气浮-AB工艺处理食品含油废水设计文献综述

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气浮-AB工艺及食品生产废水的处理技术研究进展

摘要：我国作为粮食生产大国，食品产业的规模十分庞大，市场中占有重大比例，随着经济技术的发展，我国的食品加工行业也高速发展。食品产业原材生产涉及到原材洗涤、浸泡、酿造、消毒、生产设备清洗等过程，大多数食品加工设施出水都具有高浓度的COD、BOD₅ 、NH₃-N、SS等物质，直接排放废水会对环境造成严重影响。本文综述了食品行业中含油废水的处理现状，总结前人在气浮及AB工艺方面的最新研究成果，探究其应用前景及局限性，为将来食品行业处理高浓度含油废水提供理论依据。

关键词：食品生产废水；气浮；AB法工艺；含油废水

1. 引言

食品工业废水是指食品工业中产生的废水，因其通常有很大排放量，成为污染我国水环境的主要因素之一。食品加工业包括乳制品、零食、糖果、饮料和酿酒厂等各种行业。这些行业的废水来自不同途径，如生产、清洁、消毒、冷却和材料运输^[1]。大多数食品加工设施出水都具有高浓度的COD、BOD₅、NH₃-N、SS等物质，直接排放废水会对环境造成严重影响。依据资料统计，食品工业废水在轻工业行业中污染浓度排名量位于第二，COD排放量占我国总排放量的11%^[2]。废水的特性对选择要对其进行处理的类型起着重要作用^[3]。食品加工业的典型特征见表1^[4-6]。

Table 1 Characteristics of a typical food processing industry

AB法污水处理工艺是20世纪70年代由联邦德国亚琛工业大学的B.Bohnke教授在传统的两段活性污泥法（初沉池 活性污泥曝气池）和高负荷活性污泥法的基础上提出的一种新型的超高负荷活性污泥法——吸附-生物降解法^[7]。该工艺不设初沉池，由A段和B段二级活性污泥系统串联组成，并分别有独立的污泥回流系统。其突出的优点是A段负荷高，抗冲击负荷能力强，特别适用于处理浓度较高、水质水量变化较大的污水。AB法自问世以来发展很快，目前，国内已有多个城市污水处理厂采用了AB法工艺。

气浮又称空气浮选，是水处理中常用的浮洗方法。它利用机械剪切力，将混合于水中的空气破碎成细小的气泡，用以进行浮选。气浮池的主要作用是去除大部分油脂和悬浮物，如不预先降低其浓度将不利于后续生物处理。食物工业废水的油脂中含有高浓度的长链脂肪酸（LCFA），可能会吸附在细胞膜表面，阻断有机物进入细胞内的通道，阻止氨氮与氨氧化菌群的接触^[8]，从而降低生物处理效率。油脂在厌氧消化过程中会形成大量的LCFA、挥发性脂肪酸（VFA）和乙酸，对厌氧发酵定向产酸有抑制作用^[9]。同时，LCFA对产甲烷菌也有很强的毒性^[10]，不利于产甲烷菌的生长。气浮技术是国内外处理含油废水当中使用较为广泛的一种技术^[11]。本文综述了食品行业中含油废水的处理现状，总结前人在气浮及AB工艺方面的最新研究成果，探究其应用前景及局限性，为将来食品行业处理高浓度含油废水提供理论依据。

1. 含油废水

2.1 概述

随着我国食品行业的迅速发展，各种各样含油脂废水，特别是含高浓度油脂的废水己成为城市生活废水的重要组成部分。一般情况下，含油废水的含油量为几十到几千mg/L，有的甚至高达数万mg/L。根据其存在方式的不同，废水中的油类可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油四种^[12]。油脂工业以及肉类、乳品厂等食品行业带来的高含油有机物废水排放量大，有机物浓度高，对水资源造成很大的污染。进入城市污水处理厂的油类物质包裹在填料外层，阻碍氧的传质，导致好氧微生物代谢紊乱。如果油类物质未经处理直接进入江河湖海水体，则漂浮于水体的表面，影响水体的复氧及其自然净化过程，危害水体生态系统，严重污染周围环境。因此，开展对油脂废水的污染防治是十分必要且具有深远意义^[11]。

