高效厌氧反应器处理生物制药废水的试验研究叶向东

第44卷2(幻5年第4期7月中山大学学报A《汀ASCIENllARUMNA叭RALIU(自然科学版)MUNIVERSll,人TISSUNYA」EENI、01.科Jul.N〔).42(洲)5高效厌氧反应器处理生物制药废水的试验研究叶向东’,区军2,李世华,(1.广东省环境保护工程研究设计院,广东广州510140;2.广东省环境保护产业协会,广东广州51《X碎5;3.中山大学环境科学研究所,广东广州510275)摘要:高效厌氧反应器(EAB)R处理生物制药废水的启动和运行试验研究结果表明:EABR反应器处理效率高,启动周期短,经过50d的运行后,c0D的去除率达到90.4%,BO马的去除率维持在88.5%以L卜八BR的最佳运行负荷在18.0吨·m一’·d一’以下,有机负荷在20.0kg’m一’·d一’时,COD、B()I火的去除率均有较大幅度的卜降。EBAR对负荷的冲击承受能力不宜超过o5%;出水pH维持在7.。一7.4时,COD的去除率在87.9%一9卫.4%关键词:高效厌氧反应器;高浓度有机废水;有机负荷;生物制药废水中图分类号:x703文献标识码:A文章编号:0529一6579(2005)以一0070一05广东某公司的主要产品包括味精、肌昔、鸟普等,年z忆量分别为1.5万t、52ot、15ot。其中肌昔、鸟昔的生产工艺中,废水主要产生于产品后提取与精制过程,浓度高、数量多,净化处理难度大。高效厌氧反应器(EABR)是广东省环境保护工程研究设计院开发的一种新型高效厌氧反应器,具有高效、投资省、耐冲击等优点,本文通过应用EABR反应器处理鸟昔、肌昔的高浓度生产废水的研究,获得一些有用的资料。1试验装置及方法Ll废水水质试验废水来自肌昔、鸟昔生物制药工艺中的提取和精制过程的实际生产废水,根据分析,其试验水质情况见表l。表1废水水质情况,’Tab.1CharaCetirsitesofwaslewater项目55CO从,BO几浓度(/哪·L一’)661哪0一198705940一庆联〕项目N凡一NPT洲一pH浓度z(毗·L一’)5982.61915一6l)pH无单位1.2分析方法分析方法按照国家有关分析方法进行仁’」。其分析方法分别为COcDr用重铬酸钾法;SS用质量法;pH用玻璃电极法;N3H一N用靛酚蓝分光光度法;S戊一用EDTA法;sv用looml缝筒法;fP川钥酸钱分光光度法。1.3试验方法1.3.1厌氧污泥的培养与驯化本试验采用接种法培养驯化厌氧活性污泥,污泥取自污水处理厂的厌氧消化污泥,经过大约一个月的培养和驯化后投入正式运行。根据出水水质情况来逐步提高进水负荷,直到设计负荷为止。在污泥培养和驯化过程要系统研究其影响因素及处理效果1.3.2厌氧生物反应器的运行和控制根据相关文献资料和经验“,3,先确定进水负荷,然后分别研究水力停留时间、容积负荷、冲击负荷、进水pH等因素对处理效果的影响,以出水水质,如COD的去除效率、出水的挥发酸含量及其组成、污泥浓度等指标来判断。而污泥颗粒化是厌氧反应器启动的目标和启动成功的标志。EABR反应器一瓜锰…进水匕---万万一丫丫瓣瓣瓣图l试验装置Fig.1Ex伴irmerl*equl四en**收稿日期:2仪)5一01一以基金项目:广东省环境保护专项基金资助项目(粤财企〔2以)1331])作者简介:叶向东(1957年生),男,高级工程师;E一~1:[e-mail]第4期叶向东等:高效厌氧反应器处理生物制药废水的试验研究1.4试验装置及工艺流程本试验装置采用有机玻璃制作,有效容积为16时,工艺流程如下:废水~调节池~EABR反应器~出水2结果与讨论2.1高效厌氧反应器(EAB)R的启动研究实验用反应器容积为16m3,接种污泥取自污水处理厂的厌氧消化污泥,接种的污泥浓度巧S为26.1岁L,vss为14.8留L。高效厌氧反应器的启动分为3个阶段:驯化阶段、负荷提升阶段、满负荷阶段。