ABR处理大豆蛋白废水产氢效能的研究王帅

第27卷第5期2011年10月哈尔滨商业大学学报(自然科学版)JournalofHarbinUniversityofCommerce(NaturalSciencesEdition)Vol．27No．5Oct．2011收稿日期:2011－06－15．基金项目:东北林业大学大学生创新资助项目(2010);上海市科委重点攻关项目(071605122)．作者简介:王帅(1985－)，男，硕士，研究方向:应用环境学;通讯作者:李永峰(1961－)，男，教授，博士生导师，研究方向:环境工程、水处理及生物制氢．ABR处理大豆蛋白废水产氢效能的研究王帅，李博，赵倩，姜力行，曹莉，李永峰(东北林业大学林学院，哈尔滨150040)摘要:厌氧折流板反应器(ABR)是一类源于分阶段多相厌氧反应器(StagedMulti－PhaseAnaerobicReactor，SMPA)理论的第三代新型厌氧反应器．为考察厌氧折流板反应器(ABR)处理大豆蛋白生产废水的效能及其运行特征，对4格室ABR反应系统的运行控制对策进行了研究，采用有效容积为42L的四格室ABR，在污泥接种量MLVSS为18．0g/L、进水COD质量浓度2000mg/L、HRT48h、(35±1)℃等条件下(即OLR1．0kg/(m3·d))，通过为期80d的运行，研究了基于进水COD质量浓度提高的有机负荷(OLR)改变对其处理效能的影响，可在31d内成功启动ABR并达到初步稳定运行，研究不同有机负荷下，ABR反应器的COD去除效率及产气量．为在此基础上研发高效的ABR反应设备，并成功将其应用到发酵法生物制氢技术及大豆蛋白生产废水的处理研究之中提供了依据．关键词:大豆蛋白废水;厌氧折流板反应器;ABR;COD;氧化还原电位;pH值中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1672－0946(2011)05－0677－05Performanceofhydrogenproductioninanaerobicbaffledreactor(ABR)treatingsoyproteinwastewaterWANGShuai，LIBo，ZHAOQian，JIANGLi-xing，CAOLi，LIYong-feng(SchoolofForestry，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)Abstract:AnaerobicBaffledReactor(ABR)isaclassderivedfrommulti-phaseanaerobicreactorstages(StagedMulti－PhaseAnaerobicReactor，SMPA)theoryofthethirdgenera-tionofanewanaerobicreactor．Tostudyofanaerobicbaffledreactor(ABR)soyproteinwastewatertreatmentefficiencyandoperatingcharacteristicsofthe4cellroomoperationofthesystemofABRcontrolmeasureswerestudiedusingtheeffectivevolumeof42Lfour－roomframeABR，MLVSSinthesludgeinoculumforthe18．0g/L，influentCODconcen-trationof2000mg/L，HRT48h，(35±1)℃andotherconditions(ieOLR1．0kg/(m3·d))，runningthroughaperiodof80dofthestudybasedontheinfluentCODconcentra-tionwasincreasedorganicload(OLR)tochangetheimpactofitsprocessingpower，cansuccessfullystartedin31dandreachedtheinitialABRandstableoperation．Inaddition，rateof96%，studieddifferentorganicload，ABRreactorCODremovalefficiencyandgasproduction．Onthisbasis，fortheefficientdevelopmentofABRequipment，andsuccessfullyappliedtofermentationtechnologyandbio-hydrogenproductionofsoyproteinwastewatertreatmentunderstudywasprovided．Keywords:soyproteinwastewater;anaerobicbaffledreactor;ABR;COD;ORP;pHDOI:10.19492/j.cnki.1672-0946.2011.05.010当今世界面临着能源短缺和环境污染的双重压力，水源不足、水体污染、水环境生态恶化以及能源匮乏已成为发展的主要制约因素．要实现可持续发展．必须高度重视环境保护及开发新型能源的工作．因此，环境保护和开发新型能源的问题受到社会各界越来越多的关注．能源是社会经济和人民生活的重要物质基础［1］．中国大豆蛋白分离生产企业发展迅速，国内消费群体不断扩大，规模也越来越大．大豆蛋白分离生产企业的发展，生产企业所排放的高质量浓度大豆蛋白废水量也在迅速增加［2］．以大豆为原料的轻工行业排放的高质量浓度有机废水，具有以下特点:1)有机物质量浓度高，含有大量蛋白质，废水易腐败，释放出硫化氢等恶臭味气体，影响环境，以20世纪80年代上海为例，每年排入水体的BOD5达3000t以上;2)豆制品废水中的氮、磷含量较高，易导致水体富营养化，水质恶化;3)温度较高、pH值较低，并且自身容易酸败，导致水质酸度大，对环境造成极大的危害［3］．