2.2 含油废水处理现状分析

含油废水的处理方法很多，有物理法（包括沉降、离心、粗粒化、过滤、膜分离等）；物理化学法（如吸附、离子交换）；化学法（如絮凝、电解）；微生物法还有湿式氧化、浓缩焚烧、超声分离法等。每种处理方法都有其优势和相应的局限性^[13]。含油废水处理的难易程度随其来源及油污的状态和组成不同而有差异。浮油能用传统的机械重力分离设备去除。不稳定的油水乳化液可通过机械或化学法破乳后，再经过滤法加以分离。但是，稳定的乳化油尤其是含有溶解油的废水需要更为复杂的处理方法加以处理，按环保要求，水体中含油应小于10 mg/L，按回用水的要求则含油更低，即要进一步进行油水分离，才能达到废水排放标准^[14]对于含油工业污水的处理技术，国内外研究机构一直在不懈地进行深入研究与讨论，归纳起来其技术路线即是在去除水中大量油类的同时，兼顾去除有机物、悬浮物、皂类、酸碱、硫化物、氨氮等。

英国采用厌氧接触工艺处理食用油废水，在生产期废水平均BODS浓度为30000 mg/L，经厌氧处理，BOD₅去除率达99%，出水直排。由于厌氧处理的成功，英国已建议食用油工业废水全部采用厌氧处理。日本采用溶气浮选处理油脂厂的含油废水。日本还研究出用电絮凝法处理乳化油废水。20世纪90年代，人们又开始使用生物絮凝剂处理含油废水，用超声波分离乳化液，用亲油材料吸附油。近几年来，较为风行的还有膜渗透，滤膜被制成板式、管式、空心纤维式。美国还研究出动力膜，将渗透膜做在多孔材料上，应用于水处理中。处理含油废水往往是多种方法组合使用。美国、英国、日本等国家目前普遍使用的方法有重力分离、离心分离、溶剂抽取、气浮、生化、化学、透析法等^[15-19]。

国内过去很长一段时期对油脂、食品工业废水治理的技术，都是采用隔油、气浮、生物曝气工艺处理植物油脂废水。具体地讲就是采用隔油工艺去除废水中分散油和大部分悬浮物，采用气浮法去除废水中乳化油和细微悬浮物，采用生化法去除废水中少量溶解油和绝大部分有机物。这种技术比较成熟、实用，应用面较广。到目前为止，国内还尚未见有针对高含油污水废物经生物方法处理后达到排放标准的成熟工艺路线的研究报告或应用示例。而另一方面，油脂食品行业更是希望该类高浓度有机排水是在高效率、低价格、低消耗、容易操作的实用条件下进行处理。

从国内外普遍使用的处理工艺分析，可以看出其大致研究方向为国外发达国家主要致力于二级、三级处理，而我国则偏向于初级和二级处理，对三级处理很少采用，仅仅是在特殊情况下作为补充措施。

1. 气浮预处理

3.1 概述

气浮技术是在待处理水中通入大量的、高度分散的微气泡,使之作为载体与杂质絮粒相互粘附,形成整体密度小于水的浮体而上浮到水面,以完成水中固体与固体、固体与液体、液体与液体分离的净水方法^[20]。气浮法关键是颗粒与气泡吸附形成共聚体，增大污水和共絮体之间密度差，从而上升到液面，再用刮渣设备从液面刮除，达到分离的效果^[21]。微气泡的尺寸对于气浮效果影响较大，通常需要气泡尺寸小于100 mu;m。根据微小气泡产生的方式不同，气浮法分为：散气气浮法、溶气气浮法、电解气浮法、静电喷涂空气法等^[22]。其中常用的方法有如下几种:加压溶气气浮法、叶轮式气浮法和喷射式气浮法。其详细分类及每种方法的优缺点见表2^[23-25]。

表 2 气体浮选工艺的分类与特点

3.2 气浮技术的工艺参数

3.2.1 气浮对絮凝体颗粒大小的要求

长期以来,人们一直认为和沉淀工艺一样,气浮工艺需要数百微米或更大的絮体颗粒,如同济大学的学者^[26]认为絮体颗粒粒径为400-1000 mu;m时气浮效果最佳。但近期的研究发现,气浮工艺不需要如此大的絮体颗粒也能取得满意的出水效果。根据Han等人^[27]的研究结果,当絮体颗粒尺寸与微气泡接近时二者的粘附效率最大。考虑到气浮工艺中微气泡直径一般在10-100 mu;m范围内,故絮体颗粒只需数十微米至100 mu;m就足够了。

