高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行

1、第34卷第11期2008年11月水處理技術(shù)TECHNOLOGY OF WATER TREATMENTVol.34 No.11Nov.,2008#高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行孫佳偉，謝麗，周琪，羅剛（同濟大學(xué)污染控制與資源化研究國家 重點實驗室，上海200092）摘 要:試驗在高溫（55C）條件下用EGSB厭氧反應(yīng)器處理 木薯酒精廢水。以中溫厭氧顆粒污泥為接種污泥，通過 改變進水COD濃度調(diào)節(jié)進水容積負(fù)荷，出水COD去除率可穩(wěn)定在80%以上，pH在7.4左右，出水堿度范圍為 28004000 mg-L-1;沼氣成分中CH4含量約為55%61%，平均每kg COD的沼氣產(chǎn)生量

2、為0.256 m3;對干燥木薯 酒糟基質(zhì)進行元素組成分析，推導(dǎo)出模擬分子式為C3.75H9O2.625N0.15S0.025,估算出沼氣中理論CH4含量為58.09%。出水 pH隨著系統(tǒng)COD去除率的變化而波動，可以通過系統(tǒng)pH的變化來判斷厭氧EGSB反應(yīng)器的運行效果。© 1 爭*4-20IO Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net第34卷第11期2008年11月水處理技術(shù)TECHNOLOGY OF WATER TREATMENTVol.34 No.11N

3、ov.,2008#收稿日期:2008-05-23基金項目：拜耳可持續(xù)發(fā)展基金；上海市科委資助項目（062307038）作者簡介：孫佳偉（1983-），男，碩士研究生，主要從事污水處理理 論與技術(shù)研究 聯(lián)系電話; E-mail : terrysun686。關(guān)鍵詞：木薯酒精廢水；高溫EGSB;厭氧消化 中圖分類號:X703.1文獻標(biāo)識碼：A以木薯為原料生產(chǎn)酒精在我國有著較為廣闊的 市場，但是在木薯酒精生產(chǎn)發(fā)酵過程中，會產(chǎn)生大量 高濃度的有機廢液。該廢水中含有 大量的有機化合 物及懸浮物，COD高達3000060000 mg-L-1，并且 木薯酒精發(fā)酵過程中排出的廢水溫度普

4、遍在60C 左右，酸性強。如果不對其妥善處理，會對酒精廠附 近的河流、地表環(huán)境造成污染。目前，高濃度酒精廢水的厭氧處理普遍采用 UASB或EGSB厭氧反應(yīng)器，但是木薯酒精廢水含有 的懸浮物濃度高，而UASB或者EGSB反應(yīng)器一般 要求進水懸浮固體濃度低于5000 mg-L-11o這類有機 廢水需要先經(jīng)過固液分離或是厭氧全渣發(fā)酵,再采用 高效厭氧反應(yīng)器進行處理。EGSB反應(yīng)器做為第三代 厭氧處理反應(yīng)器，具有良好的傳質(zhì)效果和抗負(fù)荷能 力，在酒精廢水治理中的應(yīng)用日趨廣泛。當(dāng)前的研究 多集中在常溫或中溫條件下厭氧EGSB反應(yīng)器的啟 動和運行,對于高溫條件下厭氧EGSB的啟動運行目 前還未見報道。本文主

5、要研究高溫條件下，厭氧 EGSB處理木薯酒精廢水的啟動與運行特性，考察 COD的去除效果、產(chǎn)氣效能和反應(yīng)器的酸堿平衡能 力，以便為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。文章編號：1000-3700（2008）11-068-041試驗裝置與方法1.1試驗用水和接種污泥試驗用水取自江蘇某木薯酒精廠的酒糟出水， 廢糟液有機物和懸浮物濃度較高，且酸性較大。多次 監(jiān)測平均結(jié)果顯示，廢液總COD濃度60000 mg- L-1， 懸浮物含量約為42000 mg-L-1,總氮濃度800 mg- L-1, 總磷約400 mgL-1,pH為4.0左右。廢水的 C:N :P 基本上能夠滿足厭氧消化200:5:1的要求。研究中 厭氧

