高温厌氧EGSB反应器处理木薯酒精废水的启动与运行孙佳伟

以木薯为原料生产酒精在我国有着较为广阔的市场，但是在木薯酒精生产发酵过程中，会产生大量高浓度的有机废液。该废水中含有大量的有机化合物及悬浮物，COD高达30000～60000mg·L-1，并且木薯酒精发酵过程中排出的废水温度普遍在60℃左右，酸性强。如果不对其妥善处理，会对酒精厂附近的河流、地表环境造成污染。目前，高浓度酒精废水的厌氧处理普遍采用UASB或EGSB厌氧反应器，但是木薯酒精废水含有的悬浮物浓度高，而UASB或者EGSB反应器一般要求进水悬浮固体浓度低于5000mg·L-1[1]。这类有机废水需要先经过固液分离或是厌氧全渣发酵，再采用高效厌氧反应器进行处理。EGSB反应器做为第三代厌氧处理反应器，具有良好的传质效果和抗负荷能力，在酒精废水治理中的应用日趋广泛。当前的研究多集中在常温或中温条件下厌氧EGSB反应器的启动和运行，对于高温条件下厌氧EGSB的启动运行目前还未见报道。本文主要研究高温条件下，厌氧EGSB处理木薯酒精废水的启动与运行特性，考察COD的去除效果、产气效能和反应器的酸碱平衡能力，以便为工程设计提供理论依据。1试验装置与方法1.1试验用水和接种污泥试验用水取自江苏某木薯酒精厂的酒糟出水，废糟液有机物和悬浮物浓度较高，且酸性较大。多次监测平均结果显示，废液总COD浓度60000mg·L-1，悬浮物含量约为42000mg·L-1，总氮浓度800mg·L-1，总磷约400mg·L-1，pH为4.0左右。废水的C：N：P基本上能够满足厌氧消化200：5：1的要求。研究中厌氧EGSB的进水模拟全渣厌氧发酵后的出水，将原水静止沉淀后按比例稀释配置而成。接种污泥取自木薯酒精厂厌氧UASB反应器的中温颗粒污泥。颗粒污泥的TSS为70g·L-1，VSS为42g·L-1。经过简单筛洗，去除沙粒后接种至反应器中，接种污泥体积占反应器总体积一半。1.2试验装置厌氧EGSB反应器由有机玻璃制成，试验装置如图1所示。反应器的反应区体积为5L，反应区高度为860mm，内径86mm，三相分离器体积为2.5L。恒温水浴循环控制反应器内温度为55℃。反应器的内循环由蠕动泵控制，从反应器上部引出，再泵入反应器高温厌氧EGSB反应器处理木薯酒精废水的启动与运行孙佳伟，谢丽，周琪，罗刚（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：试验在高温（55℃）条件下用EGSB厌氧反应器处理木薯酒精废水。以中温厌氧颗粒污泥为接种污泥，通过改变进水COD浓度调节进水容积负荷，出水COD去除率可稳定在80%以上，pH在7.4左右，出水碱度范围为2800～4000mg·L-1；沼气成分中CH4含量约为55%～61%，平均每kgCOD的沼气产生量为0.256m3；对干燥木薯酒糟基质进行元素组成分析，推导出模拟分子式为C3.75H9O2.625N0.15S0.025，估算出沼气中理论CH4含量为58.09%。出水pH随着系统COD去除率的变化而波动，可以通过系统pH的变化来判断厌氧EGSB反应器的运行效果。关键词：木薯酒精废水；高温EGSB；厌氧消化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3700(2008)11-068-04收稿日期：2008-05-23基金项目：拜耳可持续发展基金；上海市科委资助项目（062307038）作者简介：孙佳伟（1983-），男，硕士研究生，主要从事污水处理理论与技术研究联系电话：[phone]；E-mail：[e-mail]。第34卷第11期2008年11月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.34No.11Nov.,200868DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2008.11.022底部，初始循环比为10：1，稳定运行后调整为15：1。反应器内部的上升流速即主要由循环流量来控制，初始流速为0.91m·h-1，稳定运行后调整为1.32m·h-1，在此流速下，污泥床膨胀，内循环中有明显絮状污泥存在。试验中通过调节进水的COD浓度来控制进水负荷。产生的沼气经由水封后通过排水集气法测定体积。1.3试验方法反应器接种颗粒污泥后，将稀释后COD约为1000mg·L-1的原水通过蠕动泵注入反应器内，注满后静置，并打开恒温水浴升温。静置24h后，测得反应器最上层取样口处pH为7.3左右，此后连续进水，起始进水COD浓度为1500mg·L-1，负荷约为3kgCOD·m-3·d-1，启动期严密关注COD去除率、产气量、出水pH以及碱度的变化。若出现酸化征兆，则停止进水一段时间后再启动进水，同时在进水中补充碳酸氢钠，控制进水的pH在6.4左右，以维持反应器内的pH，保证出水呈碱性。出水COD、pH和碱度稳定后，逐步提高进水负荷，每次提高约2kgCOD·m-3·d-1。1.4分析方法试验中各项指标均采用标准方法测定。液体样品在3500r·min-1转速下离心10min，上清液经0.45μm滤膜过滤后测定溶解性COD和碱度。COD用重铬酸钾法测定；碱度通过酸碱指示剂滴定法确定；pH由pH计测定（英格620型pH计）；产生的沼气成分使用气相色谱分析（岛津GC-14B-TCD）；产气量采用饱和NaCl溶液排水集气法测定；木薯酒糟干燥基质的元素组成分析采用有机元素分析仪（Elementar，VarioELIII）进行测定。2结果与讨论2.1COD去除率的变化开始启动时，原水静沉后稀释至进水COD浓度为1500mg·L-1，HRT设定在10h，此时COD容积负荷约为3kgCOD·m-3·d-1。待系统运行稳定后，逐步减少原水的稀释比，提高进水COD浓度。图2显示了高温厌氧EGSB启动和运行过程中COD的去除率随容积负荷的变化。