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上流式厌氧污泥床处理生物柴油废水

中国污水处理工程网 时间:2021-7-27 11:22:00

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  生物柴油是一种新型的可再生的生物质能源,是目前极具发展潜力的替代能源之一。但生物柴油生产也伴随着废水污染问题。生物柴油废水主要产生于水洗阶段,是一种集悬浮油、乳化油、溶解性有机物及盐于一体的多相体系,主要污染物包括油、COD、硫化物、碱、盐、醇、烃类、悬浮物以及氨氮等。废水处理难度很大,尤其是硫酸盐含量高时,会严重影响生化处理效果。上流式厌氧污泥床(UASB)工艺是一种具有很大应用前景的生物柴油污水处理技术,具有运行费用低、剩余污泥量少和有机负荷高等优点。但也存在反应速度较慢、反应时间较长、处理构筑物容积大、耐高含量硫酸盐能力差、有机酸积累快和启动周期长等问题。

  为解决上述问题,本研究通过UASB处理生物柴油废水的实验,分析UASB工艺在投加填料前后对生物柴油废水的处理效果和运行规律,以期为类似废水的处理提供技术支持。

  1、实验部分

  1.1 实验目的

  实验在北方某生物柴油废水处理厂进行。处理用水为该厂经过预处理的含油污水,由生产废水(包括原料杂水、工艺生产水、工艺生产甘油、浓硫酸)、冲刷废水、锅炉房废水和生活污水组成。生产废水(COD高达500~600g/L)是主要废水,其中含硫酸、甘油的质量分数分别为10%、40%,甲醇、短链有机物、脂肪酸、脂肪酸甲酯、油脂等合计质量分数2%。实验通过投加一定比例、一定粒径的颗粒化填料作为厌氧微生物的载体,来快速提高UASB装置中微生物的活性和数量,从而提高UASB装置对生物柴油废水中污染物的去除效果,以及UASB反应装置的容积负荷,并优化工艺参数,进而降低UASB装置的投资成本。

  1.2 实验装置

  实验装置如图1所示。

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  实验装置主体由有机玻璃管制成,以利于观察UASB装置运行过程中发生的现象。厌氧反应柱直径200mm,总高约2m。顶部设置三相分离器、出水口和沼气收集装置,以利于气、液、固三相的分离,沼气收集装置与气体流量计相连;中间筒体进废水和外循环加热水;底部设置进水箱和外循环水加热箱,进水分别通过泵自动控制。外循环系统通过泵调控UASB装置中废水的上升流速。

  1.3 实验过程

  将厌氧污泥(取自该厂一期UASB厌氧污泥,污泥接种量36g/L)和颗粒填料(投加量为装置有效容积的5%,具体参数如表1所示)先后装入UASB反应装置,控制循环上升流速为0.2m/h、温度为35℃,对比填料投加前、后UASB装置对污染物的去除效果。

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  实验过程中废水由进水箱通过泵进入UASB反应装置后,在反应区与微生物进行反应后进入三相分离器进行气、水、泥的三相分离,产气量通过气体流量计测量,出水通过出水口排出,污泥下降返回反应区继续进行废水处理。装置反应温度控制为35℃,通入加热箱加热外循环水进入筒体来控制UASB的反应温度。为了提高废水的处理效果,通过泵调节UASB外循环流速来控制废水的上升流速。

  1.4 分析方法

  水质分析项目为COD、产沼气量、有机酸含量和pH。其中COD通过重铬酸钾法测定,产沼气量通过气体流量计读数测量,有机酸含量采用化学滴定法检测,pH采用pH计测定。

  2、结果与讨论

  2.1 COD的去除效果

  进行了UASB装置加装填料(进水体积流量2.4L/d)和不加装填料(进水体积流量0.8L/d)情况下COD去除效果的对比实验,结果如图2和图3所示。

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  从图2和图3可以看出,出水COD随着进水COD的增大而增大,COD去除率总体上随着容积负荷的增大而减少;UASB装置加填料后单位时间废水处理量明显增加,且前期微生物挂膜启动时间明显缩短。

  在不加填料的情况下,当控制进水体积流量为0.8L/d,进水COD为70.55g/L时,COD的平均去除率为84.9%,此时COD容积负荷为5.13kg/(m3·d);当进水COD增加为115.3g/L时,COD的去除率为80.7%,此时COD容积负荷为8.4kg/(m3·d)。在不加填料的情况下,前期出水COD偏高,分析原因认为是接种底泥中部分COD释放到水中所致。

