厌氧工艺处理啤酒废水

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啤酒废水系其生产过程中产生的工业废水,水质变化较大,污染物富含糖类、氨基酸、蛋白质等有机物及钾、钙、镁的硅酸盐、磷酸盐等无机物,属较高浓度有机废水,可生化性好,其BOD5/COD > 0.3。啤酒废水虽无毒,但直接排放至水体易导致水体的重度污染;有专家建议现行的啤酒废水COD 排放标准应由100 mg·L-1 降至50 mg·L-1。因此,开发高效啤酒废水处理技术迫在眉睫。

厌氧处理技术具有容积负荷高、污泥量少、运行效果稳定,能耗低、可回收能源等特点;且运行管理费用相对较低,特别适合处理高浓度有机废水,故在啤酒废水的处理中得到了广泛的应用。由于啤酒废水中COD 含量较高,若单纯采用好氧法处理技术,不仅占地面积大、运行费用高,而且处理效果的稳定性差,故一般采用厌氧技术作为预处理,后接好氧工艺的联合处理工艺。随着新型厌氧技术的开发,啤酒废水的厌氧处理效率将会得到进一步提升。

1 厌氧技术基本原理

厌氧生物处理是指在无分子氧条件下,通过厌氧微生物(包括兼氧微生物)的作用,将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程,也称厌氧消化。最早是由Bryant 提出三阶段理论:第一阶段为水解与发酵,第二阶段为产氢产甲烷,第三阶段产甲烷。认为产甲烷菌不能直接利用长链脂肪酸和醇类等有机酸,这些有机物在产氢产乙酸菌作用下转化为乙酸、H2、CO2等后,才能被产甲烷菌利用。

由于厌氧生物处理过程不需要另外提供电子受体,故运行费用低;但其反应速率较慢,反应时间较长,因而,处理构筑物容积要大。新型厌氧反应器主要是通过提高反应速率和缩小反应器容积来提高处理效率的,从增加微生物菌群与反应的接触几率和培养优势菌群入手,通过对反应器结构的改进,增加容积效率,缩小反应器;结合微氧技术和好氧工艺,减小处理过程中废气排气。在工程应用中,一般采用厌氧- 好氧组合技术。

2 新型厌氧处理反应器研究开发

2.1 ABR 厌氧反应器

2.1.1新型ABR 厌氧反应器结构设计

ABR 厌氧反应器是由Mc Carty 等人提出的、源于阶段式多相厌氧消化(SMPA)理论的厌氧反应器,在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板,污水在反应器内的

流动呈上下折流运动,使有机物物质与厌氧活性污泥充分接触而被降解除去。虽然ABR 一度认为是SMPA 完美的杰作,引起学者们的广泛注意,但因其结构过于简单,使其应用存在一定的局限性。

目前,国内外学者正对ABR 反应器的结构进行技术创新,使其性能得到更好的发挥。耿亚鸽等在现有的ABR 研究成果的基础上,对其结构形式设计、部件尺寸、操作条件等关键参数进行了详细的技术探讨。候晨雯等 设计一种新型的双层结构的ABR 反应器,实验表明该反应器的水力特性与传统的ABR 的水力特性相一致,总体推流程度也得到了增强,并且这种结构能有效减少反应器的死区比率,降低返混程度。不足的是,应尽量将HRT 控制在8~10 h 范围内,不然受冲击负荷和死区百分率都会受到影响。孙立柱等 研究表明,ABR 反应器整体呈推流状态,HRT 和进水负荷是影响ABR 反应器水力特性的主要因素。张寿通等利用斜式折流板代替传统的垂直的折流板来研究ABR 反应器的研究表明,该装置能有效防止污泥流失,且具有耐冲击负荷强,处理效果良好等优点。

可见,ABR 反应器的设计很大程度上依赖于实验数据,相对而言,基础理论研究落后于实践。利用计算机辅助设计模拟方法研究ABR 的水力学特性,以优化结构和确定操作条件,结合活性污泥和微生物生长的相关机理,建立数学模型,提高工程设计的可靠性,应该作为ABR 反应器研究的重要方面。