在启动前20天,往反应器中投加接种污泥,间歇进水,每Zh进一次水,进水流量为35Uh,出水回流到储水池,回流比为100%。持续20d后,COD的去除率达到82%,这时可以连续进水,进入负荷提升阶段,以0.8耐d/的流量进水,对应的容积负荷为1.0kg·m一’·d一`,待出水coD去除率达到80%时逐步提升负荷,提升的幅度为20%一40%,经过50d的运行后进人满负荷运行阶段。2.1.1水力停留时间与容积负荷随时间的变化反应器运行50d后,水力停留时间(HRT)由最初的20d缩短为犯h,容积负荷(O压)由最初的l.okg/m3提升到15k梦m,(图2)。率由最初的51.2%增加到90.4%(图3),出水eoD由最初的9298.In笔几降到l如7.0哩zL。12000ǎ一甲切任í00口罗/界经刊00切O一万扩一芯厂一亩一茄一考打0运行时间d/!一coD去除率一co百」图3出水COD及COD去除率随时间的变化iFg.3ChallgesinCODadnCOD~vals初htitme护夕-注·望í担么彩仲OC40000000000ó、ù`斗,、,11二、宜乍口阳小ùf、书运行时间d/水力停留时间容积负荷图2水力停留时间及容积负荷变化Fig.ZV而etyOfhydmulieerteintonitmeandvol~itrc11坦击gnaert由图2可以看出,水力停留时间与容积负荷成反比,即水力停留时间长,则容积负荷小。在反应器启动运行阶段,往往通过逐步提高负荷来进行,这可以通过逐步调节水力停留时间来实现,在实际工程调试阶段可以采用的。2.1.2COD去除率及出水COD的变化在反应器进人负荷提升阶段后,由于容积负荷和水力负荷的冲击,COD去除率有一定的波动。在运行初期,COD的去除率较低,但随着时间的推移,COD去除率逐渐上升。经过50d的运行后,COD的去除在EABR反应器中用于降解有机物的微生物主要有酸化细菌、乙酸细菌和甲烷细菌,这些细菌在反应器的运行过程中要经过新陈代谢的4个周期,即适应期、对数增长期、减衰增殖期和内源呼吸期。因此,在运行初期,还有部分微生物还处于适应期。另外,厌氧处理效率的提高要依赖甲烷细菌的降解功能,而甲烷细菌繁殖慢,世代周期长,因此,在运行初期甲烷细菌量比例小,处理效果差。2.1.3出水中Bo几及其去除率变化Bo几与COD的比值反映了污水的可生化性,表2是反应器的BODS运行数据表,从表中可以看出,EABR对BO几的去除随着运行时间的推移而逐渐增大,而且出水中Bo几zeoD的比值高于进水中Bo5DzeoD的比值(0.326一0.334之间变化)。从表2还可以发现:Bo几C/OD的比值有一个先增加后减少的变化,在启动初期,由于厌氧微生物对大分子的有机物的降解使之转化为小分子的有机物,但是小分子的有机物来不及转化为甲烷,所以BosD/COD逐渐增大;随着负荷的提高,厌氧微生物的活性进一步增加,尤其是产甲烷菌,使得更多小分子的有机物转化为甲烷,Bo几/coD的比值随之而减少。2.1.4出水中悬浮物(55)随时间的变化在EABR的运行过程中,一定量的污泥被冲洗出反应器是必须的,这是污泥得到充足营养的保证。在启动初期,出水SS浓度较高,这是因为污泥活性较低,呈分散状的絮状污泥在水力负荷的作用下被带出反应器的结果。随着容积负荷的增加和水力负荷的提升,出水SS还会出现暂时的增加,但是总的趋势是SS逐渐降低。启动运行sod后,出水SS由最初的582mg/L变化为1121119/L,如图4所示。中山大学学报(自然科学版)第44卷ǎ.ù10三utà/窿当当晕招狱表2BO几的去除效果介1〕.2Re~aleeffdofB()I)、运行天数出水BO几出水BO几OB马去除率d(ngz·L一’)CDo%13319.40.35747.262755.70.38453.6121765.90.刁0573.6182121.20.月41〔谈1.5241554.50.43573.7302248.80.