UASB工藝處理玉米淀粉廢水研究報告

李 墨

（玉鋒實業(yè)集團有限公司 河北邢臺 055550）

1 工程背景

河北省邢臺地區(qū)某玉米淀粉生產(chǎn)企業(yè)年產(chǎn)淀粉40×104t，每日廢水排放量6500m3～7000m3。廢水主要包括3個部分，即：玉米浸泡廢水；管束蒸發(fā)冷凝水；離子交換柱再生排水。這些廢水中殘留少量的溶解性淀粉、蛋白、粗纖維、有機酸和糖類，成分復(fù)雜，控制運行難度較大[1]。

本工程采用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）對廢水進行生化處理，進一步降低COD，提高廢水后續(xù)可生化處理能力，通過對流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）啟動、負(fù)荷提升和穩(wěn)定運行的研究，確定最佳的運行工況；分析沼氣產(chǎn)率的關(guān)鍵控制因子，尋找淀粉廢水處理過程中資源化利用的途徑。

2 材料與方法

2.1 廢水水質(zhì)

玉米淀粉廢水經(jīng)離心、濃縮分離麩質(zhì)預(yù)處理后，廢水水質(zhì)各項指標(biāo)如表1。

表1 試驗水質(zhì)

2.2 接種污泥

采用趙縣興柏淀粉糖業(yè)有限公司污水處理廠厭氧消化池污泥，MLSS為 35g·L-1。

2.3 實驗藥品

實驗所用藥品及試劑如表2所示。

表2 實驗所用化學(xué)試劑

2.4 試驗分析方法

根據(jù)《水和廢水檢測分析方法》（第五版）所列主要指標(biāo)的測試方法，試驗中的分析項目及測定方法如表3所示。

表3 分析項目及測定方法

2.5 主要儀器

實驗用儀器如表4所示。

表4 實驗用儀器一覽表

2.6 主要設(shè)備

表5 UASB流程中主要設(shè)備一覽表

3 玉米淀粉廢水厭氧處理效果分析

厭氧生物處理是一個復(fù)雜的微生物化學(xué)過程，依靠水解產(chǎn)酸細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌的聯(lián)合作用完成[2]。高分子有機物先在微生物體外通過胞外酶加以分解為小分子有機物，然后這些小分子有機物通過細(xì)胞壁進入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化為更簡單的化合物并分配到細(xì)胞外，主要產(chǎn)物有揮發(fā)性有機酸、醇類、乳酸、硫化氫、氨等；然后在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下，有機酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H2，最后產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽和H2等轉(zhuǎn)化為甲烷[3]。微生物對廢水水質(zhì)非常敏感，因此厭氧的調(diào)試需要一定的時間來對污泥進行馴化，以適應(yīng)廢水的水質(zhì)條件，本次調(diào)試共進行了85d，經(jīng)歷了啟動培養(yǎng)期(l～35d運行日）、負(fù)荷提高階段(36～70d運行日）、穩(wěn)定運行階段(71～85d運行日）三個階段。

3.1 啟動培養(yǎng)階段

厭氧反應(yīng)器（UASB）啟動時采用某玉米淀粉企業(yè)厭氧沉淀池絮狀污泥作為接種污泥，接種量為反應(yīng)器有效容積的10%，加上10%新鮮豬糞，過篩后用泵均勻打進反應(yīng)器內(nèi)部各布泥點采用低有機濃度、高水力負(fù)荷、連續(xù)進料的培養(yǎng)模式。

啟動培養(yǎng)階段采用經(jīng)離心、濃縮分離麩質(zhì)預(yù)處理后的玉米淀粉廢水，控制進料COD濃度1000～2000mg/L，控制進料流量15～20m3/h，控制厭氧反應(yīng)器（UASB）罐溫35℃左右，對所接種的厭氧污泥進行馴化，使其適應(yīng)水質(zhì)，初始水力停留時間(HRT）為3.0d，啟動負(fù)荷為 0.48kgCOD·(m3·d）-1，然后逐漸增加進料量。在厭氧反應(yīng)器啟動初期厭氧污泥產(chǎn)氣量低，罐內(nèi)污泥多沉積在罐底，因此需用一定的水力負(fù)荷才能使使絮狀污泥懸浮在厭氧反應(yīng)器內(nèi)，增加泥水接觸面積，但厭氧絮狀污泥沉降性能較差，也應(yīng)注意避免因水力負(fù)荷過大導(dǎo)致厭氧污泥流失。第1～14d運行日，出水COD去除率60%，出水pH值穩(wěn)定7.1，說明厭氧反應(yīng)器接種污泥已經(jīng)適應(yīng)了廢水的水質(zhì)特征，啟動正常可以繼續(xù)培養(yǎng)，；第15～21d運行日，出水COD達到300mg·L-1左右，去除率逐漸穩(wěn)定在70%左右。在第22～30d運行日，進一步提高進料流量，出水COD達到350mg·L-1左右，去除率逐漸穩(wěn)定在80%左右。鏡檢反應(yīng)器中部生物量明顯增多，檢測出水COD去除率穩(wěn)定在80%左右，啟動培養(yǎng)階段完成。期間各運行參數(shù)變化情況如圖1、圖2所示。

