水解酸化—改良UASB處理玉米酒精廢水研究

孫俊偉, 邵玉敏, 韋學(xué)玉

(1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.鄭州大學(xué) 環(huán)境政策規(guī)劃評價(jià)研究中心，河南 鄭州 450002)

水解酸化—改良UASB處理玉米酒精廢水研究

孫俊偉1, 邵玉敏2, 韋學(xué)玉1

(1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.鄭州大學(xué) 環(huán)境政策規(guī)劃評價(jià)研究中心，河南 鄭州 450002)

玉米酒精廢水；水解酸化；改良UASB；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化

玉米酒精廢水具有有機(jī)物濃度高、氮磷含量高、pH值低及可生化性好等特點(diǎn)[1]，不達(dá)標(biāo)排放對目前比較脆弱的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了很大的威脅.當(dāng)前常用厭氧加好氧工藝對其處理，其中厭氧中常采用UASB工藝[2-3].但是，長期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的UASB反應(yīng)器存在著抗沖擊負(fù)荷能力不足、處理效果不理想的問題[4-5]，總出水不能滿足GB 27631—2011《發(fā)醋酒精和白酒工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[6]的要求.

河南某酒精廠在傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器的工藝上進(jìn)行了調(diào)整，把原有UASB工藝改成了中溫兩相厭氧工藝(水解酸化—改良UASB工藝).研究發(fā)現(xiàn)，水解酸化一方面解決了進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)比較大、對UASB反應(yīng)器構(gòu)成較大負(fù)荷沖擊的問題；另一方面起到了廢水預(yù)處理的作用，UASB反應(yīng)器的酸化現(xiàn)象基本得以解決.增加強(qiáng)制回流系統(tǒng)而形成的改良UASB反應(yīng)器具有啟動(dòng)快、顆粒污泥性能優(yōu)良、水力條件好等優(yōu)勢，使厭氧單元的出水水質(zhì)得到較大改善.但是，水解酸化—改良UASB運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化基本都是基于單因素試驗(yàn)進(jìn)行的，關(guān)于參數(shù)之間相互影響及程度的研究尚不多見，本研究在前期研究結(jié)論及正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了該系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化.

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖1.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experiment device

整個(gè)裝置主要由貯水箱、水解酸化池、改良UASB反應(yīng)器和沉淀池構(gòu)成.其中，水解酸化池為0.60 m×0.30 m×0.55 m，有效水深為0.50 m，有效容積為90 L，內(nèi)置彈性生物填料和攪拌裝置.改良UASB的直徑為0.35 m，高為2.6 m，有效水深為2.5 m，有效容積為240 L，三相分離器下部中間設(shè)回流管1個(gè)，回流液與水解酸化池出水混合后進(jìn)入改良UASB.進(jìn)水泵和回流泵均為隔膜計(jì)量泵，以便控制流量.

1.2試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水取自該廠中和調(diào)節(jié)池.玉米酒精生產(chǎn)過程中所排放廢水的水質(zhì)波動(dòng)較大，經(jīng)過調(diào)節(jié)池配水后水質(zhì)的波動(dòng)性依然較大.為了維持廢水的堿度并穩(wěn)定其pH值，在配水時(shí)加入適量的氫氧化鈉，具體進(jìn)水水質(zhì)情況見表1.

表1 玉米酒精廢水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality indicators of corn alcohol wastewater

1.3運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方法

在水解酸化—改良UASB厭氧處理系統(tǒng)中，水解酸化起廢水預(yù)處理作用，旨在服務(wù)于后續(xù)改良UASB單元，而改良UASB仍是厭氧單元的核心.鑒于此，選取改良UASB的HRT、總進(jìn)水pH值、改良UASB上升流速3個(gè)因素的3個(gè)較好水平，采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)4因素3水平正交表L9(34)，開展相應(yīng)的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平表見表2.