对这些废水若不处理而直接排放，将严重污染河流、水源及生态，给环境造成重大的影响．同时还可以解决能源问题，为人类提供新型的清洁能源———氢能［4］．实验以大豆蛋白生产废水为原料，探讨了4格室厌氧折流板反应器反应系统的启动与运行特征，并就运行过程中产氢速率和表征反应器运行状态的一些重要参数的变化情况进行了分析研究．1厌氧生物处理技术及厌氧折流反应器(ABR)技术的研究与发展1．1厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理是在无氧或缺氧条件下，利用厌氧微生物对有机物的代谢转化作用达到有机废水或污泥处理的目的，并获取沼气过程的统称，又称厌氧消化或甲烷发酵，见图1［5］．图1有机物厌氧降解途径1)水解阶段这是厌氧代谢过程的第一步．复杂的难溶于水的大分子有机物(如多糖类、脂肪、蛋白质等)在细菌胞外酶的作用下，水解为能够溶于水，并且可以透过细胞膜被细菌所利用的小分子有机物．2)产氢产乙酸作用产氢产乙酸作用是指产氢产乙酸细菌将产酸发酵第一阶段产生的丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等挥发酸和醇类进一步转化为乙酸，同时释放分子氢的过程［6］．3)同型产乙酸作用在厌氧条件下，同型产乙酸菌既可利用有机基质产生乙酸，又可利用H2和CO2产生乙酸，这加大了乙酸作为形成甲烷的直接前体的意义．4)产甲烷作用产甲烷阶段是由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和CO2/H2等转化为CH4、CO2和H2O的过程［7］．1．2ABR处理废水研究目前，国内外研究工作者已利用ABR对多种废水(或者有机废物)，1)低质量浓度有机废水低质量浓度废水的这些特点使其在UASB和EGSB的运行造成困难，但如果用ABR进行处理，采用较短的水力停留时间，就能达到处理目的［8］．2)低温废水在处理低温废水时，分阶段式反应器比完全混合反应器有更多的优点．按VantHoff定律，温度每·876·哈尔滨商业大学学报(自然科学版)第27卷增加10℃，生物化学反应的速度会增加1倍．ABR反应器在系统达到稳定后2个月［9］，温度降低，使前面格室的生物降解速率降低，使产酸过程推移到后面的格室中，提高了后面格室的效率，但总的去除率却没有很大改变．3)高质量浓度有机废水高质量浓度的有机悬浮固体废水的研究表明，处理此类废水，可以有较长的SRT，SRT长有利于世代期较长的细菌繁殖生长，促使系统形成复杂的生物菌群．处理高质量浓度悬浮固体废水时，效果较好，不需要固液分离设施．4)难降解有机废水对难降解、有毒废水的处理具有潜在优势，ABR的水解酸化效率很高，处理后废水的可生化性提高了2倍，对后续的生化处理极为有利［10］．5)其他废水用ABR在处理含硫制药废水时发现，COD的去除率为50%，硫的去除率达到95%，在第1格室中硫酸盐转化为硫化物，沿反应器长度方向硫化物质量浓度逐渐增高．2实验研究方法与技术路线2．1试验装置及工艺流程ABR是一种新型厌氧反应器，其结构特点是:类似于几个串连的UASB，但无须设置三相分离器，图2．高质量浓度有机废水经计量泵送入ABR第1格室的下向流室，由导流板导向上向流室的底部，再经上向流室进入第2格室的下向流室，这样，废水以推流方式顺次流经各格室，最后经第4格室的上向流室排出系统．各格室产生的发酵气由集气管导出，产气量由水封后的湿式气体计量表计量，由于其可以实现厌氧生物处理系统的微生物相分离，即将具有不同生态功能的微生物类群，通过水力学控制和生态学调控，分布于不同的功能格室，相对独立［11］.2．2污泥接种与运行控制2．2．1污泥接种试验取哈尔滨市文昌污水处理厂经过脱水处理的活性污泥作为接种污泥，污泥经过脱水处理，含有大量絮凝剂，首先得去除污泥里的絮凝剂(污泥浸泡在自来水中，排掉上清液，连续一星期)接着在实验室内采用间歇运行方式培养驯化．接种污泥首先经沉淀静置后去掉上清液后，置入ABR反应器内，并注入试验用人工合成大豆蛋白废水，进行连续培养驯化．图2ABR反应器结构示意图2．2．2反应器的启动运行控制多隔室厌氧反应器的启动方式有低负荷方式启动和高负荷方式启动两种方式，水力负荷太低，会使前面隔室大量分散污泥过速生长，影响沉降性能，导致前面隔室污泥膨胀，但水力负荷太大，会使后面隔室污泥流失．反应器各级通道之间没有设泥水分离装置，在启动初期细小的污泥在水流和气流的作用下会流出反应器，故采用较小水力负荷采用低负荷启动方式时，气流和液流的速度较低，有利于絮状和颗粒状污泥生长，一般建议采用负荷为1．2kg/(m3·d)，停留时间为24h，本实验采用污泥接种量MLVSS为18．0g/L、进水COD质量浓度2000mg/L、HRT48h、(35±1)℃等条件下(即OLR1．0kg/(m3·d))作为启动条件．2．3分析项目及测定方法研究中通过实验来控制各环境因素对ABR反应器启动与运行，及对COD去除率等指标的影响．根据国家环保总局编制的《水和废水监测分析方法》(第4版)［12］，表1为测试项目及其测试方法.表1测试项目及方法测定项目测定方法化学需氧量(COD)COD－571COD测定仪悬浮固体(SS)过滤，在105℃烘干至恒重后称重及氧化还原电位(ORP)pHs－3c型数显pH计水温温控仪控制pH值pHs－25型数显pH计碱度酸碱指示剂滴定法(以mgCaCO3/L计)3试验结果与分析3．1ABR的运行具体参数变化见表2．·976·第5期王帅，等:ABR处理大豆蛋白废水产氢效能的研究表2ABR在3个不同运行稳定期的主要参数运行阶段格室序号稳定期/d出水COD/(mg·L－1)pH值产气量/(L·d－1)VFAs/(mg·L－1)ORP/mV第1阶段(1～24d)123～241898±666．5012．3±0．461209±212－426～－224OLR1．0kg·m－3·d－12223～241500±497．138．1±0．10982±132－319～－233322～241042±507．104．2±0．22527±98－290～－249421～24478±57