圖1 啟動階段中COD處理效果

圖2 容積負(fù)荷與COD去除率關(guān)系

3.2 負(fù)荷提高階段

采用水力負(fù)荷和有機負(fù)荷同步逐漸提高的方式來提高反應(yīng)器的運行負(fù)荷，反應(yīng)器容積負(fù)荷由0.72kgCOD·(m3·d）-1提高到3.2kgCOD·(m3·d）-1，負(fù)荷提高階段的運行工況視反應(yīng)器COD去除率和pH的狀況而定，當(dāng)COD去除率大于80%，pH大于7.0，并穩(wěn)定運行3～5d，即可提高負(fù)荷，提升幅度為15%～20%。

通過對反應(yīng)器內(nèi)污泥進行鏡檢觀察，發(fā)現(xiàn)了粒度約1mmd的顆粒污泥，污泥內(nèi)微多為桿狀菌和少量的球菌。經(jīng)過25d的運行，容積負(fù)荷達到4.5kgCOD ·(m3·d）-1，水力停留時間達到25h，污泥逐漸適應(yīng)了玉米淀粉廢水的水質(zhì)條件，有少量的細(xì)小的分散污泥洗出，主要原因是水的上流速度和逐漸產(chǎn)生的沼氣，這有利于顆粒污泥的形成[4]。反應(yīng)器表現(xiàn)出較高的去除效率，COD去除率保持在85%以上，出水COD逐漸在450mg·L-1左右。結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 COD處理效果

圖4 容積負(fù)荷與COD去除率關(guān)系

3.3 穩(wěn)定運行階段

保證厭氧反應(yīng)器出水水質(zhì)滿足后段好氧處理前提下，確定厭氧處理最經(jīng)濟、穩(wěn)定運行工況。在15d的穩(wěn)定運行期間，當(dāng)反應(yīng)器進料濃度為 5000mg·L-1～6500mg·L-1，運行負(fù)荷為 8kgCOD·(m3·d）-1，COD去除率達到90%以上時，出水COD濃度為450mg·L-1～500mg·L-1。

4 工藝關(guān)鍵控制因素優(yōu)化

圖5 UASB反應(yīng)器構(gòu)造示意圖

上流式厭氧污泥床（UASB）處理廢水的原理是廢水均勻地從反應(yīng)器底部進入，向上通過厭氧污泥床，在厭氧條件下產(chǎn)生沼氣。廢水的向上流動和大量沼氣的上升對反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥起到了良好的自然攪拌作用，引進顆粒污泥的擾動，使一部分污泥向上運動，在污泥床上方形成相對稀薄的污泥懸浮層[5]。在含有顆粒污泥的廢水進入反應(yīng)器上部三相分離區(qū)后，附著在顆粒污泥上的氣泡撞擊到三相分離器氣體反射板，與污泥和廢水發(fā)生分離，被收集在集氣室內(nèi)，釋放氣泡后的顆粒污泥由于重力作用沉淀到污泥層的表面，返回反應(yīng)區(qū)，液體則經(jīng)出水堰流出反應(yīng)器[6]。上流式厭氧污泥床（UASB）涉及控制因素很多，本次重點考察容積負(fù)荷、水力停留時間、pH值等因素對系統(tǒng)處理效果的影響。反應(yīng)器的構(gòu)造如圖5所示。

4.1 容積負(fù)荷對運行效果的影響

容積負(fù)荷是厭氧反應(yīng)器重要的設(shè)計參數(shù)，它受水質(zhì)條件和反應(yīng)器構(gòu)造的影響，在厭氧反應(yīng)器的啟動階段，容積負(fù)荷與厭氧污泥的性狀又密切相關(guān)，因此容積負(fù)荷反映的是厭氧反應(yīng)器的運行工況。

由圖6、圖7表明反應(yīng)器處理該廢水的最優(yōu)容積負(fù)荷為8.0kgCOD·(m3·d）-1。

圖6 容積負(fù)荷與COD去除率關(guān)系

4.2 水力停留時間對運行效果的影響

在運行過程中，HRT由開始的66.0h減少到21.0h，COD容積負(fù)荷由 0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1。COD 去除率有下降趨勢保持在85%左右。說明系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，水力停留時間最優(yōu)21.0h。

