第 29 卷第 12 期 2008 年 12 月
环 境 科 学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol. 29 ,No. 12 Dec. ,2008
上流式多级厌氧反应器( UMAR) 处理木薯淀粉废水的 研究
周敬红1 ,孙蕾1 ,兰雯2 ,王双飞1 3
(11 广西大学轻工与食品工程学院 ,南宁 530004 ; 21 柳州环境保护科学研究所 , 柳州 545006) 摘要 :对自行研制的上流式多级厌氧反应器 (UMAR) 处理木薯淀粉废水的启动和运行特性进行了研究. 结果表明 ,UMAR 反应 器启动周期短 ,易培养出活性高的颗粒污泥 ,经过 40 d 的运行 ,COD 去除率可达 84 % ,VSSΠTSS 由 78 %增加到 9014 %. UMAR 处 理效率高 ,水力停留时间 ( HRT) 为 4 h ,进水 COD 为6 250 mgΠL ,容积负荷为 24 kgΠ(m3 ·d) 时 , COD 去除率在 75 %以上. UMAR 反 应器对负荷提高 、低 pH 冲击 、进水水质的改变表现出良好的耐受能力. 关键词 :上流式多级厌氧反应器 ; 木薯淀粉废水 ; 厌氧处理 中图分类号 :X703 文献标识码 :A 文章编号 :025023301 (2008) 1223445205
Research Institute , Liuzhou 545006 , China)
Abstract :The performance and the characteristics of a laboratory scale up2flow multistage anaerobic reactor (UMAR) were investigated using cassava starch wastewater. The experimental results showed that the formation of anaerobic granules in UMAR system was facilitated and short period to start up . Usually , in 40 d after starting up , COD removal efficiency was kept above 84 % and VSSΠTSS increased from 78 % to 9014 %. The UMAR reactor was high effective. Its COD removal keeps about 75 % when HRT is 4 h , inflow COD concentration is6 250 mgΠL and volumetric loading is 24 kgΠ(m3 ·d) . And UMAR reactor has excellent resistance to the impact of high load ,low pH and variation of water quality. Key words :up2flow multistage anaerobic reactor(UMAR) ; cassava starch wastewater ; anaerobic
目前 ,UASB 反应器普遍存在启动时间过长的问 题 ,一般需要 2～4 个月甚至更长的时间才能完成启 动[6 ,8 ,15 ,21] . 在本实验中 ,UMAR 反应器在 40 d (包括 驯化时间) 即可以完成系统的启动 ,容积负荷可达 1019 kgΠ(m3 ·d) ,表明 UMAR 厌氧反应器处理木薯淀 粉废水具有启动快 ,容易培养出颗粒化污泥的特点. 212 UMAR 反应器的运行特性
木薯淀粉废水是一种典型的高浓有机废水 ,厌 氧生物处理技术被认为是处理高浓有机废水最有效
的方法 ,尤其以 UASB 反应器为主体的厌氧生物处 理技术应用最为广泛[3～5] ,但还存在一些问题 ,主要 是系统启动慢 ,废水处理效率和容积负荷不高[6～10] . 内循环 ( IC) 厌氧反应器是在 UASB 反应器的基础上 开发成功的高效厌氧反应器 ,其主要特点是反应器
木薯是加工淀粉 、酒精最优质 、最廉价的原料. 广西地处南亚热带 ,热区面积大 ,高温多雨 ,且雨热 同季 ,拥有适宜木薯种植的气候资源和区位优势 ,是 全国发展木薯产业最有优势的省区. 近 10 年来 ,广 西木薯种植面积 、鲜薯产量及木薯淀粉产量均稳居
全国第一位 ,其中木薯淀粉产量占全国木薯淀粉产 量的 70 %[1] . 目前 ,广西木薯加工企业生产 1 t 淀粉 排出 25 t 废水 ,大部分企业的废水仅进行简单的处 理就排放到水体中 ,对环境造成严重污染[2] . 木薯淀 粉废水的处理成为广西发展木薯加工业的瓶颈问 题. 因此 ,研究开发经济有效的木薯淀粉废水处理技 术 ,对减少污染 、保护环境 、维持生态平衡 ,促进广西 经济发展均有重要意义.
