IC 反應(yīng)器處理低濃度有機(jī)廢水試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)性研究

李海華，邢 靜，李孝明，劉 飛，張建華，王煥成

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2.河南省工程咨詢中心，河南 鄭州 450008;3.河南省南天種畜有限公司，河南 汝南 463300)

低濃度有機(jī)廢水主要來(lái)源包括農(nóng)業(yè)面源污染［1－2］、生活污水、食品廢水等.目前對(duì)低濃度有機(jī)廢水的厭氧處理工藝的研究還較少.內(nèi)循環(huán)(Internal Circulation，IC)厭氧反應(yīng)器是80 年代中期荷蘭PAQUES 公司研究開(kāi)發(fā)成功的第三代超高效厭氧反應(yīng)器，1986 年以后該公司迅速把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中［3－5］.IC 反應(yīng)器的主要特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)部能夠形成液體內(nèi)循環(huán)，加強(qiáng)了有機(jī)物與顆粒污泥的傳質(zhì)過(guò)程，從而反應(yīng)器的處理能力得到了提高［6－8］，其還具有容積負(fù)荷率高、處理容積大、投資少、占地面積小、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)［9－11］.但是，對(duì)于IC 反應(yīng)器的研究還主要集中在中、高濃度及易降解有機(jī)廢水的處理上，對(duì)低濃度有機(jī)廢水的研究還僅僅停留在理論研究階段［12－19］.筆者主要針對(duì)IC 反應(yīng)器處理低濃度有機(jī)廢水過(guò)程中pH 值、VFA 和堿度的相關(guān)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)材料、裝置與方法

1.1 試驗(yàn)材料

IC 反應(yīng)器、曝氣池、濾網(wǎng)、潛污泵、污水箱、蠕動(dòng)泵、沉淀池、調(diào)節(jié)池、污泥回流泵.

1.2 試驗(yàn)裝置

IC 反應(yīng)器裝置如圖1 所示.

圖1 IC 反應(yīng)器的構(gòu)造

反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制造，其直徑為15 cm、高為130 cm、有效容積為17.6 L.整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)被分隔成上、下兩個(gè)反應(yīng)區(qū)，每個(gè)反應(yīng)區(qū)的高度相同，每個(gè)反應(yīng)區(qū)均有采樣口.試驗(yàn)所取污水為華北水利水電大學(xué)學(xué)生6 號(hào)宿舍樓生活污水.試驗(yàn)工藝流程如圖2 所示.

圖2 試驗(yàn)流程

1.3 IC 反應(yīng)器的啟動(dòng)

反應(yīng)器啟動(dòng)的試驗(yàn)用水采用人工合成葡萄糖水，同時(shí)投加尿素、(NH4)CO3、KH2PO4，滿足營(yíng)養(yǎng)比例為200∶5∶1，采用NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH.其人工配水成分見(jiàn)表1.

表1 IC 反應(yīng)器處理人工配水成分表

圖3 進(jìn)、出水pH 值隨采樣時(shí)間的變化曲線

接種的厭氧污泥取自河南省奧克啤酒廠厭氧池，呈黑色、絮狀，接種量為15 L，其MLSS，MLVSS密度分別為0.5，0.3 g/L，密度滿足MLVSS/MLSS=0.6.采用間歇方式多次少量進(jìn)水，進(jìn)水總體積為5.3 L，水力 停留時(shí) 間(Hydraulic Retention Time，HRT)為3 d.7 d 后進(jìn)水量開(kāi)始加大，進(jìn)水總體積為8.84 L，HRT 為2 d.經(jīng)過(guò)20 d 的培養(yǎng)馴化后出水COD 值低于300 mg/L，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率接近58%，趨于穩(wěn)定.由此可知，顆粒污泥已基本能適應(yīng)新的水質(zhì).此后，開(kāi)始漸次引入生活污水，使之接近人工合成葡萄糖水水質(zhì)，COD 低于600 mg/L，回流比150 左右，并保持系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率維持穩(wěn)定.直至全部引入校園生活污水，此時(shí)，反應(yīng)器啟動(dòng)成功.

