上流式多级厌氧反应器处理糖蜜酒精废水的运行特性.pdf

上流式多级厌氧反应器 处理糖蜜酒精废水的运行特性 ＊ 周敬红 1 兰 雯 2 叶 凡 3 王双飞 1 1.广西大学轻工与食品工程学院, 南宁 530004; 2.柳州市九州环保技术咨询有限公司, 广西 柳州 545006; 3.广西环境保护科学研究院, 南宁 530022 摘要 采用自主研发的上流式多级厌氧反应器 UMAR 处理糖蜜酒精废水, 研究 UMAR 的运行特性。 研究结果表明 UMAR 在水力停留时间为7. 1 h, 进水 ρ COD 为10 000 mg L, 有机负荷为 17. 6～ 33. 8 kg m3d 时 COD 去除率均高于 75, 最高可达 81。UMAR 反应器对进水负荷的冲击有良好耐受能力, 运行稳定。 关键词 UMAR 反应器; 糖蜜酒精废水; 厌氧处理; 运行特性 RUNNING PERANCEOF TREATING MOLASSES ALCOHOL WASTEWATER BY UP-FLOW MULTISTAGE ANAEROBIC REACTOR Zhou Jinghong1 LanWen2 Ye Fan3 Wang Shuangfei1 1. School of Light Industrial and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Jiuzhou Environmental Technology Consultant Co . , Ltd in Liuzhou, Liuzhou 545006, China; 3. Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530022, China Abstract The perance of up-flow multistage anaerobic reactor UMAR treating molasses alcohol wastewater was investigated. The result of the experiment was as below the removal rate of CODwas over 75when hydraulic retention time HRT was7. 1 h, influent COD concentration was up to 10 000 mg L, and organic loading was 17. 633. 8 kg m3d .The experiment shows that UMAR system is effective to resist influent impact and has a steady operation. Keywords up -flow multistage anaerobic reactor; molasses alcohol wastewater;anaerobic treatment; running characteristics ＊广西科技厅科技创新能力与条件建设项目资助 桂科基 0639002 ; 广西科学研究与技术开发计划 桂科攻 0782003 -6 。 0 引言 上流 式 多 级 厌 氧 反 应 器 up-flow multi-stage anaerobic reactor , UMAR 是广西大学环保科学研究所 根据内循环和分级处理的原理 ,自行设计研制出的高 效厌氧生物反应器, 目前该技术已获国家专利 。 糖蜜生产酒精过程产生大量的废水, 每生产1 t 酒精要排放15 t左右的糖蜜酒精废水, 糖蜜酒精废水 是一种高浓度 、棕黑色的酸性有机废水, COD、BOD5 浓度和色度都很高。目前缺乏经济有效的处理技术, 急需研究开发新的处理技术。本研究采用 UMAR 反 应器对糖蜜酒精废水进行处理 , 取得良好的处理效 果,初步探明了其运行特性,为实际应用提供了依据。 1 实验设备与方法 1. 1 UMAR反应器的结构 UMAR反应器由有机玻璃制成, 反应器总容积为 12. 6 L ,主体高度1 120 mm , 反应器不同高度设有取 样口 ,可以对反应过程进行实时监测 。如图 1 所示。 1进水箱; 2加热器; 3搅拌器; 4蠕动泵; 5UMAR 反应器; 6水封器; 7湿式气体流量计。 图1 工艺流程 37 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 1. 2 实验废水水质 糖蜜酒精废水水质变化较大, 废水 ρ COD 60 000～140 000 mg L ,ρBOD5 30 000～ 70 000 mg L,实验所用废水取自广西蒲庙糖厂 , 表 1 为实验所用糖蜜酒精废水水质情况 。 