生物柴油是一種新型的可再生的生物質(zhì)能源，是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ奶娲茉粗?。但生物柴油生產(chǎn)也伴隨著廢水污染問題。生物柴油廢水主要產(chǎn)生于水洗階段，是一種集懸浮油、乳化油、溶解性有機(jī)物及鹽于一體的多相體系，主要污染物包括油、COD、硫化物、堿、鹽、醇、烴類、懸浮物以及氨氮等。廢水處理難度很大，尤其是硫酸鹽含量高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響生化處理效果。上流式厭氧污泥床(UASB)工藝是一種具有很大應(yīng)用前景的生物柴油污水處理技術(shù)，具有運(yùn)行費(fèi)用低、剩余污泥量少和有機(jī)負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在反應(yīng)速度較慢、反應(yīng)時(shí)間較長、處理構(gòu)筑物容積大、耐高含量硫酸鹽能力差、有機(jī)酸積累快和啟動(dòng)周期長等問題。
為解決上述問題，本研究通過UASB處理生物柴油廢水的實(shí)驗(yàn)，分析UASB工藝在投加填料前后對生物柴油廢水的處理效果和運(yùn)行規(guī)律，以期為類似廢水的處理提供技術(shù)支持。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
實(shí)驗(yàn)在北方某生物柴油廢水處理廠進(jìn)行。處理用水為該廠經(jīng)過預(yù)處理的含油污水，由生產(chǎn)廢水(包括原料雜水、工藝生產(chǎn)水、工藝生產(chǎn)甘油、濃硫酸)、沖刷廢水、鍋爐房廢水和生活污水組成。生產(chǎn)廢水(COD高達(dá)500～600g/L)是主要廢水，其中含硫酸、甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、40%，甲醇、短鏈有機(jī)物、脂肪酸、脂肪酸甲酯、油脂等合計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%。實(shí)驗(yàn)通過投加一定比例、一定粒徑的顆粒化填料作為厭氧微生物的載體，來快速提高UASB裝置中微生物的活性和數(shù)量，從而提高UASB裝置對生物柴油廢水中污染物的去除效果，以及UASB反應(yīng)裝置的容積負(fù)荷，并優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)而降低UASB裝置的投資成本。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)裝置主體由有機(jī)玻璃管制成，以利于觀察UASB裝置運(yùn)行過程中發(fā)生的現(xiàn)象。厭氧反應(yīng)柱直徑200mm，總高約2m。頂部設(shè)置三相分離器、出水口和沼氣收集裝置，以利于氣、液、固三相的分離，沼氣收集裝置與氣體流量計(jì)相連;中間筒體進(jìn)廢水和外循環(huán)加熱水;底部設(shè)置進(jìn)水箱和外循環(huán)水加熱箱，進(jìn)水分別通過泵自動(dòng)控制。外循環(huán)系統(tǒng)通過泵調(diào)控UASB裝置中廢水的上升流速。
1.3 實(shí)驗(yàn)過程
將厭氧污泥(取自該廠一期UASB厭氧污泥，污泥接種量36g/L)和顆粒填料(投加量為裝置有效容積的5%，具體參數(shù)如表1所示)先后裝入U(xiǎn)ASB反應(yīng)裝置，控制循環(huán)上升流速為0.2m/h、溫度為35℃，對比填料投加前、后UASB裝置對污染物的去除效果。
實(shí)驗(yàn)過程中廢水由進(jìn)水箱通過泵進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)裝置后，在反應(yīng)區(qū)與微生物進(jìn)行反應(yīng)后進(jìn)入三相分離器進(jìn)行氣、水、泥的三相分離，產(chǎn)氣量通過氣體流量計(jì)測量，出水通過出水口排出，污泥下降返回反應(yīng)區(qū)繼續(xù)進(jìn)行廢水處理。裝置反應(yīng)溫度控制為35℃，通入加熱箱加熱外循環(huán)水進(jìn)入筒體來控制UASB的反應(yīng)溫度。為了提高廢水的處理效果，通過泵調(diào)節(jié)UASB外循環(huán)流速來控制廢水的上升流速。
1.4 分析方法
水質(zhì)分析項(xiàng)目為COD、產(chǎn)沼氣量、有機(jī)酸含量和pH。其中COD通過重鉻酸鉀法測定，產(chǎn)沼氣量通過氣體流量計(jì)讀數(shù)測量，有機(jī)酸含量采用化學(xué)滴定法檢測，pH采用pH計(jì)測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 COD的去除效果
進(jìn)行了UASB裝置加裝填料(進(jìn)水體積流量2.4L/d)和不加裝填料(進(jìn)水體積流量0.8L/d)情況下COD去除效果的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2和圖3所示。
從圖2和圖3可以看出，出水COD隨著進(jìn)水COD的增大而增大，COD去除率總體上隨著容積負(fù)荷的增大而減少;UASB裝置加填料后單位時(shí)間廢水處理量明顯增加，且前期微生物掛膜啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短。
在不加填料的情況下，當(dāng)控制進(jìn)水體積流量為0.8L/d，進(jìn)水COD為70.55g/L時(shí)，COD的平均去除率為84.9%，此時(shí)COD容積負(fù)荷為5.13kg/(m3·d);當(dāng)進(jìn)水COD增加為115.3g/L時(shí)，COD的去除率為80.7%，此時(shí)COD容積負(fù)荷為8.4kg/(m3·d)。在不加填料的情況下，前期出水COD偏高，分析原因認(rèn)為是接種底泥中部分COD釋放到水中所致。
