水解酸化—改良UASB处理玉米酒精废水研究

2014-08-31孙俊伟邵玉敏韦学玉

河南工程学院学报(自然科学版) 2014年3期

关键词：酸化水解酒精

孙俊伟, 邵玉敏, 韦学玉

(1.安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖 241000；2.郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南郑州 450002)

水解酸化—改良UASB处理玉米酒精废水研究

孙俊伟1, 邵玉敏2, 韦学玉1

(1.安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖 241000；2.郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南郑州 450002)

玉米酒精废水；水解酸化；改良UASB；正交试验；参数优化

玉米酒精废水具有有机物浓度高、氮磷含量高、pH值低及可生化性好等特点[1]，不达标排放对目前比较脆弱的生态环境构成了很大的威胁.当前常用厌氧加好氧工艺对其处理，其中厌氧中常采用UASB工艺[2-3].但是，长期运行发现，常规的UASB反应器存在着抗冲击负荷能力不足、处理效果不理想的问题[4-5]，总出水不能满足GB 27631—2011《发醋酒精和白酒工业水污染物排放标准》[6]的要求.

河南某酒精厂在传统UASB反应器的工艺上进行了调整，把原有UASB工艺改成了中温两相厌氧工艺(水解酸化—改良UASB工艺).研究发现，水解酸化一方面解决了进水水质波动比较大、对UASB反应器构成较大负荷冲击的问题；另一方面起到了废水预处理的作用，UASB反应器的酸化现象基本得以解决.增加强制回流系统而形成的改良UASB反应器具有启动快、颗粒污泥性能优良、水力条件好等优势，使厌氧单元的出水水质得到较大改善.但是，水解酸化—改良UASB运行参数的优化基本都是基于单因素试验进行的，关于参数之间相互影响及程度的研究尚不多见，本研究在前期研究结论及正交试验的基础上进行了该系统运行参数的优化.

1 试验部分

1.1试验装置

试验装置见图1.

图1 试验装置示意图Fig.1 Experiment device

整个装置主要由贮水箱、水解酸化池、改良UASB反应器和沉淀池构成.其中，水解酸化池为0.60 m×0.30 m×0.55 m，有效水深为0.50 m，有效容积为90 L，内置弹性生物填料和搅拌装置.改良UASB的直径为0.35 m，高为2.6 m，有效水深为2.5 m，有效容积为240 L，三相分离器下部中间设回流管1个，回流液与水解酸化池出水混合后进入改良UASB.进水泵和回流泵均为隔膜计量泵，以便控制流量.

1.2试验用水

试验用水取自该厂中和调节池.玉米酒精生产过程中所排放废水的水质波动较大，经过调节池配水后水质的波动性依然较大.为了维持废水的碱度并稳定其pH值，在配水时加入适量的氢氧化钠，具体进水水质情况见表1.

表1 玉米酒精废水水质指标Tab.1 Water quality indicators of corn alcohol wastewater

1.3运行参数优化试验方法

在水解酸化—改良UASB厌氧处理系统中，水解酸化起废水预处理作用，旨在服务于后续改良UASB单元，而改良UASB仍是厌氧单元的核心.鉴于此，选取改良UASB的HRT、总进水pH值、改良UASB上升流速3个因素的3个较好水平，采用正交试验方法设计4因素3水平正交表L9(34)，开展相应的正交试验，正交试验因素水平表见表2.

表2 正交试验因素水平表Tab.2 Orthogonal test factors level table

2 试验结果

2.1正交试验结果

水解酸化—改良UASB正交试验方案及试验结果分析见表2.将各个因素分别安排在正交表L9(34)上方与列号对应的位置上，其中第二列设为空白列.以COD去除率为考察指标对正交试验结果进行直观分析，具体分析结果见表3.

表3 正交试验方案及试验结果分析表Tab.3 The analysis table of the orthogonal test

续表

本研究中，试验指标是废水COD的去除率，指标越大越好，所以挑选每个因素的k1，k2，k3中最大的值对应的水平，由于A因素列k1>k2>k3，B因素列k2>k3>k1，C因素列k1>k3>k2，所以最优方案为A1B2C1，即改良UASB的HRT为24 h，总进水pH值为6.0，改良UASB上升流速为0.4 m/h.由极差分析可知，本试验中RC>RA>RB，所以各因素从主到次的顺序依次为改良UASB上升流速、改良UASB的HRT、总进水pH值.从提高效率、降低能耗以及经济效果考虑，综合分析改良UASB最优运行参数方案为HRT取12 h、上升流速为0.4 m/h、进水pH值为 6.0～7.0.

2.2最优参数下污染物降解特性

由水解酸化—改良UASB正交试验得到的最优运行参数进行厌氧系统的稳定运行试验，其中水解酸化设计参数为HRT 3.6 h、上升流速0.139 m/h(需要加搅拌)、进水pH值6.0～7.0，改良UASB参数为容积负荷3.88 kg/(m3·d)、HRT 12 h、上升流速0.4 m/h.此时，水解酸化的处理量为25 L/h，改良UASB的处理量为20 L/h.