1.4 測(cè)定方法［20］

pH 的測(cè)定:便攜式pH 計(jì)法.堿度和揮發(fā)性脂肪酸的測(cè)定:碳酸氫鹽堿度和VFA 分析的聯(lián)合滴定法.COD 的測(cè)定:標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法.

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)、出水pH 值、VFA、碳酸氫鹽堿度和COD的變化

IC 厭氧反應(yīng)器接種顆粒污泥后以葡萄糖合成廢水啟動(dòng).待處理效率穩(wěn)定后漸次引入校園生活污水并逐漸取代合成廢水，直至啟動(dòng)成功.在啟動(dòng)過(guò)程中，為了能使污泥適應(yīng)新水質(zhì)，采用逐步提高流量增加反應(yīng)器的容積負(fù)荷的方法，開(kāi)始階段進(jìn)水流量為2 L/h，HRT 約為9 h，逐步增加進(jìn)水流量和縮短HRT，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率趨于穩(wěn)定，反應(yīng)器的啟動(dòng)期歷時(shí)37 d，啟動(dòng)成功后反應(yīng)器進(jìn)水的COD 濃度為470 mg/L，HRT 為4.2 h.待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后綜合考慮IC 反應(yīng)器進(jìn)出水pH 值、VFA、碳酸氫鹽堿度和COD 的變化情況，設(shè)定采樣時(shí)間為17 d，每隔24 d采樣一次.試驗(yàn)結(jié)果如圖3—6 所示.

圖4 進(jìn)、出水VFA 值隨采樣時(shí)間的變化曲線

圖5 進(jìn)、出水碳酸氫鹽堿度隨采樣時(shí)間的變化曲線

由圖3—6 可以看出，進(jìn)水pH 值為6.50～8.15時(shí)，經(jīng)IC 反應(yīng)器處理后，出水pH 基本能穩(wěn)定在7.0以上.進(jìn)水VFA 值為1.6～5.0 mmol/L 時(shí)，出水VFA 值為1～4 mmol/L，從數(shù)據(jù)中看出大部分VFA的出水濃度都低于3 mmol/L，反應(yīng)器運(yùn)行狀況良好.而進(jìn)水碳酸氫鹽堿度為1.53～4.00 mmol/L 時(shí)，出水碳酸氫鹽堿度為2.92～5.13 mmol/L，高于進(jìn)水碳酸氫鹽堿度，因?yàn)閰捬跷⑸锎x產(chǎn)物中包含二氧化碳等堿性物質(zhì)，又由于反應(yīng)器進(jìn)水使用的是普通的校園生活污水，有機(jī)物較少，酸化后產(chǎn)生的VFA 也較少，所以出水反應(yīng)器出現(xiàn)酸化的危險(xiǎn)并不大.進(jìn)水COD 值為182.32～680.00 mg/L，出水COD值110.35～316.80 mg/L.經(jīng)計(jì)算不同時(shí)期的COD去除率不同，前期COD 去除率較高，可達(dá)78.5%，后期的去除處理效率穩(wěn)定在40%左右，這說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥的處理能力有了較大的提高，但是如果想要達(dá)到更好的出水效果，就必須作后續(xù)的處理，這也驗(yàn)證了厭氧處理技術(shù)處理低濃度廢水的局限性.

