高温CSTR中温UASB两级厌氧处理木薯酒精废水陈金荣

高温CSTR—中温UASB两级厌氧处理木薯酒精废水陈金荣，谢丽，罗刚，周琪（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）［摘要］针对木薯酒精废水温度、固体含量及有机物浓度高的特点，采用高温CSTR—中温UASB两级厌氧工艺处理木薯酒精废水。小试结果表明，控制高温CSTR进水COD负荷为14kg/(m3·d)，中温UASBCOD负荷为3kg/(m3·d)时，两级厌氧对COD、SS、溶解性TN、溶解性TP的总去除率分别达94%、96%、44%和87%。对木薯酒精生产周期和废水处理经济效益的分析表明，采用两级厌氧工艺处理木薯酒精废水，不仅削减了木薯酒精生产过程中产生的污染物，其处理过程中产生的沼气还带来了一定的经济效益。［关键词］木薯酒精废水；连续搅拌式反应器；上流式厌氧污泥床［中图分类号］X703.1；X797［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2011）02-0033-04Two-stageanaerobictreatmentofcassavaethanolwastewaterusingthermophilicCSTRandmesophilicUASBChenJinrong，XieLi，LuoGang，ZhouQi（StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourcesReuse，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）Abstract：Sincecassavaethanolwastewaterischaracterizedbyhightemperature，highsolidcontentandhighor-ganismconcentration，thetwo-stageanaerobictreatmentusingthermophiliccontinuousstirredtankreactor（CSTR）andmesophilicupflowanaerobicsludgebed（UASB）hasbeenconducted.ExperimentalresultsshowthatwhentheinfluentCODloadingofthermophilicCSTRiscontrolled14kg/（m3·d）andCODloadingofmesophilicUASBreac-toriscontrolled3kg/（m3·d），thetotalremovalratesofCOD，SS，TNandTPare94%，96%，44%and87%，respec-tively，afterthetwo-stageanaerobictreatment.Thelifecycleofcassavaethanolproductionandeconomicbenefitsofsuchwastewatertreatmentarediscussed，indicatingthattwo-stageanaerobictreatmentprocesscannotonlyreducethepollutionresultedfromcassavaethanolproduction，butalsocreateeconomicbenefitsfromthebiogasproducedinthecourseoftreatment.Keywords：cassavaethanolwastewater；continuousstirredtankreactor；upflowanaerobicsludgebed截至2009年底，我国约有木薯酒精生产企业30多家，木薯酒精产量700万t/a，平均每家企业产量133t/a〔1〕。以木薯为原料生产酒精在我国广西、广东、湖北、江苏等省有较为广阔的市场。