糖蜜酒精废水两相UASB处理工艺的酸化段特征.doc

糖蜜酒精废水两相UASB处理工艺的酸化段特征两相厌氧消化法是根据参与酸性发酵和甲烷发酵的微生物不同，分别在两个反应器内完成这两个过程的方法。但二相厌氧生物处理工艺自1971年提出以后，由于学术界大多认为相分离会破坏厌氧发酵过程中各类菌群之间的协同作用，会对厌氧发酵产生不利影响，因此这一研究发展缓慢。目前，许多研究表明该法在处理富硫酸盐有机废水是有效的1-4。为了探讨二相厌氧UASB工艺处理糖蜜酒精废水的相分离特性，本文对产酸相的效能、运行状况、有机物的去除及微生物群体的组成等方面作了研究分析。1试验装置及方法1.1试验装置本试验酸化段UASB反应器采用有机玻璃管制成，内径15cm，高2m，总有效容积为28.5L，其中三相分离器容积为4L，高度方向上每间隔10cm设置一个采样口，以观测反应器中的情况。反应器夹套水保温在352左右。处理水经计量泵由底部进入反应器，在反应器顶部溢流出水。产气经脱硫后，由湿式气体流量计计量产气量。出水进入下一段处理装置。1.2接种污泥接种污泥采自酒精厂EGSB反应器高温处理玉米酒精糟液的颗粒污泥，污泥浓度18.8g/L，VSS/SS为0.93，接种量为18L。1.3废水性质本试验用水来自广西某糖厂的糖蜜酒精糟液，其水质特征如表1所示。表1原水水质指标水质指标数值水质指标数值TOC(mg/L)46258pH值4.2COD(mg/L)123971SO42(mg/L)5234NH3N(mg/L)24.8TKN(mg/L)1848色度(倍)50001.4分析项目及方法 TOC：TOC-10BpH：精密pH计碱度：滴定法挥发酸：气相色谱法硫酸根：重量法硫化物：离子选择电极法1.5试验条件控制试验中，原水经过稀释后进水。通过调节进水流量来控制进水COD容积负荷；通过加入Na2CO3调节pH值；实验中不再另外加入各种营养盐。2结果与讨论2.1试验结果在最初的15d里，进水TOC控制在10000mg/L左右，但去除率直线下降。调整进水TOC至6000mg/L，连续运行50d，负荷逐步提高，去除率逐渐上升，到第60d，稳定在30%左右，同时，产气量也上升至80L/d。继续提高进水浓度，到第87d，达到17000mg/L，容积负荷达到30kgCOD/m3，系统仍能正常运行，去除率在35%以上，产气达到100L/d以上。试验中，即使SO42-1600mg/L,出水中的硫化物也只有80mg/L，所以在本试验中没有发现H2S的抑制作用。酸化段的SO42-去除率在70%左右。根据气相色谱检测，酸化段产气中，CH4和CO2组分各占50%，证明在酸化段中，也发生产甲烷反应。另外，随系统运行，体系的缓冲能力增强，系统的稳定性较好，即使进水pH在5.2左右，出水pH一直维持在7.7。2.2酸化反应器的运行效能分析一般认为，厌氧生物处理的限速步骤是产甲烷阶段，但现在已经认识到产酸阶段对厌氧生物系统的成败也起着关键的作用5。一方面产酸相发酵速率要快，并尽可能消除由于有机酸的大量产生而抑制或阻碍了产酸菌的活性；另一方面，因为产酸相的发酵产物将作为甲烷相的底物，所以提供易于被产甲烷菌利用、并且减少丙酸含量和可能转化为丙酸的底物，是保证产甲烷相高效、稳定运行的重要因素。2.2.1酸化率酸化段是将污水中大分子和不易生物降解的有机物降解为易生物降解的小分子有机物。酸化过程是溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物的过程。研究结果表明，酸化的末端产物的组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。对两相厌氧处理的第一步，糖作为主要底物，则末端产物将是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氢气的混合物。本试验用水为糖蜜酒精废水，基质中糖的含量很高，达20g/L，糖为主要底物之一，一级UASB反应器的操作控制按酸化反应器运行条件运行，试验进程中挥发酸测定结果列于表2。