ICALR工艺处理去油脂泔水实验

第３４卷第２期２０１４年５月桂林理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ３４Ｎｏ２Ｍａｙ　２０１４文章编号：１６７４－９０５７（２０１４）０２－３６０－０６　　　　　ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７４－９０５７２０１４０２０２６ＩＣ－ＡＬＲ工艺处理去油脂泔水实验王　罕１，孔祥成２，刘欢贞１，周洪宇１，马三剑１（１苏州科技学院环保应用技术研究所，江苏苏州　２１５００９；２苏州苏特环境工程有限公司，江苏苏州　２１５００９）摘　要：采用ＩＣ－ＡＬＲ的新型工艺处理含有大量蛋白质、碳水化合物的去油脂泔水。结果表明，在适应期采用快速提升负荷的方式有利于提高污泥的活性，加速污泥颗粒化；稳定运行期，当进水有机浓度达到２２４ｇ／Ｌ时，ＣＯＤ去除率高达９１７％，出水中９２～１０１ｍｍｏｌ／Ｌ的ＶＦＡ含量不会影响ＩＣ的稳定运行。利用ＡＬＲ处理ＩＣ厌氧消化液，当进水ＣＯＤ和ＮＨ３Ｎ浓度分别达到１８５０和４２０ｍｇ／Ｌ时，ＡＬＲ反应器能够去除进水中７５％的ＣＯＤ和９１％的氨氮，出水ＣＯＤ和ＮＨ３Ｎ浓度分别为４２０和４０ｍｇ／Ｌ。关键词：去油脂泔水；内循环厌氧反应器；气升环流反应器；快速提升负荷；高ＶＦＡ含量中图分类号：Ｘ７０３　　　　　　　　　　　　　　　文献标志码：Ａ餐厨垃圾常规的处理方法是将固态餐厨与液态废水相分离，再分别处理［１－２］。液态餐厨废水（又称泔水）通过隔油使油脂与废水相分离，分离出的油脂再进行资源利用，分离后的餐厨废水处理达标后排放。国内外对餐厨垃圾的研究集中于固态餐厨的发酵［３］、油水分离及废弃油脂的资源化［４］等领域，因而，高浓度去油脂泔水的高效处理是最终实现餐厨垃圾无害化的关键所在。由于泔水有机质含量高达几万ｍｇ／Ｌ，氮磷等营养丰富，易被微生物降解，所以厌氧－好氧的组合工艺为最经济、实用的处理方法。查阅相关资料［５－１０］，本实验选用内循环厌氧反应器（ＩＣ）－气升式环流反应器（ＡＬＲ）的工艺处理去油脂泔水，以期为餐厨废水的设计和运行提供指导。１　试验材料与方法１１　餐厨垃圾废水的水质以苏州市洁净废植物油回收有限公司油水分离车间的去除油脂后的餐厨废水为研究对象，具体水质如表１所示。ＣＯＤ采用重铬酸钾法［１１］测定，ｐＨ值采用玻璃电极法［１１］测定，ＮＨ３Ｎ和ＴＰ采用分光光度法［１１］测定，挥发性有机酸（ＶＦＡ）采用滴定法［１２］测定。１２　试验装置及方法ＩＣ反应器置于恒温水浴箱中，水浴箱内温度通过温度传感器控制在３５±２℃，内径９０ｍｍ，总高１０７ｍｍ，总有效容积为６Ｌ。具体结构如图１所示。污水由蠕动泵从反应器底部泵入，处理后从上部溢流出水，产生的沼气通过水封瓶后排入大气。ＩＣ反应器每天进水６Ｌ，水力停留时间为１ｄ。ＡＬＲ反应器有效容积为７５Ｌ，结构见图２，用恒温加热棒控制在２９±２℃。曝气头置于导流筒内下部，曝气量大小由置于液体表面下的ＰＢ－６０７型溶解氧仪探头控制，通过阀门调节空压机曝气量，使表层液面的ＤＯ保持在１５～２０ｍｇ／Ｌ。