UASB反应器处理木薯酒精废水的几个环境因素分析浦跃武

现代食品科技ModernFoodScienceandTechnology2009,Vol.25,No.121388UASB反应器处理木薯酒精废水的几个环境因素分析浦跃武，刘坚(华南理工大学生物科学与工程学院，广东广州510006)摘要：维持进水浓度、HRT和回流比一定，研究了进水碱度、温度、氮磷营养元素三个环境因素对UASB处理木薯酒精废水的调控作用。实验结果表明，随着进水碱度、温度的提高，COD去除率和产气率提高并逐步趋于稳定，温度达到40℃，进水碱度为200mg/L时，COD去除率和产气率接近最高，再提高进水碱度和温度对反应器处理效果影响不大；在40℃，进水碱度控制在200mg/L时，添加氮磷元素能提高系统的COD去除率和产气率，COD:N:P=200:5:1时为本实验最佳处理效果点，COD去除率和产气率分别达到达到91.83%和7.654L/L·d。关键词：温度；进水碱度；COD:N:P；UASB；木薯酒精废水中图分类号：X792；文献标识码：A；文章编号：1673-9078(2009)12-1388-04EffectsofSomeEnvironmentalFactorsonTreatmentofCassavaAlcoholWastewaterwithUASBReactorPUYue-，wuLIUJian(SchoolofBioscienceandBioengineering;SouthChinaUniversityofTechnology;Guangzhou510006,China)Abstract:Effectsofthreeenvironmentalfactorsincludingtemperature,influentwateralkalinity,nitrogenandphosphorusnutrientsonassavaalcoholwastewaterwithUASBwerestudiedthroughmaintainingCODconcentration,HRTandRefluxratio.Theexperimentalresultshowedthat,CODremovalrateandgasproductionrateincreasedwiththeincreaseoftemperatureandinfluentalkalinityimproved,whichreachedthehighestvaluestillthetemperatureandinfluentalkalinityreached40℃and200mg/L,respectively.Whentemperatureandinfluentalkalinitywerecontrolledat40and200℃mg/Lrespectively,addingnitrogenandphosphoruscanimprovetheCODremovalrateandgasproductionrate,andthebestratioofCOD:N:Pwas200:5:1,withwhichCODremovalrateandgasproductionratereached91.83%and7.654L/L·d,respectively.Keywords:temperature;influentalkalinity;COD:N:P;UASB;cassavaalcoholwastewater木薯是世界三大薯类之一，中国是木薯种植大国，种植地主要分布在广西、广东、福建等地。现在木薯主要用于发酵酒精和提取淀粉，2006年，我国酒精产量的1/3是以木薯为原料，企业用木薯制酒精比用其它任何原料的成本都低。但每生产1吨木薯酒精约产生7~15吨废水，其产生的废水总量相当可观。所以，要想大力发展木薯酒精工业，就必须首先解决生物酒精生产废水治理利用问题[1]。木薯酒精废水属于高浓度、高固体悬浮物、酸性有机废水，适宜采用生物法处理，而对于高浓度的有机废水，应优先考虑采用厌氧生物法，作为去除有机物的主要手段[2]。目前已有少数利用UASB反应器处理木薯酒精废水的研究报道。但是关于UASB处理木薯酒精废水的研究主要收稿日期：2009-08-13基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目，减排共性技术研究与集成应用示范项目编号4-2-3作者简介：浦跃武（1964-），男，副教授，博士生，主要从事污水处理研究集中在进水COD(化学需氧量)浓度及有机负荷、进水流速、上升流速和水力停留时间等操作性因素上[3-4]，对于环境因素包括环境进水碱度、温度、营养等研究相对较少。木薯酒精废水的pH低（3~4之间），进水COD高而碱度不够，因而进水碱度的调控尤为重要，同时据一些研究表明，适宜稳定的温度是UASB反应器运行稳定的重要条件[5]，而氮、磷营养元素是厌氧菌生长的必需物质，同时氮元素的添加还能提高系统的碱度，从而提高系统的pH缓冲能力，反应体系中碳、氮、磷的比例也是影响废水厌氧生物处理效果的重要因素之一。为此，本实验研究进水碱度、温度、氮磷营养元素对UASB反应器处理木薯酒精废水运行状态的调控作用，包括对COD去除率、产气率、出水VFA浓度以及出水pH值的影响。以期选出最佳环境因素参数优化UASB反应器处理木薯酒精废水的效果，为实际应用提供一定的理论参考。DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2009.12.020现代食品科技ModernFoodScienceandTechnology2009,Vol.25,No.1213891实验装置与研究方法1.1试验用水来源及水质试验用的废水是来自广西壮族自治区某市某木薯酒精厂的木薯酒精废水，该废水COD浓度高，含有大量的悬浮物，并且呈酸性，属无毒有害酸性有机废水。废水水质如表1所示。