內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器處理印染廢水研究

王偉

(湖南有色金屬研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100)

印染行業(yè)是工業(yè)廢水排放大戶(hù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)印染廢水每天排放量為3×106～4×106m3。印染廢水具有水量大、有機(jī)污染物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，屬于難處理的工業(yè)廢水。近年來(lái)由于化學(xué)纖維織物的發(fā)展，仿真絲的興起和印染后整理技術(shù)的進(jìn)步，使PVA漿料、人造絲堿解物、新型助劑等難生化降解有機(jī)物大量進(jìn)入印染廢水，據(jù)調(diào)查，印染廢水的COD達(dá)到2 000～3 000 mg/L，而且BOD/COD在0.2以下，單純的好氧生物處理難度大、成本高［1］。隨著人們對(duì)厭氧技術(shù)和設(shè)備研究的不斷深入，開(kāi)發(fā)出了一系列厭氧生物濃度高、污泥停留時(shí)間長(zhǎng)、固液之間傳質(zhì)強(qiáng)、水力停留時(shí)間短的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，主要用于處理啤酒、食品、印染等廢水。

傳統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尤其是三相分離器結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工困難，而且容易發(fā)生堵塞，破壞循環(huán)。本研究設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，在三相分離器的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了合理的改進(jìn)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，發(fā)揚(yáng)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜易引起堵塞等缺點(diǎn)［2］，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變進(jìn)水濃度、pH值和溫度對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行產(chǎn)生的影響，尋求適于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器高速有效處理印染廢水的運(yùn)行條件，為生產(chǎn)規(guī)模的內(nèi)循環(huán)厭氧工藝應(yīng)用于印染廢水的處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器［1］由本體部分和氣液分離器組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。反應(yīng)器的本體部分主要包括第一反應(yīng)區(qū)、第二反應(yīng)區(qū)和兩個(gè)三相分離器等。整個(gè)反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為30 cm，總體積100 L，徑高比約為5。

圖1 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖1－厭氧生物反應(yīng)器本體;2－進(jìn)水管;3－布水器;4－第一反應(yīng)室; 5－一級(jí)三相分離器;6－第二反應(yīng)室;7－二級(jí)三相分離器;8－沉淀區(qū);9－出水渠;10－回流管;11－氣液分離器;12－沼氣排出管

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)采用的啟動(dòng)廢水為印染企業(yè)的實(shí)際廢水，進(jìn)水的pH值維持在7左右。啟動(dòng)過(guò)程中保持進(jìn)水的COD穩(wěn)定，通過(guò)改變進(jìn)水量來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷。初始的有機(jī)負(fù)荷定為5 kg COD/m3·d，穩(wěn)定一段時(shí)間，待出水COD的去除率穩(wěn)定在80%以上，逐漸提高反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷，每次提高約20%～40%，一直到設(shè)計(jì)負(fù)荷。

1.3 接種污泥

接種污泥取自原印染企業(yè)厭氧消化池，用COD為500 mg/L的人工配水持續(xù)8～10 h對(duì)污泥進(jìn)行漂洗和活化。污泥接種量為25 g/L左右，約占反應(yīng)器有效容積的30%左右，初始負(fù)荷定為5 kg COD/m3·d［3］。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)［4］

在保持進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為30 kg COD/m3·d左右的條件下，繼續(xù)進(jìn)行20 d的穩(wěn)定運(yùn)行，在此期間保持進(jìn)水的COD濃度為10 000 mg/L左右，進(jìn)水pH值為7左右、觀測(cè)出水COD濃度的范圍，污泥SVI和VSS的變化情況，以及氣體產(chǎn)率和成分

2.2 進(jìn)水COD濃度及反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷的確定

2.3 進(jìn)水pH值的確定［4］

由于反應(yīng)器顆粒培養(yǎng)過(guò)程與顆粒化后反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程是不同的兩個(gè)階段，兩個(gè)階段所需的pH值范圍也不一樣，因此在反應(yīng)器啟動(dòng)成功后，還需要重新確定反應(yīng)器運(yùn)行條件下的pH值范圍。由于該實(shí)驗(yàn)的基質(zhì)是印染廢水，而印染廢水pH值范圍在6～9之間，因此實(shí)驗(yàn)分別選取6和9作為低限和高限進(jìn)行反應(yīng)器的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，考察不同pH值條件下反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，從而確定條件對(duì)利于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的pH值條件。