6、EGSB的進水模擬全渣厭氧發(fā)酵后的出水，將 原水靜止沉淀后按比例稀釋配置而成。接種污泥取 自木薯酒精廠厭氧UASB反應(yīng)器的中溫顆粒污泥。 顆粒污泥的TSS為70g-L-1,VSS為42gL-1。經(jīng)過簡 單篩洗，去除沙粒后接種至反應(yīng)器中，接種污泥體積 占反應(yīng)器總體積一半。1.2試驗裝置厭氧EGSB反應(yīng)器由有機玻璃制成，試驗裝置如 圖1所示。反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)體積為5L，反應(yīng)區(qū)高度為 860 mm，內(nèi)徑86 mm，三相分離器體積為2.5L。恒溫 水浴循環(huán)控制反應(yīng)器內(nèi)溫度為55C。反應(yīng)器的內(nèi)循 環(huán)由蠕動泵控制，從反應(yīng)器上部引出，再泵入反應(yīng)器© 1 爭*4-20IO Ctiirta Academ

7、ic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#底部，初始循環(huán)比為10:1,穩(wěn)定運行后調(diào)整為15:1。 反應(yīng)器內(nèi)部的上升流速即主要由循環(huán)流量來控制，初 始流速為0.91 mh-1,穩(wěn)定運行后調(diào)整為1.32m- h-1, 在此流速下，污泥床膨脹，內(nèi)循環(huán)中有明顯絮狀污泥存 在。試驗中通過調(diào)節(jié)進水的COD濃度來控制進水負(fù) 荷。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)由水封后通過排水集氣法測定體積。2結(jié)果與討論2.1 COD去除率的變化開始啟動時，原水靜沉后稀釋至進水COD濃

8、度為1500 mg-L-1 ,HRT設(shè)定在10 h,此時COD容 積負(fù)荷約為3 kgCOD - m-3 d-1。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定 后, 逐步減少原水的稀釋比，提高進水COD濃度。圖2 顯示了高溫厭氧EGSB啟動和運行過程中COD的 去除率隨容積負(fù)荷的變化。© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journ

9、al Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#取S 1 EGSB反盛蔘1286IW10090"80%-7060<50D 40 O 3020100 、 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70-'I 11 /d圖2 EGSB啟動及運行過程容積負(fù)荷一及COD去除率的變化Fig.2 Change of OLR andCOD removal efficiency during start-up a

10、nd .operation of EGSB© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行71*18'16丨141 12I咸 、8一" '6丄420IhiR, I Schniitacof LG SB kquipment1.3試驗方法反應(yīng)器接種顆粒污泥后，將稀釋后COD約為 1000 mg-L-1的原水通過蠕動泵注入反應(yīng) 器內(nèi)，注滿 后靜置，并打開恒溫水浴升

11、溫。靜置24 h后，測得反 應(yīng)器最上層取樣口處pH為7.3左右，此后連續(xù)進 水，起始進水COD濃度為1500 mg-L-1,負(fù)荷約為3 kgCOD-m-3-d-1,啟動期嚴(yán)密關(guān)注COD去除率、產(chǎn)氣 量、出水pH以及堿度的變化。若出現(xiàn)酸化征兆，則 停止進水一段時間后再啟動進水，同時在進水中 補充碳酸氫鈉，控制進水的pH在6.4左右，以維 持反應(yīng)器內(nèi)的pH，保證出水呈堿性。出水COD、 pH和堿度穩(wěn)定后，逐步提高進水負(fù)荷，每次提高約 2 kgCOD m-3d。1.4分析方法試驗中各項指標(biāo)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定。液體樣 品在3500 r - min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min ,上清液經(jīng) 0.45呵濾膜過

12、濾后測定溶解性COD和堿度°COD 用重鉻酸鉀法測定；堿度通過酸堿指示劑滴定法確 定；pH由pH計測定（英格620型pH計）；產(chǎn)生的 沼氣成分使用氣相色譜分析（島津GC-14B-TCD ）; 產(chǎn)氣量采用飽和NaCI溶液排水集氣法測定；木薯 酒糟干燥基質(zhì)的元素組成分析采用有機元素分析儀 （Elementar, Vario EL III）進行測定。啟動初期，COD的去除率有明顯波動，且對于負(fù) 荷變化較敏感，當(dāng)進水COD負(fù)荷由3kgCOD-m-3-d-1 提高至5 kgCOD-m-3-d-1, COD去除率 由80%降至 66%，隨后逐步趨于穩(wěn)定，經(jīng)過20天左右的運行，負(fù) 荷提高至6.5

13、kgCOD-m-3-d-1,系統(tǒng)COD去除率穩(wěn)定 在80%左右。以2 kgCOD - m-3- d-1左右的幅度逐步提 高進水COD負(fù)荷，進水COD濃度為6000 mg-L-1 左右時，負(fù)荷達到1415 kgCOD-m-3-d-1 ,COD去除 率可穩(wěn)定維持在80%以上。2.2產(chǎn)氣量的變化由圖3可知，高溫條件下，厭氧EGSB反應(yīng)器的 沼氣產(chǎn)量隨容積負(fù)荷的增加以較快的速率增長，在 此過程中，并沒有出現(xiàn)產(chǎn)氣量突然下降的情況。研究 表明容積負(fù)荷提高至14 kgCOD - m-3- d-1后，反應(yīng)器O八-C 6-200、5 110臨蚣-'25%0棗專訊曙助噪枕'/ 700/d:圖3 E

