外循環(huán)對IC反應(yīng)器處理酒精廢水酸化恢復(fù)的影響

戴起會， 任 鵬， 劉紹根

（安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230022）

廢水的厭氧工藝在廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)超過了一個世紀。IC厭氧反應(yīng)器去除有機物的能力遠遠超過普通厭氧處理技術(shù)，而且IC反應(yīng)器容積小、投資少、占地省、運行穩(wěn)定，具有較高的顆粒污泥濃度和良好的傳質(zhì)效果，稱為第3代高效厭氧反應(yīng)器的代表。尤其在處理高濃度有機廢水領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

在厭氧工藝的運行過程中，主要為產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)酸菌之間的互相協(xié)作的平衡狀態(tài)。但是由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的變化較敏感，經(jīng)常由于有機負荷的沖擊、低溫、營養(yǎng)元素缺乏、有毒物質(zhì)抑制等降低其活性，從而打破產(chǎn)甲烷菌種及產(chǎn)酸菌種之間的平衡關(guān)系，引起反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸（VFA）濃度升高、污泥上浮或是洗出、出水COD濃度增加、pH值下降等酸化現(xiàn)象［1］，影響了反應(yīng)器的正常運行，為實際生產(chǎn)運用中帶來了阻礙。賈曉鳳等［2］研究表明處理酒精廢水恢復(fù)反應(yīng)器酸化一般需要很長的時間，但這不符合實際生產(chǎn)的要求。據(jù)此筆者針對如何快速解決IC反應(yīng)器運行過程中酸化問題，以附加外循環(huán)對反應(yīng)器酸化恢復(fù)的影響進行研究。

1 IC反應(yīng)器基本構(gòu)造與廢水水質(zhì)

1．1 IC反應(yīng)器基本構(gòu)造

IC厭氧反應(yīng)器采用鋼板焊接制成，工藝流程如圖1所示?？傆行莘e為17m3，分一級IC厭氧反應(yīng)器和二級IC厭氧反應(yīng)器，單級反應(yīng)器的有效容積均為13．5m3。一級IC直徑為1．3m，有效高度為10．4m；二級IC直徑1．5m，有效高度為9m。沿反應(yīng)器高度設(shè)置4個取樣孔，以便在啟動與運行中觀察不同高度的污泥狀況及去除效果。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC反應(yīng)器工藝的核心部分，由下層三相分離器、升流管、氣液分離器和泥水回流管等組成。反應(yīng)器恒溫進水，試驗溫度在35～37℃。

圖1 IC厭氧反應(yīng)器工藝示意圖

1．2 廢水水質(zhì)

本試驗采用的廢水為安徽阜陽金種子酒廠以酒精槽液為代表的高濃度工業(yè)廢水。該企業(yè)每天排放1000t的高濃度有機廢水，COD為30000～40000mg／L，且顯酸性，色度深，含沙量大，水質(zhì)水量波動大，固形顆粒軟，因此疏水性較差，并且這種廢水含有較高濃度的蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母、酒花殘渣等有機無毒成分，但是含有大量的固體懸浮物和易生物降解的有機物廢水［3］，廢水指標見表1。

表1 廢水水質(zhì)

1．3 污泥接種

IC反應(yīng)器接種污泥取自安徽省阜陽市金種子酒廠處理釀造廢水的UASB反應(yīng)器顆粒污泥，為黑色橢球形、球形等，污泥粒徑主要分布在0．2mm－1．2mm，且主要在0．6mm為主，接種后IC反 應(yīng) 器 污 泥 TS 為 2．214mg／L，VS 為 1．809mg／L。

1．4 分析方法

試驗過程中的主要分析項目包括COD，pH，SS，混合液懸浮固體（MLSS）和VFA等，分析方法［4］如表2所示。

表2 常規(guī)分析項目與測定方法

2 討論與分析

厭氧消化是一個多種群微生物共同作用、共同實現(xiàn)復(fù)雜有機化合物鏈式降解的過程。厭氧降解過程相當復(fù)雜，主要步驟為:顆粒態(tài)有機物質(zhì)水解成為溶解性基質(zhì)；溶解性基質(zhì)發(fā)酵成乙酸、CO2和H2；乙酸、部分CO2和H2轉(zhuǎn)化為甲烷。甲烷是非常難溶的氣體，從溶液中逸出從而促使COD的去除。大部分的甲烷是由乙酸產(chǎn)生，因此只有乙酸產(chǎn)甲烷菌生長，才能使得反應(yīng)器微生物相達到一個穩(wěn)態(tài)化。如果產(chǎn)甲烷菌受到了抑制，則VFA大量堆積，至pH值下降，處理效果降低等反應(yīng)器酸化現(xiàn)象［4－7］。