表１　去油脂泔水水质　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１　Ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｄｅｇｒｅａｓｉｎｇｓｗｉｌｌｍｇ／ＬｐＨＣＯＤＣｒＮＨ３ＮＴＮＴＰＳＳＳＯ２－４Ｃｌ－３９６～４８４６６０００～１２２０００１２００～１５００２０００～４０００２００～３００８０００～１５０００２３２６～４５７６４１８４～７２４３　收稿日期：２０１３－０８－２６　基金项目：江苏省科技型企业技术创新资金项目（ＢＣ２０１１０９７）　作者简介：王　罕（１９８８—），男，硕士研究生，环境工程专业，ｅｐａｔ＿ｗｈａｎ＠１６３ｃｏｍ。　通讯作者：马三剑，教授，ｅｐａｔ＿ｍｓｊ＠１６３ｃｏｍ。　引文格式：王罕，孔祥成，刘欢贞，等．ＩＣ－ＡＬＲ工艺处理去油脂泔水实验［Ｊ］．桂林理工大学学报，２０１４，３４（２）：３６０－３６５．图１　ＩＣ反应器试验装置示意图Ｆｉｇ１　ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆＩＣｒｅａｃｔｏｒＡＬＲ为间歇运行方式，采用间歇运行的蠕动泵（运行２４０ｓ，间歇１５６０ｓ）将水样打入ＡＬＲ的底部，上部溢流出水，污泥随出水一起流入进水出水桶中。生化反应器的处理能力决定于微生物反应的速率，而其主要决定于生物体的数量和活性，传统的水处理生物反应器主要通过生物固定化、回流、膜的截留等方式来提高微生物的量，进而提高其处理的效能。而本试验ＡＬＲ运行过程中，主要通过生物竞争和筛选作用提高ＡＬＲ内生物的活性的方式来提高其处理效能，随出水带走的活性较差的污泥不再回流ＡＬＲ反应器中［１３］，反应器不持留污泥。通过时间继电器控制为曝气１００ｍｉｎ，间歇２０ｍｉｎ。保证蠕动泵进水时，反应器处于曝气阶段，避免在ＡＬＲ间歇期进水，影响污泥的沉降。１３　接种污泥实际工程中，直接投加市售的颗粒污泥启动厌氧反应器，费用很高；而采用纯消化泥启动，启动期较长，且人工费较高。所以，在条件允许时（附近的厌氧反应器可提供部分颗粒污泥），采用在消化污泥中加入部分颗粒污泥的混合污泥启动厌氧反应器，经济性较好，且启动期可以适当缩短。本试验中ＩＣ的接种污泥有两种：一是无锡市某柠檬酸企业处理废水的ＩＣ反应器内的颗粒污图２　ＡＬＲ反应器试验装置图Ｆｉｇ２　ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡＬＲｒｅａｃｔｏｒ泥，接种量为１Ｌ，污泥粒径为０８～１５ｍｍ，含水率为９０％，ＶＳＳ为４７３ｇ／Ｌ，ＴＳＳ为６８６ｇ／Ｌ；二是苏州新区污水厂浓缩池的厌氧絮状泥，接种量为２Ｌ。此外，在ＩＣ中加入少许颗粒活性炭，加快污泥的颗粒化。ＡＬＲ接种污泥取自苏州新区污水处理厂第二段氧化沟内，其ＭＬＳＳ约４０００ｍｇ／Ｌ。接种量为２５Ｌ。２　试验结果与讨论２１　ＩＣ处理餐厨垃圾废水２１１　有机物去除分析　第１天，先用啤酒和自来水配成ＣＯＤ浓度为１０００ｍｇ／Ｌ的水样，用蠕动泵泵入ＩＣ的底部以恢复污泥的活性。一般认为，厌氧反应器启动初期的负荷不应过高，且提升幅度不宜过大。但本试验中第２～５天，快速提升ＩＣ负荷到５ｋｇ／（ｍ３·ｄ），提升幅度为１ｋｇ／（ｍ３·ｄ），稳定３ｄ后，维持进水ＣＯＤ不变，逐渐在进水中加入少量去油脂泔水，并减少啤酒的量。