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石智慧1，袁繼祖1，王宗華2，王志欽3
（1.武漢理工大學，湖北武漢430070；2.南陽師范學院，河南南陽473000；3.南陽市環境保護工程有限公司，河南南陽473000）
摘要：采用微電解+厭氧折流板反應器（ABR）+上流式厭氧污泥床（UASB）+膜生物反應器（MBR）組合工藝對纖維乙醇濾液進行處理。結果表明，當濾液COD在12000mg·L-1左右，該組合工藝中厭氧停留時間（HRT）為48h時，厭氧COD去除率達到72%，MBR停留時間（HRT）20h時，COD的去除率在80.8%～87.5%之間，出水COD濃度穩定在301～537mg·L-1，且MBR抗沖擊負荷能力較強。
纖維素乙醇以秸稈、農作物殼皮莖稈、樹枝、落葉、林業邊腳余料和城鄉有機垃圾等纖維為原料經預處理、發酵生產，作為燃料燃燒時排放的溫室氣體不僅比汽油減少90%，遠低于谷物類乙醇燃料，且纖維素是地球上資源量最豐富的可再生資源之一，每年僅陸生植物可產生纖維素約500億噸；纖維素資源還是最重要的生物質資源，占地球生物總量的40%[1]，因此纖維素發酵降解是一個具有巨大潛力的新領域。
本世紀初，伴隨著國際石油價格的一路狂飆及世界各國對能源需求的增加，利用纖維質原料生產乙醇的研究和開發成為目前國內外研究的重點。國外在這方面作了大量的工作，將纖維素乙醇作為燃料應用。巴西已有200萬輛汽車用乙醇作燃料；美國國會早已通過法案，鼓勵用乙醇部分或完全代替汽油，扶植非汽油燃料的發展，2000年，美國全年燃料乙醇銷售量達559萬噸，大約有100萬輛機動車使用乙醇-汽油雙燃料[2-3]；國內將全面推廣機動車使用乙醇汽油，2～3年內將占到市場份額的25%～30%，國內首家生產燃料乙醇的河南天冠集團的產品已率先在河南省鄭州、洛陽、南陽3市5000多輛機動車中試用。
由于纖維素乙醇原料秸稈化學結構復雜[4]，纖維素、半纖維素不但被木質素包裹，而且半纖維素共價和木質素結合，纖維素具有高度有序晶體結構，因此必須經過預處理[5-6]，破壞晶體結構，降低聚合度。本文主要針對某纖維乙醇預處理過程中產生的濾液進行處理達標排放所作的研究。
1材料與方法
1.1試驗材料及水質
以河南天冠每年3000噸纖維乙醇項目生產預處理過程產生的廢水為對象，預處理采用蒸汽爆碎技術，廢水中含有部分纖維素、木質素、半纖維等難生物降解物質，其水質情況為：COD為12000mg·L-1，BOD為4700mg·L-1，SS為600mg·L-1，pH為4～5。
1.2工藝流程
試驗采用厭氧-好氧處理工藝，工藝流程為：廢水經濾布去除粗大雜物，在調節水槽內對廢水進行調節，由蠕動泵進行計量并提升至微電解槽內。由于廢水的pH較低，pH在4.0～5.0之間，生化性較差，微電解可以提高廢水的pH和可生化性，廢水經微電解自流至ABR及UASB反應器進行厭氧處理，同時部分纖維素、半纖維素、木質素被攔截，降低后繼處理負荷。
UASB出水自流至膜生物反應器（MBR），MBR工藝是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術。它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物截留，因此，活性污泥濃度可以大大提高[7-8]，從而能提高體積負荷，降低污泥負荷；水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質在反應器中不斷反應和降解，從而顯著減少污泥產量，剩余污泥產量低[9]，污泥處理費用低；由于膜的截流作用使SRT延長，利于提高難降解大分子有機物的處理效率和促使其徹底的分解；因此，膜-生物反應器工藝通過膜的分離技術大大強化了生物反應器的功能。
1.3反應器參數
微電解反應器：200mm×600mm，17L，HRT為7h，提高廢水可生化性，有效分解發色分子纂團，降低廢水色度，調節pH；ABR：600mm×170mm×350mm，有效容積30L，HRT為12h，材料為有機玻璃，降解、分解有機物，截留纖維素、半纖維素；UASB反應器：450mm×900mm，有效容積120L，材料為有機玻璃，容積負荷4.0kgCOD·m-3·d-1，厭氧條件下降解、分解有機物；MBR：500mm×350mm×350mm，有效容積50L，內置孔徑0.25μm中空纖維膜組件，材質為聚丙烯，依靠蠕動泵間歇抽吸，膜出水通量為65L·m-2·d-1，污泥負荷為0.35kgCOD·kgMLSS-1·d-1，污泥濃度4000mg·L-1，膜分離與好氧相結合降解污染物。