圖7 HRT與COD去除率關(guān)系

4.3 進水pH值對運行效果的影響

玉米淀粉廢水中含蛋白質(zhì)和糖類較多，水解后pH會降低，但隨著厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥對廢水的逐漸適應(yīng)，甲烷菌開始產(chǎn)氣，消耗了有機酸；而廢水中的溶解性蛋白也因為水解產(chǎn)生的氨使pH回升，因此反應(yīng)器內(nèi)料液含有NH3-NH4+和CO2-HCO3-的緩沖體系，只要厭氧微生物代謝正常，pH變化很小。但若進料pH過低，超過了厭氧反應(yīng)器承受能力，首先將抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸的積累，引起pH的持續(xù)降低，如果pH持續(xù)下降到5.0則厭氧反應(yīng)器將停止對有機物的降解，反應(yīng)器將酸敗，若想恢復(fù)，則需要投加大量的堿，并從新開始啟動[7]。

圖8 進水pH值與出水pH值去除率關(guān)系

由圖8可以看出，負(fù)荷提高階段隨著反應(yīng)器容積負(fù)荷由0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1，反應(yīng)器出水 pH 始終控制在6.8以上。當(dāng)緩慢降低進料pH時，出水pH下降并不明顯，并且高于6.0，反應(yīng)器產(chǎn)氣良好，說明甲烷菌已經(jīng)適應(yīng)了玉米淀粉廢水；當(dāng)進料pH降至4.0時，出水pH降至6.5，并且COD去除率明顯下降，有酸敗趨勢，調(diào)整進料pH到4.5經(jīng)過5天的恢復(fù)期，出水COD逐漸回落到450mg·L-1左右，出水pH回升到6.5以上，表明厭氧反應(yīng)器處理該廢水的進料pH最優(yōu)為4.5。

4.4 沼氣綜合利用

厭氧反應(yīng)器（UASB）在處理廢水的同時可產(chǎn)生沼氣，沼氣是高熱值清潔能源，由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得知，1m3沼氣相當(dāng)于1kg燃煤。

在厭氧反應(yīng)器負(fù)荷提高階段，容積負(fù)荷由4.2kgCOD·(m3·d）-1提高到8.0kgCOD·(m3·d）-1時，反應(yīng)器產(chǎn)氣量也逐漸增大，但在負(fù)荷調(diào)整前后3天，產(chǎn)氣稍有波動，這與COD的去除率密切相關(guān)；當(dāng)容積負(fù)荷由 8.0kgCOD·(m3·d）-1提高到 9.0kgCOD·(m3·d）-1時，產(chǎn)氣量明顯降低，出水COD明顯升高，降低反應(yīng)器的負(fù)荷后，產(chǎn)氣逐漸正常。沼氣資源利用項目將玉米淀粉廢水中的COD轉(zhuǎn)化成了CH4，穩(wěn)定期厭氧反應(yīng)器每日可產(chǎn)生沼氣23000m3，供生活和工業(yè)（沼氣鍋爐）使用，沼氣鍋爐每小時產(chǎn)6t蒸氣，送電廠汽輪機發(fā)電。可年可節(jié)約燃煤7500t，直接經(jīng)濟效益493萬元，并具有明顯的環(huán)境效益。

圖9 容積負(fù)荷與沼氣產(chǎn)率的關(guān)系

5 結(jié)語

流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）處理淀粉廢水，經(jīng)過85d的調(diào)試，COD容積負(fù)荷達到8kg COD·(m3·d）-1時，出水COD達到450mg·L-1～500mg·L-1，COD 去除率達到 95%，沼氣產(chǎn)率達到0.36L·kgCOD-1，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，確定出的工藝參數(shù)為：HRT21h；容積負(fù)荷：8.0kgCOD·(m3·d）-1；進料 pH 值控制在 4.5～5.5。關(guān)鍵控制點有：

5.1 每天應(yīng)對進料的溫度、pH值、COD及出水的COD、pH值、SS、VFA進行監(jiān)測，防止因COD負(fù)荷的沖擊引起污泥的流失或系統(tǒng)酸敗。

5.2 若廢水中含有不溶性懸浮物較多，需前置沉淀池以去除SS，控制厭氧進料懸浮物濃度小于1000mg/L。

5.3 UASB容積負(fù)荷直接影響沼氣產(chǎn)率，為實現(xiàn)效益的最大化，控制厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷在8.0kgCOD·(m3·d）-1左右。

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