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Orthogonal test factors level table

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果

水解酸化—改良UASB正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析見表2.將各個(gè)因素分別安排在正交表L9(34)上方與列號對應(yīng)的位置上，其中第二列設(shè)為空白列.以COD去除率為考察指標(biāo)對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，具體分析結(jié)果見表3.

表3 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析表Tab.3 The analysis table of the orthogonal test

續(xù)表

本研究中，試驗(yàn)指標(biāo)是廢水COD的去除率，指標(biāo)越大越好，所以挑選每個(gè)因素的k1，k2，k3中最大的值對應(yīng)的水平，由于A因素列k1>k2>k3，B因素列k2>k3>k1，C因素列k1>k3>k2，所以最優(yōu)方案為A1B2C1，即改良UASB的HRT為24 h，總進(jìn)水pH值為6.0，改良UASB上升流速為0.4 m/h.由極差分析可知，本試驗(yàn)中RC>RA>RB，所以各因素從主到次的順序依次為改良UASB上升流速、改良UASB的HRT、總進(jìn)水pH值.從提高效率、降低能耗以及經(jīng)濟(jì)效果考慮，綜合分析改良UASB最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)方案為HRT取12 h、上升流速為0.4 m/h、進(jìn)水pH值為 6.0～7.0.

2.2最優(yōu)參數(shù)下污染物降解特性

由水解酸化—改良UASB正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)，其中水解酸化設(shè)計(jì)參數(shù)為HRT 3.6 h、上升流速0.139 m/h(需要加攪拌)、進(jìn)水pH值6.0～7.0，改良UASB參數(shù)為容積負(fù)荷3.88 kg/(m3·d)、HRT 12 h、上升流速0.4 m/h.此時(shí)，水解酸化的處理量為25 L/h，改良UASB的處理量為20 L/h.

圖2 水解酸化—改良UASB系統(tǒng)中COD降解效果Fig.2 Removal efficiency of COD by hydrolysis acidification-improved UASB

2.2.1 COD的去除效果

經(jīng)過水解酸化處理后，COD的去除率為32.89%～58.04%，見圖2.從圖2可以看出，雖然進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，但出水水質(zhì)波動(dòng)較小，為2 133.23～2 910.12 mg/L，整個(gè)運(yùn)行階段的平均去除率為41.36%.經(jīng)過水解酸化后，大分子和難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子和易降解物質(zhì)，COD得到部分去除，提高廢水生化性的同時(shí)又減少了沖擊負(fù)荷對后續(xù)改良UASB的影響[7-8].

改良UASB進(jìn)水即水解酸化出水，出水COD為372.62～687.66 mg/L，經(jīng)過改良UASB處理后，COD的去除率為72.04%～86.38%.改良UASB在調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的前后對進(jìn)水的水質(zhì)有一個(gè)適應(yīng)的階段，所以從圖2可以看出在運(yùn)行的第2～4天，UASB對COD的去除率從79.81%下降到72.04%，但從運(yùn)行的第4天開始，改良UASB對COD的去除率呈逐步增加的趨勢，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)器已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)且運(yùn)行情況逐步趨于穩(wěn)定，最終改良UASB對COD的去除率穩(wěn)定在80%左右.在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi),改良UASB對COD的去除率較穩(wěn)定，平均為79.95%，期間系統(tǒng)出水COD較企業(yè)UASB出水COD降低了53.24～437.39 mg/L.

2.2.3 TP的變化

在穩(wěn)定運(yùn)行階段，水解酸化和改良UASB對TP都有一定的去除效果，見圖4.水解酸化進(jìn)水TP質(zhì)量濃度為26.88～38.80 mg/L，出水TP質(zhì)量濃度為20.93～35.30 mg/L，對TP的去除率為3.85%～22.21%，對其平均去除率為12.58%.改良UASB進(jìn)水TP質(zhì)量濃度即水解酸化出水質(zhì)量濃度為20.91～35.3 mg/L，改良UASB出水TP質(zhì)量濃度為15.34～27.89 mg/L，改良UASB對TP的去除率為6.93%～30.69%，平均去除率為22.15%，期間系統(tǒng)出水TP較企業(yè)UASB出水TP減少了3.71～8.41 mg/L.水解酸化及改良UASB對TP有一定的去除效果，主要是因?yàn)閰捬跷⑸镌谧陨泶x過程中需要小部分P營養(yǎng)元素，而且pH值升高可能會生成部分正磷酸鹽沉淀[11].