启动初期，COD的去除率有明显波动，且对于负荷变化较敏感，当进水COD负荷由3kgCOD·m-3·d-1提高至5kgCOD·m-3·d-1，COD去除率由80%降至66%，随后逐步趋于稳定，经过20天左右的运行，负荷提高至6.5kgCOD·m-3·d-1，系统COD去除率稳定在80%左右。以2kgCOD·m-3·d-1左右的幅度逐步提高进水COD负荷，进水COD浓度为6000mg·L-1左右时，负荷达到14～15kgCOD·m-3·d-1，COD去除率可稳定维持在80%以上。2.2产气量的变化由图3可知，高温条件下，厌氧EGSB反应器的沼气产量随容积负荷的增加以较快的速率增长，在此过程中，并没有出现产气量突然下降的情况。研究表明容积负荷提高至14kgCOD·m-3·d-1后，反应器图1EGSB反应装置Fig.1SchematicDiagramofEGSBEquipment
 
0510152025303540455055606570024681012141618202224
/dCOD/kgCODmd024681012141618 /L图3EGSB启动与运行过程中产气量的变化Fig.3Changeofbiogasproductionduringstart-upandoperationofEGSB05101520253035404550556065700102030405060708090100
COD/kgCODmd/d024681012141618202224COD /%图2EGSB启动及运行过程容积负荷及COD去除率的变化Fig.2ChangeofOLRandCODremovalefficiencyduringstart-upandoperationofEGSB孙佳伟等，高温厌氧EGSB反应器处理木薯酒精废水的启动与运行69仍能正常运行，产气量稳定在14L·d-1或以上，未出现产气量受抑制的现象，这表明高温厌氧EGSB污泥活性较高，能够适应更高的容积负荷并稳定地运行。对沼气成分组成进行气相色谱分析，研究发现随着运行的稳定和负荷的增加，沼气中甲烷的含量不断上升，稳定在55%～61%的范围之内。为进一步探求COD负荷与反应器产气量的关系，将不同负荷下单位反应器体积的日产气量和对应的COD去除负荷作图，如图4所示。图中各点呈线性关系，直线拟合后得到斜率为0.256，由此可以推算出，平均每去除1kgCOD的沼气产生量约为0.256m3。对木薯酒糟的元素组成进行分析，得到干燥后基质中各元素的组成比例C为45%，H为9%，O为42%，N为2.1%，S为0.82%，推导出基质的模拟分子式为C3.75H9O2.625N0.15S0.025。若认为基质中的碳水化合物全部厌氧分解转化为CH4和CO2，蛋白质和含硫物质转化为NH3和H2S，根据这一结果，可写出反应器木薯酒糟厌氧反应的化学反应方程式为：C3.75H9O2.625N0.15S0.025+0.31H2O2.28CH4+1.47CO2+0.15NH3+0.025H2S（1）根据式（1），可以计算出木薯酒糟废液经过厌氧处理后，理论上产生的沼气中CH4含量为58.09%，与实际测定的CH4含量55%～61%较为接近。同时可以推算出木薯酒糟废液的产气量约为0.889m3·kg-1木薯酒糟，1kg木薯酒糟基质C3.75H9O2.625N0.15S0.025相当于1.6057kgCOD，估算出理论沼气产生量为0.554m3·kg-1COD。与理论值相比，实测值得到的结果偏小，这可能与有机物未能充分厌氧降解有关。2.3出水pH和碱度特征产甲烷菌的活性在酸性环境中会受到抑制，因此对于厌氧反应器而言，防止酸化是一个关键问题。启动初期，由于水解酸化反应较强，有机酸大量生成，容易引发酸化现象，因而需要特别关注。系统的pH和碱度能够及时反应出厌氧消化的处理效果，任何因素引起的处理效率下降都能从pH和碱度的波动中及时发现。如图5所示，启动初期，出水pH值和碱度波动较大，特别是前5d，pH降至7.0以下，碱度也下降到1500mg·L-1。在此情况下，通过增加进水中碳酸氢钠以平衡反应器内的有机酸，进水pH上调至7.0再进水，出水pH逐步稳定。出水碱度基本稳定，波动范围为2800～4000mg·L-1。但对于负荷的提高引起去除率波动，出水pH的反应较为敏感的，因此密切关注出水pH的变化，就能及时了解反应器的运行状况。图6显示了出水pH与COD去除率的关系，可以看出，启动和运行期，出水pH随着系统COD去除率的变化而波动，启动初期COD去除率由80%降到65%，出水pH则由7.8降低至6.5；随着COD去除率的提高，出水pH也随之提高。pH的变化与COD去除率的变化保持一致，这也与郭晓燕和张振家在中温条件下得到的研究结果一致[2]，可以通过系统pH的变化来判断厌氧EGSB反应器的运行效果。3结论厌氧EGSB反应器在高温（55℃）条件下处理木薯酒精废水，接种污泥为中温厌氧颗粒污泥，通过改变进水COD浓度调节进水容积负荷，提升幅度为024681012140.00.51.01.52.02.53.03.5
/mmdCOD /kgCODmd图4单位体积沼气产量与COD去除负荷的关系Fig.4CorrelationbetweenbiogasproductionandOLR图6出水pH与COD去除率关系Fig.6RelationshipofpHvalueandCODremovalefficiency05101520253035404550556065705060708090100
/d/%23456789 pH图5EGSB启动与运行过程中出水pH与碱度的变化Fig.5ChangeofpHandalkalinitywithrunningtimeduringstart-upandoperationofEGSB051015202530354045505560657