酸性高浓度有机废水低碱耗厌氧处理技术研究报告
来源:   日期: 2015-8-25

  渭河水专项课题组

陕西省环境科学研究院  西安交通大学  陕西福辰环保科技有限公司

 
技术简介:针对果汁加工废水COD浓度高、粘性大、有机酸高、碱度低等特点,课题研究突破了浓缩果汁厌氧双循环低碱度废水处理技术,开发了内外双循环高负荷厌氧反应器,采用自主研发的回流进液装置和喷射旋流混合装置,利用高碱度的上层水稀释新进水,强化水和污泥间的传质,大大减少碱投加量,同时解决了反应器启动初期混合效果差与循环管易堵塞的难题。在进水pH值低少5.5、碱度小于500的情况下,反应器仍正常运行。不仅大幅度节约了资源,而且减少了酸碱废水对系统的冲击。与EGSB反应器相比,可达更高的循环比,具有良好的缓冲功能,保证了在少加甚至不加碱的条件下高效厌氧反应器的稳定低成本运行,解决了浓缩果汁废水处理药品耗量大、费用高的难题。
一、采用葡萄糖配水启动体外自循环厌氧反应器(简称ESAR)及快速二次启动
(一)接种污泥与废水
果汁废水取自陕西海升果汁有限公司实际生产废水,其性质如表1所示。实验用废水碱度较低,需添加NaHCO3调节废水碱度至2000 mg∙L-1左右,以保持进水pH值在6.8-7.9。同时还需添加KH2PO4和NH4Cl,调节COD:N:P至350:5:1。此外每升废水添加微量元素营养母液1 mL。调节水质后进水性质如表2所示。

 
表1 陕西海升果汁厂原水性质


表2 ESAR驯化阶段进水水质

(二) ESAR反应器初次启动
以颗粒污泥接种、采用葡萄糖配水经过174天的运行ESAR反应器(有效体积14 L,如图3所示)容积负荷从0.33提升至13.1 kgCOD∙m-3·d-1,产气量达到100 L∙d-1,COD去除率稳定在90%以上。反应器初次启动完成。初次启动阶段的具体情况如图4、5、6、7所示。

  

(a) ESAR反应器         (b) SBR反应器

图3 ESAR-SBR废水处理系统

图4 启动阶段COD的变化

图5 酸化阶段COD的变化

图6 稳定运行阶段COD的变化
 
图7 产气量与容积负荷的变化

(三)快速二次启动

因果汁属于季节性生产,全年仅生产4~6个月,因此开展厌氧反应器快速二次启动研究对有效处理果汁废水具有重要的意义。反应器停止运行63天后,颗粒污泥经COD浓度为2813.4 mg∙L-1的葡萄糖配水中浸泡48 h之后,在较高的颗粒污泥浓度与有机负荷条件下,以水力负荷与有机负荷交替提升的方式进行二次启动。经过16天的运行容积负荷从2.27提升至11 kgCOD∙m-3·d-1,COD去除率达到92%,产气量80 L∙d-1,快速二次启动完成。快速二次启动阶段的具体情况如图8所示。

图8 二次启动阶段COD的变化

ESAR反应器二次启动16天完成,启动结束时颗粒污泥明显长大,平均粒径达到1.22 mm。二次启动完成后,ESAR反应器连续运行87天后工厂取水开始驯化试验。
二、ESAR反应器的驯化
由于果汁废水中含有大量果酸、氧化剂和消毒剂等有毒物质,因此将通过逐步提高浓缩果汁废水在整个进水中的比例以使厌氧颗粒污泥对浓缩果汁基质有一个适应过程。
驯化过程进水流量保持在0.5 L∙h-1,历经21天完成驯化过程。该过程ESAR反应器进水COD、COD去除率的变化分别见图9所示。


图9 驯化阶段COD的变化

如图9所示,驯化结束时,ESAR反应器的容积负荷达到4.42 kgCOD∙m-3·d-1,产气量27.2 L∙d-1。出水VFA在3 mmol∙L-1左右,反应器整体运行正常。此时进水COD浓度5137.2 mg∙L-1,出水COD浓度稳定在150 mg∙L-1左右,COD去除率始终维持在92%以上。
通过扫描电镜发现,整个驯化过程颗粒污泥中微生物形态有球形、弧形、杆状及丝状,几乎包含了所有的基本细菌形态,说明颗粒污泥生态系统的结构和功能较为稳定。随着进液果汁废水比例的加大,能够适应更低pH环境的甲烷八叠球菌含量出现较明显的增长。
三、联合工艺处理果汁废水的稳定运行
一般情况下,厌氧反应器处理酸性有机废水时需投加碱性物质来增加废水的缓冲能力以维持厌氧生物处理所需中性的pH条件(6.5~7.5),但是这将大大增加废水处理成本,而且中和过程产生的盐也将给后续工艺带来不利影响。因此本阶段试验将探索厌氧反应器低碱度条件下运行技术。
(一)低碱度条件下运行技术研究
一般情况下厌氧反应器的出水碱度会高于进水碱度,所以可采用出水回流的方法控制反应器内的pH值,同时出水回流还可起到稀释作用。本试验通过改变进水条件和回流比,来保证反应器在低碱度酸性条件下能够正常运行。
1. 循环水量与COD去除率:在反应器低碱度稳定运行中,循环水量的控制有着重要的作用。循环水量对反应器运行的影响如图10所示。


