一种木薯酒精废液厌氧出水深度处理的方法

摘要

本发明公开了一种木薯酒精废液厌氧出水深度处理的方法，属于污水净化处理技术领域。本发明接种污泥为食品加工厂的中温厌氧颗粒污泥，采用上流式厌氧污泥床UASB作为反应器，在中温35℃条件下通过连续厌氧处理，分析其发酵特性，同时建立动力学模型为发酵过程提供优化运行参数，为实际木薯酒精废液处理提供可靠的运行管理理论指导。废水厌氧深度发酵可以产生大量的沼气，可有效处置木薯酒精一阶段高温厌氧出水废液，实现高浓度有机废水的无害化、减量化和资源化。该方法简单易于操作，稳定性高，能够有效地处理木薯酒精一阶段高温厌氧出水的废液。

说明书

技术领域

本发明涉及一种木薯酒精废液厌氧出水深度处理的方法，属于污水净化处理技术领域。

背景技术

根据相关的报道，木薯燃料乙醇在未来的能源配置过程中将会发挥越来越重要的作用。由于木薯的根、茎中含有大量的碳水化合物和淀粉，乙醇酒精生产过程中会产生大量的有机废水，其中含有大量的可再生利用的营养物质，是一类无毒的高浓度有机废水。在木薯燃料乙醇生产过程中，生成每吨酒精能排放大约15t的酒精废水，该类废水具有高含固率、高COD和低pH等特点，是一类难降解的工业高浓度有机废水，不仅会影响废水接纳水体的生态环境，而且也是制约企业发展的影响因素之一，因此，如何解决该问题已成为企业发展过程中一个重要课题。厌氧发酵是将生物质转化为生物能源的技术，能产生可再生的清洁能源沼气，目前已成为处理酒精废水的有效方法之一

相比其它处理处置技术，厌氧消化更具有优势，它不仅可以有效的处理木薯酒精废液，而且可以获得清洁化沼气能源，实现木薯酒精废液的减量化、无害化和资源化，对环境和经济的可持续发展具有重要的意义。

在木薯酒精废液厌氧发酵过程中，经过一级厌氧处理后虽然能降解部分有机质，但是一级厌氧出水中的有机物质仍较高、可生化性好、SS含量低、pH适中等，因此对木薯酒精废液一阶段厌氧发酵出水的处理方法仍需要改进。目前高有机浓度高SS厌氧发酵一阶段厌氧出水处理仍面临着许多问题，主要表现为两方面：一方面是由于一阶段厌氧发酵体系出水中废水水质特性不同，所采用的后续深度处理的处置类型不同；另一方面在实际废液处理过程中需要考虑到经济性和可操作性等原则，要求后续深度处理单元不仅需要高效的处理能力，同时又具备经济费用低、管理简易等特点，此外，针对厌氧发酵过程的操作条件优化问题，如何建立优化方式和方法也是在处理酒精废液过程中所面临的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对一阶段高温CSTR反应器的出水中可溶性有机物质含量较高的问题，提供一种木薯酒精废液厌氧出水深度处理的方法，所述方法是采用上流式厌氧污泥床反应器UASB，接种颗粒污泥进行中温连续式厌氧发酵产沼气。

在本发明的一种实施方式中，所述中温颗粒污泥的TS为100～110mg/L，VS为80～90mg/L，pH为7.5～8.0。

在本发明的一种实施方式中，所述接种量为8～10gVS污泥/L废水。

在本发明的一种实施方式中，所述接种量是在7.2L的反应器容积中接种72gVS污泥。

在本发明的一种实施方式中，所述中温颗粒污泥来自食品加工厂的中温厌氧UASB反应器中，所述接种量为72gVS菌种于反应罐中。

在本发明的一种实施方式中，所述木薯酒精废液厌氧发酵的VS为10g/L，木薯酒精厌氧发酵废液通过蠕动泵进行连续进料，出水与进水回流比为2：1，反应过程中不调节pH。

在本发明的一种实施方式中，所述反应器的进水pH为7.4～7.62，总COD 15000～15400mg/L，可溶性COD 10000～11000mg/L，碱度6200～6500CaO mg/L，VFA 2200～2700mg/L。

