改良型UASB反应器处理甘薯酒精废液研究.doc

改良型UASB反应器处理甘薯酒精废液研究中国沼气Chinag2009,27(6)3改良型UASB反应器处理甘薯酒精废液研究杨俊仕,周后珍,李国欣,李旭东(中国科学院成都生物研究所,610041)摘要:本研究开发了一种新的工艺技术方法,采用改良型UASB反应器高效稳定地处理甘薯酒精废液获得成功.该反应器处理的甘薯酒精废液COD3672043890mg?L,SS837011400mg?L.在COD负荷高达28.8634.5kg?md一,中温条件下,COD去除率稳定在92%一93%,COD产气率0.55m?kg一.以上,SS去除率90.7%以上.关键词:UASB反应器;改良型UASB;甘薯酒精废液;高SS;高有机负荷;高去除率中图分类号:X703;$216.4文献标识码:A文章编号:10001166(2009)06000304StudyonTreatmentofDistilleryWastewaterfromSweetPotatobyImprovedUASBReactor/YANGJun.shi,ZHOUHou-zhen,LIGuoxin,LIXu-dong/(ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)Abstract:Anewprocess,thatdistillerywastewaterfromsweetpotatowastreatedhishefficientlyandstablybyanimprovedUASBreactor,wasstudied.Thechemicaloxygendemand(COD)andsuspendedsolid(SS)concentrationofthewastewatertypicallyrangedbetween3672043890and837011400mg?L.respectively.Undertheconditionofmesophilicdigestion,CODloadingrates(ORLs)of28.8634.5kg?md,CODremovaleffieieneieswerestably92%93%andthatofSSwerehigherthan9O.7%.BiogasproductionrateofCODwasupto0.55m-kg.Keywords:distillerywastewaterfromsweetpotato;improvedUASBreactor;distillerywastewaterfromsweetpotato;highsuspendedsolids;highorganicloadingrate;highremovalefficiency1前言上世纪七十年代以来,国际上出现了一批以滞留生物量,延长厌氧污泥泥龄为特点的高效厌氧反应器,上流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧内环流(Ic)反应器是其中最为典型的两种J.因其在较高处理能力时勿需专设沉淀,辅助脱气,机械搅拌和污泥回流等设备,这类反应器在国内外已得到广泛应用.但这类反应器的弱点是一旦进水中悬浮固形物(ss)含量超过4000mg?L,整个工艺就将遭到严重破坏而无法正常运行HJ.1984年,Guiot等人提出的复合厌氧反应器(UBF)是一种比UASB效率有所提高,能防止污泥流失的又一种高效厌氧反应器,但存在的问题依然是不能承受进水SS含量超过4000mg?L.甘薯酒精糟液与薯干酒精糟液性质相似,具有高有机浓度,高ss含量和粘稠度大等特点,采用机械离心分离对ss的去除率仅50%一70%.由于ss含量高,离心分离后的糟液只能采用落后的厌氧发酵工艺进行处理,因而水力停留时间长.也有作者介绍用UASB,采用高温发酵工艺,处理获得较高有机负荷,进水COD1200025000mg?L一,COD负荷可达到20kg?md,但须对糟液进行特殊处理,使SS含量降到10002000mg?L方可实现,其高昂的预处理费用在实际工程上是难以承受的.针对甘薯酒精糟液的特点和现行各种高效厌氧反应器对进水中SS都很敏感的明显弱点,本研究推出的改良型UASB反应器兼具厌氧序批式反应器(ASBR)和UASB的特点.ASBR是90年代由美国lowa州立大学RichardR.Dague教授等在厌氧活性污泥法】研究基础上提出并发展的一种新型高效厌氧反应器,其优点是可用于处理含高SS的废水-1,污泥不易流失,对污染物去除率高.