常规生产工艺中每生产1t木薯酒精排出的废水约为12~15t〔2〕，且木薯酒精废糟液出水温度高，含有大量的有机化合物及悬浮物，COD高达30~60g/L，悬浮物高达20~30g/L，pH较低，属于典型的高浓度有机废水〔3〕。如果该废水不能得到稳定、可靠的处理，势必对环境造成严重的污染。近年来，国家对严重污染环境的酒精废糟液的治理越来越重视，规定酒精行业废液允许排放的COD的二级标准为≤300mg/L，一级标准为≤100mg/L〔4〕。针对木薯酒精废水的特点，可以采用厌氧—好氧结合的工艺对木薯酒精废水进行处理，其中厌氧工艺的稳定运行对整个处理系统至关重要。木薯酒精糟液含有大量的悬浮物，其浓度高、黏度大，直接固液分离处理较为困难。且其分离后的糟渣由于蛋白质含量低，做饲料销售困难〔5〕。对该类废水的处理可以考虑采用两级厌氧发酵，一级厌氧反应器直接进行高温全糟发酵，在回收沼气的同时，解决沼渣的出路问题，二级厌氧反应器对后续高浓度残液进行处理。笔者首先考察了木薯酒精废水的特性，提出了两级厌氧工艺处理木薯酒精废水的试验，[基金项目]拜耳捐赠基金和国家科技部国际合作项目(2008DFA91000)第31卷第2期2011年2月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol．31No．2Feb．，201133并对木薯酒精生产周期和两级厌氧工艺的经济效益进行了初步探讨，以期为木薯酒精废水处理的工艺选择和设计提供参考。1实验部分1.1实验废水实验用的木薯酒精废水取自江苏某木薯酒精厂，废水先经高温厌氧连续流搅拌式反应器（CSTR）处理并沉淀后，上清液作为上流式厌氧污泥床（UASB）的进水。为了防止水质发生变化，水样储存在4℃的冰箱中备用。1.2接种污泥接种污泥取自该酒精厂污水处理站内UASB的颗粒污泥，VSS为42g/L。高温CSTR和中温UASB的接种污泥量分别为1L和0.5L。1.3实验装置与运行一级厌氧反应器CSTR采用厌氧发酵罐（上海世友生物设备有限公司），总体积为5L，工作体积4L。采用电动搅拌器进行搅拌，转速200r/min，水浴加热，并通过自控装置将反应器温度稳定在（55±1）℃。二级厌氧反应器UASB控制负荷连续运行，总体积为2L，其中反应区体积为1.16L，反应区高度为280mm，内径70mm。反应器壁缠绕电热丝并连接温控装置，控制温度为（37±1）℃。两级厌氧高温CSTR—中温UASB反应装置如图1所示。废水通过蠕动泵从CSTR上部进入，出水进入沉淀池，泥水分离后部分出水作为UASB的进水。沉淀池中污泥定期回流至CSTR，回流比为1∶1。UASB进水经磁力搅拌器搅拌均匀，通过蠕动泵由反应器底部进入，出水经三相分离器实现气、液、固分离后由反应器上部旁侧的出水口自流排出。图1木薯酒精废水两级厌氧小试实验装置1.4分析项目与方法水样在3500r/min的转速下离心10min，上清液经0.45μm滤膜过滤后测定溶解性COD、NH4+-N、溶解性TN、溶解性TP。TCOD和SCOD采用重铬酸钾法测定；NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定；溶解性TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定；溶解性TN采用TOC/TN分析仪（日本Shi-madzu公司）测定；气体组分采用GC-14B型气相色谱仪（日本Shimadzu公司）测定；SS采用标准质量法测定；pH采用620型pH计（上海英格仪器公司）测定。木薯酒糟基质的元素组成采用有机元素分析仪（Elementar，VarioELⅢ）进行测定，测定前需对样品进行预处理：将水样置于真空冷冻干燥仪（宁波新芝LGJ-10）中冻干，将干燥后的固体样品用玻璃研钵研磨成细小颗粒后再进行有机元素测定。2结果与讨论2.1木薯酒精废水的水质特征木薯酒精废水主要来自于酒精蒸馏塔排出的废液，糟液温度高达90℃左右，pH为4.0~4.2，木薯酒精废水的水质特征见表1。由表1可以看出，废水的COD和SS分别为40~70g/L和20~30g/L，总碳水化合物质量浓度达45.2g/L，属于高含糖酸性有机废水。