为解决某植物榨汁饮料厂的废水COD高、有异味等问题，研究了厌氧—缺氧—好氧（AAO）工艺和絮凝沉淀混合工艺对废水的处理效果。探索了初始浓度、曝气量、絮凝剂的种类和投加量等对废水处理效果的影响机制。实验结果表明，初始浓度为4 000 mg/L的废水，经AAO工艺后COD去除率可达77%。继续投加合适的絮凝剂后废水COD去除率可达90%。处理后的废水澄清无异味，可进行后续处理排放。
关键词:
榨汁废水;COD去除率;AAO工艺;絮凝剂
饮料榨汁厂的废水主要是生产过程中榨汁及冲洗容器和设备产生的废水，废水排放量由工厂的生产量决定，具有排放量为非连续、COD高、有机物含量高等特点。
目前中国的饮料废水处理工艺主要以微生物降解为主，其中好氧生物降解是最常用的方法，在此基础上延伸出厌氧好氧（AO）工艺，升流式厌氧污泥床（UASB）工艺，间歇式活性污泥法（SBR）工艺等。
这些工艺虽然可以将废水COD降低，但是有运行时间长，处理成本高，初始设备昂贵等缺点，而且不易处理高 COD 废水，不适合小规模工厂废水实际处理。厌氧—缺氧—好氧（AAO）工艺也是常用的废水处理方法，总水力停留时间相比其他工艺要短，污泥负荷率大，在厌氧、缺氧、好氧三个条件下运行，处理效率高，有利于降低处理成本。絮凝沉淀能去除悬浮在水中的颗粒物，是水处理中应用较早且被普遍认可的一种处理方法，也经常被用于处理饮料废水。因此，吸附与生物降解相结合也是目前常用的方法。
本研究处理的废水是某植物榨汁饮料的生产废水，该废水含有较多蛋白质而导致 COD 较高，颜色呈黑色并伴随有臭味。为了降低污水的COD，改善气味与透明度，本研究拟采用生物降解及絮凝沉淀相结合的方法。由于该废水含有较多悬浮物，若先投加絮凝剂，不仅絮凝剂投加量较大，还会使废水的可生物降解性降低，增加处理成本，不利于工厂实际处理。因此将吸附/生物降解工艺倒置，先使用AAO 工艺，再絮凝沉淀，降低处理成本，减少运行时间。
影响 AAO 工艺与絮凝沉淀的条件主要有 pH、温度、初始浓度、曝气量、絮凝剂的种类及投加量等，由于该废水为中性，为减少额外处理操作，该实验不对 pH 和温度进行改变，只对初始浓度、曝气量以及絮凝剂的种类和投加量进行了对比实验。
1 实验部分
1.1 仪器及试剂
实验仪器：特制有机玻璃生物柱，ACO-006 电磁式空气泵（220V/50Hz），BT100-02 型蠕动泵，金紫光超大功率磁力搅拌器，5B-6C 一体型 COD 测定仪 ，FE28-Standard 台 式 pH 计 ，Mettler Toledo AT201 型电子天平，内径为 4.8 mm 的蠕动软管，内径为3 mm的曝气软管。
主要试剂：连华科技 COD 试剂，聚合硫酸铁（PFS），聚 合 氯 化 铝（PAC），阳 离 子 聚 丙 烯 酰 胺（PAM+），阴离子聚丙烯酰胺（PAM-），干活性污泥。
1.2 废水水质
废水来源于一家饮料榨汁厂，pH 为 6.8（±0.2），温度为室温 25 ℃，初始 COD 为 20 000 mg/L，有腐臭味。
1.3 实验方法
1.3.1 搭建生物柱AAO工艺流程见图1。
废水由废水池进入生物柱，通过蠕动泵推动废水经蠕动管在各个生物柱中前进，由底部进水，上部出水。分别经过厌氧生物柱、缺氧生物柱、好氧生物柱三个区域后排出。在缺氧生物柱和好氧生物柱的曝气管上都有空气夹，通过调整空气泵和空气夹来改变曝气量。此外根据金钊等关于污泥厌氧反应器搅拌方式的数值模拟的研究，发现适当搅拌厌氧生物柱底部污泥有利于提高厌氧污泥的活性，因此在厌氧生物柱的底部放有磁力转子，下面放有磁力搅拌器，通过转子搅拌污泥来提高厌氧污泥的活性。
向各个生物柱底部投加适量干活性污泥，注入营养溶液培养污泥活性，在活性污泥的活性较强后缓慢加入少量废水驯化活性污泥，逐渐增加废水浓度直到活性污泥彻底驯化，培养时间为1个月。
1.3.2 停留时间与固液比
本研究中厌氧生物柱和缺氧生物柱水力停留时间为 4 小时，好氧生物柱水力停留时间为 12 小时。每 4 天测一次出水 COD 值，每一组测 3 次，取平均值。各区域固液比约为25：1.