其缺点是颗粒污泥培养过程需投加颗粒与粉末活性炭,有的报道还用化学絮凝剂等,为加强传质作用需设置收稿日期:2009-09-07修回日期:20090928作者简介:杨俊仕(1954一),男,实验师,主要从事环境保护科学研究与环境保护工程实践,E-mail:4中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)搅拌,反应器有机负荷相对较低,仅有极少报道COD负荷大于lOkg?md.UASB反应器的优缺点前已述及,此处不再赘述.本研究推出的改良型UASB反应器工艺技术方法在尽可能扬上述两种反应器之长的同时,又尽可能克两种反应器之短,在处理含较高sS酒糟过滤液时获得很高的有机负荷和污染物去除率,这一工艺方法目前国内外均未见报道.2试验材料和方法2.1试验用甘薯糟液试验糟液取自某甘薯燃料酒精中试发酵基地.糟液粘稠,富含可溶性有机物,悬浮固形物和氮磷营养物,由于采用浓醪发酵技术,糟液分析指标较文献H.J报道有一定差异.原糟液用粗布袋过滤后作为改良型UASB反应器进水.水质指标见表1.表1试验用糟液水质成分2.2分析方法糟液和厌氧发酵过程分析项目与方法见表2.表2分析项目与分析方法2.3试验装置改良型UASB反应器由原有UASB反应器改装而成.规格为H=18120cm,总容积3OL,有效容积22.9L,高径比为6.67:1,PVC管加工制作.改装后反应器保持原有水封,布水器,三相分离器和气室.变动之处有二,一是原出水管由反应器顶部改在气室下方,距反应器底部为65cm,距顶部为55cm;二是运行方式由连续进水改为问歇序批式进水.运行过程中由于静置沉淀后排水,可最大限度地提升反应器内污泥保有量.厌氧反应器示意图如图1._-_1.h一I1.改良型UASB反应器2.料液槽3.进料泵4.进料管5.气室6.出灶槽7.气路8l水封9.气体流量计10.取样管图1改良型UASB反应器工艺示意图2.4反应器接种物用城市污水处理厂脱水厌氧污泥作为接种物,按反应器有效容积58%一次性接人,污泥浓度为30g?L.接人前先沉淀去沙粒并过筛去杂物.改良型UASB反应器置于35C3温室.3试验结果与分析3.1反应器的启动与污泥培养反应器的启动与污泥培养以获得高活性和沉淀性能优良的颗粒污泥并降低运行费用为目标,本试验采取的具体措施如下述.3.1.1保障厌氧微生物的营养有人分析纠厌氧污泥含碳氮磷元素,常量元素和多种微量元素,从众多的研究文献报道看,培养高活性厌氧污泥必须在进水中补充一定的微量元素,以满足微生物新陈代谢之需.分析认为,甘薯作物可从土壤中吸收了各种元素,试验中除在污泥培养初期(一个月)在进水中加入了100mg?L的CaO外,没有补充其它元素.试验发现厌氧污泥活性很高,颗粒污泥能顺利形成.CaO加人时间不宜长,否则因污泥灰分含量高导致活性降低.3.1.2pH和碱度的控制试验废水pH低,有机酸含量高.发酵体系pH值低会严重抑制产甲烷细菌的活性,甚至使发酵完全崩溃.本试验中进水pH值在6.06.8,发酵液pH值始终维持在7.17.7之间.发酵系统维持一定的碱度可有效中和有机酸,并促使有机酸顺利转化为甲烷.周孟津等人认为-】叫碱度30008000mg?L时对高浓度有机酸废水处理十分有利.本试验进水碱度在8001000mg?L,随着有机氮转化为氨氮,有机酸的去除和硫酸盐还原菌的作用,使发酵系统碱度上升到31003600mg?L.中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)53.1.3进水SS的控制糟液过滤液SS浓度为837011400mg?L,这对厌氧颗粒污泥培养而言不是很适宜的,这是因为过多的悬浮固形物分解需要更长的时间,会延迟污泥成熟的进程.另一方面,悬浮固形物中总有一部分难以降解有可能会沉积于污泥颗粒中,使污泥中细菌数量减少,从而限制负荷的提高.因而在污泥培养的前期和中期(2个月),将糟液过滤液进行了沉淀以进一步去除粗颗粒物,使ss含量达到30005000mg?L作为反应器进水,运行到2个月已形成大量颗粒污泥后,改进水为不经沉淀的过滤液.当试验进行到95天时,颗粒污泥占污泥总量的50%一60%,颗粒粒径以13mm为多,反应器容积COD负荷达34.5kg?md,COD去除率达93%左右.为了考察高SS废水对反应器的长期影响,试验持续进行了10个月.完成污泥培养后,反应器容积负荷随进水COD的升降保持在28.8634.5kg?md范围,COD去除率保持92%93%的稳定状态,颗粒污泥呈黑色,表面光滑发亮,沉降性能很好,没有出现文献所述受ss冲击后颗粒污泥诸多性状都发生改变的现象.3.1.4反应器容积负荷提升的控制反应器容积负荷提升控制得当,既可以让反应器保持良好的工作状态,又可以加速厌氧污泥的成熟.根据试验进程,容积负荷提升分为3个阶段:缓慢提升段,稳步提升段和快速提升段.起始COD负荷为1.5kg?md,根据进水COD浓度和运行周期数提升有机负荷,运行周期数由1增加到4,进水COD值由7600mg?L增加到43890mg?L,HRT由122小时缩短至29小时.