1.4測試項目與方法
COD：鉻法COD；濁度：WGZ-200型光電濁度儀；pH：PHS-25型數字式酸度計。
2結果與討論
2.1系統總體處理效果
系統去除效果如圖1所示。由圖1可知，保持進水量2.5L·h-1，進水濃度在9470～12310mg·L-1之間波動時，氣浮出水濃度在6440～8640mg·L-1之間，厭氧出水在1674～2442mg·L-1之間，MBR出水穩定在301～537mg·L-1之間，可以看出采用該工藝處理是可行的。
廢水中含有部分纖維素、半纖維素、木質素，不易生物降解，通過微電解使部分纖維素分解，減少對后繼生物處理的負擔，后經過ABR，大分子物質分解為小分子物質，部分纖維素、半纖維素、木質素被污泥層截留，為后繼生化處理提供條件，使生化處理達到較高的去除率。
2.2停留時間對厭氧處理效果影響
由圖2可知，厭氧去除率隨停留時間的增長而增大，當HRT為48h時，COD的去除率達到72%，增大停留時間，對COD的去除率增大幅度不大。若繼續增大停留時間，對厭氧出水的COD總去除率沒有太大的意義，對于厭氧裝置而言，延長HRT即降低設備的處理量，增大設備體積，增大一次性投資費用，所以HRT為48h時，試驗裝置效果較好。
2.3pH對厭氧處理效果影響
pH對厭氧處理效果如圖3所示，由圖3可知，pH為8時厭氧COD去除率最高，達到72%，處理出水COD為2419mg·L-1。
2.4停留時間對MBR出水COD濃度影響
通過改變MBR進水量改變停留時間，考察停留時間對MBR的影響，試驗結果如圖4所示。由圖4可知，COD去除率隨MBR停留時間的增加而增加，當HRT20h時，COD的去除率在80.8%～87.5%之間，增大停留時間，對COD的去除率增大幅度不大，穩定于一個值，若繼續增大停留時間即降低了此設備的處理量，增大設備體積，增大一次性投資費用，所以當HRT為20h時，處理效果較好。
2.5容積負荷和污泥負荷對去除效果的影響
從圖5、圖6中可以看出，MBR中COD容積負荷、污泥負荷的變化分別為1.17～1.52kg·m-3·d-1，0.27～0.57kg·kg-1·d-1，但出水水質和各項指標的去除率并無大的變化，表明MBR系統具有較強的抗沖擊負荷能力。
由于該廢水含有生物難以降解物質如木質素、纖維素等，采用普通活性污泥處理難以降解，但MBR依然有較好的處理效果，處理效率維持在80%以上，可看出MBR對有機物降解具有獨特的優勢，同時MBR對難以降解物質通過膜的截流而積累在生物反應器中，達到較好的去除效果。
2.6膜出水通量隨時間的變化
由圖7可知，膜出水通量在30d的時間內基本維持在65L·m-2·d-1，隨著時間的增長，出水通量逐漸減小，60d出水通量減少到51.1L·m-2·d-1，90d出水通量減少到38.3L·m-2·d-1，隨著時間的增長，出水量減小幅度較大，在92、93d，出水通量減少至36.8、35.2L·m-2·d-1，減少幅度達43.4%、45.8%，需要對膜進行化學清洗清。
3結論
采用微電解+ABR+UASB+MBR處理纖維素乙醇廢水，出水COD濃度穩定在301～537mg·L-1，采用該工藝處理是可行的。
當厭氧HRT為48h，pH為8時厭氧COD去除率達到72%，當MBRHRT為20h時，COD的去除率在80.8%～87.5%之間。
MBR可承受COD容積負荷、污泥負荷分別為1.17～1.52kg·m-3·d-1，0.27～0.57kg·kg-1·d-1，具有較強的抗沖擊負荷能力。
試驗在運行過程中UASB反應器出水有較多的浮渣需定期清理，在工程應用中應設置浮渣清理裝置；MBR在試驗運行過程中采用表面沖洗、逆向沖洗和定期藥洗相結合的沖洗方式，其中逆向沖洗和藥洗時MBR停止工作。為了延長膜的運行周期，在膜的下部設置空氣擴散管，外設氣泵，利用曝氣產生的紊流對膜表面進行沖洗，防止懸浮物在膜表面附著沉淀；采用該工藝處理出水仍不能達到排放標準，需與物化處理相結合使出水達標排放，有待進一步研究。
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