在加裝填料的情況下，當(dāng)控制進(jìn)水體積流量為2.4L/d，進(jìn)水COD為59.18g/L時(shí)，COD的平均去除率為88.6%，此時(shí)容積負(fù)荷為12.9kg/(m3·d);當(dāng)進(jìn)水COD增加為125.1g/L，容積負(fù)荷為27.3kg/(m3·d)時(shí)，COD的平均去除率為71.9%，當(dāng)COD容積負(fù)荷提高為54.6kg/(m3·d)，此時(shí)COD的去除率下降為57.97%。COD容積負(fù)荷從12.9kg/(m3·d)增加到54.6kg/(m3·d)，雖然此時(shí)建設(shè)成本降低了約3/4，但是裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性明顯變差，COD的去除率也下降了約30%。
綜上所述，在不加填料情況下，UASB裝置容積負(fù)荷為5.13kg/(m3·d)時(shí)對COD的去除率最高，為84.9%;在加填料情況下，從建設(shè)成本、COD去除率和裝置運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，COD容積負(fù)荷為12.9kg/(m3·d)時(shí)效果較好，此時(shí)COD去除率為88.6%。因此建議，UASB裝置COD容積負(fù)荷不加填料情況下宜取4～6kg/(m3·d)，在加填料情況下宜取10～13kg/(m3·d)。
2.2 產(chǎn)沼氣量的變化
進(jìn)行加填料(進(jìn)水體積流量2.4L/d)和不加裝填料(進(jìn)水體積流量0.8L/d)情況下的產(chǎn)沼氣量對比實(shí)驗(yàn)，分析UASB裝置產(chǎn)沼氣量v的變化，結(jié)果如圖4、圖5和表2所示。
從圖4、圖5和表2可以看出，產(chǎn)沼氣量前期隨著進(jìn)水COD的增加而增加，后期又呈現(xiàn)下降的趨勢。在不加填料的情況下，當(dāng)進(jìn)水COD為70.55g/L時(shí)，產(chǎn)沼氣量為1.84L/d，此時(shí)COD容積負(fù)荷為5.13kg/(m·3d)。在加填料的情況下，當(dāng)進(jìn)水COD為18.27g/L時(shí)，產(chǎn)沼氣量為11.88L/d，此時(shí)COD容積負(fù)荷為3.99kg/(m3·d)，出水中有機(jī)酸濃度為7.95mmol/L。后期產(chǎn)沼氣量隨出水中有機(jī)酸含量的增加而呈現(xiàn)明顯下降趨勢，當(dāng)出水中有機(jī)酸濃度為98.81mmol/L時(shí)，產(chǎn)沼氣量降為0.77L/d。后期產(chǎn)沼氣量呈現(xiàn)下降趨勢，分析認(rèn)為是出水中有機(jī)酸的大量增加使產(chǎn)甲烷菌受到了抑制所致。
綜上所述，在不加填料情況下COD容積負(fù)荷為5.13kg/(m3·d)時(shí)沼氣產(chǎn)量最大，為1.84L/d;在加填料情況下，COD容積負(fù)荷為3.99kg/(m3·d)時(shí)沼氣產(chǎn)量最大，為11.88L/d。對比不加填料的情況，UASB裝置在加填料的情況下，產(chǎn)沼氣量明顯增加，分析原因認(rèn)為是作為微生物載體的填料比表面積大、孔隙率高，使得UASB裝置中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量明顯增多，從而沼氣產(chǎn)量明顯增大。因此，從沼氣產(chǎn)量和能源利用角度考慮，COD容積負(fù)荷建議取3～6kg/(m3·d)，同時(shí)控制出水中有機(jī)酸濃度<8mmol/L。
2.3 有機(jī)酸含量和pH的變化
進(jìn)行加填料情況下的有機(jī)酸和pH變化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)水COD分5個(gè)階段提升，每階段運(yùn)行2d，每天同一時(shí)間取樣檢測，分析出水中有機(jī)酸含量和pH的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
從圖6可以看出，出水中有機(jī)酸含量隨進(jìn)水COD增加基本呈現(xiàn)上升的趨勢，有機(jī)酸不斷累計(jì)，分析原因認(rèn)為是，每階段COD大幅提升后2d的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間較短，產(chǎn)甲烷菌來不及分解厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的有機(jī)酸，大量累計(jì)的有機(jī)酸致使產(chǎn)甲烷菌受到了抑制。
從圖6還可以看出，出水pH隨進(jìn)水COD增加呈現(xiàn)下降的趨勢。分析認(rèn)為是有機(jī)酸的不斷累計(jì)所致。為保證COD的去除效果和沼氣產(chǎn)量，建議控制出水pH>6.8。如果出水pH≤6.8，應(yīng)在進(jìn)水中適當(dāng)加碳酸鈉或氫氧化鈉調(diào)節(jié)。
3、結(jié)論
UASB裝置出水COD隨進(jìn)水COD的增大而增大，COD去除率總體上隨進(jìn)水COD容積負(fù)荷的增大而減小。當(dāng)進(jìn)水COD為59.18g/L時(shí)，填料裝填體積比為5%時(shí)，UASB裝置對COD的去除率為88.6%，此時(shí)裝置容積負(fù)荷為12.9kg/(m3·d)。
產(chǎn)沼氣量前期隨進(jìn)水COD的增加而增加，后期由于出水中有機(jī)酸的大量積累而呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。在加填料情況下，當(dāng)進(jìn)水COD為18.27g/L時(shí)，UASB裝置產(chǎn)沼氣量可達(dá)11.88L/d，此時(shí)UASB裝置COD容積負(fù)荷為3.99kg/(m3·d)。
出水有機(jī)酸含量隨進(jìn)水COD增加基本呈現(xiàn)上升的趨勢。出水pH隨進(jìn)水COD增加呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。( >
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