14、GSB命動'與運行過程審產(chǎn)氣量的變化Fig.3Change of biogas production during start-upjaHd'operationofEGSB仍能正常運行，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在14 L-d-1或以上，未出 現(xiàn)產(chǎn)氣量受抑制的現(xiàn)象，這表明高溫厭氧EGSB污 泥活性較高，能夠適應(yīng)更高的容積負(fù)荷并穩(wěn)定地運 行。對沼氣成分組成進行氣相色譜分析，研究發(fā)現(xiàn)隨 著運行的穩(wěn)定和負(fù)荷的增加，沼氣中甲烷的含量不 斷上升，穩(wěn)定在55%61%的范圍之內(nèi)。為進一步探求COD負(fù)荷與反應(yīng)器產(chǎn)氣量的關(guān) 系，將不同負(fù)荷下單位反應(yīng)器體積的日產(chǎn)氣量和對 應(yīng)的COD去除負(fù)荷作圖，如圖4所示。圖中各

15、點呈 線性關(guān)系，直線擬合后得到斜率為0.256,由此可以 推算出，平均每去除1 kg COD的沼氣產(chǎn)生量約為 0.256 m3。圖4單位體積出量與監(jiān)d 3.53.0 d 3.0 md2.52.01.5Fig.4 Correlation between biogas production and OLRF -對木薯酒糟的元素組成進行分析，得到干燥后 基質(zhì)中各元素的組成比例C為45% ,H為9% ,0為 42% ,N為2.1% ,S為0.82% ,推導(dǎo)出基質(zhì)的模擬分 子式為C3.75H9O2.62sN0.15S0.025。若認(rèn)為基質(zhì)中的碳水化 合物全部厭氧分解轉(zhuǎn)化為CH4和CO2,蛋白質(zhì)和含 硫物

16、質(zhì)轉(zhuǎn)化為NH3和H2S，根據(jù)這一結(jié)果，可寫出反 應(yīng)器木薯酒糟厭氧反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：C375H9O2525N015S0.025+0.31H2O2.28CH4+1.47COa+0.15NH3+0.025H2S（1）根據(jù)式（1）,可以計算出木薯酒糟廢液經(jīng)過厭 氧處理后，理論上產(chǎn)生的沼氣中CH4含量為58.09%, 與實際測定的CH4含量55%61%較為接近。同時可 以推算出木薯酒糟廢液的產(chǎn)氣量約為0.889m3-kg-1 木薯酒糟，1 kg木薯酒糟基質(zhì)C3.75H9O2.625N0.15S0.025相 當(dāng)于1.6057 kgCOD ,估算出理論沼氣產(chǎn)生量為 0.554 m3-kg-1COD。與

17、理論值相比，實測值得到的結(jié) 果偏小，這可能與有機物未能充分厭氧降解有關(guān)。 2.3出水pH和堿度特征產(chǎn)甲烷菌的活性在酸性環(huán)境中會受到抑制，因 此對于厭氧反應(yīng)器而言,防止酸化是一個關(guān)鍵問題。 啟動初期，由于水解酸化反應(yīng)較強，有機酸大量生Change of. pH蟲and alkalinity with running time during汀start-up and operation of EGSB成，容易引發(fā)酸化現(xiàn)象，因而需要特別關(guān)注。系統(tǒng)的 pH和堿度能夠及時反應(yīng) 出厭氧消化的處理 效果，任 何因素引起的處理效率下降都能從pH和堿度的波 動中及時發(fā)現(xiàn)。如圖5所示，啟動初期，出水pH值 和堿度

18、波動較大，特別是前5d,pH降至7.0以下, 堿度也下降到1500 mgL-1。在此情況下，通過增加 進水中碳酸氫鈉以平衡反應(yīng)器內(nèi)的有機 酸，進水pH 上調(diào)至7.0再進水，出水pH逐步穩(wěn)定。出水堿度基 本穩(wěn)定，波動范圍 為28004000 mgL-1。但對于負(fù) 荷的提高引起去除率波動，出水pH的反應(yīng)較為敏 感的，因此密切關(guān)注出水pH的變化，就能及時了解 反應(yīng)器的運行狀況。圖6顯示了出水pH與COD去 除率的關(guān)系，可以看出，啟動和運行期，出水pH隨 著系統(tǒng)COD去除率的變化而波動，啟動初期COD 去除率由80%降到65%,出水pH則由7.8降低至 6.5;隨著COD去除率的提高，出水pH也隨之提