在本发明的一种实施方式中，所述UASB厌氧反应器的运行温度为33～35℃。

在本发明的一种实施方式中，所述UASB厌氧反应器的运行方式为阶段提升容积负荷的方式，于3kgCOD/(m³.d)运行5～10d，提升至5kgCOD/(m³.d)运行10～15d，再提升至7kgCOD/(m³.d)运行30～35d。

在本发明的一种实施方式中，所述UASB反应器的HRT和产气率按下式计算：y＝5.2441x²+2.29x；其中，y为y(t)/y_m；y(t)为单位时间产气率，y_m为最大产气率；x为水力停留时间HRT；通过给定产气率，计算获得所需的水力停留时间。

本发明还提供按照所述方法设计、制造的用于木薯酒精废液厌氧出水的处理设备。

有益效果：本发明将接种污泥取自食品加工厂的中温厌氧颗粒污泥，采用上流式厌氧污泥床UASB反应器作为处理设备，本着最大化资源回收废物处理、操作简易、费用成本低等理念，通过对微生物生长繁殖过程中产生的中间代谢产物进行综合分析，经过近60天的废水生物处理，TCOD浓度从15000mg/L降至1327.9mg/L，TCOD去除率达到83.0％～84.1％。本发明通过容积负荷提升的厌氧发酵运行方式，进一步降低厌氧发酵出水有机物质浓度，提高厌氧发酵出水的资源化利用程度。本发明的工艺简单，易于控制和操作，对提高木薯酒精厌氧发酵废液的处理效率和能源回收率具有重要意义，且不会产生二次污染，因此可以作为木薯酒精废液一阶段厌氧发酵出水的后续处理手段，具有良好的应用和研究前景。

附图说明

图1为UASB厌氧反应器示意图；

图2为不同运行条件下UASB反应器出水COD的变化情况；

图3为不同条件下UASB反应器的运行效能；

图4为UASB反应器有机酸和pH的稳定特性；

图5为UASB反应体系有机酸组成动态变化；

图6为不同容积负荷下CSTR厌氧反应沼气产气率拟合直线；

图7为HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合直线；

图8为k、HRT与y(t)/(ym-y(t))之间的拟合曲线。

具体实施方式

采用便携式甲烷测定仪测定甲烷含量，采用重铬酸钾滴定法测定TCOD、SCOD，采用液相法测定VFA。

木薯酒精废液，即一阶段高温CSTR厌氧发酵出水的基本特性如表1：

表1木薯酒精废液水质特性

本实施方式中UASB厌氧反应器接种的中温颗粒污泥取自食品加工厂的中温厌氧反应罐，污泥基本特性如表2：

表2接种污泥的性质

实施例1

采用图1所示的上流式厌氧污泥床UASB反应器装置，装置为全玻璃材质，体积为9.5L，实际有效反应体积为7.2L。反应温度为35℃，进水通过泵从反应器底部进入，反应产生的沼气通过三相分离器分离，从气体排出管排至集气袋收集，出水与进水按照2:1比例进行回流，反应器外部为玻璃夹层，采用水浴加热方式维持温度在35℃条件下运行。

实施例2不同运行条件下UASB反应器出水COD的变化情况

UASB反应器运行效能如图2所示。经过一阶段CSTR厌氧反应器处理后，出水根据所设定的相应水力停留时间和容积负荷经过稀释，利用泵进入UASB反应器进行厌氧发酵，在3kgCOD/(m³.d)负荷下运行10d，提升至5kgCOD/(m³.d)运行15d，再提升至7kgCOD/(m³.d)运行33d。经过近60天的处理，最终反应器运行负荷为7kgCOD/m³.d，出水中TCOD和SCOD浓度分别为1327.9、551.2mg/L，TCOD去除率达到83.0％～84.1％。在处理的过程中，出水中有机物浓度随着进水容积负荷的增加而提高。

