啤酒废水对IC反应器启动阶段的影响

张抒意，刘依林，杨尚乐，王 怡，黄 昱，李永峰

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

啤酒废水对IC反应器启动阶段的影响

张抒意，刘依林，杨尚乐，王 怡，黄 昱，李永峰

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

本实验以啤酒废水(啤酒葡萄糖配水)为底物启动IC(厌氧内循环)反应器，在HRT为6h，温度为35±1℃的条件下试运行至启动阶段，其实验结果与同等条件下以糖蜜(红糖)废水运行的IC反应器的启动阶段结果数据(COD去除率与出水pH值)作对比分析，得到啤酒废水加入底物中对IC反应器启动运行的影响：(1)COD去除率前期较高，可达到60%以上，后期降低，趋于30%；(2)出水pH值降低至4以下；(3)系统不稳定。并根据以上分析对实验的改进提出建议。

IC反应器；啤酒废水；糖蜜废水；COD去除率；出水pH值

啤酒生产经历制麦、糖化、发酵、罐装等工序，产出废水包括浸麦废水、糖化废水、废酵母液、洗涤废水和冷却废水等[1]，主要成分有大量的淀粉、蛋白质、酵母菌残体、酒花残渣、残余啤酒、少量酒精及洗涤用碱[2]，一般属于中低浓度弱碱性有机无害废水。

20世纪80年代以来，中国的啤酒产业发展迅速，与此同时，啤酒工业废水的大量排放也给环境带来了极大的压力，据文献报道，每生产1t啤酒需要排放废水10～20m3[3]。如今，如何高效低能耗地处理发酵类型废水成为备受关注的问题之一[4]。近年来，被广泛应用于啤酒废水等发酵废水处置中的厌氧反应器包括：厌氧序批式反应器( ASBR)[5]、上流式厌氧污泥床( UASB)[6]、厌氧流化床( AFB)[7]等，具有处理效率高、耗能低、剩余污泥量少等特点。而属于第三代高效厌氧反应器的IC反应器，在过去被认为只适合高浓度有机废水的处理，但在近几年的探索中发现其对低浓度有机废水也有较好的处理效果，IC反应器的停留时间短、抗冲击负荷好、容积负荷高及投资省占地小等优点，能够进一步提高啤酒废水的处理效率，因此也具有更高的技术和应用优越性。

1 材料与方法

1.1 实验装置

1.气液分离器；2.集气管；3.二级三相分离器；4.气体提升管；5.一级三相分离器；6.泥水回流管；7.进水；8.出水；9.精处理区；10.膨胀床区；11.混合区

图1 IC反应器构造示意图[8]

Fig.1 The structure block of IC reactor

本实验采用的实验装置为IC(内循环)厌氧生物制氢反应器，此反应器内部由泥水混合区、污泥膨胀流化床反应区(第一反应室)、精处理区(第二反应室)、内循环系统和出水区五部分组成。图1所示为本实验所使用的IC反应器结构[8]。IC反应器的整体制作材质为有机玻璃，内径为14 cm，总高度为152 cm，反应器总容积为23.1 L，反应区总有效容积为6.4 L，泥水上升管和下降管的直径均为1.5 cm。反应器顶部装有布水器，底部设有溢流装置，中下部设有8个出水阀，便于取样。

反应器外壁缠绕并固定电热丝，通过温控设备保持反应器内温度为(35±1) ℃[9]。水力停留时间设定为6 h，通过设定蠕动泵的固定流速确保进水的恒定流速。氢气由第一级三相分离器收集通过湿式气体流量计测定产生气体流量。由于产生的气体通过气泡对液体产生气提作用，泥水混合物随发酵气体沿气体上升管上升至反应器顶部的出水区，泥水混合物与发酵气体分离，发酵气体被导出反应器，泥水混合物沿回流管返回底部的泥水混合区，与进水混合后进入精处理区(第二反应室)再次反应，由此形成内循环。工艺流程图见图2。[2]

1．配水箱； 2.恒流泵；3.温度探头；4.温控仪；5.发酵气管；6.水封瓶；7.湿式气体流量计；8.出水

图2 IC反应系统流程图[8]

Fig.2 The flow chart of the IC reacting system

1.2 实验用水

雪花啤酒和葡萄糖配水，COD浓度保持在1～2g·L-1，加入营养液浓度在1mL/L，加入氯化铵和磷酸氢二钾保持C：N：P为200:5:1，pH值为6.8～7.5。

1.3 营养液微量元素配比

表1 营养液中金属营养元素的配比[8]