2.4 反應(yīng)溫度的確定［4］

溫度對(duì)微生物的代謝活性具有重要的影響，從而影響反應(yīng)器的處理效果。反應(yīng)器擬采用中溫消化，所以實(shí)驗(yàn)考察了20℃至40℃間出水COD濃度的變化，來(lái)確定使反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的溫度范圍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)［5］

3.1.1 出水COD濃度與COD去除率的變化

在IC反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間每隔1 d對(duì)進(jìn)出水COD濃度進(jìn)行一次測(cè)定，其變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，IC反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，出水COD濃度保持在2 000 mg/L以下，COD去除率維持在80%以上。

圖2 穩(wěn)定運(yùn)行期間進(jìn)出水COD濃度曲線

3.1.2 SVI和VSS的變化

在IC反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間，每隔1 d對(duì)污泥床反應(yīng)區(qū)污泥SVI與VSS進(jìn)行一次測(cè)定，變化曲線如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定運(yùn)行期間顆粒物SVI和VSS的變化

圖3可以看出，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中，污泥沉降性能和微生物含量均保持相對(duì)的恒定狀態(tài)，SVI穩(wěn)定在32.6 mL/g左右，VSS含量約為85%。

3.1.3 氣體產(chǎn)率和成分

事實(shí)證明之一般原理在知識(shí)產(chǎn)權(quán)司法審判中的適用——以《紅色娘子軍》著作權(quán)案為例 ...............陳界融 11.35

在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間每隔4 d對(duì)產(chǎn)氣速率與氣體成分進(jìn)行一次測(cè)定，結(jié)果如表1。

從表1可以看出，IC反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間，在進(jìn)水COD濃度在10 000 mg/L左右時(shí)，平均容積產(chǎn)氣率為10.27 L/L·d，每去除1 kg COD可以產(chǎn)生約0.40～0.45 m3的沼氣，其中甲烷平均含量為72.88%，氫氣平均含量1.79%。

表1 穩(wěn)定運(yùn)行期間的產(chǎn)氣速率和氣體成分

3.2 進(jìn)水COD濃度及反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷的確定

3.2.1 進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為30 kg COD/m3·d左右的實(shí)驗(yàn)

保持進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為30 kg COD/m3·d左右，將進(jìn)水COD濃度降低到4 000 mg/L左右，進(jìn)水流量為750 L/d，HRT=3.2 h，運(yùn)行1 d，測(cè)得反應(yīng)器產(chǎn)氣量、出水COD濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 出水COD濃度和產(chǎn)氣量的變化曲線

從內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果可以看出，當(dāng)進(jìn)水流量提高到750 L/d時(shí)，出水COD濃度在1 d內(nèi)升到3 217.2 mg/L，COD去除率只有20%左右;沼氣產(chǎn)氣量也迅速下降，產(chǎn)氣幾乎停止，同時(shí)，出水中懸浮物濃度增加，洗出顆粒污泥增多，反應(yīng)器運(yùn)行惡化;而經(jīng)過(guò)測(cè)定污泥SVI和VSS發(fā)現(xiàn)，二者變化不大，這可能是因?yàn)橛捎诜磻?yīng)器在惡化狀況下運(yùn)行的時(shí)間較短，還沒(méi)有對(duì)顆粒污泥造成破壞，反應(yīng)器運(yùn)行惡化主要是由于水力負(fù)荷突然加大，使污染有機(jī)物沒(méi)有經(jīng)過(guò)微生物的充分降解就隨出水排出反應(yīng)器而造成的。

3.2.2 降低進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)

由于降低COD濃度后，通過(guò)提高進(jìn)水流量來(lái)維持進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷會(huì)造成反應(yīng)器運(yùn)行的急劇惡化，為了能使反應(yīng)器正常運(yùn)行，需要降低進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷。