结果显示，出水中挥发性脂肪酸有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸四种，其中乙酸和丁酸的量最大，乙酸最高达3796mg/L，丁酸达4436mg/L，挥发酸的浓度与进水TOC浓度有相关性。原水中已含有较高浓度的挥发酸，其中乙酸浓度在1000mg/L以上，如果扣除进水挥发酸后计算酸化率，则酸化率数值较低，基本上都小于30%，且该数值波动较大，这可能与进水水质波动有关。但出水挥发酸却能占总TOC的50%，尽管该值有所波动，但基本上仍算比较稳定。这一数值说明，对糖蜜酒精废水酸化率在50%左右，较好时能达到70%。此外，据试验推断当酸化末端产物挥发酸的浓度达到一定数值后，酸化过程很难再深入进行。对于本试验乙酸、丁酸最高浓度均能达到占进水TOC的30%，但二者不能同时达到最大值。表2酸化反应器挥发酸测定结果日期1999年进水mg/L出水mg/L酸化率%挥发酸百分率%乙酸丙酸丁酸戊酸乙酸丙酸丁酸戊酸6.3053816922270324571368715217.923.07.2754370134862836281325398565530.345.97.6111557811525903794919443656236.256.47.12235321591450959235316252133826033.77.1446922312215135392151209693936.966.77.20148910398325853796192419269928.359.97.221902123110937643173171846972813.149.17.242370141013727993153188192682010.159.17.27162793730156929311966106678327.5955.98.2246622381119639275917879306572.350.88.711488522464683036252665362733.656.48.2710579632521561165228237239511.636.18.3117372026507315180321175163240.641.29.8222514705652801985400020050512.027.69.17208419555001582545561166815822.133.09.2516421521783937279351461523222117.830.2注：酸化率=（TOC出-TOC进）/TOC总TOC出：出水中挥发酸折合的TOC，TOC进进水中挥发酸折合的TOC，TOC总：进水中总TOC；挥发酸百分率=出水中挥发酸折合的TOC/进水总TOC2.2.2酸化段TOC的去除率、产气量及微生物群体组成分析 本试验最初酸化段对TOC虽有去除，但去除率不大，仅在10%左右，产气量也不大。但随着运行时间的延长，反应器对TOC的去除率开始增加，最后稳定在40%左右，单位体积产气量逐渐增加，酸化段产气中，CH4约占气体组成的50%，这可能是反应器内产甲烷菌已适应了环境，活性增加，从而消耗更多的乙酸来产生甲烷，从而使乙酸浓度降低，丁酸进一步水解产生的乙酸可补充一部分削耗掉的乙酸。试验结果表明乙酸下降程度要比丁酸小得多。TOC去除率及单位体积产气量见图1。图1TOC去除率、产气量与运行天数的关系本试验结果是，随着系统运行时间的延长，TOC的去除率及产气量有加大的趋势，说明产甲烷菌的数目在加大，并且二者有较好的相关性。稳定运行后，酸化段TOC去除率趋于稳定，为40%左右，单位体积产气量稳定在5.0L/d。微生物的厌氧发酵过程呈阶段性5,6，参与整个厌氧发酵过程的微生物也因代谢功能不同分为水解、发酵细菌，产氢产乙酸细菌，同型产乙酸菌，产甲烷菌等主要菌群。根据试验结果和资料分析711，对二相厌氧消化过程中各大菌群的分布提出如图2所示的示意图。图2二相厌氧消化过程中各大类菌群的位置示意图。由图2可见通过动力学控制实现相分离并不意味着产酸发酵菌群与产甲烷菌群的完全分离。