表1木薯酒精废水水质指标利用有机元素分析仪对木薯酒糟废液的元素组成进行分析，得到干燥后基质中各元素的质量分数分别为:C45%、O42%、H9%、N2.1%、S0.82%。根据元素的组成，推导出基质的模拟分子式为C3.75H9O2.625N0.15S0.025。这一结果与实验用水来源企业的生产情况较为吻合。该企业在木薯酒精生产过程中不添加任何化学原料，采用全生物的发酵工艺流程，因此木薯酒精废水中C、H、O的比例较高，而S的含量很小，这有利于废水的厌氧生物处理。同时较低的N含量也表明，木薯酒糟的蛋白含量较低，其用于加工生物制品产生的经济效益也较低。从木薯酒精生产工艺过程可知，蒸馏后的木薯酒精废水温度很高（90℃），为了充分利用酒精蒸馏废糟液自身的热能，一级厌氧采用高温厌氧CSTR，CSTR对废水悬浮固体的含量没有要求，可采用全糟厌氧发酵，因此很适合处理高SS的木薯酒精项目数值项目数值TCOD/(g·L-1)40~70总碳水化合物/(g·L-1)45.2SCOD/(g·L-1)30~35溶解性碳水化合物/(g·L-1)7.6SS/(g·L-1)20~30溶解性蛋白质/(g·L-1)5.7溶解性TN/(g·L-1)0.8~0.9pH4.0~4.2溶解性TP/(g·L-1)0.2~0.4温度/℃90试验研究工业水处理2011－02，31（2）34废水。并且可充分利用来自酒精废液自身的热能，保证厌氧发酵效率。经过一级高温厌氧处理后，废水温度有所降低，但是出水残余的COD仍然较高，不能直接进行好氧处理，需进行二级厌氧处理。二级厌氧采用中温UASB，UASB底部可维持很高的污泥浓度，反应器运行稳定并能充分利用中温条件下不同种类厌氧微生物的特性继续处理木薯酒精废水，回收能量。周开〔6〕在对二级厌氧+氧化沟工艺治理薯类酒精糟液的研究中提出，采用高温厌氧复合式反应器（UASB+厌氧折流板反应器ABR）—中温厌氧膨胀颗粒污泥床反应器EGSB两级厌氧工艺，用来处理经固液分离后的薯类酒精糟液，处理效果稳定。从表1可知，木薯酒精废液含有大量的N、P，其m（C）∶m（N）∶m（P）基本上能够满足厌氧消化对营养物的要求，因此厌氧过程中无需再额外投加营养液。2.2两级厌氧处理木薯酒精废水结果分析在高温（55℃）条件下进行CSTR的快速启动。CSTR采用低负荷启动，经过80d左右的稳定运行，COD容积负荷达到了14kg/（m3·d）。在37℃的中温条件下进行UASB的低负荷启动，经过30d左右UASB运行稳定，运行期间进水COD容积负荷一直稳定在3kg/（m3·d）左右。启动及运行过程中，没有对两级厌氧系统的pH进行人为调节和控制。两级厌氧反应器稳定运行后的实验结果见表2。表2两级厌氧处理后的实验结果由表2可以看出，木薯酒精废水经一级厌氧沉淀处理后，TCOD去除率为90%左右，SS去除率＞80%，产气量18L/d，其中甲烷体积分数为55%~60%；二级厌氧处理后，TCOD去除率为44%左右，SS平均去除率40%，产气量0.25L/d，其中甲烷体积分数为55%~60%。两级厌氧对COD、SS、溶解性TN、溶解性TP的总平均去除率分别达到94%、96%、44%、87%。实验结果表明，高温厌氧CSTR适用于处理高固含量的木薯酒精废水，TCOD和SCOD的去除率分别为90%和86%，部分SS能够在全糟厌氧反应器中进行降解，降解率约为50%〔7〕。甲烷产率以TCOD和SCOD计分别是0.20~0.25、0.37~0.50m3/kg，其中以SCOD计的甲烷产气率大于理论值（0.35m3/kg），这是由于在厌氧消化过程中部分SS转变为SCOD。而SS中包含的难降解的COD通过沉淀去除，且没有产生甲烷，使以TCOD计的甲烷产气率较小。采用中温UASB对发酵残液进行后续处理，当UASB的COD容积负荷在3kg/（m3·d）左右时，对TCOD的去除率为44%左右，产气量为0.25L/d，但甲烷体积分数＞55%，同样以SCOD计的甲烷产气率＞TCOD甲烷产气率，但二者均低于理论值，这是由于废水经过一级厌氧处理，其中