3.2.2 微气泡大小对净水效果的影响

Kiuru^[28]的研究结果表明:气浮工艺中微气泡大小应适当,过大或过小都会影响气浮效果,在目前的表面负荷下[约10 m³/(m²·h)]控制微气泡直径在10-100 mu;m范围内（平均为40 mu;m左右）就能取得满意的净水效果。

3.2.3 气浮对反应搅拌强度的要求

由于气浮工艺不需要大尺寸絮体颗粒,因此可适当提高反应搅拌强度（提高G值），这一观点已得到许多学者的试验证实。Janssens^[29]通过研究发现,气浮工艺的最佳G值依赖混凝剂类型，而Vlaski等人^[30]则发现,当G值在10-50S^-的范围时,气浮工艺对颗粒的去除效果也很好,但高能量的输入则可以显著降低小颗粒的数目,因而更能保证气浮的净水效果。

3.2.4 气浮对絮凝时间的要求

对于气浮前絮凝时间的选择是一个不断认识与发展的过程。从早期给水处理的絮凝时间45 min、12-20 min、4-15 min到目前的5-10 min^[31]，美国学者^[32]则认为溶气气浮工艺的絮凝时间低于5min。

3.3 影响气浮效果的因素

影响气浮分离效果的因素很多，主要包括：溶气压力、混凝剂、停留时间、pH值等。

3.3.1 溶气压力

溶气压力的高低决定了溶气量的多少以及气泡的大小，从而影响出水水质。一般情况下压力越大，气泡尺寸越小，但是压力超过一定值之后对气泡尺寸的影响不大，而且还会增加耗能。康万利等人^[33]通过研究发现压力控制在0.44 MPa以内就可达到气浮所需的气泡尺寸，因而一般选择压力范围为0.3~0.44 MPa。

3.3.2 混凝剂

在气浮前要投加絮凝剂进行脱稳、破乳。其作用一是中和或改变胶体颗粒表面的电荷，以破坏使乳化油稳定的乳化剂，提高气浮效果；二是形成絮凝，吸附油珠和悬浮物共同上浮，增强泡沫的稳定体性。傅雷鸣^[11]比较了聚合氯化铝（PAC）和聚合氯化铝铁（PAFC）这两种药剂的效果以确定最佳用量，发现投加PAFC可取得更好的COD和油类的预处理效果，最佳投加量为50 mg/L。

3.3.3 停留时间

停留时间影响气浮分离效果的主要原因是不同停留时间致使混凝剂除油率不同。混凝剂与悬浮物的附着发挥作用需要一定时间，但是时间的长短因药剂种类不同而不同^[34]。

3.3.4 pH值

pH值对油类的乳化具有很大影响，同时也影响絮凝效果。傅雷鸣^[11]通过研究发现随着溶液中pH的变化，PAFC的水解及絮凝性能受到很大影响，一般在中性至碱性范围内PAFC絮凝性能较好，酸性条件下较差。而油类物质在碱性条件下容易发生乳化溶解，故而pH值过高或过低都会影响处理效果。

1. AB法工艺

4.1 AB法工艺概述

AB法是吸附生物降解法(Adsorption Bio-degradation)的简称，属超高负荷活性污泥法。该工艺不设初沉池，由A段和B段二级活性污泥系统串联组成，并分别有独立的污泥回流系统。AB工艺对BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率，一般均高于常规活性污泥法。其突出的优点是A段负荷高，抗冲击负荷能力强，特别适用于处理浓度较高、水质水量变化较大的污水，其主要弱点为产泥量较大，而且AB法工艺不具备深度脱氮除磷功能，出水水质尚达不到防止水体富营养化的要求。该工艺于80年代初应用于工程实践，目前，国内已有多家城市污水处理厂采用了AB法工艺^[35]。