降低后的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的選取借鑒黃金分割法。以進(jìn)水流量為300 L/d時(shí)的有機(jī)負(fù)荷為第一點(diǎn)，進(jìn)水流量750 L/d時(shí)的有機(jī)負(fù)荷為第二點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最合適的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷或流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同HRT下出水COD濃度的變化

圖5是在不同進(jìn)水流量下，反應(yīng)器出水COD濃度的變化曲線。當(dāng)水力滯留期分別為8 h和5.1 h，即進(jìn)水流量分別為300 L/d和470 L/d時(shí)，反應(yīng)器運(yùn)行6 d，COD出水濃度一直維持在1 000 mg/L以下，說(shuō)明當(dāng)水力滯留期大于5.1 h，即在進(jìn)水流量低于470 mg/L時(shí)，對(duì)反應(yīng)器出水COD濃度影響很小;當(dāng)HRT為4.1 h時(shí)，進(jìn)水流量為580 L/d，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，出水COD值越來(lái)越高。由以上結(jié)果可以看出，內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器處理印染廢水能在較低低基質(zhì)濃度下運(yùn)行，其進(jìn)水流量能在較高的水平上運(yùn)行，但進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷需要適當(dāng)降低。

3.2.3 進(jìn)水pH值的確定

分別將進(jìn)水pH值控制在6～6.5、7.5～8和8～9之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同pH值條件下COD濃度變化

從圖6中看出，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，分別將進(jìn)水pH值控制在6～6.5、7.5～8和8～9之間，分別運(yùn)行16 d，反應(yīng)器出水COD濃度沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定。測(cè)得出水的pH值約為7，說(shuō)明反應(yīng)器中形成的顆粒污泥具有一定的耐受酸堿沖擊的能力，能通過(guò)自身的代謝來(lái)緩沖環(huán)境酸度的改變。

3.2.4 反應(yīng)溫度的確定

反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)擬采用中溫消化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。開(kāi)始外界溫度一直穩(wěn)定在35℃左右，COD去除率均高于80%，基本趨于穩(wěn)定。隨后外界溫度在30～35℃左右波動(dòng)，COD去除率隨溫度起伏變化，但是去除率仍基本上可維持在80%以上。接著外界的溫度在20～30℃之間變化，COD去除率隨溫度起伏出現(xiàn)明顯的變化，且與溫度的變化一致，當(dāng)溫度下降至25℃后COD去除率基本上都低于80%，甚至降到了60%左右，說(shuō)明需要采取保溫措施。

圖7 溫度和COD去除率關(guān)系

采用夾層保溫的方式保溫，使反應(yīng)的溫度逐漸上升，隨著溫度的逐漸上升，COD去除率逐漸升高，但是當(dāng)溫度超過(guò)35℃以上，反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗溫度沖擊的能力，在25～35℃之間穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為30 kg COD/m3·d左右，進(jìn)水的COD濃度為10 000 mg/L左右，去除率可穩(wěn)定維持在80%以上，當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，需要考慮采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?/p>

4 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)在內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變進(jìn)水濃度、pH值和溫度對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行產(chǎn)生的影響，得到結(jié)論如下:

1.在有機(jī)負(fù)荷為30 kg COD/m3·d時(shí)，反應(yīng)器處理COD濃度為10 000 mg/L的廢水，出水水質(zhì)穩(wěn)定，COD的去除效率穩(wěn)定維持在80%以上，產(chǎn)氣速率約為10.27 L/L·d，每去除1 kg COD可以產(chǎn)生約0.40～0.45 m3的沼氣，氣體中甲烷含量平均為72.88%，氫氣含量1.79%。

2.內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器處理印染廢水能在較低基質(zhì)濃度下運(yùn)行，其進(jìn)水流量能在較高的水平上運(yùn)行，但進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷需要適當(dāng)降低。

3.內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器在接近中性的條件下運(yùn)行良好，運(yùn)行穩(wěn)定的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗擊酸堿沖擊的能力，實(shí)驗(yàn)條件下內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器能在pH值6～9之間運(yùn)行良好。

4.反應(yīng)器在25～35℃下運(yùn)行良好，當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，需要考慮采取保溫措施。

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