USR-在养殖废水处理中的实验研究

第26卷第6期2007年12月天津工业大学学报JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITYVo1.26No.6December2007USR在养殖废水处理中的实验研究刘明轩，杜启云，王旭(天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300160)摘要:在中温35c条件下，考察了升流式固体反应器(USR)用于处理猪场养殖废水时的运行情况及影响因素，确定了合适的运行条件.实验结果表明，USR对COD的去除率可达90%，所产沼气中的甲:民含量可达60%;从而确定采用USR处理高浓度、高悬浮物的养殖废水是一种经济可行的方法关键词:升流式固体反应器;养殖废水;厌氧发酵中图分类号:X713文献标识码:A文章编号:1671-024X(2007)06-0036-03ExperimentalstudyonlivestockfarmwastewatertreatmentbyupflowsolidreactorLIUMing-xuan,DUQi-yun,WangXu(KeyLaboratoryofHollowFiberMembraneMaterialandMembraneProcessofMinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)Abstract:Anexperimentalstudyonpiggerγwastewatertreatmentispresentedbyupflowsolidreactor(USR)in35C.TheoperationandtheinfluencefactorabouttheUSRarestudied,andtheoptimumoperationconditionsonthesystemareensured.TheexperimentalresultsshowthattheCODremovingrateincreasesdto90%,andtheaverageamountofCH4is60%infiredanygotted.Itisaneconomicalfeasiblemethodtotreatthehighconcentration,thehighsuspensionlivestockwastewaterbyUSRKeywords:upflowsolidreactor;piggerywastewater;anaerobicfermentation当前畜禽养殖产生的废水对水体的污染负荷，正在成为比工业废水和生活污水更大的污染源.以猪场为例，其养殖废水属于高浓度有机废水[1，习，氨氮和固体悬浮物(55)的含量都很高.研究资料表明，猪场排放废水中BOD高达2∞0-8000mg/L,COD高达5000-20000mglL，且固体悬浮物浓度也超标数十倍.随着养殖场规模的扩大大量污水无法在周围有限的土地上消化完全而成为污染源对环境造成了极大危害.升流式厌氧固体反应器(U5R)是fam山n等人参照升流式厌氧污泥床反应器原理开发的，是目前最有发展前途的结构类型.它主要有以下优点:在垂直方向上具备塞流式推流的特点同时由于生物菌固体颗粒与污水的比重差异使反应器中下部的微生物浓度很高，大大提高了反应器的污泥停留时间(5RT)，从而提高固体有机物的分解消化速率;通过底部水管的进水，可实现均匀布水和搅拌一举两得的功效，有提高消化效果和克服短流现象;反应器设计深度都在4m以上，不仅克服了塞流面积/体积比值大的缺点，而且更符合水处理构筑物的深度;反应器不易结壳，底部容易设置泥斗将沼渣定期外排·反应器可以设计成圆形，不仅受力均匀，而且从水流体力学理论上而言，水力条件最佳.U5R可处理含固量达5%左右甚至达10%的废液[31.该消化器不需要污泥回流和兰相分离器，靠固体悬浮物的自然沉淀作用使5RT比水力停留时间(HRT)延长，从而提高了55的消化率.本文以猪场废水为例，对升流式固体反应器的运行情况及影响因素进行分析.1实验部分1.1升流式固体反应器(USR)及附属装置该反应器采用有机玻璃制成，高200cm，直径50收稿日期:2007-07-20作者简介:刘明轩(1982-)，男，硕士研究生;杜启云(1940-)，男，研究员，导师.E-ma且:[e-mail]文件使用pdfFactoryPro试用版本创建m阳fineprint.cn-37一cm，容积为392.5L.在侧壁高140、100、60cm处设有3个取样口，废水从下部抽入罐内，从上部距顶20cm处排出.微生物和固体悬浮物靠自然沉淀而滞留于消化器内，消化器底部设有排泥管可以排除多余的污泥和沉沙.所产沼气由导管从顶部经气水分离后流经气体流量计进行计量，如图1所示.数;TSSe为反应器出水的TSS质量分数;Vr为反应器体积;Dr为消化器内固体密度;Ve为每天出水的体积(等于进料的体积);De为出水中的固体密度.刘明轩，等:USR在养殖废水处理中的实验研究第6期实验结果与讨论2.1USR的运行效果在实验运行期间，USR中的日平均负荷和产气率的变化如图2所示.24.03.5~T3.0:'于2.5;ι2.0工1.5用1.0札E0.5J070。υ瓦U，、dA斗句、U句，岛'且AU(T?巳-3、四霄障思口。ω沼气流量计20304050运行时间/d图2COD负荷率，日产气量和时间的关系曲线图Fig.2CurveofCODloadrate,dailybiogasproductionandtime6010图1USR发酵装置示意图Fig.lSketchmapofUSRfermentdevice开始阶段，废水平均COD负荷1-2g/(L'd).发酵进行20d后COD负荷升至3.0gI(L'd)左右;30d后COD负荷升至5g/(L'd)左右，产气率也逐渐上升至2.0U(L'd)左右;35d时因排渣及降温，产气突然下降，但很'快回升;45d后负荷及产气率均不断上升;55d后负荷上升至6g/(L'd)左右，产气率上升至3.0U(L'd)左右.