礴肠醉.036718.50.41889.1421870.20.39271.248737.00.38188.58工口7102030运行时间d/石右一一苏一6一一挥发性脂肪酸一HHHP图5Fig.出水vFA及pH值变化SV面eytOfVAFand叫表31’ba挥发性脂肪酸组成”3ConstiuttesofVAFmg·L运行天数d乙酸反应器内出水丙酸丁酸乙酸丙酸丁酸NTNTNT畔NTNT488462571.4.._...-J..…一--`----司`一---`-40500437..。呼.、...…:.672.5!02030运行时}司d/20.0NT311285277357391398.l02畔NTNT飞à,产4气乙341408398310321276珊314501341520浦11020刃4050凡日卜||rlL||LO600500400300200100ǎ一l闷汕已íS的图4出水SS变化曲线iFg.4Challgesin邓iwthtimel)NT为未检出2.1.5出水中挥发性脂肪酸(VFA)、pH值及碱度的变化挥发性脂肪酸是厌氧产酸菌的代谢产物,也是产甲烷菌的利用基质,过多的挥发性脂肪酸会引起pH值的下降,并影响反应器的正常运行。图5为EABR反应器启动过程中出水vFA的变化情况,从测试的结果来看,VF八在启动初期浓度较高,随着产甲烷菌活性的提高和增殖,出水vFA的浓度呈现逐渐减少的趋势。为了进一步了解EABR反应器在启动运行过程中挥发性脂肪酸的变化情况,本实验对反应器内外的VFA组分进行了气相色谱分析(表3)。从表3可以看出,反应器内外挥发酸的组成有所差异,总的说来,反应器内部的各种挥发酸要高于出水中的比例,其中丁酸的含量很低,基本上检测不到。在EABR中进行的厌氧酸化有以下两条途径,一是乙酸酸化,酸化的主要产物是乙酸,乙酸可进一步为产甲烷菌所利用;另一种是丙酸酸化,丙酸酸化的结果是丙酸浓度增加,最终可以导致反应器的酸化。由于本实验处理的废水呈酸性,在进人反应器之前需要对其中和,维持一定的碱度是必要的。由图6可见,产甲烷菌对pH值变化敏感,其最佳的pH值范围是6.5一7.8,因此碱度的调节需要根据出水pH值及vFA的变化进行。在产酸菌的作用下,大分子的有机物转化为挥发性脂肪酸,部分挥发性脂肪酸来不及转化为甲烷,使得出水的碱度普遍低于进水的碱度。有研究阵“}表明:在厌氧反应器启动初期,进水碱度可适当高些,这样有利于厌氧污泥的颗粒化和微生物的固定,但在满负荷运行时,可以降低进水碱度以提高厌氧微生物的活性。本实验的研究结果也验证了这一规律。2.2冲击负荷对EABR的影响为了综合评价EABR的处理效果,本实验通过改变进水的容积负荷来考察出水水质的变化,从而在实验的基础上得到最佳的运行负荷。在处理实际的废水中,负荷会经常波动,所以本实验还就负荷的突然变化对反应器的废水处理效果进行了系统的研究。2.21最佳有机负荷的确定在成功地启动EABR反应器后,通过调节进水水量改变反应器的容积负第4期叶向东等:高效厌氧反应器处理生物制药废水的试验研究300025002000rù!一00005000ǎ11甲切日í创套10203040运行时f日』/d图6碱度随时间变化情况Fig.6ChangeSinal脚inity初thtime大幅度增加。研究表明,EABR对负荷的冲击承受能力不宜超过50%。2.3进水州值对EABR处理效果的影响产甲烷菌的适宜州值范围在6.5一7.8之间,过低或者过高的州值均不利于产甲烷菌的增殖和对挥发性脂肪酸的降解,为了研究进水pH值对EABR处理效果的影响,分别对进水pH值进行调节。在进水pH值低于4.5时,反应器的产气量很少,而且出水VFA浓度很高,甚至出现产甲烷菌停滞的现象。表4是各个pH值条件下,出水coD去除率、PH值及vFA的变化情况。芝斗组勺自O切介,,E如誉担粼ù碑件荷,分别在容积负荷(o研)为8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0和2().0条件下,从出水COD、BO几的去除率以及出水ss的变化来确定最佳的有