表 1 糖蜜酒精废水的水质 pH COD mg L- 1 BOD5 mg L-1 TN mgL- 1 TP mgL- 1 SO2- 4 mgL- 1 SS mgL- 1 色度 倍 浊度 度 4. 4134000524085 256945 200 3898～ 7137 50002 941 由表 1 可知 ,废水 ρ BOD5 ρ COD 为 0. 39, 表 明此废水可生化性较好。废水的 ρ COD ∶ ρ N ∶ ρ P 约为 350∶ 15∶ 0. 27,碳源 、 氮源充足, 但磷源不足, 因此在实验中按照 ρ COD ∶ ρ N ∶ ρ P200∶ 5∶ 1 的比例补充适量的磷源 , 并用 Ca OH2调节 pH 值, 同时可以去除部分硫酸盐 。 1. 3 接种污泥 接种污泥取自湖南某纸业有限公司造纸废水处 理系统的厌氧反应器, 污泥的最大比产甲烷活性为 0. 964 g g d ,TSS 为72. 9 g L ,VSS 为60 g L , 接种量 按VSS 计为22 g L 。 1. 4 实验方法 实验采用控制进水 COD 浓度和水力停留时间 HRT 的方式来逐步提高容积负荷和水力负荷 ,整个 过程由驯化期、启动期 、负荷提高期、浓度冲击负荷 期、 二次启动期 5 个阶段组成,历时225 d 。 驯化期 接种污泥用葡萄糖进行激活后 ,采用逐 步增加糖蜜酒精废水比例的方法进水 , ρ COD 为 3 000 mg L ,COD容积负荷从3 kg m 3d 开始逐渐提 高,当 COD 去除率达到 80,出水 pH 在 6. 7～ 7. 1 稳 定2 d左右后提高进水负荷 ,这一阶段 COD容积负荷 可达4. 6 kg m 3d 。 启动期 进水 ρ COD 为4 000 mg L左右, COD 容 积负荷从6 kg m 3d 开始 ,历时38 d, 结束时 COD 容 积负荷达11 kg m 3d 。 负荷提高期 进水 ρ COD 为4 000 mg L左右, 以 流量调节水力负荷,COD 容积负荷从14 kg m 3d 开 始,结束时可达28. 6 kg m 3d 。 浓度冲击负荷期 进水 ρ COD 由5 200 mg L开 始至结束时为12 000 mg L , 相应的 COD 容积负荷为 17. 6～ 40. 5 kg m 3d ,HRT 为7. 1 h ,运行50 d。 2 结果与讨论 2. 1 UMAR反应器去除 COD 性能 反应器启动完成进入连续内循环阶段后 ,通过调 节进水流量 、 HRT 和进水 COD 浓度提高反应器的容 积负荷 ,考察 UMAR 厌氧反应器处理糖蜜酒精废水 的工艺运行特性及其影响因素, 探讨 UMAR 反应器 在糖蜜酒精废水处理方面的可行性。图 2 和图 3 是 反应器启动及运行过程中 ,进出水 COD 浓度 、容积负 荷与去除率的变化。如图所示 ,在驯化阶段和启动阶 段COD 容积负荷在 3 ～ 11 kg m 3 d , 出水 ρ COD 在500～ 700 mg L, 去除率在 80左右。在负荷提高 阶段和浓度冲击负荷阶段 ,采用逐渐增加进水量和加 大进水COD浓度来提高反应器的容积负荷 。在负荷 提高阶段, 进水 ρ COD 为4 000 mg L, COD 容积负荷 在 14 ～ 22. 9 kg m 3d 时 , COD 的去除率 75; 当 COD容积负荷达到28. 6 kg m 3d 左右时,COD 的去 除率虽然一开始会有一定程度下降, 适应3 d左右后 仍能够达到 68,稳定后出水 ρ COD 在1 200 mg L 左右。在浓度冲击负荷阶段,进水 ρ COD 在5 200～ 10 000 mg L, 即COD容积负荷 17. 6～ 33. 8 kg m 3d 时,去除率在 75左右 , 可见, 随着反应器运行时间 增长, 颗粒污泥中的有机成分和活性有很大提高, 微 生物更为成熟, 反应器受到较大的冲击负荷时, 仍具 有稳定而有效的运行特性及较高的处理效率。进水 ρCOD 达 到 12 000 mg L , COD容 积 负 荷 40. 5 kg m 3d 时 ,去除率下降较为明显,但适应一段 时间后仍可以达到 67左右 , 该反应器能够承受低 于40. 5 kg m 3d 的容积负荷。Harada 等[ 1] 的研究表 明,在实验室用单项 UASB 处理糖蜜酒精废水, 当 COD 有机负 荷达到 28 kg m 3d时, 去除率 只有 39～ 60,Yeoh 采用二相UASB 加热厌氧系统处理 COD负荷为5. 1 kg m 3d 的糖蜜酒精废液时 , 去除 率也只达到 63. 2 [ 2] 。可见 ,随着运行的稳定和污泥 的成熟 ,UMAR反应器对糖蜜酒精废水有较好的处理 图 2 反应器运行过程中进、出水COD 情况 38 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 图 3 反应器运行中去除率与容积负荷关系 效果 ,运行稳定 ,比 UASB 处理效率更高。 