2.1.2改型ABR 反应器接种好氧污泥

厌氧反应器能否成功启动是决定该反应器运行成败的先决条件。因厌氧反应器启动时间长,影响因素复杂,一般认为,启动最佳种泥是处理同类废水的厌氧颗粒污泥。有研究者研究了采用好氧活性污泥经较长时间的驯化后来启动厌氧反应器。结果表明,处理后的出水水质优于厌氧污泥的启动的效果。

范荣桂等研究了利用改型后的ABR 反应器处理屠宰废水。该反应器折流板为倾斜式,倾角为45°,种泥取某厂SBR 池的好氧污泥。培养驯化后,投加污泥体积约为反应器有效容积的1/3。研究表明,反应器在室温低负荷下运行约两月能完成启动,COD 去除率达82%,且稳定运行;不足之处在于启动时间还是太长。

2.1.3 ABR 反应器处理啤酒废水研究实例

利用ABR 处理啤酒废水大多处于实验研究阶段,在操作参数及反应器结构上作了相应的优化;王哲晓等采用有4 隔室的ABR 小试装置结构处理某啤酒厂废水,装置有效容积24 L,折流板底部转角为40°,接种污泥取自该啤酒污水处理厂消化池厌氧污泥。实验结果表明,ABR 对中、低浓度工业废水的COD 具有良好的去除效率。即使在负荷提升阶段,HRT 缩短一半,进水浓度翻倍的情况下,出水COD 去除率也保持在86%左右;但对pH 调整和防止VFA 的积累,也是保证其稳定运行的关键因素。

黄继国等[19]对填料式ABR 处理啤酒废水进行了研究,通过对系统的稳定运行性能试验,系统的二

次启动性能及与普通ABR 的对比试验表明,水力停留时间可缩短,COD 去除率相应提高;添加填料的ABR 系统性能明显提高;系统二次启动达到稳定运行时的耗时更短,有弹性的立体填料具有更高的稳定性。

2.1.4 HABR 厌氧反应器

复合式折流板厌氧反应器(HABR)是对ABR 反应器的改进,如添加填料,优势在于能利用原有的无效空间增加生物总量,提高污染物的去除效率,提高运行稳定性[20]。

张振庭等采用HABR 反应器处理啤酒废水,对厌氧污泥的接种驯化、反应系统的启动运行、在不同影响因素下的运行研究以及和普通ABR 的对比实验等进行了实验研究。该HABR 实验装置为4 隔室,容积31.5 L,有效容积25 L,高350 mm,第一隔室不加填料,后三室内置软性填料。实验结果表明,处理啤酒废水最佳水力停留时间为18~24 h,在温度为25℃的条件下,COD 去除率最高达到75%。当HRT>18 h 时,50 以上的COD 在第一隔室被去除;当HRT<12 h,后面各隔室才能有明显的作用;不同HTR 下,第四隔室的COD 相对去除率都较低,处理啤酒废水,不宜超过4 隔室。环境温度对HABR 反应器的处理效果也有一定的影响,在10 ℃左右时,处理效果明显变差。跟普通的ABR 反应器相比,HABR 反应器无论在启动过程和稳定运行阶段,都表现出比ABR 更好的效果。

李慧婷[22]等采用一种5 隔室HABR 处理模拟啤酒废水,采用厌氧污泥接种,对其相分离特性进行的研究表明,反应器内的有机物是逐步降解的,各种微生物菌群能很好的协同工作,COD 去除效果明显。在快速启动过程中,HABR 表现出明显的生物相选择和分离现象。

2.2 ASBR 厌氧反应器

厌氧序批式反应器(ASBR)采用序批式进水,这与啤酒废水间歇排放的特点相吻合。此外,ASBR反应器具有操作灵活、能够生产颗粒污泥和克服厌氧污泥流失,且工艺具有较高的去除效率和稳定性,在常温下处理高中低浓度废水等优点而越来越引起人们的重视[23]。