4.2 AB法工艺的机理

AB法的A段去除污水中非溶解性有机物的效率很高。A段能充分利用原污水中繁殖能力很强的微生物并不断进行更新，Bohnke^[36]认为A段主要通过絮凝吸附作用去除BOD，而靠氧化分解去除BOD所占比例较小。中国市政华北设计院结合某城市污水处理工程所作实验表明^[37]:A段中絮凝去除占A段BOD去除的65%左右，增殖导致的去除约占35%。增殖作用去除的BOD基本上是溶解性BOD。A段对有机物的去除不是以细菌快速增殖降解作用为主，而是以细菌的絮凝吸附作用为主。当它们进入A段曝气池后，在A段原有菌胶团的诱导促进下很快絮凝在一起，这种絮凝体具有较强的吸附能力和良好的沉降性能。

B段曝气池是AB法工艺中的核心部分，它的状态好坏与否将直接影响到出水水质，B段去除有机污染物的方式与普通活性污泥法基本相似。B段去除有机污染物的机理主要以氧化为主，而高级生物的内源呼吸作用要比低级生物强，所以B段产生的剩余污泥量很少。刘晓强等^[7]通过试验证明，B段和一级活性污泥法的污泥负荷相同时，其污泥量仅有一级法的1/4～1/3，同时由于B段内原生动物和后生动物对其他微生物的吞噬作用，当污泥浓度相同时，B段的污泥龄要比一级法的污泥龄长。

4.3 AB法工艺的局限性

4.3.1 AB法工艺的脱N效果

AB法工艺的A段对污水中有机物的去除率一般高于对氨氮的去除率，这样，污水经A段处理以后，出水BOD₅/N值降低，从而有望增大硝化菌在B段活性污泥中的比率和硝化速度。这对于系统硝化作用的完成是有利的。但是AB法工艺仅完成了硝化功能，虽然可去除氨氮，但硝酸盐的存在依然会导致水环境的污染。常规AB法工艺的总氮去除率约为30%~40%，其脱氮效果虽较传统一段活性污泥法好，但出水尚不能满足防止水体富营养化的要求。

当需要AB法工艺去除总氮时，就必须进行反硝化。一般认为两段活性污泥法往往不能达到满意的反硝化效果，因为进入第二段曝气池污水中的有机物含量过低，不利于反硝化的正常进行。反硝化所需的BOD₅/N比值，根据反硝化方程式可知，每去除1 mg的氮至少需要2.86 mg的氧，所以理论上BOD₅/Nge;2.86才能保证反硝化的顺利进行。Bohnke对德国多家AB法污水处理厂的研究认为，这个结论对于传统的两段活性污泥法系统可能是合适的，但对AB法而言，污水经过A段处理后，大部分的不溶解性物质通过吸附、絮凝和沉淀而被去除，而那些相对容易降解的溶解性物质其相当一部分流过A级，进入低负荷B段。而且，当A段以兼氧方式运行时，污水中长链的难分解的基质可被打开分解成短链的化合物，即某些难生物降解的有机物能在兼氧条件下转化成易降解物，从而改善A段出水的可生化性，有利于B段的反硝化作用以及对有机物的进一步去除，据此认为低负荷的B段能有效完成硝化功能，同时对反硝化来说亦有足够易生物分解的、主要以溶解态存在的有机物。因此，A段出水BOD₅/N比值在3左右就足以保证反硝化效果^[36]。

迄今为止对于BOD₅/N值为3就足以保证反硝化的问题尚有争议，因为上述比值仅是理论值，不少学者认为进行反硝化所需的BOD₅/N值，不宜＜4~5。Bohnke教授的关于污水经A段处理后的BOD₅/N比值仍能满足反硝化要求的结论，是在对多家德国AB法工艺污水处理厂调研的基础上得出的。那么，该结论是否适用于我国城市污水的水质呢？这是一个值得研究的问题。