圖3 水解酸化—改良UASB系統(tǒng)中降解效果Fig.3 Removal efficiency of N-N by hydrolysis acidification-improved UASB

圖4 水解酸化—改良UASB系統(tǒng)中TP降解效果Fig.4 Removal efficiency of TP by hydrolysis acidification-improved UASB

2.2.4 pH值及VFA的變化

在運(yùn)行期間監(jiān)測了厭氧單元整個(gè)過程pH值的變化，見圖5.水解酸化進(jìn)水pH值為6.07～6.89，出水pH值為5.13～5.55.經(jīng)過水解酸化，pH值有所下降，說明水解酸化效果良好，達(dá)到了預(yù)處理的目的，防止了改良UASB酸化現(xiàn)象的出現(xiàn)，為產(chǎn)甲烷菌的生長創(chuàng)造了更好的條件.廢水的pH值經(jīng)過改良UASB反應(yīng)器也得到了較大的提升，改良UASB出水pH值為7.31～7.78，證明反應(yīng)器運(yùn)行良好，沒有發(fā)生酸化現(xiàn)象，而出水pH值高于進(jìn)水pH值主要是由于UASB反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)酸菌協(xié)同作用使有機(jī)物發(fā)生產(chǎn)甲烷化，生成了CH4和CO2，其中CO2部分溶于水，加上廢水中酸性物質(zhì)的降解導(dǎo)致了pH值的增大.圖6給出了整個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行期厭氧段VFA的變化.

圖5 水解酸化—改良UASB系統(tǒng)中pH值變化情況Fig.5 Variation of pH in hydrolysis acidification-improved UASB

圖6 水解酸化—改良UASB系統(tǒng)中VFA變化情況Fig.6 Variation of VFA in hydrolysis acidification-improved UASB

VFA是厭氧消化過程中重要的中間產(chǎn)物，產(chǎn)甲烷菌主要利用VFA形成甲烷，但VFA在厭氧反應(yīng)器中逐漸積累能反映出產(chǎn)甲烷菌的不活躍狀態(tài)或反應(yīng)器操作條件的惡化，較高的VFA濃度對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，故在反應(yīng)器的運(yùn)行中，出水VFA是重要的控制指標(biāo)[12].從圖6中可以看出，酒精廢水經(jīng)過水解酸化反應(yīng)器VFA達(dá)到1 230～2 040 mg/L，說明酸化效果良好，改良UASB出水VFA整體穩(wěn)定在204～258 mg/L，證明改良UASB反應(yīng)器運(yùn)行良好.

3 結(jié)論

(1)改良UASB的HRT、總進(jìn)水pH值和改良UASB上升流速3個(gè)參數(shù)最優(yōu)值為24 h，6.0 和0.4 m/h.

(2)正交試驗(yàn)3個(gè)因素的主次關(guān)系依次為改良UASB上升流速、改良UASB的HRT和總進(jìn)水pH值，可見在傳統(tǒng)UASB的基礎(chǔ)上增設(shè)強(qiáng)制回流進(jìn)行改良是一個(gè)有效措施.

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StudyofhydrolysisacidificationandmodifiedUASBprocessfortreatmentofcornalcoholwastewater

SUN Jun-wei1, SHAO Yu-min2, WEI Xue-yu1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China;2.ResearchCenterforEnvironmentalPolicyPlanningandAssessment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China)

corn alcohol wastewater; hydrolysis acidification; modified UASB; orthogonal test; parameter optimization

2014-03-04

安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012B016)

孫俊偉(1986-)，男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚砝碚撆c技術(shù).

X797

A

1674-330X(2014)03-0052-05