吴速英等在20~30 ℃条件下,研究了采用恒水位操作厌氧生物膜序批式反应器(ABSBR)处理啤酒废水的启动试验。研究表明,采用混合菌种接种36 m3/h 速度进泥水等措施进行废水处理,经25 d的培养驯化,COD 容积负荷可达2.84 kg/(m3·d),去除率达到95%。

郭永福等[24]则以中等浓度啤酒废水为水源,在低温下研究了ASBR 反应器的快速启动过程。试验装置采用内径400 mm、高度2.0 m、有效容积为235 L的ASBR反应器。采用某污水厂的絮状消化污泥接种,温度在14~20℃。研究表明,采用ASBR 反应器在低温下处理啤酒废水快速启动是可行的,COD 去除率也高达96%;相比UASB 处理啤酒废水,ASBR反应器启动时间明显要快些;出水VFA 浓度低,间歇式搅拌方式比连续搅拌效果好,污泥粒径大。

岳秀萍等采用已形成颗粒污泥的ASBR 反应器处理啤酒废水,采用正交试验研究了进水COD、运行周期、进水COD/ 碱度和搅拌频率4 个参数对COD 去除的影响。实验表明,各因素对去除COD 的影响程度排序为进水COD> 进水COD/ 碱度> 运行周期> 搅拌频率,且ASBR 反应器对COD 的去除率均在95%以上,出水COD 均在80 mg/L 以下。

藤朝华等采用恒压浮动盖式ASBR 处理啤酒废水的研究表明,在COD 容积负荷为1.5~7 kg(m3·d)、HRT 为1 d 的条件下,COD 去除率高于80%,平均沼气产率为410 L/kg;Shao 等[27]也进行了类比实验,研究表明,COD 容积负荷在1.5~5 kg(m3·d)、HRT 为1 d 的条件下,COD 去除率可达到90%;装置大约运行60 d 后,出现了颗粒污泥。可以预见[28],ASBR 反应器在处理啤酒废水中具有广泛的应用前景。

2.3 UASB 厌氧反应器

升流式厌氧污泥床(UASB)反应器是20 世纪70 年代由Lettinga 开发的。因反应器具有污泥浓度高、有机负荷高、适应性强,且具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重作用,能回收能源等优点,正日益受到污水处理业界的重视。

段雪梅等研究了UASB 反应器在不同温度、水力停留时间、取样口位置和进水浓度条件下运行时对啤酒废水COD 处理效果。实验表明,对于中高浓度的啤酒废水,反应器具有动力消耗低、COD 去除率高等优点;对高浓度的有机废水,UASB 适应性更强。张传兵等[34]采用UASB 反应器以城市污水处理厂的厌氧消化污泥接种处理啤酒废水的初次启动过程。实验结果表明,启动时间历时约50 d,后期运行稳定;当反应器出现酸化时,应迅速降低反应器负荷,增投厌氧污泥,快速降低VFA,使反应器得到快速恢复。

韩洪军等以处理啤酒废水为水源,在UASB反应器流态分布模型的基础上,假设UASB 下部为完全混合的厌氧污泥床系统,中部为完全混合的污泥悬浮层系统和上部为推流式三相分离区系统,运行中的COD 降解规律符合Monod 方程,推导出UASB 反应器的动力学方程式。彭营环等根据国内啤酒废水的水质特点,运用UASB 法将河南某啤酒废水COD 降低到500 mg/L 以下。

高雅玉等采用厌氧UASB 反应器和好氧SBR反应池组合工艺,处理中高浓度的兰州某啤酒废水。实验表明,这种组合工艺的设备运行稳定,不仅工作效率高,构筑物间可实现重力自流,且能能耗较低。但其操作复杂,参数控制严格。贾岩等[38]的实验表明,UASB 调试和二次启动中要注意负荷提高的速度,否则易出现酸化现象,必要时加碱调节pH。