如Gil-Pena12的研究结果表明在酸化反应器的厌氧污泥中，产甲烷菌含量约为104个/毫升。表3是张录等10人的研究结果，从表3中可以看出，二相厌氧生物处理系统并未将产酸微生物与产甲烷微生物截然分开，只是通过对有关运行参数的控制限制了产酸相中甲烷菌的增殖，强化了水解发酵菌群功能。因此，在产酸相中仍含有一定数量的产甲烷菌，由于产甲烷菌也消耗有机物，所以酸化段可以对COD有一定的去除率。表3产酸槽与产甲烷槽各菌群计数结果菌群计数蛋白质淀粉纤维同型产乙由丙酸产氢由丁酸产氢产甲烷菌个/毫升分解菌分解菌分解菌酸细菌产乙酸菌产乙酸菌产酸槽5.21041.91071.71032.71081.8103.61031.9105产甲烷槽9.01041.81074.11034.71071.61021.81026.61063结论3.1酸化段的容积负荷达到30kgCOD/m3时，系统仍能正常运行，TOC去除率在35%以上，酸化段的SO42-去除率在70%左右。3.2糖蜜酒精废水酸化率在30%以下，出水挥发酸却能占总TOC的50%左右，较好时可能达到70%。当酸化末端产物挥发酸的浓度达到一定数值后，酸化过程很难再深入进行。对于本试验乙酸、丁酸最高浓度均能达到占进水TOC的30%，但二者不能同时达到最大值。3.3两相厌氧生物处理系统并未将产酸微生物与产甲烷微生物截然分开，只是通过对有关运行参数的控制限制了产酸相中甲烷菌的增殖，强化了水解发酵菌群功能。因此，在产酸相中仍含有一定数量的产甲烷菌，由于产甲烷菌对有机物的消耗，所以酸化段可以对TOC有一定的去除率。陶瓷工业废水的净化回用工程1工程概况 在生产陶瓷的过程中会产生一部分泥浆废水，废水中的悬浮物主要是粒径150m的固体颗粒,其中具有很强的分散性且粒径10 m的微细颗粒比例很大。由于各陶瓷厂管理水平差异较大，车间布局乃至排水管道、沟渠的坡度、长短不同，造成各厂之总排水口陶瓷废水的悬浮物浓度普遍为1 0001104 mg/L左右，淤塞市政管道，污染水体，必须治理。沈阳陶瓷厂用水量为100104 t/a，以自备深井水源为主。排水量为80104t/a，其中属污染较重的陶瓷工业废水为20104 t/a，主要污染物为悬浮物，浓度为5001000mg/L。针对该厂的废水水质，提出以陶瓷废水高效净水器和陶泥螺旋卸料沉降离心机为主体设备的综合治理方案，除了能够使污染物得到治理以外,还可以使宝贵的水资源、陶瓷泥浆回用于生产。经与厂方共同确认，进入废水处理站的废水量Q=25m3/h，SS=5001000 mg/L。陶瓷废水处理流程见图1。2处理机理高效陶瓷废水净水器由通常称之为一元化净水器的设备发展而来，依陶瓷废水的性质和特点，其结构尺寸、运行参数有所变化，但是混凝反应、斜板沉淀和双层滤池过滤的机理相同。2.1 净水器的混凝机理陶瓷软质料以高岭土为主，经石磨机(俗称水碾子)中碎和湿式球磨机微碎处理后，在水中分散为微米级负电荷胶体。废水中胶体颗粒虽然作布朗运动，但彼此并不能碰撞、接触、聚集而沉降，主要原因在于它们带有同性电荷、胶体微粒间的静电斥力和水化膜。即使不受这种凝聚稳定性的影响，由于固体颗粒在水中的沉降速度遵从斯托克斯定律，大量直径为25m的固体颗粒的沉降速度也是极其缓慢的。一旦加入絮凝剂电解质，压缩胶体结构的双电层，就会导致胶粒间相互凝聚脱稳，分散污泥形成矾花，粒径加大到肉眼可见的毫米级，才能大大改善沉降性能。根据混凝机理，电解质的凝聚能力大约与离子价数的六次方成正比。要达到同样凝聚效果,1价、2价、3价正离子投加量之比约为729641；要使负电荷胶体脱稳，所需高价正离子远比低价正离子有效。只是必须注意，如果三价铝盐等高价正离子投加量过多，由于物理化学诸多作用影响，使胶核表面吸附过多正离子，同样会使胶体带有同性电荷，需重新稳定,从而不能形成易沉降的矾花，影响悬浮物去除效果。2.2 变速波纹板混凝反应器常规混凝反应构筑物的反应时间需20 min，容积较大，难以实现小型化、设备化。变速波形板反应采用两两相对的正弦波形板约束水流，其加工工艺保证了水流通道忽宽忽窄，流速忽缓忽急，不断产生涡流，加强了混凝反应的效果。