  在加装填料的情况下,当控制进水体积流量为2.4L/d,进水COD为59.18g/L时,COD的平均去除率为88.6%,此时容积负荷为12.9kg/(m3·d);当进水COD增加为125.1g/L,容积负荷为27.3kg/(m3·d)时,COD的平均去除率为71.9%,当COD容积负荷提高为54.6kg/(m3·d),此时COD的去除率下降为57.97%。COD容积负荷从12.9kg/(m3·d)增加到54.6kg/(m3·d),虽然此时建设成本降低了约3/4,但是装置的运行稳定性明显变差,COD的去除率也下降了约30%。

  综上所述,在不加填料情况下,UASB装置容积负荷为5.13kg/(m3·d)时对COD的去除率最高,为84.9%;在加填料情况下,从建设成本、COD去除率和装置运行稳定性方面考虑,COD容积负荷为12.9kg/(m3·d)时效果较好,此时COD去除率为88.6%。因此建议,UASB装置COD容积负荷不加填料情况下宜取4~6kg/(m3·d),在加填料情况下宜取10~13kg/(m3·d)。

  2.2 产沼气量的变化

  进行加填料(进水体积流量2.4L/d)和不加装填料(进水体积流量0.8L/d)情况下的产沼气量对比实验,分析UASB装置产沼气量v的变化,结果如图4、图5和表2所示。

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  从图4、图5和表2可以看出,产沼气量前期随着进水COD的增加而增加,后期又呈现下降的趋势。在不加填料的情况下,当进水COD为70.55g/L时,产沼气量为1.84L/d,此时COD容积负荷为5.13kg/(m·3d)。在加填料的情况下,当进水COD为18.27g/L时,产沼气量为11.88L/d,此时COD容积负荷为3.99kg/(m3·d),出水中有机酸浓度为7.95mmol/L。后期产沼气量随出水中有机酸含量的增加而呈现明显下降趋势,当出水中有机酸浓度为98.81mmol/L时,产沼气量降为0.77L/d。后期产沼气量呈现下降趋势,分析认为是出水中有机酸的大量增加使产甲烷菌受到了抑制所致。

  综上所述,在不加填料情况下COD容积负荷为5.13kg/(m3·d)时沼气产量最大,为1.84L/d;在加填料情况下,COD容积负荷为3.99kg/(m3·d)时沼气产量最大,为11.88L/d。对比不加填料的情况,UASB装置在加填料的情况下,产沼气量明显增加,分析原因认为是作为微生物载体的填料比表面积大、孔隙率高,使得UASB装置中产甲烷菌数量明显增多,从而沼气产量明显增大。因此,从沼气产量和能源利用角度考虑,COD容积负荷建议取3~6kg/(m3·d),同时控制出水中有机酸浓度<8mmol/L。

  2.3 有机酸含量和pH的变化

  进行加填料情况下的有机酸和pH变化实验,进水COD分5个阶段提升,每阶段运行2d,每天同一时间取样检测,分析出水中有机酸含量和pH的变化,实验结果如图6所示。

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  从图6可以看出,出水中有机酸含量随进水COD增加基本呈现上升的趋势,有机酸不断累计,分析原因认为是,每阶段COD大幅提升后2d的稳定运行时间较短,产甲烷菌来不及分解厌氧反应产生的有机酸,大量累计的有机酸致使产甲烷菌受到了抑制。

  从图6还可以看出,出水pH随进水COD增加呈现下降的趋势。分析认为是有机酸的不断累计所致。为保证COD的去除效果和沼气产量,建议控制出水pH>6.8。如果出水pH≤6.8,应在进水中适当加碳酸钠或氢氧化钠调节。

  3、结论

  UASB装置出水COD随进水COD的增大而增大,COD去除率总体上随进水COD容积负荷的增大而减小。当进水COD为59.18g/L时,填料装填体积比为5%时,UASB装置对COD的去除率为88.6%,此时装置容积负荷为12.9kg/(m3·d)。

  产沼气量前期随进水COD的增加而增加,后期由于出水中有机酸的大量积累而呈现明显下降的趋势。在加填料情况下,当进水COD为18.27g/L时,UASB装置产沼气量可达11.88L/d,此时UASB装置COD容积负荷为3.99kg/(m3·d)。

  出水有机酸含量随进水COD增加基本呈现上升的趋势。出水pH随进水COD增加呈现逐步下降的趋势。(来源:中交上海航道局江苏分公司)