由以上可知 ,原水水质能满足厌氧生物处理的 要求 ,但是悬浮物浓度 SS 较高. Lettings 等[15] 认为 , 厌氧反 应 器 启 动 过 程 中 , SS 浓 度 应 控 制 在 2 000 mgΠL以下 ,Souza 等[16] 研究认为 ,SS 需同时满足 2 个 条件 :SS < 1 000 mgΠL 和 SSΠCOD < 015 ,UASB 反应器 才能启动成功. 因此本实验中 ,对进入 UMAR 反应 器的废水进行预处理 ,防止木薯皮等粗大颗粒进入 系统引起堵塞. 除驯化与启动阶段调节进水 pH 值 外 ,其余均采取直接进水方式进水. 113 接种污泥
2 结果与讨论
211 UMAR 反应器的驯化与启动 研究资料表明[8 ,18 ,19] ,上流式厌氧反应器在启动
过程中采用逐渐提高进水负荷的方式有利于反应器 的快速启动及颗粒污泥的形成 ,同时可以获得稳定 的处理效果. 本实验驯化阶段采取低浓度低流量方 式进料 ,控制进水 COD 为2 000 mgΠL左右 ,HRT 为 24 h ,调节废水的 pH 值为 710 左右 ,驯化时间为 10 d. 随后通过逐步增加进水 COD 浓度和缩短 HRT 的方 式来提高容积负荷 ,容积负荷提高的条件为 : COD 去除率达到 75 %以上 ,出水 pH 在 710 左右稳定 2 d 后提高进水流量. 启动阶段初始进水 COD 为2 500 mgΠL ,负荷为 5 kgΠ(m3 ·d) . 随着启动时间的增加 , COD 去除率从 40 %上升到 80 % ,呈快速上升趋势 , 产气率也持续上升. 此阶段反应器运行情况如图 2 所示. 启动完成时进水 COD 浓度4 000 mgΠL ,容积负 荷达 到 1019 kgΠ(m3 ·d) , COD 去 除 率 达 到 80 %～ 84 % ,形成连续稳定的内循环. 结果表明 ,在驯化启 动期间 ,虽然受进水容积负荷的波动影响较大 ,但 COD 去除率和产气率一直处于上升状态 ,容积负荷 达到 1019 kgΠ(m3 ·d) 时 ,COD 去除率最高达到 84 % , 表明污泥已逐渐适应木薯淀粉废水 ,反应器的启动 顺利完成 ,可提高负荷运行.
启动结束后取出颗粒污泥的进行分析. VSSΠTSS 由启动前的 78 %增加到 9014 % ,污泥沉降速率由 50 mΠh上升到 80 mΠh (平均值) ,颗粒污泥呈亮黑色或灰 黑色 ,粒径 > 4 mm 的污泥明显增多. 电子显微镜下 可观察到颗粒污泥表面被大量甲烷丝状菌覆盖 ,内 部以产甲烷八叠球菌和短杆菌为主.
已有的研究表明[6] ,环境条件的改变能对厌、负荷等条件的变化对反应器造成的冲击 ,为反应
内部能够形成流体循环 ,有机物与颗粒污泥的传质 加强 ,从而提高反应器的处理能力[11～13] . 但是目前 IC 厌氧反应器的核心技术仍属于 Paques 公司的专 利 ,国内企业引进的 IC 厌氧反应器的投资成本依旧 十分高昂[14] ,因此 ,开发经济有效的处理技术是非 常有 必 要 的. 上 流 式 多 级 厌 氧 反 应 器 是 ( up2flow multi2stage anaerobic reactor , UMAR) 根据内循环和分 级处理原理研制的高效厌氧生物反应器. 本研究采 用 UMAR 反应器对木薯变性淀粉废水和木薯淀粉 废水进行处理 ,主要考察其运行特性及影响因素 ,以 期为 UMAR 反应器在实践中的进一步推广应用提 供依据.
11 进水箱 ; 21 加热器 ; 31 搅拌器 ; 41 蠕动泵 ; 51UMAR 反应器 ; 61 水封器 ; 71 湿式气体流量计
图 1 工艺流程示意 Fig. 1 Schematic diagram of UMAR reactor system
112 废水水质 试验水样有 2 种 :一是广西明阳生化科技股份
1 材料与方法
111 UMAR 反应器的结构
收稿日期 :2007211226 ;修订日期 :2008205228 基金项 目 : 广 西 科 技 厅 科 技 创 新 能 力 与 条 件 建 设 项 目 ( 桂 科 基
0639002) ;广西科学研究与技术开发计划项目 ( 桂科攻 078200326) 作者简介 :周敬红 (1968～) ,女 ,博士 ,副教授 ,主要研究方向为轻工 过程清洁生产化与污染控制技术. 3 通讯联系人 ,E2mail : wangsf @gxu. edu. cn
接种污泥取自湖南某纸业有限公司造纸废水处 理系统的厌氧反应器 ,污泥的最大比产甲烷活性为 01737 gΠ(g·d) , TSS 为 6512 gΠL , VSS 为 51 gΠL ,
VSSΠTSS = 7812 %. 污泥接种量为 20 gΠL. 114 分析方法
pH、COD 、BOD5 、VFA 、产气量 、SS、TSS、VSS、TN 、 TP 的分析方法见文献[ 17 ] .
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试验所用 UMAR 反应器采用有机玻璃制成 ,分 为进水混合区 、颗粒污泥膨胀床区 、精处理区 、内循 环系统和出水系统 ,反应器有效容积为 7 L ,高度为 1 200 mm , 其中膨胀床区高∶精处理区高 = 4∶1 ,顶部 为容积 1 L 的汽液分离器 ,沿柱高每隔 100 mm 设置 1 个取 样 口 , 如 图 1 所 示. 反 应 温 度 控 制 在 25 ～ 35 ℃.