通过90多天的运行,容积COD负荷提升至34.5kg?133d.反应器容积COD负荷随运行时问的变化见图2.试验过程中及时测定发酵系统的工况参数,提升负荷前pH为7.17.7,VFA低于450mg?L.,COD去除率80%以上,碱度2000mg?L以上.试验中发现COD的去除率与反应器出水中VFA量有一定关系.在负荷缓慢提升期,出水VFA由450mg?L降到315mg?L,COD去除率由80.5%提高到85.2%;在负荷稳步提升期,出水VFA由315mg?L降到约85mg?L时,COD去除率逐步达到92%一93%;当到负荷快速提升时,出水VFA和COD去除率不再发生大的变化.COD去除率和出水VFA的变化见图3.3.2重要指标在运行周期内的变化SBR反应器作为好氧生物反应器之一,通过对图2有机负荷随运行时间的变化时间,天图3出水VFA与COD去除率关系相关设备的启闭,可将个处理周期清楚地划分为进水,反应,沉淀,排水和待机期.而在改良型UASB反应器运行过程中,其进水期,反应期,沉淀期和排水期与SBR反应器相比,有其相似一面,更存在差异的一面.现将发酵液VFA,COD,产气量和sS在同一周期内不同时段的变化情况列于表3.由表3可见,产气量与COD下降呈线性关系,从起始时间至2h是产气高峰期,COD下降也最明显;从第3h至第7h,产气量逐渐减少,COD下降趋势逐渐缓慢.原料COD产气率均在0.551TI?kg以上.由于进水后很快开始产气,难以区分进水期和反应期.VFA从起始时间到第2h几乎没有多大变化,这说明产甲烷菌在不断利用有机酸的同时,产酸菌又不断利用前体物质生成有机酸,因此COD在不断下降而有机酸没有多大变化.直到产酸菌作用的提前结束,VFA才逐渐下降.第3h产气量已明显衰减,但Ss到第5h才明显减少,由于反应器产生气体对污泥有扰动作用,因而sS的减少与产气量的减少相比存在滞后现象,造成反应期与沉淀期难以明确界定.本试验一个周期定为6h,此时产气量,COD,有机酸和ss都保持相对稳定.0544332211.E,>6中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)注:1.产气量起始时间以进水开始计;COD,VFA和ss以1O分钟进水完毕后3分钟计,此时因大量产气进水已在反应器内充分混匀;2定时取出样品立即放于冰水中止厌氧反应后测定COD,SS和VFA.改良型UASB反应器处理甘薯燃料酒精废液各项运行参数列于表4.表4改良型UASB反应器处理甘薯燃料酒精废液试验参数容积COD负荷/kg?md.容积产气率/m?mdCOD产气率/m.?kg28.8634.514.7219.3O.590.61气体组分/%CH4:6166,CO2:2933,其它:<64结果与讨论(1)改良型UASB反应器在进水ss含量较高情况下获得很高有机负荷的运行能力,有效克服了现行各种高效反应器对高ss进水很敏感的局限性.(2)通过95天对厌氧反应器进行启动和污泥培养,厌氧污泥已完全成熟,可进人高负荷运行.当进水COD为3672043890mg?L和SS837011400mg?L一,每天4周期运行,HRT29小时,COD负荷达28.8634.5kg?md,经过10个月的运行,反应器对进水ss不敏感,对COD去除率稳定在92%一93%,颗粒污泥各项性能保持稳定.(3)COD的去除率与出水VFA含量有一定的关系.在反应器启动初期,COD去除率相对较低,到负荷稳步提升期COD去除率提高幅度较此前为快.分析认为,细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统,其中不同类型的种群组成了共生或互生体系,有利于形成细菌生长的生理生化条件并有利于有机物的降解.污泥聚集体中不同类型的微生物以产酸菌发育较快,各种产甲烷菌发育滞后,因而出现启动初期出水VFA较高,随着产甲烷菌逐渐发育成熟,出水VFA逐渐降低,对COD去除率逐渐提升直至稳定.(4)厌氧反应器从启动到满负荷稳定运行往往经历漫长时间,有机负荷必须经历由低向高提升的过程.人们普遍认为,有机负荷刚提升后一段时间内,COD去除率会有所降低.本研究结果表明,每一运行周期的前期COD下降最明显,产气量处于高峰阶段.每一运行周期的中期,生物反应逐渐减弱,产气量,COD值,VFA量由衰减到基本稳定.每一运行周期后期,各项指标更加稳定.本研究中,当出水pH7.17.7,碱度3000mg?L以上,VFA低于100mg-L,原料COD产气率0.55m?kg以上时,可以每天提升有机负荷而COD去除率维持稳定,这是厌氧污泥较快培养成功的重要原因.