD 浓度及去除率情况Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

图3 COD 进料负荷及去除负荷变化Fig. 3 Changes of COD feeding load and removal load

从COD 的进料负荷和去除负荷看， 在反应器运行第45 天时， COD 进料负荷和去除负荷达到最大， 分别为6.3 和6.1 kg／（m3·d）， 折合COD 去除量为11 850 kg／d。

2.2 反应器VFA 浓度与pH 值变化

为控制负荷提升幅度， 保证反应器平稳运行，连续测试了启动期间反应器内VFA 的变化情况， 结果如图4 所示。 进水VFA 质量浓度为1 400 ～2 200 mg／L， 出水VFA 最高质量浓度为347 mg／L， 最低时低于200 mg／L。 反应器内的挥发酸没有积累， 说明IC 反应器运行良好， 没有因进料负荷的提高而形成酸化的趋势。 由图4 还可以看出， 反应器出水pH值较平稳， 并且出水pH 值一直高于进水pH 值。 分析其原因主要有两方面， 一方面是IC 反应器对COD 的高效去除可以向废水中返还大量的碱度［6］，另一方面得益于IC 反应器的高效内循环作用， 使得进水在反应器内得到稀释和缓冲。

图4 VFA 浓度及pH 值变化Fig. 4 Changes of VFA concentration and pH value

2.3 沼气产量

厌氧生物处理废水过程中， 90% 以上的COD最终被微生物转化为沼气［7］， 并且沼气产量与COD去除量之间存在一定的比例关系［8］， 图5 显示了IC反应器COD 去除量与沼气产量的关系。 反应器运行期间从整体变化规律上看， 随着COD 去除量的增加， 沼气产量在逐渐增大， 并且COD 去除量和沼气产量之间存在比较明显的比例关联性。 沼气产量与COD 去除量的比值称为沼气比产气率， 运行阶段实测沼气比产气率在0.42 ～0.55 之间， 该值符合理论预期［9］。

图5 反应器COD 去除量与沼气产量的关系Fig. 5 Relationship between COD removal and biogas output

2.4 反应器内颗粒污泥的粒径变化

历时50 d 的运行， IC 反应器污泥颗粒粒径变化趋势如表2 所示。 随着进水负荷的逐渐增加， 反应器内粒径在0.5 mm 以上的颗粒污泥质量占比逐渐增大， 0.5 mm 以下颗粒污泥质量占比逐渐减少，污泥颗粒化进程较明显， 这可能是反应器内较高的上升流速及适宜的代谢负荷促进微生物凝聚成团等所致。

表2 颗粒污泥粒径分布Tab. 2 Granular sludge particle size distribution

3 结论

经过50 d 的启动和运行， IC 反应器对COD 的去除率高于90%， COD 去除量及容积负荷分别达到11 850 kg／d 和6.1 kg／（m3·d）。 反应器内VFA 浓度变化很小， 出水pH 值保持稳定。 随着COD 去除量的上升， IC 反应器的沼气产量逐渐增大， 并且沼气产量符合理论预期。 IC 反应器运行期间，污泥颗粒化进程明显， 反应器内粒径在0.5 mm 以上的颗粒污泥占比逐渐增加。 在实际工程中， IC反应器能够稳定高效地处理生物制药废水。