2.4 其他厌氧技术

薛苗在(35±1)℃温度条件下,研究了内循环厌氧反应器( IC 反应器)处理啤酒废水的启动特性。结果表明,IC 反应器经过56 d 启动成功,其容积负荷达到18.3 kg/(m3·d),水力停留时间为3.2 h,COD 去除率能稳定在80%以上;随着反应器的运行,反应器内形成了大量的沉降性能良好的颗粒污泥,粒径> 0.5 mm 的污泥约占87%。

敖凯等采用水解酸化- 外循环( EC )厌氧- 接触氧化工艺处理内蒙古自治区某啤酒厂废水。经过4 个月的调试达到满负荷运行,系统稳定可靠,出水水质远优于啤酒工业污染物排放标准(GB19821-2005)。COD、BOD5、NH3-N、TN 和TOC 的去除率分别达97.5%、98.5%、85%、75%和98.5%。实际运行还表明,EC 厌氧反应器应用于啤酒废水处理是切实可行的。

田立江等采用改进型CASS 工艺对啤酒废水处理的特性和最佳性能运行参数进行研究。实验结果表明,改进型CASS 工艺处理啤酒废水,COD 去除率达到98%,MLSS 为3 000 mg/L 时,排水比λ=1/2,出水COD 为20~30 mg/L;λ=1/2,周期为1 h的极限容量处理工况下COD 去除率达到96%;短时曝气时间为2 h,出口COD 为39.98 mg/L,COD 去除率为95.84%。改进型CASS 工艺的处理效果、适应性和经济优势非常明显。

方春玉等用自制的厌氧流化床反应器对活性污泥的培养与驯化条件进行了研究。实验表明,采用一次培养法接种,接种量为30%的活性污泥和100 mL 活性炭,将温度控制在(37±2)℃,进水的pH 控制在7.3~8.0,进水流速控制在使活性炭处于流化状态,不需额外添加营养物质,可在25~30 d 左右成功地完成驯化。在此控制条件下培养出的活性污泥,对废水COD 的去除率可达到85%左右,对减轻生物反应器后续处理单元的负荷具有重要意义。具体参见http://www.ryzekj.com更多相关技术文档。

3 厌氧技术研究动向

(1) 厌氧颗粒污泥的培养与驯化。颗粒态污泥因其具有极好的沉降性能和去污能力而备受人们的青睐,但污泥的颗粒化形成较难,条件控制严格。厌氧反应中引入颗粒态污染;对提升反应速率和反应器的容积效率,以及污染成份的去除十分重要,对于高效厌氧反应器工程应用意义重大。

(2) 关键设备的改进和研制。厌氧反应器是厌氧条件下的无动力反应装置,反应器的结构对于反应的效果影响很大,设计的反应器应更加适用水力学特性、适合微生物的生长、适合生物反应的需要。

(3) 污泥结构和菌种的动力学形成机理。学者对此研究的不多,很多活性污泥形成和菌种产生机理不是很透切,弄清这些机理,不仅可以更好的发挥其特性,而且可以借助计算机辅助模拟,更好的指导实际工作。

(4) 新型填料的引用。填料不仅能给微生物提供很好的生长环境,而且可以阻止部分污泥的流失,提高污泥浓度,延长污泥停留时间,对反应器效率的提高有着非常重要的意义。然而,在这一领域,应用新填料去研究反应器的处理效率并不多见。

4 结语

厌氧技术特别是新型厌氧反应器的构建应用于啤酒废水的处理具有高效、低耗的特点,通过优化的工艺参数,缩短停留时间,提高反应负荷,完全可以推广应用。依靠单一厌氧处理难以实现达标排放,厌氧与好氧的协同作用是十分必要的。反应器的结构决定着水力特性及微生物的生境,通过对反应器结构的改进和完善,使之更加有利厌氧作用的发挥,提高容积效率,改善出水水质。

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