参考文献:1MeCarty,PL.OneHundredYearsofAnaerobicTreatment,AnaerobicDigestion1981.Proc.ofthe2ndIn-ternationalSymposiumonAnaerobicDigestionG/Elsevier,Amsterdam,1982:322.2LettingaG,eta1.UseoftheUpflowSludgeBlanket(USB)ReactorConceptforBiologicalWastewaterTreatment,EspeciallyforAnaerobicTreatmemJ.BiotechnologyandBioengineering,1980,22(4):699734.3张忠祥,钱易.废水生物处理新技术M.北京:清华大学出版社.2004.4LettingaG,eta1.HighRateAnaerobicWastewaterTreatmentUsingtheUASBReactorunderaWideRangeofTemperatureConditionsJ.BiotechnologyandGenet-icEngineeringreviews,1984,2:253284.(下转第14页)14中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)项目,同时,探索出适合我国国情的农田碳贸易方法学.方法学的建立涉及到农田管理措施碳贸易项目的边界,确定项目基准线,分析额外性,评价泄露,探索出快速,可行,节约成本的方法和工具测量和监测方法.同时,要评估国家,区域层面的农业碳贸易的潜力和典型的农田项目,这就要开发合适的模型并运用遥感等技术,开发农业系统改进的和简化的采样技术来确定基准线和验证措施.3.3加强对农业CDM相关问题的深入研究首先,鉴于农业的减排措施多种多样,需要对其从事的农业CDM进行可行性研究,分析优势条件和障碍因素以及当地农民采取这种措施的可行性.同时,进行成本效益评价,找到农业碳贸易项目发展的优先序,实现最少的投入获取最大收益的发展目标.其次,加快农业碳贸易的总量与区域潜力评价.评估包括农田,畜禽养殖场,秸秆,农村沼气,能源作物,造林等在内的可能碳贸易量.同时,为方便国家布局农业碳贸易的重点方向与重点区域,有助于买卖双方就一定的农业碳贸易形成购买意向,减少交易成本,为将来从事区域性的农田碳贸易打下基础,需要对不同区域不同农业管理措施的农业碳贸易潜力进行评估.3.4大力宣传农业CDM,对相关人员进行专门培亩Il目前,中国国内对CDM了解的人还非常少,对于农业CDM项目的了解更少.为促进农业CDM项目的顺利开展,国家需要在能力建设上加大投人,要加强宣传力度,用科学发展观来认识农业CDM的重要性,宣传CDM给农户及企业带来的机遇,使农户和各级政府能够积极地投身到农业CDM项目的实施中.要加强对相关政府官员,企业和中介服务机构,农户的培训,建立培训项目实施及监测能力的长期制度,加强各方对CDM项目及其运行机制的认识和了解,并提供技术支持与指导,从而促进农业能够充分利用该机制,提高农业生产的竞争力.参考文献:1高广生,等.中国清洁发展机制项目开发指南M.中国环境科学出版社.2006.2/Projects/index.htm1.2009一O526.3陈颖健.合理利用碳交易,促进我国的节能减排J.科技导报,2007,25(20):85.4联合国开发计划署,国家发展和改革委员会.中华人民共和国气候变化初始国家信息通报EO/BO.ht_tp://modules.php?叩modload&name=News&file=article&catid=14&topic=21&aid=69&mode=thread&order=0&thdd:0.200411一o9.5Zachwilley,BillChameides.Hamessingfarmsandfor-estsinthelowcarboneconomyhowtocreate,measureandverifygreenhousegasoffsetsM.Dukeuniversitypress.2007.6DelgadoaJA,ShafferbMJ,LalcH,eta1.AssessmentofnitrogenlossestotheenvironmentwithaNitrogenTradingTool(N1Tr)J.Computersandelectronicsinagricul-ture,2008(63):193206.7王星,徐菲,赵由才,等.清洁发展机制开发与方法学指南M.化学工业出版社.北京.2008.8虞立琪.碳交易:环保的第三条道路J.商务周刊,2006,46:5659.(上接第6页)5GuiotSR,VandenBergL.Performanceandbiomassre.