图2 水解酸化—改良UASB系统中COD降解效果Fig.2 Removal efficiency of COD by hydrolysis acidification-improved UASB

2.2.1 COD的去除效果

经过水解酸化处理后，COD的去除率为32.89%～58.04%，见图2.从图2可以看出，虽然进水水质波动较大，但出水水质波动较小，为2 133.23～2 910.12 mg/L，整个运行阶段的平均去除率为41.36%.经过水解酸化后，大分子和难降解物质转化为小分子和易降解物质，COD得到部分去除，提高废水生化性的同时又减少了冲击负荷对后续改良UASB的影响[7-8].

改良UASB进水即水解酸化出水，出水COD为372.62～687.66 mg/L，经过改良UASB处理后，COD的去除率为72.04%～86.38%.改良UASB在调整运行参数的前后对进水的水质有一个适应的阶段，所以从图2可以看出在运行的第2～4天，UASB对COD的去除率从79.81%下降到72.04%，但从运行的第4天开始，改良UASB对COD的去除率呈逐步增加的趋势，这主要是因为反应器已经适应了当前运行参数且运行情况逐步趋于稳定，最终改良UASB对COD的去除率稳定在80%左右.在整个运行期内,改良UASB对COD的去除率较稳定，平均为79.95%，期间系统出水COD较企业UASB出水COD降低了53.24～437.39 mg/L.

2.2.3 TP的变化

在稳定运行阶段，水解酸化和改良UASB对TP都有一定的去除效果，见图4.水解酸化进水TP质量浓度为26.88～38.80 mg/L，出水TP质量浓度为20.93～35.30 mg/L，对TP的去除率为3.85%～22.21%，对其平均去除率为12.58%.改良UASB进水TP质量浓度即水解酸化出水质量浓度为20.91～35.3 mg/L，改良UASB出水TP质量浓度为15.34～27.89 mg/L，改良UASB对TP的去除率为6.93%～30.69%，平均去除率为22.15%，期间系统出水TP较企业UASB出水TP减少了3.71～8.41 mg/L.水解酸化及改良UASB对TP有一定的去除效果，主要是因为厌氧微生物在自身代谢过程中需要小部分P营养元素，而且pH值升高可能会生成部分正磷酸盐沉淀[11].

图3 水解酸化—改良UASB系统中降解效果Fig.3 Removal efficiency of N-N by hydrolysis acidification-improved UASB

图4 水解酸化—改良UASB系统中TP降解效果Fig.4 Removal efficiency of TP by hydrolysis acidification-improved UASB

2.2.4 pH值及VFA的变化

在运行期间监测了厌氧单元整个过程pH值的变化，见图5.水解酸化进水pH值为6.07～6.89，出水pH值为5.13～5.55.经过水解酸化，pH值有所下降，说明水解酸化效果良好，达到了预处理的目的，防止了改良UASB酸化现象的出现，为产甲烷菌的生长创造了更好的条件.废水的pH值经过改良UASB反应器也得到了较大的提升，改良UASB出水pH值为7.31～7.78，证明反应器运行良好，没有发生酸化现象，而出水pH值高于进水pH值主要是由于UASB反应器内部产甲烷菌与产酸菌协同作用使有机物发生产甲烷化，生成了CH4和CO2，其中CO2部分溶于水，加上废水中酸性物质的降解导致了pH值的增大.图6给出了整个稳定运行期厌氧段VFA的变化.

图5 水解酸化—改良UASB系统中pH值变化情况Fig.5 Variation of pH in hydrolysis acidification-improved UASB

图6 水解酸化—改良UASB系统中VFA变化情况Fig.6 Variation of VFA in hydrolysis acidification-improved UASB

VFA是厌氧消化过程中重要的中间产物，产甲烷菌主要利用VFA形成甲烷，但VFA在厌氧反应器中逐渐积累能反映出产甲烷菌的不活跃状态或反应器操作条件的恶化，较高的VFA浓度对产甲烷菌有抑制作用，故在反应器的运行中，出水VFA是重要的控制指标[12].从图6中可以看出，酒精废水经过水解酸化反应器VFA达到1 230～2 040 mg/L，说明酸化效果良好，改良UASB出水VFA整体稳定在204～258 mg/L，证明改良UASB反应器运行良好.

3 结论

(1)改良UASB的HRT、总进水pH值和改良UASB上升流速3个参数最优值为24 h，6.0 和0.4 m/h.

(2)正交试验3个因素的主次关系依次为改良UASB上升流速、改良UASB的HRT和总进水pH值，可见在传统UASB的基础上增设强制回流进行改良是一个有效措施.

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StudyofhydrolysisacidificationandmodifiedUASBprocessfortreatmentofcornalcoholwastewater

SUN Jun-wei1, SHAO Yu-min2, WEI Xue-yu1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China;2.ResearchCenterforEnvironmentalPolicyPlanningandAssessment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China)