1.3.3 不同浓度
由于废水 COD 较高，废水初始 COD 过高会超过活性污泥负荷，为便于检测分析以及后续实验分别将其COD稀释为5 000、4 500、4 000 mg/L后进行对照实验，水力停留时间固定，测各个生物柱出水的COD去除率。
1.3.4 曝气量
曝气量由空气泵及空气夹调节，缺氧生物柱的含氧量始终保持在 0.2～0.5 mg/L 内。好氧生物柱的曝气量分别设置为5、10、15、20 L/min。比较不同曝气量下最终COD去除率。
1.3.5 投加不同絮凝
剂收集最终出水口处废水放在各个烧杯中，每个烧杯盛500 mL废水，分别向烧杯中投放不同质量的聚合硫酸铁（PFS）、聚合铝（PAC）、阳离子聚丙烯酰胺（PAM+）、阴离子聚丙烯酰胺（PAM-）絮凝剂，放置磁力转子，开启磁力搅拌器，快速搅拌5 min，搅拌完成后静置20 min，取其上清液测COD最终去除率。
1.3.6 pH
该废水的初始 pH 为 6.8（±0.2），为减轻后续处理负担和节省运行成本，故不再对污水的初始pH进行改变，之后测各个区出水的pH。
1.4 分析方法
用 5B-6C 一体型 COD 测定仪测 COD，FE28-Standard台式pH 计测pH。
2 结果与讨论
2.1 不同浓度对COD降解的影响
废水初始COD过高会超过活性污泥负荷，而废水初始 COD 过低会增加降解的整体时间。因此选择初始 COD 为 5 000、4 500、4 000 mg/L 的废水，在好氧生物柱曝气量为15 L/min条件下各个出水阶段的COD去除率，结果如图2所示。
由图2可知，3种不同初始浓度的废水在各个区域 COD 都大幅度降低，在厌氧区域和缺氧区域，初始为 4 000 mg/L和 4 500 mg/L的 COD去除率接近，初始为 5 000 mg/L 的废水 COD 去除率明显低于其余 2 种 COD 的废水。而在好氧区内，初始为 4 000mg/L 的废水 COD 去除率从 46% 提高至 77%，初始为 5 000 mg/L 的废水 COD 去除率从 33% 提高至71%，增幅为 38%，最明显。3 种 COD 的废水最终COD去除率差距有所减小，可能是在好氧区域停留的水力停留时间（12 h）和曝气量（15 L/min）都较大，使得废水COD在该区域的去除率达到极大值，而使得最终去除率差距减小。
本研究证实，当厌氧区和缺氧区的水力停留时间为4 h，初始COD（4 000～5 000 mg/L）对该废水在厌氧区和缺氧区 COD 去除率有一定影响。调节好氧区的曝气量，可减小不同COD最终去除率差距。
2.2 不同曝气量对COD影响
本研究中水力停留时间固定，因此主要探讨了曝气量对 COD 降解的影响。曝气量主要影响好氧区的 COD 去除率，因此对比了不同初始浓度下，不同曝气量对好氧区的COD去除率影响。
三种不同初始 COD 的废水分别经过厌氧生物柱和缺氧生物柱，在好氧生物柱时改变曝气量，COD去除率如图3所示。
初始 COD 为 4 000 mg/L 和 4 500 mg/L 的废水经过厌氧生物柱和缺氧生物柱处理后，COD去除速率高于初始COD为5 000 mg/L的废水，在经过好氧生物柱后，初始 COD 为 4 000 mg/L 的废水 COD 去除率最高。对比可知，相同曝气条件下，初始 COD越低，COD最终去除速率越高。
此外 4 000 mg/L 的废水 COD 去除率曲线在曝气量高于 10 L/min 后趋于平缓，而另外 2 种废水COD 去除率曲线在曝气量高于 15 L/min 后趋于平缓，同时它们之间的去除率差距开始减小。这说明处理该废水时曝气量达到合适值后，再增加曝气量不会明显提高COD的去除率。
2.3 不同絮凝剂对COD去除率的影响
虽然AAO工艺流程简单，处理成本低于赵庆良等采用气浮-水解酸化-生物接触氧化工艺处理饮料废水和梁文钟等采用上流式厌氧污泥床反应器处理酸性饮料废水的方法，但是仅通过AAO工艺废水 COD 去除率不满足工厂实际需求。为了进一步提高废水 COD 去除效率，减少后续排放处理的成本，向废水中投放不同剂量的絮凝剂，比较各絮凝剂对废水COD去除效率的影响，选择最优值。