1.4 污泥驯化

采用COD为2 g·L-1的红糖废水驯化污泥，并投加一定量的氯化铵和磷酸氢二钾，确保C：N：P的质量比为500～1000：5：1，间歇曝气30 d，污泥驯化成熟的标志是其由黑色泥浆状转变成黄褐色絮状颗粒，并且沉降性良好。污泥驯化完毕后放入反应器进行实验。

1.5 实验思路

本次实验以啤酒葡萄糖配水为底物，在1.1中所述条件下运行IC反应器至启动阶段，与丁睿[10]以糖蜜废水为底物在同等的水力停留时间和温度等相关条件下运行IC反应器的实验结果进行对比，以得到啤酒废水对IC反应器启动阶段各参数变化的影响，从而为改进啤酒废水的厌氧处理技术提供理论依据。

2 结果与分析

2.1 COD浓度的变化情况

2.1.1 以啤酒葡萄糖废水为底物的COD变化情况

如图3所示，是以啤酒废水为底物的启动阶段COD去除情况。实验1～6 d内，COD去除率并不稳定，但总体很高，最高达到了68.93%。7～11 d内，COD去除率呈下降趋势，甚至最后下降到了0%，主要考虑是反应器内挥发酸积累导致微生物的活性受到一定抑制，进而COD去除率降低，第11 d时，进水加碱过多使反应器内部环境失稳，污泥流失，造成出水cod大于进水COD的现象。12～31 d，控制加碱量，COD去除率总体有了较大的回升，但波动性依旧很高，并且对比运行初期总体呈下降趋势，并趋于30%。由于时间有限，未能运行至稳定阶段。

2.1.2 以糖蜜废水为底物的COD变化情况

如图4所示，是丁睿所做的以糖蜜(红糖)废水启动IC反应器的COD去除率变化情况[10]。在启动阶段的前14 d内，COD去除率较低，基本维持在15%以下，并且不稳定。此情况主要原因是反应器环境在初期变化强烈不稳定，活性污泥中的微生物适应性差而数量锐减，除此之外，启动初期污泥的沉降性能也较差，有一定的污泥流失现象。反应器启动第16 d，经过对进水pH值的调控，微生物对环境的不断适应，系统的COD去除率迅速上升，最高可达35%左右，并在30 d内的启动阶段基本稳定在32%左右。

图3 以啤酒废水为底物的启动阶段COD去除情况

Fig.3 The COD removal rate of treating the wastewater with wine and amylaceum in the commissioning stage

图4 以糖蜜废水为底物的COD去除情况[8]

2.1.3 两种底物的实验结果对比及分析

首先，可以明显看出，以啤酒废水运行反应器的COD去除率变化波动很大，在反应器运行初期总体去除率较高，最高达到了60%以上，可以考虑是底物中有啤酒加入造成的反应器内环境不稳定，其中的根本原因可能是啤酒本身所含有特殊微生物如各类酵母菌等对污泥中的厌氧菌造成的影响，其次是啤酒废水在初期对于糖蜜废水驯化下的活性污泥的降解难度较低。运行后期，啤酒废水的COD去除率总体趋势下降，略低于糖蜜废水，推测一可能是啤酒废水驯化下的微生物的降解有机物能力要弱于糖蜜废水，推测二是因为啤酒废水启动阶段整体出水pH值过低(见图5)，抑制微生物降解有机物的活性，造成COD去除率降低和波动性大以及污泥流失的情况，并根据反应初期的情况推测啤酒废水驯化的优势菌种有更优的降解有机物的能力。据大量有关啤酒废水厌氧处理的微生物群落研究表明，在低负荷条件下甲烷八叠球菌属( Methanosarcina mazei) 优势地位比较显著[11]，判断此菌种较糖蜜废水驯化下的优势菌种具有更优亦或是更差的分解氧化有机物的能力还需进一步的研究。

除此之外，本次啤酒废水启动试验开始于11月份，属于冬季，据了解，糖蜜废水的启动时间可能在夏季，季节的差异也可能对COD去除率变化的大小与速度产生一定影响。

2.2 系统出水pH值的变化情况及对比分析

图5 啤酒废水启动阶段出水pH值变化情况

Fig.5 The pH of water out treating the wastewater with wine and amylaceum in the commissioning stage