2．1 酸化原因

IC厭氧反應(yīng)器中試裝置正常運行3個月后，試驗開始增加進水量，由每天6小時進水增加到每天15小時進水。第109天發(fā)現(xiàn)出水VFA和COD異常，此后發(fā)現(xiàn)出水指標進一步加重，VFA由之前的5．24mmol／L最高上升到23．76mmol／L，IC反應(yīng)器COD去除率下降到70%以下，最低下降到60%左右。由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境較敏感，此時進水負荷增加，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，產(chǎn)乙酸菌成為優(yōu)勢菌種，pH值有7．8下降到5．0以下。由此推斷反應(yīng)器已經(jīng)酸化。Van Lier等［8］研究表明，進水流量與含量的劇烈變化會破壞水解酸化與產(chǎn)甲烷階段這一平衡關(guān)系，嚴重影響厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定性與處理效果。本中試裝置酸化原因斷定為進水流量劇烈變化，增加了反應(yīng)器的負荷，影響了IC厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定。

2．2 恢復(fù)措施

為解決反應(yīng)器酸化問題，必須有針對性地消除影響因素，恢復(fù)產(chǎn)甲烷菌活性，使產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌恢復(fù)達到平衡關(guān)系。王立軍等［9］總結(jié)了解決IC厭氧反應(yīng)器酸化問題的途徑主要有以下幾種:投加新鮮的顆粒污泥、投加藥劑、出水回流稀釋、大水量清水沖洗等?？紤]到中試裝置調(diào)控的難度大，實際生產(chǎn)上時間與經(jīng)濟上的壓力，必須選擇可以較快速的恢復(fù)方法。且系統(tǒng)本身具有外循環(huán)裝置，研究表明外循環(huán)厭氧反應(yīng)器可加大反應(yīng)器內(nèi)上流速度，增強反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效的運行［10－11］。故采取以下措施:開始延長IC反應(yīng)器附加外循環(huán)，由每天間歇運行12個小時延長到20個小時，沖洗出反應(yīng)器內(nèi)累積的過量VFA，同時調(diào)節(jié)進水前的pH值。經(jīng)過15天的運行調(diào)試，VFA的濃度小于5mmol／L，IC反應(yīng)器運行狀態(tài)已大為好轉(zhuǎn)，pH值升到7．0以上，一級IC反應(yīng)器出水COD降至4500～5000mg／L，系統(tǒng)已恢復(fù)正常運行。附加外循環(huán)裝置來恢復(fù)系統(tǒng)酸化耗時15天，相對于無外循環(huán)的系統(tǒng)大大縮短了時間。

2．3 恢復(fù)運行效果

2．3．1 對恢復(fù)COD的去除效果

一級IC反應(yīng)器和二級IC反應(yīng)器的進出水COD的變化分別如圖2、圖3所示。

根據(jù)厭氧降解的過程可以了解通過甲烷的逸出可以減少進水中的化學需氧量。如果沒有甲烷的產(chǎn)生，COD的減少量就隨之減小，反應(yīng)器內(nèi)只有H2的產(chǎn)生和逸出。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌存在于大多數(shù)厭氧反應(yīng)器中，使大部分H2轉(zhuǎn)化為甲烷［2，6，12］?？梢?，產(chǎn)甲烷菌的活性好壞直接影響著COD的去除。