该实验在52d时，停止向USR反应器中进料，产气量在5d后升值最大，以后迅速降低.经检测，沼气中甲烧的体积分数达到60%.USR的后期运行过程中，进料COD在50000mg/L左右时，出水的COD为4000-5000mglL之间，平均去除率接近90%.2.2USR的SRT实验结束时3个取样点的TSSr分别为8.6%、9.2%、7.9%，平均为8.57%.在不排泥的情况下，当污泥充满消化器后TSSe=1.8%，Vr=370L,Ve=74L,Dr=86.3g/L,De=78.3g/L.可按(1)式计算出SRT=26.2d.结果表明，由于有了较长的SRT，固体物得到了较为彻底的消化，SS去除率较高，可达70%.2.3USR中pH的变化出水中的pH值变化由线如图3所示.产甲烧发酵细菌最适宜的生长pH为6.7-7.6，6.7以下和7.6以上都对产气有抑制作用.而产酸细菌对pH不如产甲烧细菌对pH敏感.猪场废水的pH值在7-8之间，实验开始阶段，pH值降低到7.0左右，这是因为厌氧产酸的缘故.后来pH值缓慢上升到7.31.2废水指标猪场废水各项指标如表1所示.表1猪场废水指标Fig.lIndexesofpiggerywastewater~~~V~…COD/%/%/(g.L叮肌pn/(g.L叮1.6-2.070.151.0-57.079.86.8277.6-98.0SCOD灰分木质素类脂蛋白质碳水化合物/(mg.L叮/(mg.L吵/(mg.L-')/(mg.L叮/(mg.L叮/(mg.L勺3120224.4180.160.3114.8420.4注:TS为总固体量:VS为挥发性固体:VSS为可挥发性悬浮固体:SCOD为可溶性COD从表1中可看出，猪场废水中SS的含量很高，可榕性COD(SCOD)只占总COD的5%，这也是采用UASB或BAF(曝气生物滤池)对猪场废水进行处理时运行不稳定、常发生浮渣和堵塞的原因.固体物质的降解是沼气产量的来源，在一定条件下，SS降解率与污泥停留时间呈正相关.1.3接种物及启动投料USR启动时所用的接种物为厌氧消化污泥，于392.5L消化器内投入接种物80L，其SS含量56.2g/L，挥发性固体含量(VSS)为37.4glL.投入接种物后，加入猪场废水230L，再加自来水至370L，发酵于35℃恒温室内进行.1.4USR的SRT计算反应器中的SRT根据经验可通过下式计算[41:SRT=[(TSS,)(VrxD,)]/[(TSSe)(VexDe)](1)式中，TSSr为消化器内总悬浮固体TSS平均质量分PIF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建m阳fineprint.cn38天津工业大学学报第26卷7,剧中国ιww~~~~运行时间/d图3pH值的变化曲线图Fig.3CurveofpHvaluechanges左右，这是由于进水的碱度稍高，而且猪粪废水中的蛋白质和尿酸含量较高，消化过程中产生的氨使碱度增加.所以中后期发酵液的pH值始终在7.0-7.5之间，保证了厌氧反应的顺利进行.2.4消化器中污泥的分布及排泥通过对猪场废水的分析，消化器中污泥分布见图4，最底部的55高达230g/L，因其砂砾较高，V55为75glL;高度20cm到60cm之间污泥的55在84.6glL左右，V55在53g/L左右;高度80cm时污泥的55锐减至20.5glL,V55为12.4g/L.由于5RT长，污泥沉降'性能良好，说明U5R适用于高55废水的厌氧消化.80t之ω到胃、飞、飞~\四飞、飞ss飞250200150于~mE301∞222050w.L..--'==-----oow~~WWOIWWOffiO~OWO高度/cm图4USR申污泥的分布曲线Fig.4DictributionofsludgeinUSR为了减少出水中55的含量，改善出水水质，应当使污泥的高度和出水口之间有一定距离.及时从反应器底部排泥，但每次排出的量不宜过多，以免影响消化反应的顺利进行.本实验在运行35d时一次排泥50L，排泥4d后，产气量恢复至原来值.3结论本研究工作得到如下结论:(1)在中温35OC条件下，以猪场废水作为原料，U5R运行55d后COD负荷上升至6g/(L'd)，产气率上升至3.0U(L'd)左右.随停留时间的增加，COD负荷和产气率也相应增加，但考虑在实际工程中的应用及成本问题，在工程中不能为获得更高的产气率而将反应器无限放大.经分析，认为U5R反应器运行条件控制在停留时间为15-20d，COD负荷为2.2-2.5gI(L'd)和产气率为1-2U(L'd)时比较适宜.(2)进料混合液中提高T5含量，有利于发酵进行，但是浓度过高会导致管线堵塞.通过实验，得到进料T5含量为6%-8%时发酵效果较好;在HRT=5d时，5RT=26d，55的去除率可达到70%.(3)运行期间U5R反应器不需要污泥回流，发酵液的pH值在7.0-7.5之间，适合甲烧菌的生长，不需外加条件调整.消化器底部的55和V55含量最高，分别可达到230g/L和75g/L，反应器应注意及时排泥.参考文献:[1]彭里，王定勇.猪场废水的生物处理技术及其效果[J].家畜生态，2003，24(2):67-70[2]汪植三畜禽舍粪便污水及废气净化的研究[J].农业工程学报，1995，11(4):90-95[3]胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术[M].北京:中国建筑出版社，2003:229[4]CHYONWEHDP.AnaerobicDigestionofBionmass[M].NewYork:ElscviersciencePublishingCoInc,1987PIF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建m阳fineprint.cn