如图5和图6所示，展示了两个实验的出水pH值变化情况[10]。以啤酒废水为底物的反应器启动阶段，出水pH值总体在3.3～4.0之间，系统酸化严重，但在实验后期，出水pH值出现缓慢回升，逐步趋近于4，可能表明微生物对酸的缓释能力加强。以糖蜜废水为底物的启动阶段，出水pH值可达到5.24，远远高于正常出水pH值的要求，主要考虑是由于运行初期微生物对环境适应性差，活性低，产酸量少。运行第10 d时，系统内的挥发酸积累导致出水pH值下降至3.76，此时系统内的酸性过强会降低菌落的降解能力。在进水中添加NaHCO3使出水pH值达到4.5左右，之后反应器运行状态稳定，出水pH值也稳定在4.2～4.8内。

以上情况，可能是由于啤酒废水驯化的微生物产酸作用增强，使第一个实验的出水pH值平均值低于第二个实验。并且，底物中加入啤酒，在其微生物的作用下使进水酸化，也是出水pH值降低的主要原因之一。

图6 以糖蜜废水为底物的进出水pH值变化情况[10]

Fig.6 The pH of water out treating the molasses wastewater in the commissioning state

3 结论与改进

3.1 啤酒对IC反应器运行启动阶段的影响

(1)COD去除率前期较高，可达到60%以上，后期降低，趋于30%。主要考虑是啤酒废水驯化下微生物对有机物的降解能力降低，反应器内酸度较高，且啤酒本身所含微生物影响系统不稳定性所致；或推测仅因为反应器挥发酸积累过多抑制微生物活性，而啤酒废水驯养下微生物的氧化分解能力强于糖蜜废水。

(2)加强系统内微生物的产酸能力，出水pH值降低。

(3)降低反应器系统的稳定性。可能是由于啤酒废水中的各类微生物的影响，反应器稳定性差，进而也导致COD去除率在运行后期降低。

3.2 对实验的改进意见

(1)盛装进水容器若能设计为封闭容器，可以很大程度改善进水在存放过程中酸化影响系统稳定性进而造成出水pH值降低、COD去除率降低波动大的问题；同时若排除出水pH值过低的原因，也可进一步判断COD去除率的降低是否与啤酒废水驯化下的微生物降解能力的优劣直接相关。

(2)若以啤酒与糖类的配水运行反应器，建议先以纯糖类配水运行反应器至稳定运行阶段，再逐步加入或提高啤酒占比，提升污泥抗不同有机负荷的能力，可能将有效解决反应器系统不稳定、COD变化波动大的问题。

(3)若能以啤酒工厂真正的啤酒废水作为底物，以工厂产出污泥作为反应器的活性污泥，对啤酒废水的厌氧处理的理论依据的提供将更加具有现实意义。

[1] 王志坚.杨佳茹.啤酒废水处理技术[J].酿酒,2002,29(3):26- 27.

[2] 薛 苗.I C反应器处理啤酒废水的启动试验研究[J].安徽农业科学,2002,38(26):14816-14818.

[3] 方春玉,周 健,张会展.啤酒废水厌氧生物处理技术研究进展[J].四川理工学院学报(自然科学版) ,2006,19( 1):88-92．

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(本文文献格式：张抒意，刘依林，杨尚乐，等.啤酒废水对IC反应器启动阶段的影响 [J].山东化工，2017，46(06)：151-154.)

The Influence of Brewery Wastewater on the Commissioning Stage of IC Reactor

ZhangShuyi,LiuYilin,YangShangle,WangYi,HuangYu,LiYongfeng

(Department of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

A internal circulation (IC) reactor uses brewery wastewater (the solution within wine and amylaceum) as fundamental subtracts. The results are compared with the one from another experiment that Ding Rui treated the molasses wastewater(water within only brown sugar) by the same IC reactor under the same condition: the HRT is 6 h and the temperature is 35±1℃, for acquiring a conclusion how wine can influence the commissioning stage of the IC reactor. The results are following:(1) It can raise removal rate of COD in early days and decrease it later, which is more than 60% highest in the initial stage but levels off to about 30%.(2)It can decrease pH of the water going out. (3) It can make the system unstable. And then, according to the above, the last part of article supports some advices on how to improve the experiment.

internal circulation reactor; brewery wastewater; malasses; removal rate of COD; pH of water out

2017-03-07

东北林业大学大学生国家级创新训练项目(项目编号：201610225011)

张抒意(1996—)，女，辽宁鞍山人，本科生，主要研究方向：水污染控制工程；通讯作者：李永峰(1961—)，教授，研究方向：水污染控制工程与生物能源。

X703

A

1008-021X(2017)06-0151-04