将初始 COD 为 4 000 mg/L，曝气量为 15 min/L条件下的废水经过 AAO 工艺处理，出水后 COD 去除率为 77%，此时 COD 为 933 mg/L，水质由黑色变为淡黄色。分别向其投加不同剂量的无机絮凝剂和有机絮凝剂进行比较。
2.3.1 投加无机絮凝剂
投加的无机絮凝剂分别是 PFS、PAC，投加剂量分 别 为 40、80、120、160、200 mg/L，结 果 如 图 4所示。
随着无机絮凝剂的增加，COD的去除率逐渐增加，在到达最佳投加量后，COD去除率开始降低，最后逐渐趋于平稳。其中聚合硫酸铁的絮凝效果好于聚合氯化铝，聚合硫酸铁达到最佳絮凝效果时的投加量也小于聚合氯化铝。在投加聚合硫酸铁80 mg/L时，COD 的去除率达到 92%，去除效果好于魏晶晶等对果蔬汁饮料废水的处理。废水后续处理成本大幅度降低，而聚合氯化铝在 120 mg/L时达到最大去除率90%。
2.3.2 投加有机絮凝剂
投加的有机絮凝剂分别是阳离子聚丙烯酰胺（PAM+）和阴离子聚丙烯酰胺（PAM-）絮凝剂，投加剂量分别为 5、10、15、20、25、30 mg/L，COD 去除率如图5所示。
阳离子聚丙烯酰胺和阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂都对该废水有较好的絮凝效果，在投加量为15 mg/L时COD去除率都达到了最大值，其中阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂对 COD 的去除率为 89% 略高于阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂对 COD 的去除率 87%。在达到最佳絮凝效果后，废水的COD去除率随着絮凝剂的增加反而大幅度降低。
在有机絮凝剂投加剂量增加后期，废水中COD反而增加，主要原因是聚丙烯酰胺本身作为有机分子投放过多反而增加了水中的 COD 的量。而随着有机絮凝剂投加量的增加，废水开始变稠，最后成为难搅拌的胶状物质，该现象的主要原因是聚丙烯酰胺投加过多产生了增粘增稠作用。
2.3.3 有机无机絮凝剂对比
对比有机无机絮凝剂，无机絮凝剂：最佳投加量70～80 mg/L，最高处理效率 92%，缺点：投加量大，且会引入金属离子，造成二次污染。有机絮凝剂：最佳投加量10～15 mg/L，最高处理效率89%，缺点：价格略高于无机絮凝剂。
无机絮凝剂对该废水的COD去除效果更好，且造价低于有机絮凝剂，但是可能造成二次污染，因此，有机絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺更适合处理该废水。
2.4 出水过程中的pH与颜色气味变化
分别用台式pH计测试厌氧生物柱，缺氧生物柱和好氧生物柱的pH，发现pH在各个区域变化不大，始终保持为 6.8～7.4，不需要额外处理。在加入絮凝剂搅拌后，废水的上清液最终变为澄清无色，气味也由最初的腐臭味变为无味。
3 结 论
本研究将吸附/生物降解工艺倒置，即厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺加絮凝沉淀来处理植物榨汁饮料厂的高COD废水。相比较其他工艺，该工艺技术简单，处理成本较低，处理效率高。实验结果表明AAO 工艺对该工业废水的 COD 有较好的处理效果，在初始 COD 为 4 000 mg/L、曝气量为 20 min/L时，该污水通过 AAO 工艺 COD 去除率最大值为77%。
经过AAO工艺后，向出水中投加不同种类的絮凝剂都可以提高废水的 COD 去除率，投加 15 mg/L阴离子聚丙烯酰胺时，废水 COD 的去除率达到89%。而投加 80 mg/L 聚合硫酸铁时，COD 的去除率达到最大值 92%。除此之外，废水的浊度和气味也都得到极大的改善，可以进行下一步的处理排放。
原标题：AAO工艺+絮凝沉淀处理高COD废水
原作者：徐路遥 罗 敏 马玲玲 徐殿斗 吴明红 徐 刚
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