第１３天停止加入啤酒，待ＩＣ的ＣＯＤ去除率超过８０％后，采用逐步提高进水ＣＯＤ的方式来提高负荷。具体运行效果见图３。ＩＣ采用先快速提升负荷，后稳定在５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）的方式可以使启动初期ＩＣ内微生物获得足够的养料，进而产生大量的沼气，强化传质，缩短启动周期；而且还可迅速洗出活性较差的细１６３第２期　　　　　　　　　　　　王　罕等：ＩＣ－ＡＬＲ工艺处理去油脂泔水实验图３　ＩＣ反应器有机物去除效果Ｆｉｇ３　ＯｒｇａｎｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆＩＣｒｅａｃｔｏｒ小污泥，使活性高的污泥沉淀在底部以便优先摄取进水中的营养物。此外，由于ＩＣ中接种了１／２有效容积的污泥，活性差的污泥洗出后，ＩＣ内仍有足够的污泥量处理有机物。据研究［１２，１４］，污泥颗粒化一般会在５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）形成，本试验快速提升到５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）后稳定１９ｄ，有利于污泥在稳定的水力条件下加快颗粒化的形成。可以看出，试验前７ｄ（纯啤酒培养期），ＩＣ的ＣＯＤ去除率不高，且波动很大，最高出水ＣＯＤ高达３４４０ｍｇ／Ｌ。这主要是由于接种污泥存放时间过长，活性较差及负荷提升过快造成的。第８～１２天，由于在进水中加入了泔水，进水有机组成改变，微生物降解有机物速率变慢，出水ＣＯＤ出现了短暂的陡升。随着进水中泔水的比例逐步上升，微生物逐渐适应了泔水的水质，出水ＣＯＤ缓慢下降。第１３～２３天，出水ＣＯＤ在一定波动后基本稳定在１２００ｍｇ／Ｌ左右，ＣＯＤ去除率也回升到７５％以上。其后小幅度提高进水ＣＯＤ至５６００和５９６０ｍｇ／Ｌ，每一负荷稳定３及５ｄ，出水ＣＯＤ进一步下降到８００ｍｇ／Ｌ以下，ＣＯＤ去除率升高到８５％左右，说明经过长期的驯化培养后，ＩＣ内的微生物已具有较高的活性，且已经适应了泔水的水质，有机物降解速率逐步加快，出水趋于稳定，启动期顺利完成。第３２天，ＩＣ进入负荷提升期。第３２～４９天，尽管进水负荷从６５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）逐步提升到１０２ｋｇ／（ｍ３·ｄ），但出水ＣＯＤ稳定在１４００ｍｇ／Ｌ以下，ＣＯＤ去除率上升到９０％左右。这可能是因为进水ＣＯＤ提高后，微生物获得足够的营养，沼气搅拌增强，强化传质，且ＩＣ在５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）下已经运行了１９ｄ，微生物具有了较强的抗冲击负荷的能力。而且，ＩＣ提升期，负荷提高幅度达到２０％，污泥颗粒化加快。颗粒污泥抗冲击负荷能力较强。负荷快速提升后，ＩＣ内产气量迅速增加，内循环作用增强，既强化了传质，又在一定程度上稀释了进水中的有毒物质，间接促进了有机物的降解。当有机负荷达到１２１ｋｇ／（ｍ３·ｄ），出水ＣＯＤ迅速增加到１７００ｍｇ／Ｌ。