2. 2 反应运行过程中产气量的变化 在反应器启动运行的第 10 天左右, 可观察到内 循环出现 ,在第 20 天反应器出现连续稳定的内循环。 图4 为整个实验过程中容积负荷与平均产气率的关 系图。由图 4 可知 ,在驯化和启动阶段 ,容积负荷对 于产气速率的影响不大, 反应器的产气速率较稳定。 进入负荷提高阶段后 ,产气速率与负荷的变化一致, 虽然有时在一定范围内有波动 , 但总的发展趋势一 致。当进水ρ COD 为4 000 mg L , COD 有机负荷由 14 kg m 3d 增加到23 kg m3 d 时, 系统的产气速 率随着容积负荷的增加持续稳定上升 ,出水 pH 值为 7. 0～ 7. 2,VFA 保持在3 mmol L以下; COD负荷增加到 29 kg m 3d 时,产气速率下降 ,出水的 SS 也有明显 增加, 此时出水 pH 值为 6. 8 ～ 7. 0 , VFA 增 加到 5 mmol L左 右 。 在 浓 度 冲 击 负 荷 阶 段, 当 进 水 ρ COD 在 5 200 ～ 10 000 mg L , 即 COD 容积 负荷 17. 6～ 33. 8 kg m 3 d 时, 由于实验条件改变而产生 较大 波 动, 产 气 速 率 又 恢 复 上 升 趋 势, 达 到 0. 49 L Ld ; 进水 ρ COD 增加到12 000 mg L ,COD 负荷增加到40. 5 kg m 3d 时, 随着负荷的增高产气 速率又下降 ,此时测得VFA 为4. 3 mmol L, 出水 pH 值 为 6. 8 ～ 6. 9, SS 增 加 , 出 水 COD 质 量浓 度 从 2 400 mg L升高到4 000 mg L 。由此可知 ,UMAR反应 器对进水负荷的变化有较强的适应能力 。但是反应 器在生物量、生物活性一定的条件下 , 负荷有一定 限值 。 图 4 容积负荷与产气率的关系 2. 3 UMAR反应器运行过程中颗粒污泥性质的变化 接种污泥为黑灰色絮体, 沉降性差 ,有少量颗粒 污泥,粒径在0. 5 mm左右 , 结构疏松 ,容易破碎, 与周 围的 水 分 界 面 模 糊 , 污 泥 的 比 产 甲 烷 速 率 为 7. 26 mL h ,比产甲烷活性为0. 964 g gd 。启动结束 后,污泥的活性有很大提高 ,污泥的比产甲烷速率增 加到10. 7 mL h , 比产甲烷活性为1. 57 g gd , 反应 器中颗粒污泥的 VSS TSS 平均值由启动前的 82增 加到 88. 9,颗粒污泥的颜色变深, 有大量颗粒污泥 出现 ,反应器底部粒径趋于一致 ,直径 1. 0～ 1. 5 mm, 最大粒径可达4 mm , 污泥床上部污泥粒径较小 , 为 0. 5～ 1. 2 mm 。对颗粒污泥的扫描电镜镜检发现, 启 动前后颗粒污泥的生物相发生显著变化 。接种污泥 表面被大量丝状菌覆盖, 产甲烷球菌和短杆菌在内部 孔中 ; 启动结束后,颗粒污泥表面的丝状菌明显减少, 优势菌种为产甲烷球菌和杆状菌。由此可见 ,反应器 启动运行过程中 ,系统的污泥性能得到良好改善, 颗 粒污泥进一步成熟 ,活性达到较高水平 , 使反应器在 受到冲击负荷时可以保持稳定高效的处理效率。 3 结论 1 采用 UMAR反应器处理糖蜜酒精废水的实验 表明, 颗粒污泥成熟后,反应器可以在 COD 容积负荷 为 14 ～ 33. 8 kg m 3 d 稳定运行 , COD 去除率可达 75以上 ,且产气率明显增加 ,在该浓度范围内处理 的出水 ,可以不经稀释直接进行好氧处理 ,为缩短处 理工艺流程和达标排放打下良好基础。 2 UMAR反应器对进水 COD 浓度的升高表现出 较强的耐受能力 ,作为一种新型、 高效、 紧凑的生物反 应器 ,具有广阔的开发应用前景。 参考文献 [ 1] Harada H, Uemara S, Chen A. Anareobic treatment of a recalcitrant distillery wastewater by a thermophilic UASB reacter[ J] .Bioresource Technology , 1996 55 215 -221. [ 2] Yeoh B G.Two-phase anaerobic treatment of cane molasses alcohol stillage[ J] . Wat . Sci . Tech, 1997, 36 6 -7 441 -448. 作者通信处 周敬红 530004 南宁市 广西大学轻工与食品工程 学院 E -mail wangsfgxu. edu. cn 2008- 03-20 收稿 39 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期