表1木薯酒精废水水质Table1Thecharactersofcassavaalcoholwastewater项目COD/(mg·L-1)BOD5/(mg·L-1)SS/(mg·L-1)pH含量8000~200003000~80004000~200004~51.2接种污泥接种污泥取自华南理工大学环境科学与工程学院厌氧反应器中的厌氧消化污泥。污泥的TSS为62.60g/L，VSS为32.55g/L，VSS/TSS为0.52，接种量为3.2L，约占整个UASB反应器有效容积的1/3。1.3实验装置实验所用的UASB反应器由有机玻璃制成。反应区有效容积为7L；三相分离器有效容积为2.5L；反应器总高度为1120mm，总容积为10.39L，总有效容积为9.5L。UASB反应器自下至上每隔150mm设取样孔。试验装置如图1所示。图1实验装置及工艺流程示意图Fig.1Experimentalapparatusandprocessschemechart(1)UASB反应器,(2)三相分离器,(3)取样孔,(4)回流泵,(5)进水泵,(6)洗气装置,(7)储水箱,(8)搅拌装置,(9)出水箱1.4实验方法本实验设定UASB反应器HRT（水力停留时间）为24h，内循环回流比为1:1，进水COD在14000±500mg/L。1.4.1进水碱度对厌氧反应的影响废水的进水碱度通过投加NaHCO3来调节，设定50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L六个组，然后将温度逐渐升至(40±1)℃，测定测定反应前后COD值、产气率、出水pH值和出水VFA。1.4.2温度对厌氧反应的影响进水碱度控制为200mg/L，依次在20、25、30、35、40、45、50、55℃下反应，测定反应前后COD值、产气率、出水pH值和出水VFA。1.4.3补充氮、磷元素对厌氧反应的影响实验温度为(40±1)℃，通过向木薯酒精废水中投加N源和P源来调节进水的COD:N:P值，N源由尿素补充，P源由Na2HPO4补充，COD:N:P设定为：100:5:1、200:5:1、300:5:1、400:5:1、500:5:1、600:5:1、700:5:1、800:5:1八个组，并将进水碱度调至200mg/L，每次改变营养配比后让UASB反应器稳定运行1d，第2d再测量出水COD、产气率、出水VFA浓度和出水pH值。1.5测定项目与方法COD：重铬酸钾滴定法[6]；pH值：玻璃电极法；碱度：滴定法[6]；VFA：滴定法[6]；温度：水银温度计；产气量：水置换法[6]。2结果与分析2.1进水碱度对厌氧反应的影响图2COD去除率、产气率与进水碱度的关系Fig.2EffectsofinfluentalkalinityonCODremovalrateandgasproductionrate表2不同进水碱度下对反应器的出水pH、VFA的影响Table2EffectsofinfluentalkalinityonpHandVFA进水碱度(mg/L)50100150200300400出水pH6.346.456.467.547.327.42出水VFA(mmol/L)11.4411.29.14.2132.87图2表示了不同进水碱度对反应器COD去除率和产气率的影响，表2表示不同进水碱度下反应器出水pH和VFA情况。由图表可知，反应器的COD去除率和产气率随进水碱度的增加而增加，当进水碱度在较低浓度50~150mg/L时，COD去除率只有33.08%~54.94%，产气率只有2.234~3.543L/L·d，出水VFA浓现代食品科技ModernFoodScienceandTechnology2009,Vol.25,No.121390度达到9.10~11.44mmol/L，出水pH值降到6.50以下，产甲烷菌的活力受到严重的抑制，出水中出现了一定量的絮状污泥，系统出现酸化现象；进水碱度达到200mg/L时，COD去除率达到89.16%，产气率达到7.532L/L·d，出水VFA浓度只有4.21mmol/L，出水pH值达到7.54，说明产甲烷菌的抑制被解除，达到较好的活力状态。进水碱度再提高至300~400mg/L，COD去除率和产气率变化趋于平缓，增量很小。综上所述，在处理过程中进水碱度在200mg/L时，COD去除率和产气率接近最大值，再提高碱度对反应效果影响不大，因此认为200mg/L为本实验最佳进水碱度。2.2温度对厌氧反应的影响图3COD去除率、产气率与温度的关系Fig.3EffectsoftemperatureonCODremovalrateandgasproductionrate图4出水pH、VFA与温度的关系Fig.4EffectsoftemperatureoneffluentpHandVFA图3、4分别表示不同温度对反应器COD去除率、产气率、出水VFA和pH的影响。由图可看出，在酸性进水条件下，随着温度的升高，COD去除率、产气率和出水pH值随之升高，出水VFA呈下降趋势。温度从20℃上升至55℃时，COD去除率由60.61%上升至91.05%，提高了30%，产气率由4.37L/L·d上升至7.59L/L·d，出水pH值由7.29增至7.82，出水VFA浓度由8.30mmol/L降至5.80mmol/L左右。这表明随着温度的升高，厌氧微生物细胞内某些酶的活性逐渐增强，从而使厌氧污泥的活性增强，产甲烷菌更好地将有机物降解过程中产生的有机酸转化为甲烷，减少VFA在UASB反应器中的积累。另外，随着温度的升高，使厌氧系统中更多的VFA挥发成气体，从而减少了厌氧系统中VFA的浓度。VFA浓度的减少导致厌氧系统pH值升高。当温度上升至40℃，再升高温度，COD去除率和产气率的上升很小，基本不变，COD去除率由90.15%上升至91.05%，表现为缓慢上升，趋向水平。所以，在HRT为24h、进水COD为15000±500mg/L、进水碱度为200mg/L的条件下处理木薯酒精废水时，建议采用温度为40℃。2.3补充氮、磷营养元素影响图5COD:N:P对COD去除率和产气率的