当进水ＣＯＤ达到２１１６６ｍｇ／Ｌ时，出水ＣＯＤ小幅度上升到１９５０ｍｇ／Ｌ左右，ＣＯＤ去除率稳定在９１％左右，反应器运行良好。当进水负荷提高到２５２ｋｇ／（ｍ３·ｄ），出水ＣＯＤ陡升到２６２０ｍｇ／Ｌ，且此负荷下运行６ｄ，出水ＣＯＤ一直维持在较高的水平。第７８天，出水ＣＯＤ达到最大值（３６２５ｍｇ／Ｌ），ＣＯＤ去除率也降低到８６％左右，此时出水ＶＦＡ升高到１５９ｍｍｏｌ／Ｌ，出水ｐＨ也降低到６６，出水桶液面上漂浮了大量的颗粒污泥。而且此时气液分离器内时常出现沸腾现象。由此判断ＩＣ处理泔水已经到达了极限负荷。所以不再提升负荷，此后进入稳定期。贺延龄［１２］认为当厌氧反应器达到极限负荷后进入稳定期时，宜将负荷降至原负荷的７５％左右，以缓解负荷的突然升高对厌氧系统造成的冲击。第８２天，将ＩＣ进水ＣＯＤ降至２０７ｇ／Ｌ左右，运行８ｄ后，出水ＣＯＤ逐步下降到２ｇ／Ｌ以下，ＣＯＤ去除率也稳步上升到９０％以上。说明负荷降低后，积累在ＩＣ内的抑制物质逐步随出水排出，解除了对污泥的抑制，恢复活性的微生物能及时降解有机物，ＣＯＤ去除率也随之升高。为探究ＩＣ处理泔水的最大有机负荷，第９０天决定提高进水ＣＯＤ至２２ｇ／Ｌ左右，运行１９ｄ。此阶段，出水ＣＯＤ在一段波动后依然稳定在１６００～２０００ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ去除率上升到９０％～９３％。说明泔水中有５％～８％的ＣＯＤ为难降解有机物，此时ＩＣ处理泔水已发挥了最大的效能，系统运行稳定。２１２　进出水ｐＨ值与出水ＶＦＡ浓度　图４为ＩＣ进出水ｐＨ及出水ＶＦＡ变化关系。启动初期，由于污泥活性差，泔水中含有大量的有机酸，且负荷提升过快，系统产酸作用明显，出水ｐＨ较低，第１～１３天，在４６～６４波动，出水ＶＦＡ在７６～１２５ｍｍｏｌ／Ｌ。此后，随着负荷稳定在５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）左右微生物逐步适应了泔水的２６３桂　林　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　２０１４年图４　ＩＣ进出水ｐＨ及出水ＶＦＡ变化关系Ｆｉｇ４　ｐＨａｎｄＶＦＡｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＩＣｒｅａｃｔｏｒ水质，出水ｐＨ及ＶＦＡ缓慢恢复到正常范围。启动期结束时，出水ｐＨ稳定在６５左右，出水ＶＦＡ也下降到６３ｍｍｏｌ／Ｌ。这说明，系统酸碱缓冲能力正逐步恢复，甲烷菌生长良好，能充分地降解进水中及产酸菌产生的有机酸。但总体上，进水ｐＨ仍高于出水ｐＨ。此后，随着负荷的快速提升，甲烷菌降解有机酸速率加快，第３２～４９天，出水ＣＯＤ基本保持稳定，此阶段出水ｐＨ进一步升高，第４１天，出水ｐＨ首次超过进水ｐＨ。第６５天，出水ｐＨ上升到８３。这主要是因为泔水中含氮有机物较多，负荷提升后，越来越多的有机氮在ＩＣ内通过厌氧氨化生成氨氮，这些氨氮除部分用于中和产酸菌产生的有机酸，剩余一部分可增加系统的碱度。当进水负荷达到２５２ｋｇ／（ｍ３·ｄ），出水ＣＯＤ出现了大幅度升高。且随着负荷的提高，泔水中对厌氧微生物有抑制作用的物质（如高浓度悬浮物，氨氮等）也逐渐在ＩＣ内