4.3.2 AB法工艺的除P效果

根据有关文献报导^[37]，AB法的除磷效果明显高于传统一段活性污泥法。当A段按好氧状态运行时，A段的磷去除率可达到35%～50%，是常规一段活性污泥法的两倍以上，常规AB法工艺过程磷的总去除率可达到50%～70%^[38]。AB法工艺对磷的去除一般认为主要是依靠A段的絮凝吸附作用，一般城市污水中约30%的总磷是以悬浮(胶体)状态存在的，随着生物絮凝吸附作用的发生，大部分不溶解性磷和部分溶解性磷可以得到去除;也有研究者认为A段中存在聚磷菌，聚磷菌超量吸磷对磷的去除起一定作用，主要依据是溶解氧浓度的变化对A段除磷有很大影响，这与除磷菌的除磷特性相一致，理论基础是取消初沉池后，原污水中的微生物实际上是在厌氧/缺氧(沟渠或管道)和好氧(A段曝气池)选择性环境下生长，而这种环境非常适于聚磷菌的生长，当污水进入A段好氧环境后，可出现较明显的过度吸磷特征^[38]。A段是否存在聚磷菌过度吸磷作用还需进一步研究确认。污水经过A段处理进入B段后，通过微生物机体的合成可进一步去除部分剩余的磷。

与AB法工艺对氮的去除相似，虽然常规AB法工艺对磷的去除率高于传统活性污泥法，但是出水磷含量一般达不到现行污水排放标准，无法满足防止水体富营养化的要求。

4.4 AB法应用前景

我国经济发展迅速，水资源是经济发展的重要基础，提高水资源的利用效率不仅是经济发展的需要，同时也是人类生存发展的基石。经济发展的同时，环保技术也在不断发展，以便为保护自然环境。污水处理作为环境保护中重要的一项技术，也在不断的发展，各种不同的技术也在不断的应运而生，促进了污水处理技术的发展^[39]。

水资源短缺是当前世界面临的重大问题之一，AB污水处理工艺已在世界各地得到较大规模的应用，具有良好的处理效果，并得到了一致的认可。AB污水处理工艺适用范围广，不仅能够处理生活污水，同时也适宜处理工业污水，而且不同类型的工业污水均取得了良好的效果。目前在我国已经有数十家以AB为主体工艺的污水处理厂，对其的研究不断深入，同时对其的运行条件、参数控制也有了更深的了解，积累了很多的实践经验。随着工业污水类型的增多，污染性质也在不断变化，AB法不断发展，不再单独进行污水处理，多种AB法的结合工艺和衍生工艺出现，将有更多的AB法形式应用于实际当中，已解决更多的污水处理问题^[40]。

1. 结语

食品生产废水处理应用气浮—AB法，气浮法与普通沉淀法相比，具有气浮时间短、去除率高、应用范围广的优点，而AB法由于有各自独立的污泥回流系统，能够培养出各自适合本级水质特征的微生物菌群，处理效率高，出水水质好，可根据经济实力分期建设。处理后的COD，BOD₅，SS，等都能满足国家污水排放的标准要求。从物质循环、环境保护和基建投资方面考虑，采用气浮—AB法的污水处理方式，可取得良好的生态效益、环境效益和经济效益。

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资料编号：[597827]

气浮-AB工艺及食品生产废水的处理技术研究进展

摘要：我国作为粮食生产大国，食品产业的规模十分庞大，市场中占有重大比例，随着经济技术的发展，我国的食品加工行业也高速发展。食品产业原材生产涉及到原材洗涤、浸泡、酿造、消毒、生产设备清洗等过程，大多数食品加工设施出水都具有高浓度的COD、BOD₅ 、NH₃-N、SS等物质，直接排放废水会对环境造成严重影响。本文综述了食品行业中含油废水的处理现状，总结前人在气浮及AB工艺方面的最新研究成果，探究其应用前景及局限性，为将来食品行业处理高浓度含油废水提供理论依据。

关键词：食品生产废水；气浮；AB法工艺；含油废水

1. 引言

食品工业废水是指食品工业中产生的废水，因其通常有很大排放量，成为污染我国水环境的主要因素之一。食品加工业包括乳制品、零食、糖果、饮料和酿酒厂等各种行业。这些行业的废水来自不同途径，如生产、清洁、消毒、冷却和材料运输^[1]。大多数食品加工设施出水都具有高浓度的COD、BOD₅、NH₃-N、SS等物质，直接排放废水会对环境造成严重影响。依据资料统计，食品工业废水在轻工业行业中污染浓度排名量位于第二，COD排放量占我国总排放量的11%^[2]。废水的特性对选择要对其进行处理的类型起着重要作用^[3]。食品加工业的典型特征见表1^[4-6]。

Table 1 Characteristics of a typical food processing industry

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