图10 循环水量与COD去除率的关系

从图10可知,初始循环水量0.16 L∙h-1,此时回流比0.32:1,逐步提升到循环水量2.21 L∙d-1,回流比为3:1。回流通过稀释进水浓度降低了反应器对碱度的需求,同时增强了基质与污泥的混合。第37天,为进一步提升废水的碱度水平,将循环水量调至1.11 L∙d-1,回流比为1.5:1,废水和污泥之间混合更加充分,但水力负荷的突然增大,导致洗出物增多、COD去除率下降明显。随着反应器运行逐渐稳定,COD去除率快速提升至95%以上。
2.反应器进水碱度的控制:在厌氧处理中若没有足够的缓冲碱度会导致pH的急剧下降,在低于pH下限并持续过久时,将引起反应器系统的严重酸化。为保证反应器运行所需的碱度,通过调节循环水量来稀释进水的COD浓度和提高水力负荷。循环水量与进水碱度之间的关系如图11所示。


图11 循环水量与进水碱度之间的关系

由图11可知,随循环水量的提升,进水碱度得到降低。通过高水力负荷下良好的混合作用,废水进入ESAR反应器后立即与保留在反应器内的高碱度、高pH混合液混合,因而较高的循环水量可以使反应器在低碱度水平下稳定运行。从47天起,循环水量为2.21 L∙d-1,控制回流比为3:1,ESAR反应器即可在无须添加NaHCO3对果汁废水进行有效处理并在高负荷条件下稳定运行。
3.反应器进水pH的控制:ESAR反应器进入稳定运行阶段pH变化情况如图12所示。


图12稳定运行阶段pH变化图

从图12可知,随所取果汁废水的酸化,进水pH不断下降,后期基本保持在5.3左右;ESAR与SBR出水pH变化幅度较小,说明此阶段反应器内有足够的缓冲能力。进水pH的逐渐降低使厌氧颗粒污泥的耐酸性得到驯化,反应器中的优势菌种逐渐改变。甲烷八叠球菌耐乙酸能力远远强于甲烷丝菌,而且甲烷八叠球菌能够适应比其它产甲烷菌所要求的pH值范围更低的条件,因而在ESAR反应器中形成了以甲烷八叠球菌为主的颗粒污泥,从而降低了反应器内对碱度的需求。
(二)联合工艺的运行效果
这个运行阶段联合工艺运行效果如图13、14所示。

 
图13 ESAR-SBR工艺对COD的去除率     图14 联合工艺对COD的去除率

由图13,图14可知采用联合工艺处理浓缩果汁废水,稳定运行阶段ESAR平均进水COD为5968 mg∙L-1,SBR出水为131 mg∙L-1,整个工艺对浓缩果汁废水COD去除率稳定在96%以上。
此外联合工艺稳定运行阶段对果汁废水中BOD5、SS具有良好的去除效果。ESAR平均进水BOD5、SS分别为2130 mg∙L-1、1020 mg∙L-1,SBR出水分别为10.8 mg∙L-1、50.2 mg∙L-1,BOD5、SS的去除率分别为99.5%和95.1%。其中厌氧阶段对废水中BOD5、SS的去除率分别为95.5%和86.3%,好氧阶段对厌氧阶段出水中BOD5、SS的去除率分别为88.8%和64.1%。
四、结果
经过18天的运行厌氧反应器完成驯化过程,COD去除率在80%以上;经过16天的运行,快速二次启动完成;联合工艺处理浓缩果汁废水,稳定运行阶段ESAR平均进水COD、BOD5、SS分别为5968 mg∙L-1、2130 mg∙L-1、1020 mg∙L-1,其COD、BOD5、SS的去除率分别为96%、99.5%和95.1%;控制回流比为3:1,ESAR反应器即可在无须添加NaHCO3条件下对果汁废水进行有效处理并高负荷稳定运行。
 
(根据渭河水专项课题成果材料整理)

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