如图3所示，日沼气产生量随着容积负荷的提高而提高，当反应器在容积负荷为3、5、7kgCOD/m³.d条件下稳定运行时，日沼气产量分别为6.9、12、17.1L/d，甲烷含量分别达到47.5％、52.3％、51％，沼气产气率分别为0.358、0.315、0.31mL/g>

产甲烷厌氧发酵体系容易受到VFA浓度的冲击，在高负荷条件下，随着VFA浓度的累积会导致体系pH的降低，从而抑制产甲烷菌的活性，使得有机底物去除率和转化率降低。因此，采用VFA浓度和pH指标评价厌氧发酵体系的发酵特性。

如图4所示，UASB厌氧反应器整个发酵过程中，由于进水pH一直保持在7.4以上，容积负荷在该反应器的处理能力范围之内，因此，出水中pH一直保持在7.3以上，碱度维持在1660～2325CaOmg/L左右，这是因为UASB进水pH较高，同时所接种微生物的产甲烷活性较高，这说明在合适的运行负荷调节下，该反应体系具有良好的缓冲能力，在运行过程中没有出现酸化现象。

对整个发酵过程中的有机酸组成进行了分析，结果如图5所示，乳酸含量很低，最大值为24.7mg/L，主要有机酸成分为乙酸，在容积负荷为7kgCOD/m³.d时，乙酸浓度在532.9-1168.1mg/L之间，丙酸和丁酸含量在体系稳定阶段含量较低且波动较小，pH的变化和各有机酸组成成分动态变化趋势较为一致。综上所述，在整个厌氧发酵过程中，当容积负荷为7kgCOD/m³.d时，反应器有机酸浓度一直保持较为稳定的状态，VFA浓度在900～951.4mg/L之间。

实施例3不同容积负荷下CSTR厌氧反应沼气产气率的动力学模型

所述反应器的运行参数按照以下动力学模型控制：

动力学模型的建立基于物料守恒而得，则有：

上述公式中：

V_R为反应器的体积(L)；m_o为投加的物料量(L/d)；C₀为投加物料有机物质的浓度(g/L)；c为反应器中有机物质的浓度(g/L)；r(c)为底物被消化的速率(g/L.d)；y为单位原料产气率(L/gTCOD)；y_m为最大单位原料产气率(L/gTCOD)；

根据一级反应动力学:

其中，k为一级反应速率(d^-1)。

根据HRT＝m₀.VR,在稳定状态条件下，由以上(1)(2)两个公式可得:

此外，在厌氧反应过程中，在不同的时间t条件下，产气率和底物有机物质浓度有着如下关系:

对方程式(4)转化可得，

其中，y(t)为单位原料产气率(L/gTCOD)。

由(3)和(5)方程式可得:

此外，根据容积负荷与水力停留时间的关系式Fr＝m₀.HRT，(6)式可以转化得:

在公式(7)的条件下，k值可以根据HRT与y(t)/(y_m-y(t))之间的拟合直线图而得，如图7。

此外，也可以通过拟合曲线图获得k、HRT和y(t)/(y_m-y(t))三者之间的关系图，令y(t)/y_m＝U，可以将公式(6)转化为，

从产气率拟合曲线图6可得拟合方程为y＝-0.004x+0.396，最大产气率为0.396L/gTCOD，即单位原料产气率，通过HRT与y(t)/(y_m-y(t))之间的拟合曲线图7(拟合方程为y＝34.49x-2.06)可以得到一级动力学参数k*C₀值为34.49g/L.d，根据UASB进水有机物质浓度C₀为15000mg/L，可以进一步获得k值为2.29d^-1。

令y(t)/y_m＝U，根据容积负荷与水力停留时间的关系式可以得图8。拟合曲线方程为y＝5.2441x²+2.29x。再通过图8，在k值为2.29d^-1时，根据所给定的y(t)值0.35L/gTCOD，可以获得该条件下最佳的HRT值为3.3d，Fr值为4.5kgCOD/(m³·d)。

因此，该模型能够在给定的预产气率y条件下，计算获得达到相应产气率的最佳HRT和Fr，对工程建设规模和成本预算具有一定的指导意义，同时也能为实际工程运行提供一定的理论技术支持。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。