圖6 進(jìn)、出水COD 值隨采樣時(shí)間的變化曲線

2.2 相關(guān)性分析

根據(jù)研究時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)水pH值、VFA 值、碳酸氫鹽堿度值與COD 去除率兩兩相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 Pearson 簡(jiǎn)單相關(guān)分析

2.2.1 SPSS 軟件兩兩相關(guān)性分析

由表2 中的Pearson 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)可以看出，COD 去除率與進(jìn)水pH 值之間的相關(guān)系數(shù)為0.044，具有正向相關(guān)性，相關(guān)性較弱;COD 去除率與進(jìn)水VFA 值之間的相關(guān)系數(shù)為－0.168，具有負(fù)相關(guān)性;COD 去除率與進(jìn)水碳酸氫鹽堿度之間的相關(guān)系數(shù)為0.259，具有正向相關(guān)性，這也同時(shí)說(shuō)明了反應(yīng)器在處理廢水時(shí)產(chǎn)酸會(huì)對(duì)系統(tǒng)的處理效率產(chǎn)生抑制作用，適當(dāng)?shù)奶妓釟潲}堿度能夠提高反應(yīng)器的處理效率.因此，IC 反應(yīng)器運(yùn)行正常與否的監(jiān)控離不開(kāi)對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的分析，同時(shí)根據(jù)IC 反應(yīng)器的運(yùn)行條件，調(diào)控pH 值，控制反應(yīng)器內(nèi)堿度，使甲烷菌在一個(gè)適宜的條件下生長(zhǎng)，保證反應(yīng)器具有良好的處理效率.

2.2.2 利用灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析(Grey Relational Analysis，GRA)是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)若干因素之間發(fā)展趨勢(shì)來(lái)衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的方法.這種因素分析實(shí)質(zhì)上就是對(duì)灰色系統(tǒng)隨時(shí)間而變化的若干有關(guān)數(shù)列及其曲線進(jìn)行分析比較.曲線的幾何形狀整體上越接近，則發(fā)展趨勢(shì)越接近，關(guān)聯(lián)度也就越大.按照因素的時(shí)間序列曲線變化態(tài)勢(shì)的接近程度來(lái)計(jì)算關(guān)聯(lián)度，其計(jì)算方法如下:

式中:k=1，2，…，n－1;i=0，1，2，…，m.

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)IC 反應(yīng)器處理低濃度有機(jī)廢水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

由表3 可以看出，COD 去除率與進(jìn)水VFA 值之間的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.601 9，灰色關(guān)聯(lián)度較大;COD 去除率與進(jìn)水碳酸氫鹽堿度的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.613 2，COD 去除率與進(jìn)水碳酸氫鹽堿度灰色關(guān)聯(lián)度較COD 去除率與進(jìn)水VFA 更大，此分析結(jié)果與Pearson 簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果基本吻合.

3 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)Pearson 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度分析，可以得到COD 去除率與進(jìn)水pH 值之間的相關(guān)系數(shù)為0.044，相關(guān)性較弱，灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.507 7;COD 去除率與進(jìn)水VFA 值之間的相關(guān)系數(shù)為－0.168，具有負(fù)相關(guān)性，灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.601 9;COD 去除率與進(jìn)水碳酸氫鹽堿度之間的相關(guān)系數(shù)為0.259，具有正向相關(guān)性，灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.613 2.IC 反應(yīng)器運(yùn)行正常與否的監(jiān)控離不開(kāi)對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的分析，同時(shí)根據(jù)IC 反應(yīng)器的運(yùn)行條件，調(diào)控pH 值，控制反應(yīng)器內(nèi)堿度，使甲烷菌在一個(gè)適宜的條件下生長(zhǎng)，保證反應(yīng)器具有良好的處理效率.

2)通過(guò)對(duì)VFA 的監(jiān)測(cè)，可以預(yù)測(cè)IC 反應(yīng)器中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以便及時(shí)解決，一般IC 反應(yīng)器的進(jìn)水VFA 和COD 的比值應(yīng)該保持在0.3 以上，才能保證出水水質(zhì)和系統(tǒng)內(nèi)pH 值維持在正常的范圍內(nèi).IC 反應(yīng)器系統(tǒng)基本達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該保證出水碳酸氫鹽堿度與VFA 的比值大于2 且VFA 的濃度小于3 mmol/L.

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