同时，水在反应器中，由开始流经等宽度的波形板所形成的单通道，进而扩大为双通道，到最后的四通道，使水流平均流速按V00.5V00.25V0规律变化，此乃使悬浮物颗粒经混凝反应所形成的矾花能够随着进程逐渐长大而不致破坏的重要技术措施(见图2)。陶瓷废水高效净水器的体积只有常规混凝反应构筑物的25%30%，相对于平面布置的重力流构筑物而言，由于采用了压力流，使之能按立体化、小型化、设备化设计制造，并便于室内安装。沈阳陶瓷厂高效净水器的处理水量为25 m3/h，混凝反应器在正常负荷下停留时间为6min,而通常可以在过负荷20%的工况下即Q=30m3/h下运行,停留时间为5min,出水亦可保证正常。变速混凝反应器制造尺寸为2.25m0.45m2.4 m,与斜板沉淀器和自反冲过滤器集成为“一元化”净水器，十分紧凑。2.3 纵向波纹斜板沉淀器将斜板加工成纵向平直、横向成正弦波形状，安装倾角为60。布水管在下，集水管在上，为逆向流斜板沉淀。通常逆向流动的水流与泥流界面相互紊动有使分离效率降低的弊端，而纵向波纹形斜板可以使沉泥在向下滑的同时也会沿波纹弧面向两侧更低处滑动，泥流复合运动的结果是偏向波纹板两侧波谷向下流动，进而被收集到斜板组两侧凹槽下面垂直相对的集泥槽中。布水管居中均匀布水，与污泥各行其道，互不相扰，巧妙地提高了分离效果(见图3)。集泥槽下的集泥斗设计成左右不对称而且偏向两侧的形状用以接受沉降污泥，从而较大地缩短了排泥管长度，减小了阻力。2.4 自反冲双层滤池净水器前端并列四个双层滤池，由排列有序的进水阀和排污阀操作，布水装置由穿孔管和多孔布水板两次匀速，在四个滤池同时顺流过滤过程中，可以充分发挥滤层作用。自反冲过程是关闭需要反冲的滤池进水阀门，在开启该滤池排污阀门的同时，关闭净水器的总出水阀门。这样，其他三个正在顺流过滤的滤池底部净水区的净水只能反方向通过反冲滤池，携带大量污泥由排污管排出。每格滤池反冲洗时间为35 min左右，排污管出水清如净水时即可转换阀门，继续冲洗另外的滤池。通常情况下每班反冲一次，反冲过程方便、快捷、彻底。利用双层滤料过滤技术，级配合理的双层滤料可以大大增加滤层的含污率，减少反冲次数，提高过滤速度，减小设备体积。用简单的蝶阀操作可以实现自反冲，使多格滤池实行交替反冲、连续工作，从而省却了反冲水箱及反冲泵等配套设备。3技术对策3.1 絮凝剂用量陶瓷泥浆生产工艺在中碎工序添加了增浓剂，泥浆分散均匀了，废水却因此更难以沉降。采用烧杯试验方法，或者用成型多杯试验仪器，确定絮凝剂的投加量，是陶瓷废水处理工艺长期稳定运行的重要措施。经过筛选、测试，确定该厂废水的聚合氯化铝投加量在2030 mg/L范围内，通常可以使出水SS20 mg/L,满足回用于湿磨工序用水水质的要求；如果处理水直接排放，悬浮物指标按辽宁省第二级第三类水域（SS150 mg/L）标准，聚合氯化铝按加药量下限1015 mg/L投加即可。需要说明的是试运行期间曾经试验不添加絮凝剂，即便使用高效净水器，出水也十分混浊，SS远远超过150 mg/L，可见陶瓷废水细微固体颗粒确实具有很强的凝聚稳定性和穿透能力。3.2 排气阀门和视盅陶瓷废水反应器的波纹板用2 mm厚PVC板热塑成型、焊接制造，水流属于压力流，水流通道为折返式垂直向，立式设计，占地面积小。为避免运行中空气聚集在反应器上部，阻塞水流通道，采取了两项技术措施：一是陶瓷废水泵采用液下泵，减少进水管吸入空气的条件；二是在反应室顶部法兰盖水流折返位置设有四组视盅和阀门，用以每次设备启动之前的注水排气，视盅的设置便于观察操作。3.3 取样阀、注水阀和排泥阀由于反应器波纹板由2 mm厚PVC板焊接制造，两侧水位差若超过一定高度，波纹板将承受不了静水压力而开裂破损，因此运行前应该使波纹板反应器内外同步充水。检修时，如果需要放空设备中的水，也需要反应器内外各部位同步排水，为此采取三项技术措施：浮子流量计设置在净水器出水口之后，水质清澈，便于观察；而且浮子流量计之后的出水管设置高度要求超过净水器最高点高度，以便设备停机时保持满水位；在出水干管最高点设DN25取样管阀一组，除作为处理水取样管之外，还要