19、高。 pH的變化與COD去除率的變化保持一致，這也與 郭曉燕和張振家在中溫條件下得到的研究結(jié)果一致2, 可以通過系統(tǒng)pH的變化來判斷厭氧EGSB反應(yīng)器 的運行效果。d987636000I 0一一 r I f 20 5 10 15 20-25 30 35 40 45 50 55 60 65 70蹈5Fig.5! EGS-dFig.6 Relationship of pH value and COD removal efficiency3結(jié)論厭氧EGSB反應(yīng)器在高溫（55C）條件下處理 木薯酒精廢水，接種污泥為中溫厭氧顆粒污泥，通過 改變進水COD濃度調(diào)節(jié)進水容積負(fù)荷，提升幅度為 25 kgCOD

20、 m-3-d-1o啟動運行期間,反應(yīng)器處理效 果較好，出水COD去除率可穩(wěn)定在80%以上，pH在 7.4左右，出水堿度范圍為28004000 mg-L-1。運行過程 中，進水負(fù)荷可達1415 kgCOD - m-3 - d-1，產(chǎn)氣量達到14 L d-1,沼氣成分中CH含量 約為5561%。產(chǎn)生的沼氣量與COD去除負(fù)荷呈正 相關(guān)關(guān)系，直線擬合可以推算出平均每kg COD的 沼氣產(chǎn)生量為0.256m3。對干燥木薯酒糟基質(zhì)進行元素組成分析，推導(dǎo) 出模擬分子式為C3.75H9O2.625N0.15S0.025。根據(jù)這一結(jié)果， 可以估算出理論上CH4含量為58.09%,與實測值較 為一致。但實測沼氣產(chǎn)

21、生量較理論值小，可能與基質(zhì) 未能充分厭氧分解有關(guān)。啟動和運行期，出水pH隨著系統(tǒng)COD去除率 的變化而波動，可以通過系統(tǒng)pH的變化來判斷厭氧 EGSB反應(yīng)器的運行效果。參考文獻：1 張德清.薯類酒精廢糟液治理工程設(shè)計探討J.給水排水,1999 (07):34-36.2 郭曉燕，張振家.EGSB反應(yīng)器處理米酒廢水的啟動方法研究J.環(huán)境污染與防治,2004(02):107-109.© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭

22、氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#START-UP AND OPERATION OF EGSB TREATINGCASSAVA ALCOHOL WASTEWATER UNDER© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, Al

23、l rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#THERMOPHILICCONDITION© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights rese

24、rved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#SUN Jia-Wei, XIE Li, ZHOU Qi, LUO Gang(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract: Cassava alcohol wastewater, a type of harmful organic wastewater with no toxicity, containing plenty o

25、f organic and suspended compounds was treated by EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactor under 55 °C in the experiment. With inoculation of mesophilic granular sludge, the COD removal rate stayed over 80%, pH about 7.4 and alkalinity ranged from 2800 to 4000 mg - L-1 in the effluent. Biogas

26、 production volume was 0.256 m3 per COD with 55%61% CH4 in it. The simulated molecular formula of dry cassavawastewas estimated as C3.75H9O2.625N0.15S0.025 leading to the theoretic concentration of CH4 in biogas of 58.09%. pH value fluctuated with COD removal rate, which indicated the operation cond

27、ition of the system.Keywords: cassavaalcohol wasterwater; EGSB under thermophilic condition; anaerobic digestion !(上接第67頁)© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ek

28、cxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#4 Hao O, Huang J. Alternating aerobic-anoxic process for nitrogen removal:process evaluation J. Wat Environ Res.,1996,68(1): 83-93.5 馬勇，彭永臻.應(yīng)用在線傳感器實現(xiàn)前置反硝化工藝生物脫氮的過程控制J.應(yīng)用與環(huán)境 生物學(xué) 報,2007,13(3):408-413.6 鄧嬪，劉威，李小明，等.

29、PH、ORP監(jiān)控在亞硝酸型生物脫氮過程中的 應(yīng)用J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(3):97-100.© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#© 1 爭*4-2010 Ctiirta Academic Journal Ekcxronic Publishing House, All rights reserved. htTp:1.net孫佳偉等，高溫厭氧EGSB反應(yīng)器處理木薯酒精廢水的啟動與運行#APP