淺談糖蜜酒精廢水兩相UASB處理工藝的酸化段特征
摘要：糖蜜酒精廢水酸化率在30%以下，出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%左右，較好時(shí)可能達(dá)到70%。當(dāng)酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達(dá)到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進(jìn)行。對(duì)于本試驗(yàn)乙酸、丁酸最高濃度均能達(dá)到占進(jìn)水TOC的30%，但二者不能同時(shí)達(dá)到最大值。
兩相厭氧消化法是根據(jù)參與酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵的微生物不同，分別在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成這兩個(gè)過程的方法。但二相厭氧生物處理工藝自1971年提出以后，由于學(xué)術(shù)界大多認(rèn)為相分離會(huì)破壞厭氧發(fā)酵過程中各類菌群之間的協(xié)同作用，會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生不利影響，因此這一研究發(fā)展緩慢。目前，許多研究表明該法在處理富硫酸鹽有機(jī)廢水是有效的。為了探討二相厭氧UASB工藝處理糖蜜酒精廢水的相分離特性，本文對(duì)產(chǎn)酸相的效能、運(yùn)行狀況、有機(jī)物的去除及微生物群體的組成等方面作了研究分析。
1試驗(yàn)裝置及方法
1.1試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)酸化段UASB反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃管制成，內(nèi)徑15cm，高2m，總有效容積為28.5L，其中三相分離器容積為4L，高度方向上每間隔10cm設(shè)置一個(gè)采樣口，以觀測(cè)反應(yīng)器中的情況。反應(yīng)器夾套水保溫在35±2℃左右。處理水經(jīng)計(jì)量泵由底部進(jìn)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器頂部溢流出水。產(chǎn)氣經(jīng)脫硫后，由濕式氣體流量計(jì)計(jì)量產(chǎn)氣量。出水進(jìn)入下一段處理裝置。
1.2接種污泥
接種污泥采自酒精廠EGSB反應(yīng)器高溫處理玉米酒精糟液的顆粒污泥，污泥濃度18.8g/L，VSS/SS為0.93，接種量為18L。
1.3廢水性質(zhì)
本試驗(yàn)用水來自廣西某糖廠的糖蜜酒精糟液，其水質(zhì)特征如表1所示。
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表1原水水質(zhì)指標(biāo)
1.4分析項(xiàng)目及方法
TOC：TOC-10B
pH：精密Ph計(jì)
堿度：滴定法
揮發(fā)酸：氣相色譜法
硫酸根：重量法
硫化物：離子選擇電極法
1.5試驗(yàn)條件控制
試驗(yàn)中，原水經(jīng)過稀釋后進(jìn)水。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水流量來控制進(jìn)水COD容積負(fù)荷；通過加入Na2CO3調(diào)節(jié)pH值；實(shí)驗(yàn)中不再另外加入各種營(yíng)養(yǎng)鹽。
2結(jié)果與討論
2.1試驗(yàn)結(jié)果
在最初的15d里，進(jìn)水TOC控制在10000mg/L左右，但去除率直線下降。調(diào)整進(jìn)水TOC至6000mg/L，連續(xù)運(yùn)行50d，負(fù)荷逐步提高，去除率逐漸上升，到第60d，穩(wěn)定在30%左右，同時(shí)，產(chǎn)氣量也上升至80L/d。繼續(xù)提高進(jìn)水濃度，到第87d，達(dá)到17000mg/L，容積負(fù)荷達(dá)到30kgCOD/m3，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，去除率在35%以上，產(chǎn)氣達(dá)到100L/d以上。試驗(yàn)中，即使SO42->1600mg/L,出水中的硫化物也只有80mg/L，所以在本試驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)H2S的抑制作用。酸化段的SO42-去除率在70%左右。根據(jù)氣相色譜檢測(cè)，酸化段產(chǎn)氣中，CH4和CO2組分各占50%，證明在酸化段中，也發(fā)生產(chǎn)甲烷反應(yīng)。
另外，隨系統(tǒng)運(yùn)行，體系的緩沖能力增強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，即使進(jìn)水pH在5.2左右，出水pH一直維持在7.7。
2.2酸化反應(yīng)器的運(yùn)行效能分析
一般認(rèn)為，厭氧生物處理的限速步驟是產(chǎn)甲烷階段，但現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到產(chǎn)酸階段對(duì)厭氧生物系統(tǒng)的成敗也起著關(guān)鍵的作用。一方面產(chǎn)酸相發(fā)酵速率要快，并盡可能消除由于有機(jī)酸的大量產(chǎn)生而抑制或阻礙了產(chǎn)酸菌的活性；另一方面，因?yàn)楫a(chǎn)酸相的發(fā)酵產(chǎn)物將作為甲烷相的底物，所以提供易于被產(chǎn)甲烷菌利用、并且減少丙酸含量和可能轉(zhuǎn)化為丙酸的底物，是保證產(chǎn)甲烷相高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。
2.2.1酸化率
酸化段是將污水中大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易生物降解的小分子有機(jī)物。酸化過程是溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物的過程。研究結(jié)果表明，酸化的末端產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對(duì)兩相厭氧處理的第一步，糖作為主要底物，則末端產(chǎn)物將是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氫氣的混合物。