圖2 一級IC反應(yīng)器進出水COD變化

圖3 二級IC反應(yīng)器進出水COD變化

在啟動運行109天時發(fā)現(xiàn)一級IC反應(yīng)器的出水指標異常，COD的去除率下降到70%以下，到118天時最低下降到60%左右。經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn)是反應(yīng)器負荷增加，使厭氧反應(yīng)器受到?jīng)_擊所致，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制。此后立即延長IC反應(yīng)器附加外循環(huán)時間，沖洗反應(yīng)器，減低反應(yīng)器負荷。反應(yīng)器處理效果慢慢好轉(zhuǎn)。經(jīng)過15天的運行，一級IC反應(yīng)器出水COD在5000mg／L以下，二級IC反應(yīng)器出水COD在1000mg／L左右，系統(tǒng)恢復(fù)啟動完成。與無附加外循環(huán)的情況相比，外循環(huán)可增強反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)作用，加速反應(yīng)器達到穩(wěn)態(tài)化［13－15］。

2．3．2 出水VFA及pH的變化

如圖4、圖5所示，分別為一級IC反應(yīng)器和二級IC反應(yīng)器出水VFA和pH含量的變化情況。酸化進行到第9天兩個反應(yīng)器VFA含量均上升到11mmol／L以上，pH值下降至5．0以下。第15天后，反應(yīng)器內(nèi)的VFA含量穩(wěn)定在5mmol／L以下，pH 值大于7．0。

pH對厭氧工藝的運行穩(wěn)定有著重要的影響［16］。當pH值偏離最佳值時，反應(yīng)器內(nèi)生物活性將受到不同程度的抑制，而產(chǎn)甲烷菌比其他微生物菌種更為敏感，受影響的程度更大。pH值降低會增加比較高分子量的VFA，尤其是丙酸和丁酸，而乙酸產(chǎn)生量減少，其他類型VFA生產(chǎn)量增加。而水解微生物的活性受pH值偏離的影響非常小。

由于產(chǎn)甲烷細菌對pH值較為敏感，再加上VFA是有機物降解的中間產(chǎn)物，VFA生產(chǎn)量的增加速度超過產(chǎn)甲烷細菌利用乙酸和H2作用的最大能力，多余的VFAS開始積累，引起反應(yīng)器內(nèi)的pH值下降。pH值降低使得產(chǎn)甲烷細菌活性減弱，進一步引起VFA積累和pH值降低。此現(xiàn)象惡化后產(chǎn)甲烷細菌活性幾乎停止。

圖4 一級IC反應(yīng)器出水VFA、pH變化

圖5 二級IC反應(yīng)器出水VFA、pH變化

為研究出快速解決實際生產(chǎn)中酸化問題，減少損失。運用外循環(huán)方法對IC厭氧反應(yīng)器進行水沖洗。因反應(yīng)器進水顯酸性，在進水前調(diào)解pH。調(diào)試運行階段反應(yīng)器酸化現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)?？梢姡c無外循環(huán)裝置相比較，外循環(huán)水沖洗能較快的改善反應(yīng)器內(nèi)的不良環(huán)境，加快產(chǎn)甲烷細菌與產(chǎn)酸細菌恢復(fù)平衡的穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)論

（1）采用兩級IC厭氧反應(yīng)器處理酒精槽液高濃度有機廢水時，因為反應(yīng)器內(nèi)負荷的沖擊，IC反應(yīng)器出水COD去除率下降到70%以下，最低達到60%，VFA由之前的5．24mmol／L最高升高到23．76mmol／L，pH 值下降到5．0以下。IC反應(yīng)器發(fā)生嚴重酸化。

（2）及時采用外循環(huán)裝置沖洗，調(diào)解進水pH值的方法。經(jīng)過15天的恢復(fù)，一級IC反應(yīng)器出水COD下降到4500～5000mg／L，二級IC反應(yīng)器出水COD下降至1000mg／L左右，出水VFA含量恢復(fù)到小于5mmol／L，pH值上升到7．0以上。系統(tǒng)恢復(fù)正常運行狀態(tài)。表明附加外循環(huán)可有效的縮短IC反應(yīng)器的運行穩(wěn)定性所需時間，進一步減少實際生產(chǎn)中的經(jīng)濟損失。

（3）解決酸化問題關(guān)鍵在于怎樣快速恢復(fù)反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷細菌的活性。使產(chǎn)甲烷細菌與產(chǎn)酸細菌恢復(fù)平衡的穩(wěn)態(tài)。

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