本試驗(yàn)用水為糖蜜酒精廢水，基質(zhì)中糖的含量很高，達(dá)20g/L，糖為主要底物之一，一級(jí)UASB反應(yīng)器的操作控制按酸化反應(yīng)器運(yùn)行條件運(yùn)行，試驗(yàn)進(jìn)程中揮發(fā)酸測(cè)定結(jié)果列于表2。結(jié)果顯示，出水中揮發(fā)性脂肪酸有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸四種，其中乙酸和丁酸的量最大，乙酸最高達(dá)3796mg/L，丁酸達(dá)4436mg/L，揮發(fā)酸的濃度與進(jìn)水TOC濃度有相關(guān)性。原水中已含有較高濃度的揮發(fā)酸，其中乙酸濃度在1000mg/L以上，如果扣除進(jìn)水揮發(fā)酸后計(jì)算酸化率，則酸化率數(shù)值較低，基本上都小于30%，且該數(shù)值波動(dòng)較大，這可能與進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)有關(guān)。但出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%，盡管該值有所波動(dòng)，但基本上仍算比較穩(wěn)定。這一數(shù)值說明，對(duì)糖蜜酒精廢水酸化率在50%左右，較好時(shí)能達(dá)到70%。此外，據(jù)試驗(yàn)推斷當(dāng)酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達(dá)到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進(jìn)行。對(duì)于本試驗(yàn)乙酸、丁酸最高濃度均能達(dá)到占進(jìn)水TOC的30%，但二者不能同時(shí)達(dá)到最大值。
表2酸化反應(yīng)器揮發(fā)酸測(cè)定結(jié)果
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注：酸化率=（TOC出-TOC進(jìn)）/TOC總TOC出：出水中揮發(fā)酸折合的TOC，TOC進(jìn)進(jìn)水中揮發(fā)酸折合的TOC，TOC總：進(jìn)水中總TOC；揮發(fā)酸百分率=出水中揮發(fā)酸折合的TOC/進(jìn)水總TOC2.2.2酸化段TOC的去除率、產(chǎn)氣量及微生物群體組成分析
本試驗(yàn)最初酸化段對(duì)TOC雖有去除，但去除率不大，僅在10%左右，產(chǎn)氣量也不大。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)器對(duì)TOC的去除率開始增加，最后穩(wěn)定在40%左右，單位體積產(chǎn)氣量逐漸增加，酸化段產(chǎn)氣中，CH4約占?xì)怏w組成的50%，這可能是反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌已適應(yīng)了環(huán)境，活性增加，從而消耗更多的乙酸來產(chǎn)生甲烷，從而使乙酸濃度降低，丁酸進(jìn)一步水解產(chǎn)生的乙酸可補(bǔ)充一部分削耗掉的乙酸。試驗(yàn)結(jié)果表明乙酸下降程度要比丁酸小得多。TOC去除率及單位體積產(chǎn)氣量見圖1。
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圖1TOC去除率、產(chǎn)氣量與運(yùn)行天數(shù)的關(guān)系
本試驗(yàn)結(jié)果是，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，TOC的去除率及產(chǎn)氣量有加大的趨勢(shì)，說明產(chǎn)甲烷菌的數(shù)目在加大，并且二者有較好的相關(guān)性。穩(wěn)定運(yùn)行后，酸化段TOC去除率趨于穩(wěn)定，為40%左右，單位體積產(chǎn)氣量穩(wěn)定在5.0L/d。
微生物的厭氧發(fā)酵過程呈階段性，參與整個(gè)厭氧發(fā)酵過程的微生物也因代謝功能不同分為水解、發(fā)酵細(xì)菌，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌，同型產(chǎn)乙酸菌，產(chǎn)甲烷菌等主要菌群。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和資料分析，對(duì)二相厭氧消化過程中各大菌群的分布提出如圖2所示的示意圖。
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圖2二相厭氧消化過程中各大類菌群的位置示意圖。
由圖2可見通過動(dòng)力學(xué)控制實(shí)現(xiàn)相分離并不意味著產(chǎn)酸發(fā)酵菌群與產(chǎn)甲烷菌群的完全分離。如Gil-Pena的研究結(jié)果表明在酸化反應(yīng)器的厭氧污泥中，產(chǎn)甲烷菌含量約為104個(gè)/毫升。表3是張錄等［10］人的研究結(jié)果，從表3中可以看出，二相厭氧生物處理系統(tǒng)并未將產(chǎn)酸微生物與產(chǎn)甲烷微生物截然分開，只是通過對(duì)有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的控制限制了產(chǎn)酸相中甲烷菌的增殖，強(qiáng)化了水解發(fā)酵菌群功能。因此，在產(chǎn)酸相中仍含有一定數(shù)量的產(chǎn)甲烷菌，由于產(chǎn)甲烷菌也消耗有機(jī)物，所以酸化段可以對(duì)COD有一定的去除率。
表3產(chǎn)酸槽與產(chǎn)甲烷槽各菌群計(jì)數(shù)結(jié)果
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3結(jié)論
3.1酸化段的容積負(fù)荷達(dá)到30kgCOD/m3時(shí)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，TOC去除率在35%以上，酸化段的SO42-去除率在70%左右。
3.2糖蜜酒精廢水酸化率在30%以下，出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%左右，較好時(shí)可能達(dá)到70%。當(dāng)酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達(dá)到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進(jìn)行。對(duì)于本試驗(yàn)乙酸、丁酸最高濃度均能達(dá)到占進(jìn)水TOC的30%，但二者不能同時(shí)達(dá)到最大值。
3.3兩相厭氧生物處理系統(tǒng)并未將產(chǎn)酸微生物與產(chǎn)甲烷微生物截然分開，只是通過對(duì)有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的控制限制了產(chǎn)酸相中甲烷菌的增殖，強(qiáng)化了水解發(fā)酵菌群功能。因此，在產(chǎn)酸相中仍含有一定數(shù)量的產(chǎn)甲烷菌，由于產(chǎn)甲烷菌對(duì)有機(jī)物的消耗，所以酸化段可以對(duì)TOC有一定的去除率。
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